Dubbele fluoroscopie legt nauwkeurig in vivo dynamische beweging van menselijke gewrichten vast, die kan worden gevisualiseerd ten opzichte van gereconstrueerde anatomie (bijv. Artrokinematica). Hierin wordt een gedetailleerd protocol gepresenteerd om heupartrokinematica te kwantificeren tijdens gewichtdragende activiteiten van het dagelijks leven, inclusief de integratie van dubbele fluoroscopie met traditionele huidmarker motion capture.
Verschillende heuppathologieën zijn toegeschreven aan abnormale morfologie met een onderliggende aanname van afwijkende biomechanica. Structuur-functierelaties op gewrichtsniveau blijven echter een uitdaging om te kwantificeren vanwege problemen bij het nauwkeurig meten van dynamische gewrichtsbewegingen. De artefactfouten in zacht weefsel die inherent zijn aan optische huidmarker motion capture worden verergerd door de diepte van het heupgewricht in het lichaam en de grote massa zacht weefsel rond het gewricht. De complexe relatie tussen botvorm en kinematica van het heupgewricht is dus moeilijker nauwkeurig te bestuderen dan in andere gewrichten. Hierin wordt een protocol gepresenteerd met computertomografie (CT) arthrografie, driedimensionale (3D) reconstructie van volumetrische beelden, dubbele fluoroscopie en optische motion capture om de dynamische beweging van het heupgewricht nauwkeurig te meten. De technische en klinische studies die dubbele fluoroscopie hebben toegepast om vorm-functierelaties van de heup te bestuderen met behulp van dit protocol worden samengevat en de specifieke stappen en toekomstige overwegingen voor gegevensverzameling, verwerking en analyse worden beschreven.
Het aantal totale heupartroplastiek (THA) -procedures uitgevoerd bij volwassenen van 45-64 jaar die lijden aan heupartrose (OA) is tussen 2000 en 2010 meer dan verdubbeld1. Op basis van de toename van THA-procedures van 2000 tot 2014 voorspelde een recente studie dat het totale aantal jaarlijkse procedures de komende twintig jaar zou kunnen verdrievoudigen2. Deze grote toename van THA-procedures is alarmerend gezien het feit dat de huidige behandelingskosten alleen al in de Verenigde Staten jaarlijks meer dan $ 18 miljard bedragen3.
Ontwikkelingsdysplasie van de heup (DDH) en femoroacetabulair impingementsyndroom (FAIS), die respectievelijk een onder- of overbeperkte heup beschrijven, worden verondersteld de primaire etiologie van heup artrose4te zijn . De hoge prevalentie van deze structurele heupmisvormingen bij personen die THA ondergaan, werd aanvankelijk meer dan drie decennia geleden beschreven5. Toch is de relatie tussen abnormale heupanatomie en artrose niet goed begrepen. Een uitdaging voor het verbeteren van het werkbegrip van de rol van misvormingen bij de ontwikkeling van artrose van de heup is dat abnormale heupmorfologie veel voorkomt bij asymptomatische volwassenen. Met name hebben studies morfologie waargenomen geassocieerd met cam-type FAIS bij ongeveer 35% van de algemene bevolking6,83% van de senior atleten7en meer dan 95% van de collegiale mannelijke atleten8. In een andere studie van vrouwelijke collegiale atleten had 60% van de deelnemers radiografisch bewijs van cam FAIS en 30% had bewijs van DDH9.
Studies die een hoge prevalentie van misvormingen aantonen bij personen zonder heuppijn wijzen op de mogelijkheid dat morfologie die vaak wordt geassocieerd met FAIS en DDH een natuurlijke variant kan zijn die alleen onder bepaalde omstandigheden symptomatisch wordt. De interactie tussen heupanatomie en heupbiomechanica is echter niet goed begrepen. Met name zijn er bekende problemen met het meten van heupgewrichtsbewegingen met behulp van traditionele optische motion capture-technologie. Ten eerste bevindt het gewricht zich relatief diep in het lichaam, zodat de locatie van het heupgewrichtscentrum moeilijk is om zowel dynamisch te identificeren als te volgen met behulp van optische huidmarker motion capture, met fouten in dezelfde orde van grootte als de straal van de heupkop10,11. Ten tweede is het heupgewricht omgeven door grote weke delen, inclusief onderhuids vet en spieren, die bewegen ten opzichte van het onderliggende bot, wat resulteert in zacht weefselartefact12,13,14. Ten slotte wordt kinematica met behulp van optische tracking van huidmarkers geëvalueerd ten opzichte van gegeneraliseerde anatomie en geeft dus geen inzicht in hoe subtiele morfologische verschillen de biomechanica van het gewricht kunnen beïnvloeden.
Om het gebrek aan nauwkeurige kinematica in combinatie met onderwerpspecifieke botmorfologie aan te pakken, zijn zowel enkele als dubbele fluoroscopiesystemen ontwikkeld voor het analyseren van andere natuurlijke gewrichtssystemen15,16,17. Deze technologie is echter pas onlangs toegepast op het inheemse heupgewricht, waarschijnlijk vanwege de moeilijkheid om beelden van hoge kwaliteit te verkrijgen via het zachte weefsel rond de heup. De methodologie om de in vivo beweging van het heupgewricht nauwkeurig te meten en deze beweging weer te geven ten opzichte van de onderwerpspecifieke botanatomie wordt hierin beschreven. De resulterende artrokinematica bieden een ongeëvenaard vermogen om het subtiele samenspel tussen botmorfologie en biomechanica te onderzoeken.
Hierin zijn de procedures voor het verkrijgen en verwerken van dubbele fluoroscopiebeelden van de heup tijdens activiteiten van het dagelijks leven beschreven. Vanwege de wens om kinematica van het hele lichaam vast te leggen met optische markertracking tegelijkertijd met dubbele fluoroscopiebeelden, vereist het protocol voor gegevensverzameling coördinatie tussen verschillende gegevensbronnen. Kalibratie van het dubbele fluoroscopiesysteem maakt gebruik van plexiglasstructuren geïmplanteerd met metalen kralen die direct kunnen worden geïdentificeerd en gevolgd als markers. Dynamische botbewegingen worden daarentegen gevolgd met behulp van markerless tracking, waarbij alleen de op CT gebaseerde radiografische dichtheid van de botten wordt gebruikt om de oriëntatie te definiëren. Dynamische beweging wordt vervolgens tegelijkertijd gevolgd met behulp van dubbele fluoroscopie en motion capture-gegevens die ruimtelijk en temporeel worden gesynchroniseerd.
De systemen worden ruimtelijk gesynchroniseerd tijdens de kalibratie door gelijktijdige beeldvorming van een kubus met zowel reflecterende markers als geïmplanteerde metalen kralen en het genereren van een gemeenschappelijk coördinatensysteem. De systemen worden tijdelijk gesynchroniseerd voor elke activiteit of opname door het gebruik van een gesplitste elektronische trigger, die een signaal verzendt om de opname van de dubbele fluoroscopiecamera’s te beëindigen en een constante 5 V-ingang naar het motion capture-systeem onderbreekt. Dit gecoördineerde protocol maakt de kwantificering mogelijk van de positie van lichaamssegmenten die buiten het gecombineerde gezichtsveld van het duale fluoroscopiesysteem vallen, expressie van kinematische resultaten ten opzichte van ganggenormaliseerde gebeurtenissen en karakterisering van de vervorming van zacht weefsel rond het dijbeen en bekken.
Dubbele fluoroscopie is een krachtig hulpmiddel voor het onderzoek van in vivo kinematica, vooral voor de heup, die moeilijk nauwkeurig te meten is met behulp van traditionele optische motion capture. Fluoroscopie-apparatuur is echter gespecialiseerd, waarbij een unieke systeemopstelling nodig kan zijn bij het in beeld brengen van andere gewrichten van het menselijk lichaam. Er zijn bijvoorbeeld verschillende wijzigingen aangebracht in de montage van de beeldversterkers, de positionering van het systeem en de in…
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd ondersteund door de National Institutes of Health (NIH) onder subsidienummers S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de NIH.
Amira Software | ThermoFisher Scientific | Version 6.0 | |
Calibration Cube | Custom | 36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm) | |
Calibration Wand | Vicon | Active Wand | |
CT Scanner | Siemens AG | SOMATOM Definition 128 CT | |
Distortion Correction Grid | Custom | Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter) | |
Dynamic Calibration Plate | Custom | Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm) | |
Emitter (2) | Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services | Housing B-100/Tube A-142 | |
Epinephrine | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
FEBioStudio Software | FEBio.org | Version 1.3 | Mesh processing and kinematic visualization |
Graphical Processing Unit | Nvidia | Tesla | |
Hare Traction Splint | DynaMed | Trac-III, Model No. 95201 | |
High-speed Camera (2) | Vision Research, Inc. | Phantom Micro 3 | |
Image Intensifier (2) | Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services | T12964P/S | |
Iohexol injection | GE Healthcare | Omnipaque 240 mgI/mL | 517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL |
ImageJ | National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation | ||
Lidocaine HCl | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
Laser and Mirror Alignment System | Custom | Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier | |
Markless Tracking Workbench | Henry Ford Hospital, Custom Software | Custom | |
MATLAB Software | Mathworks, Inc. | Version R2017b | |
Motion Capture Camera (10) | Vicon | Vantage | |
Nexus Software | Vicon | Version 2.8 | Motion capture |
Phantom Camera Control (PCC) Software | Vision Research, Inc. | Version 1.3 | |
Pre-tape Spray Glue | Mueller Sport Care | Tuffner | |
Retroreflective Spherical Skin Markers | 14 mm | ||
Split Belt Fully Instrumented Treadmill | Bertec Corporation | Custom | |
Visual3D Software | C-Motion Inc. | Version 6.01 | Kinematic processing |