JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

In vivo Kwantificering van heupartrokinematica tijdens dynamische gewichtdragende activiteiten met behulp van dubbele fluoroscopie

Published: July 02, 2021
doi:
10.3791/62792
, ,
1Department of Orthopaedics,University of Utah, 2Scientific Computing and Imaging Institute,University of Utah, 3Department of Mechanical Engineering,University of Vermont, 4Department of Biomedical Engineering,University of Utah, 5Department of Physical Therapy,University of Utah

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

De procedures die in dit protocol worden beschreven, zijn goedgekeurd door de Institutional Review Board van de University of Utah. 1. CT arthrogram beeldvorming Arthrogram18 Plan een getrainde musculoskeletale radioloog om het arthrogram direct voorafgaand aan de geplande CT-beeldvorming uit te voeren. Plaats de deelnemer op de tafel met de heup van belang in het gezichtsveld van een klinische fluoroscoop. Plaats zandzakken aan weerszijden …

Representative Results

Met behulp van dubbele fluoroscopie als referentiestandaard werden de nauwkeurigheid van op huidmarkers gebaseerde schattingen van het heupgewrichtscentrum en het effect van wekedelenartefacten op kinematische en kinetische metingen gekwantificeerd22,23,24. De superieure nauwkeurigheid van dubbele fluoroscopie werd vervolgens gebruikt om subtiele verschillen in bekken- en heupgewrichtkinematica tussen patiënten met FAIS en asym…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , (2016).
  2. Singh, J. A., Yu, S., Chen, L., Cleveland, J. D. Rates of total joint replacement in the United States: Future projections to 2020-2040 using the national inpatient sample. Journal of Rheumatology. 46 (9), 1134-1140 (2019).
  3. . HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021)
  4. Ganz, R., Leunig, M., Leunig-Ganz, K., Harris, W. H. The etiology of osteoarthritis of the hip: An integrated mechanical concept. Clinical Orthopaedics and Related Research. 466 (2), 264-272 (2008).
  5. Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
  6. Frank, J. M., et al. Prevalence of femoroacetabular impingement imaging findings in asymptomatic volunteers: A systematic review. Arthroscopy – Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 31 (6), 1199-1204 (2015).
  7. Anderson, L. A., et al. The 2015 Frank Stinchfield Award: Radiographic Abnormalities Common in Senior Athletes With Well-functioning Hips but Not Associated With Osteoarthritis. Clinical Orthopaedics and Related Research. 474 (2), 342-352 (2016).
  8. Kapron, A. L., et al. Radiographic prevalence of femoroacetabular impingement in collegiate football players: AAOS exhibit selection. Journal of Bone and Joint Surgery – Series A. 93 (19), 1-10 (2011).
  9. Kapron, A. L., et al. The Prevalence of radiographic findings of structural hip deformities in female collegiate athletes. American Journal of Sports Medicine. 43 (6), 1324-1330 (2015).
  10. Garling, E. H., et al. Soft-tissue artefact assessment during step-up using fluoroscopy and skin-mounted markers. Journal of Biomechanics. 40, 18-24 (2007).
  11. Fuller, J., Liu, L. J., Murphy, M. C., Mann, R. W. A comparison of lower-extremity skeletal kinematics measured using skin-and pin-mounted markers. Human Movement Science. 16 (2-3), 219-242 (1997).
  12. Leardini, A., Chiari, A., Della Croce, U., Cappozzo, A. Human movement analysis using stereophotogrammetry Part 3. Soft tissue artifact assessment and compensation. Gait and Posture. 21 (2), 212-225 (2005).
  13. Peters, A., Galna, B., Sangeux, M., Morris, M., Baker, R. Quantification of soft tissue artifact in lower limb human motion analysis: A systematic review. Gait and Posture. 31 (1), 1-8 (2010).
  14. Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
  15. Miranda, D. L., Rainbow, M. J., Crisco, J. J., Fleming, B. C. Kinematic differences between optical motion capture and biplanar videoradiography during a jump-cut maneuver. Journal of Biomechanics. 46 (3), 567-573 (2013).
  16. Lin, C. C., Lu, T. W., Lu, H. L., Kuo, M. Y., Hsu, H. C. Effects of soft tissue artifacts on differentiating kinematic differences between natural and replaced knee joints during functional activity. Gait and Posture. 46, 154-160 (2016).
  17. Kessler, S. E., et al. A direct comparison of biplanar videoradiography and optical motion capture for foot and ankle kinematics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 199 (2019).
  18. Henak, C. R., et al. Computed tomography arthrography with traction in the human hip for three-dimensional reconstruction of cartilage and the acetabular labrum. Clinical Radiology. 69 (10), 381-391 (2014).
  19. Winter, D. A. . Biomechanics and motor control of human movement. , (2009).
  20. Camomilla, V., Cereatti, A., Vannozzi, G., Cappozzo, A. An optimized protocol for hip joint centre determination using the functional method. Journal of Biomechanics. 39 (6), 1096-1106 (2006).
  21. MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
  22. Fiorentino, N. M., et al. Accuracy of functional and predictive methods to calculate the hip joint center in young non-pathologic asymptomatic adults with dual fluoroscopy as a reference standard. Annals of Biomedical Engineering. 44 (7), 2168-2180 (2016).
  23. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Foreman, K. B., Anderson, A. E. In-vivo quantification of dynamic hip joint center errors and soft tissue artifact. Gait and Posture. 50, 246-251 (2016).
  24. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Bo Foreman, K., Anderson, A. E. Soft tissue artifact causes underestimation of hip joint kinematics and kinetics in a rigid-body musculoskeletal model. Journal of Biomechanics. 108, 109890 (2020).
  25. Atkins, P. R., et al. In vivo pelvic and hip joint kinematics in patients with cam femoroacetabular impingement syndrome: a dual fluoroscopy study. Journal of Orthopaedic Research. 38 (4), 823-833 (2020).
  26. Uemura, K., Atkins, P. R., Maas, S. A., Peters, C. L., Anderson, A. E. Three-dimensional femoral head coverage in the standing position represents that measured in vivo during gait. Clinical Anatomy. 31 (8), 1177-1183 (2018).
  27. Uemura, K., Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Hip rotation during standing and dynamic activities and the compensatory effect of femoral anteversion: An in-vivo analysis of asymptomatic young adults using three-dimensional computed tomography models and dual fluoroscopy. Gait and Posture. 61, 276-281 (2018).
  28. Atkins, P. R., et al. In vivo measurements of the ischiofemoral space in recreationally active participants during dynamic activities: a high-speed dual fluoroscopy study. American Journal of Sports Medicine. 45 (12), 2901-2910 (2017).
  29. Uemura, K., Atkins, P. R., Anderson, A. E. The effect of using different coordinate systems on in-vivo hip angles can be estimated from computed tomography images. Journal of Biomechanics. 95, 109318 (2019).
  30. Kapron, A. L., et al. Accuracy and feasibility of dual fluoroscopy and model-based tracking to quantify in vivo hip kinematics during clinical exams. Journal of Applied Biomechanics. 30 (3), 461-470 (2014).
  31. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. In-vivo hip arthrokinematics during supine clinical exams: Application to the study of femoroacetabular impingement. Journal of Biomechanics. 48 (11), 2879-2886 (2015).
  32. Roach, K. E., et al. In vivo kinematics of the tibiotalar and subtalar joints in asymptomatic subjects: a high-speed dual fluoroscopy study. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (9), 0910061-0910069 (2016).
  33. Roach, K. E., Foreman, K. B., Barg, A., Saltzman, C. L., Anderson, A. E. Application of high-speed dual fluoroscopy to study in vivo tibiotalar and subtalar kinematics in patients with chronic ankle instability and asymptomatic control subjects during dynamic activities. Foot and Ankle International. 38 (11), 1236-1248 (2017).
  34. Lenz, A. L., et al. Compensatory motion of the subtalar joint following tibiotalar arthrodesis: an in vivo dual-fluoroscopy imaging study. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 102 (7), 600-608 (2020).
  35. Wang, B. Accuracy and feasibility of high-speed dual fluoroscopy and model-based tracking to measure in vivo ankle arthrokinematics. Gait and Posture. 41 (4), 888-893 (2015).
  36. Challis, J. H., Pain, M. T. G. Soft tissue motion influences skeletal loads during impacts. Exercise and Sport Sciences Reviews. 36 (2), 71-75 (2008).
  37. Dumas, R., Jacquelin, E. Stiffness of a wobbling mass models analysed by a smooth orthogonal decomposition of the skin movement relative to the underlying bone. Journal of Biomechanics. 62, 47-52 (2017).
  38. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. Subject-specific patterns of femur-labrum contact are complex and vary in asymptomatic hips and hips with femoroacetabular impingement. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (12), 3912-3922 (2014).
  39. Fiorentino, N. M., et al. Soft tissue artifact causes significant errors in the calculation of joint angles and range of motion at the hip. Gait and Posture. 55, 184-190 (2017).
  40. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Subject-specific axes of rotation based on talar morphology do not improve predictions of tibiotalar and subtalar joint kinematics. Annals of Biomedical Engineering. 45 (9), 2109-2121 (2017).
  41. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Predicting tibiotalar and subtalar joint angles from skin-marker data with dual-fluoroscopy as a reference standard. Gait and Posture. 49, 136-143 (2016).
  42. Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
  43. Kolz, C. W., et al. Age-related differences in humerothoracic, scapulothoracic, and glenohumeral kinematics during elevation and rotation motions. Journal of Biomechanics. 117, 110266 (2021).

Tags

In Vivo Hip KinematicsDual FluoroscopyWhole Body Motion CaptureHip DegenerationPivot ActivitiesWalking DrillsInclined WalkingAbduction AdductionDynamic Hip Joint CenterStar ArchMarker Placement
check_url/62792?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy. J. Vis. Exp. (173), e62792, doi:10.3791/62792 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image