인 비보 이중 불소시경을 이용한 동적 체중 베어링 활동 중 고관절 관절역학의 정량화
Summary
이중 형광법은 인간 관절의 생체 내 동적 모션에서 정확하게 캡처하며, 이는 재구성된 해부학(예를 들어, 관절역학)에 비해 시각화될 수 있다. 본 명세서에서는, 일상 생활의 체중 베어링 활동 중에 고관절 관절학을 정량화하는 상세한 프로토콜이 제시되고, 전통적인 피부 마커 모션 캡처와 이중 형광체의 통합을 포함한다.
Abstract
몇몇 고관절 병리학은 비정상적인 생체 역학의 근본적인 가정을 가진 이상한 형태에 기인했습니다. 그러나, 관절 수준의 구조 기능 관계는 동적 관절 움직임을 정확하게 측정하는 데 어려움으로 인해 정량화하기가 어렵다. 광학 피부 마커 모션 캡처에 내재된 연조직 유물 오류는 신체 내의 엉덩이 관절의 깊이와 관절을 둘러싼 연조직의 큰 질량에 의해 악화된다. 따라서, 뼈 모양과 엉덩이 관절 운동사이의 복잡한 관계는 다른 관절보다 정확하게 연구하기가 더 어렵다. 본 명세서에서, 고관절의 동적 움직임을 정확하게 측정하기 위해 컴퓨터 단층 촬영(CT) 관절 촬영, 체적 이미지의 3차원(3D) 재구성, 이중 형광체 및 광학 모션 캡처를 통합하는 프로토콜이 제시된다. 이 프로토콜을 사용하여 엉덩이의 형태 기능 관계를 연구하기 위해 이중 형광법을 적용한 기술 및 임상 연구가 요약되고 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 구체적인 단계 및 향후 고려 사항이 설명됩니다.
Introduction
고관절 관절염(OA)으로 고통받는 45~64세 성인을 대상으로 수행된 총 고관절 관절성형술(THA) 시술수는 2000년과 2010년1년사이에 두 배 이상 증가했다. 2000년부터 2014년까지 THA 절차가 증가함에 따라, 최근 연구에 따르면 향후20년동안 전체 연간 절차 수가 세 배가 될 수 있다고 예측했습니다. THA 절차의 이러한 큰 증가는 현재 처리 비용이 미국에서만 매년 180억 달러를 초과한다는 점을 고려하면놀랍습니다.
엉덩이의 발달 이형성증 (DDH) 및 femoacetabular 임파실 증후군 (FAIS), 각각 언더 또는 과도하게 제한 된 엉덩이를 기술, 엉덩이 OA4의주요 병인으로 추정 된다. THA를 겪고 있는 개별에 있는 이 구조적인 고관절 기형의 높은 보급은 처음에 3 년 전5이상 기술되었습니다. 여전히, 비정상적인 엉덩이 해부학과 골관절염 사이의 관계는 잘 이해되지 않습니다. 엉덩이 OA의 발달에 있는 기형의 역할의 작동 이해를 향상하기 위한 한 가지 도전은 비정상적인 엉덩이 형태가 무증상 성인 사이에서 아주 일반적이다는 것입니다. 특히, 연구는 일반 인구의 약 35 %에서 캠 형 FAIS와 관련된 형태를관찰했다 6,노인 선수의 83 %7,그리고 이상 95% 대학 남성 선수의8. 여성 대학 선수의 또 다른 연구에서, 참가자의 60%는 cam FAIS의 방사선 증거를 가지고, 30%는 DDH9의증거를 했다.
고관절 통증이없는 개인 들 사이에서 기형의 높은 보급을 보여주는 연구는 FAIS와 DDH와 일반적으로 관련되었던 형태학이 특정 조건하에서 만 증상이 되는 자연적인 이체일 지도 모르다는 가능성을 가리킵니다. 그러나, 고관절 해부학과 엉덩이 생체 역학 사이의 상호 작용은 잘 이해되지 않습니다. 특히 기존의 옵티컬 모션 캡처 기술을 사용하여 고관절 모션을 측정하는 데 어려움이 있습니다. 첫째, 관절은 신체 내에서 상대적으로 깊기 때문에 고관절 센터의 위치가 광학 피부 마커 모션 캡처를 사용하여 동적으로 식별 및 추적하기 어렵고, 대퇴골헤드(10)및11의반경과 동일한 크기의 오차가 있는 것을 식별및 추적하기가 어렵다. 둘째, 고관절은 피하 지방과 근육을 포함한 큰 연조직 벌크로 둘러싸여 있으며, 이는 기본 뼈에 비해 움직여 연조직 유물12,13,14의결과로 생긴다. 마지막으로, 피부 마커의 광학 추적을 사용하여, 운동학은 일반화 된 해부학에 비해 평가되므로 미묘한 형태적 차이가 관절의 생체 역학에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공하지 않습니다.
피사체별 뼈 형태와 함께 정확한 운동학의 부족을 해결하기 위해, 단일 및 이중 형광법 시스템은 다른 자연 관절시스템(15,16,17)을분석하기 위해 개발되었다. 그러나, 이 기술은 최근에 고관절을 둘러싼 연조직을 통해 고품질의 이미지를 획득하는 데 어려움이 있기 때문에, 토착 고관절에 만 적용되고 있다. 생체 내 고관절 운동을 정확하게 측정하고 피사체별 뼈 해부학에 비해 이러한 움직임을 표시하는 방법론은 본원에 기재되어 있다. 결과 관절 역학 뼈 형태와 생체 역학 사이의 미묘한 상호 작용을 조사하는 비교할 수없는 능력을 제공합니다.
본명, 일상생활의 활동 중 엉덩이의 이중 형광시경 영상을 획득 및 처리하는 절차가 설명되어 있다. 이중 형광법 이미지와 동시에 광학 마커 추적을 통해 전신 운동학을 캡처하려는 욕구 때문에 데이터 수집 프로토콜은 여러 데이터 소스 간의 조정이 필요합니다. 이중 형광체 시스템의 교정은 직접 식별하고 마커로 추적 할 수있는 금속 구슬로 이식 된 플렉시 유리 구조를 활용합니다. 반면 동적 골격 모션은 마커리스 트래킹을 사용하여 추적되며, 이는 골격의 CT 기반 방사선 밀도만 사용하여 방향을 정의합니다. 그런 다음 동적 모션은 공간적이고 시간적으로 동기화된 이중 형광검사 및 모션 캡처 데이터를 사용하여 동시에 추적됩니다.
시스템은 반사 마커와 이식된 금속 구슬과 공통 좌표 시스템의 생성을 모두 갖춘 큐브의 동시 이미징을 통해 교정 하는 동안 공간적으로 동기화됩니다. 시스템은 분할 전자 트리거를 사용하여 각 활동에 대해 일시적으로 동기화되거나 캡처되며, 이는 이중 형광검사 카메라의 레코딩을 종료하는 신호를 전송하고 모션 캡처 시스템에 상수 5V 입력을 방해합니다. 이러한 조정된 프로토콜은 이중 형광체 시스템의 결합된 시야 를 벗어난 신체 세그먼트의 위치, 걸음걸이 정규화 된 이벤트에 대한 운동 성 결과의 발현, 대퇴골과 골반 주위의 연조직 변형의 특성화를 가능하게합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이중 형광법은 생체 내 운동학, 특히 엉덩이의 경우 기존의 광학 모션 캡처를 사용하여 정확하게 측정하기 어려운 강력한 도구입니다. 그러나, 형광체 장비는 전문적이며, 인체의 다른 관절을 이미징할 때 고유한 시스템 설정이 필요할 수 있다. 예를 들어, 발목 운동학32,33,34,35의연구에 이중 형…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 보조금 번호 S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925에 따라 국립 보건 원 (NIH)에 의해 지원되었다. 콘텐츠는 전적으로 저자의 책임이며 반드시 NIH의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다.
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 |
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