वीवो में दोहरी फ्लोरोस्कोपी का उपयोग करके गतिशील वजन-असर गतिविधियों के दौरान हिप आर्थ्रोकिनेमेटिक्स का मात्राकरण
Summary
दोहरी फ्लोरोस्कोपी मानव जोड़ों की वीवो गतिशील गति में सटीक रूप से कैप्चर करती है, जिसे पुनर्निर्मित शरीर रचना विज्ञान (जैसे, आर्थ्रोकिनेमेटिक्स) के सापेक्ष कल्पना की जा सकती है। इसके साथ, दैनिक जीवन की वजन-असर गतिविधियों के दौरान हिप आर्थ्रोकिनेमेटिक्स को निर्धारित करने के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है, जिसमें पारंपरिक त्वचा मार्कर मोशन कैप्चर के साथ दोहरी फ्लोरोस्कोपी का एकीकरण शामिल है।
Abstract
कई हिप विकृतियों को असामान्य आकृति विज्ञान के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है, जिसमें गुमराह बायोमैकेनिक्स की अंतर्निहित धारणा है। हालांकि, संयुक्त स्तर पर संरचना-कार्य संबंध गतिशील संयुक्त गति को सही ढंग से मापने में कठिनाइयों के कारण मात्रा निर्धारित करने के लिए चुनौतीपूर्ण बने हुए हैं। ऑप्टिकल त्वचा मार्कर गति पर कब्जा में निहित नरम ऊतक विरूपण साक्ष्य त्रुटियों शरीर के भीतर कूल्हे के जोड़ की गहराई और संयुक्त आसपास के नरम ऊतक के बड़े द्रव्यमान से बढ़ा रहे हैं । इस प्रकार, हड्डी के आकार और कूल्हे के जोड़ों के बीच जटिल संबंध अन्य जोड़ों की तुलना में सही अध्ययन करना अधिक कठिन है। इसके साथ ही, हिप ज्वाइंट की गतिशील गति को सही ढंग से मापने के लिए गणना टोमोग्राफी (सीटी) अर्थोग्राफी, त्रि-आयामी (3 डी) वॉल्यूमेट्रिक छवियों के पुनर्निर्माण, दोहरी फ्लोरोस्कोपी और ऑप्टिकल मोशन कैप्चर को शामिल करने वाला एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया गया है। इस प्रोटोकॉल का उपयोग करके कूल्हे के फॉर्म-फंक्शन संबंधों का अध्ययन करने के लिए दोहरी फ्लोरोस्कोपी लागू करने वाले तकनीकी और नैदानिक अध्ययनों को संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है, और डेटा अधिग्रहण, प्रसंस्करण और विश्लेषण के लिए विशिष्ट चरणों और भविष्य के विचारों का वर्णन किया गया है।
Introduction
हिप ऑस्टियोआर्थराइटिस (ओए) से पीड़ित 45-64 वर्ष की आयु के वयस्कों पर किए गए कुल हिप आर्थ्रोप्लास्टी (टीएचए) प्रक्रियाओं की संख्या २० और२०१० १के बीच दोगुनी से अधिक हो गई । 2000 से 2014 तक टीएचए प्रक्रियाओं में वृद्धि के आधार पर, हाल ही में हुए एक अध्ययन में भविष्यवाणी की गई थी कि अगले बीस वर्षोंमेंवार्षिक प्रक्रियाओं की कुल संख्या तीन गुना हो सकती है। ठा प्रक्रियाओं में ये बड़ी वृद्धि चिंताजनक है कि वर्तमान उपचार लागत अकेले संयुक्त राज्य अमेरिका में 18 अरब डॉलर सालाना से अधिकहै 3.
कूल्हे (डीडीएच) और फेमोरोएसेबुलर इम्प्लामेंट सिंड्रोम (एफएस) के विकासात्मक डिस्प्लेसिया, जो क्रमशः एक अंडर-या अधिक विवश कूल्हे का वर्णन करते हैं, को हिप ओए 4 का प्राथमिक एटियोलॉजी मानाजाताहै। ठा . के दौर से गुजर रहे व्यक्तियों में इन संरचनात्मक कूल्हे की विकृति की उच्च व्यापकता का वर्णन शुरू में तीन दशक से भी अधिक समय पहलेकियागया था । फिर भी असामान्य हिप एनाटॉमी और ऑस्टियोआर्थराइटिस के बीच संबंध अच्छी तरह से समझ में नहीं आता है। हिप ओए के विकास में विकृति की भूमिका की काम करने की समझ में सुधार करने के लिए एक चुनौती यह है कि असामान्य हिप आकृति विज्ञान स्पर्शोन्मुख वयस्कों के बीच बहुत आम है। विशेष रूप से, अध्ययनों में सामान्य आबादी के लगभग 35% में कैम-प्रकार एफएआई से जुड़ी आकृतिविज्ञान देखा गया है6,वरिष्ठ एथलीटों के 83%7,और 95% से अधिक मंडल पुरुष एथलीट8। महिला मंडल एथलीटों के एक अन्य अध्ययन में, 60% प्रतिभागियों के पास कैम ̈सई के रेडियोग्राफिक सबूत थे, और 30% के पास डीडीएच9के सबूत थे।
कूल्हे के दर्द के बिना व्यक्तियों के बीच विकृति की एक उच्च व्यापकता का प्रदर्शन करने वाले अध्ययन इस संभावना को इंगित करते हैं कि आमतौर पर एफएआई और डीडीएच से जुड़ी आकृति विज्ञान एक प्राकृतिक संस्करण हो सकता है जो केवल कुछ परिस्थितियों में रोगसूचक हो जाता है। हालांकि, हिप एनाटॉमी और हिप बायोमैकेनिक्स के बीच बातचीत अच्छी तरह से समझ में नहीं आती है। विशेष रूप से, पारंपरिक ऑप्टिकल मोशन कैप्चर तकनीक का उपयोग करके हिप संयुक्त गति को मापने के साथ कठिनाइयों को जाना जाता है। सबसे पहले, संयुक्त शरीर के भीतर अपेक्षाकृत गहरा है, जैसे कि कूल्हे के संयुक्त केंद्र का स्थान ऑप्टिकल स्किन मार्कर मोशन कैप्चर का उपयोग करके गतिशील रूप से पहचानना और ट्रैक करना मुश्किल है, जिसमें फीमोरल हेड10,11के त्रिज्या के समान परिमाण पर त्रुटियां होती हैं। दूसरा, कूल्हे का जोड़ बड़े नरम ऊतक थोक से घिरा हुआ है, जिसमें चमड़े के नीचे वसा और मांसपेशियों को शामिल किया गया है, जो अंतर्निहित हड्डी के सापेक्ष चलता है, जिसके परिणामस्वरूप नरम ऊतक विरूपण साक्ष्य12,13,14 होताहै। अंत में, त्वचा मार्कर की ऑप्टिकल ट्रैकिंग का उपयोग करके, काइनेमेटिक्स का मूल्यांकन सामान्यीकृत शरीर रचना विज्ञान के सापेक्ष किया जाता है और इस प्रकार यह अंतर्दृष्टि प्रदान नहीं करता है कि सूक्ष्म रूपात्मक मतभेद संयुक्त के बायोमैकेनिक्स को कैसे प्रभावित कर सकते हैं।
विषय-विशिष्ट अस्थि आकृति विज्ञान के संयोजन में सटीक काइनेमेटिक्स की कमी को दूर करने के लिए, अन्य प्राकृतिक संयुक्तप्रणालियों15, 16,17का विश्लेषण करने के लिए एकल और दोहरी फ्लोरोस्कोपी सिस्टम दोनों विकसित किए गए हैं। हालांकि, इस तकनीक को हाल ही में देशी कूल्हे संयुक्त करने के लिए लागू किया गया है, संभावना कूल्हे के आसपास के नरम ऊतक के माध्यम से उच्च गुणवत्ता वाली छवियों को प्राप्त करने में कठिनाई के कारण । वीवो हिप संयुक्त गति में सही ढंग से मापने और विषय-विशिष्ट अस्थि शरीर रचना विज्ञान के सापेक्ष इस गति को प्रदर्शित करने की पद्धति को यहां वर्णित किया गया है। परिणामस्वरूप आर्थ्रोकिनेमेटिक्स हड्डी आकृति विज्ञान और बायोमैकेनिक्स के बीच सूक्ष्म परस्पर क्रिया की जांच करने की एक अद्वितीय क्षमता प्रदान करते हैं।
इसके साथ ही, दैनिक जीवन की गतिविधियों के दौरान कूल्हे की दोहरी फ्लोरोस्कोपी छवियों को प्राप्त करने और प्रसंस्करण के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन किया गया है। दोहरी फ्लोरोस्कोपी छवियों के साथ एक साथ ऑप्टिकल मार्कर ट्रैकिंग के साथ पूरे शरीर की जानकारी पर कब्जा करने की इच्छा के कारण, डेटा संग्रह प्रोटोकॉल डेटा के कई स्रोतों के बीच समन्वय की आवश्यकता है । दोहरी फ्लोरोस्कोपी प्रणाली का अंशांकन धातु के मोतियों के साथ प्रत्यारोपित प्लेक्सीग्लास संरचनाओं का उपयोग करता है जिसे सीधे पहचाना जा सकता है और मार्कर के रूप में ट्रैक किया जा सकता है। इसके विपरीत, गतिशील अस्थि गति को मार्करलेस ट्रैकिंग का उपयोग करके ट्रैक किया जाता है, जो अभिविन्यास को परिभाषित करने के लिए हड्डियों के केवल सीटी-आधारित रेडियोग्राफिक घनत्व का उपयोग करता है। इसके बाद डायनेमिक मोशन को ड्यूल फ्लोरोस्कोपी और मोशन कैप्चर डेटा का उपयोग करके एक साथ ट्रैक किया जाता है जो स्थानिक और अस्थायी रूप से सिंक होते हैं।
सिस्टम को चिंतनशील मार्कर और प्रत्यारोपित धातु मोती और एक आम समन्वय प्रणाली की पीढ़ी के साथ एक घन के समवर्ती इमेजिंग के माध्यम से अंशांकन के दौरान स्थानिक रूप से सिंक किया जाता है। सिस्टम को प्रत्येक गतिविधि के लिए अस्थायी रूप से सिंक किया जाता है या एक स्प्लिट इलेक्ट्रॉनिक ट्रिगर के उपयोग के माध्यम से कैप्चर किया जाता है, जो दोहरी फ्लोरोस्कोपी कैमरों की रिकॉर्डिंग को समाप्त करने के लिए एक संकेत भेजता है और मोशन कैप्चर सिस्टम में लगातार 5 वी इनपुट को बाधित करता है। यह समन्वित प्रोटोकॉल शरीर के खंडों की स्थिति की मात्रा को सक्षम बनाता है जो दोहरी फ्लोरोस्कोपी प्रणाली के संयुक्त क्षेत्र से बाहर आते हैं, चाल-सामान्यीकृत घटनाओं के सापेक्ष कानेमेटिक परिणामों की अभिव्यक्ति, और फीमर और श्रोणि के आसपास नरम ऊतक विरूपण का लक्षण वर्णन।
Protocol
Representative Results
Discussion
दोहरी फ्लोरोस्कोपी वीवो काइनेमेटिक्स की जांच के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, विशेष रूप से कूल्हे के लिए, जो पारंपरिक ऑप्टिकल मोशन कैप्चर का उपयोग करके सटीक रूप से मापने के लिए मुश्किल है। हालांकि, फ्?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) द्वारा अनुदान संख्या S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925 के तहत समर्थित किया गया था। सामग्री पूरी तरह से लेखकों की जिम्मेदारी है और जरूरी नहीं कि एनआईएच के आधिकारिक विचारों का प्रतिनिधित्व करें।
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 |
References
- National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , (2016).
- 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).
- . HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021)
- 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).
- Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Winter, D. A. . Biomechanics and motor control of human movement. , (2009).
- 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).
- MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
- 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).
