In Vivo Kvantifiering av höftartrokinematics under dynamiska viktbärande aktiviteter med dubbla fluoroskopi

Summary

Dubbel fluoroskopi fångar noggrant in vivo dynamisk rörelse av mänskliga leder, som kan visualiseras i förhållande till rekonstruerad anatomi (t.ex. arthrokinematik). Häri presenteras ett detaljerat protokoll för att kvantifiera hip arthrokinematics under viktbärande aktiviteter i det dagliga livet, inklusive integration av dubbel fluoroskopi med traditionell hudmarkör rörelsefångst.

Abstract

Flera hip patologier har tillskrivits onormal morfologi med ett underliggande antagande av avvikande biomekanik. Struktur-funktion relationer på gemensamma nivå är dock fortfarande utmanande att kvantifiera på grund av svårigheter att noggrant mäta dynamiska gemensamma rörelse. Mjukvävnadsartefaktfelen som är inneboende i optisk hudmarkör rörelsefångst förvärras av djupet av höftleden i kroppen och den stora massan av mjukvävnad som omger leden. Således är det komplexa förhållandet mellan benform och höftledskinematik svårare att studera exakt än i andra leder. Häri presenteras ett protokoll som innehåller datortomografi (CT) arthrography, tredimensionell (3D) återuppbyggnad av volymetriska bilder, dubbla fluoroskopi och optisk rörelse fånga för att exakt mäta den dynamiska rörelsen i höftleden. De tekniska och kliniska studier som har tillämpat dubbel fluoroskopi för att studera höftens formfunktionsrelationer med hjälp av detta protokoll sammanfattas, och de specifika stegen och framtida övervägandena för datainsamling, bearbetning och analys beskrivs.

Introduction

Antalet totala höftledarplastik (THA) förfaranden utförs på vuxna i åldern 45-64 år lider av hip artros (OA) mer än fördubblades mellan 2000 och 2010¹. På grundval av de ökade THA-förfarandena från 2000 till 2014 förutspådde en nyligen genomförd studie att det totala antalet årliga förfaranden kan tredubblas under de kommande tjugo åren². Dessa stora ökningar av THA-förfaranden är alarmerande med tanke på att nuvarande behandlingskostnader överstiger $ 18 miljarder årligen bara i USA³.

Utvecklingsdysplasi av höften (DDH) och femoroacetabular impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- respektive överbegränsad höft, tros vara den primära etiologin av hip OA⁴. Den höga prevalensen av dessa strukturella höft missbildningar hos individer som genomgår THA beskrevs ursprungligen mer än tre decennier sedan⁵. Ändå är förhållandet mellan onormal höftanatomi och artros inte väl förstått. En utmaning för att förbättra arbetsförståelse av deformiteternas roll i utvecklingen av hip OA är att onormal höftmorfologi är mycket vanligt bland asymtomatiska vuxna. Särskilt studier har observerat morfologi i samband med cam-typ FAIS i cirka 35% av den allmänna^{befolkningen 6,}83% av senioridrottare⁷, och mer än 95% av kollegiala manliga idrottare⁸. I en annan studie av kvinnliga kollegiala idrottare hade 60% av deltagarna radiografi bevis på cam FAIS, och 30% hade bevis på DDH⁹.

Studier som visar en hög prevalens av missbildningar bland individer utan höftsmärta pekar på möjligheten att morfologi som ofta förknippas med FAIS och DDH kan vara en naturlig variant som bara blir symptomatisk under vissa förhållanden. Interaktionen mellan höftanatomi och höftbiomekanik är dock inte väl förstådd. Det finns särskilt kända svårigheter med att mäta höftledsrörelse med traditionell optisk rörelsefångstteknik. För det första är leden relativt djup inuti kroppen, så att placeringen av höftledscentret är svår att både identifiera och spåra dynamiskt med hjälp av optisk hudmarkörrörelsefångst, med fel i samma storleksordning som lårbenshuvudets^{radie 10,11}. För det andra är höftleden omgiven av stor mjukvävnad bulk, inklusive subkutant fett och muskler, som rör sig i förhållande till det underliggande benet, vilket resulterar i^{mjukvävnad artefakt 12,13,14}. Slutligen, med hjälp av optisk spårning av hudmarkörer, utvärderas kinematik i förhållande till generaliserad anatomi och ger därför inte insikt i hur subtila morfologiska skillnader kan påverka ledens biomekanik.

För att ta itu med bristen på korrekt kinematik i kombination med ämnesspecifik benmorfologi har både enkla och dubbla fluoroskopisystem utvecklats för att analysera andra naturliga ledsystem^15,16,17. Denna teknik har dock först nyligen tillämpats på den inhemska höftleden, sannolikt på grund av svårigheten att förvärva högkvalitativa bilder genom mjukvävnaden som omger höften. Metoden för att noggrant mäta in vivo hip gemensamma rörelse och visa denna rörelse i förhållande till ämnesspecifika ben anatomi beskrivs häri. Den resulterande arthrokinematics ger en oöverträffad förmåga att undersöka det subtila samspelet mellan benmorfologi och biomekanik.

Häri har förfarandena för att förvärva och bearbeta dubbla fluoroskopi bilder av höften under aktiviteter i det dagliga livet beskrivits. På grund av önskan att fånga helkropps kinematik med optisk markörspårning samtidigt med dubbla fluoroskopibilder kräver datainsamlingsprotokollet samordning mellan flera datakällor. Kalibrering av det dubbla fluoroskopisystemet använder plexiglasstrukturer implanterade med metallpärlor som direkt kan identifieras och spåras som markörer. Däremot spåras dynamisk benrörelse med hjälp av markörlös spårning, som endast använder den CT-baserade radiografitätheten hos benen för att definiera orientering. Dynamisk rörelse spåras sedan samtidigt med dubbla fluoroskopi- och rörelsefångsdata som synkroniseras rumsligt och tidsmässigt.

Systemen synkroniseras rumsligt under kalibreringen genom samtidig avbildning av en kub med både reflekterande markörer och implanterade metallpärlor och generering av ett gemensamt koordinatsystem. Systemen synkroniseras tidsmässigt för varje aktivitet eller fångas genom användning av en delad elektronisk utlösare, vilket skickar en signal för att avsluta inspelningen av de dubbla fluoroskopikamerorna och avbryter en konstant 5 V-ingång till rörelsefångssystemet. Detta samordnade protokoll möjliggör kvantifiering av positionen för kroppssegment som faller utanför det kombinerade synfältet för det dubbla fluoroskopisystemet, uttryck för kinematiska resultat i förhållande till gångnormaliserade händelser och karakterisering av mjukvävnadsdeformationen runt lårbenet och bäckenet.

Protocol

Förfaranden som beskrivs i detta protokoll godkändes av University of Utah Institutional Review Board. 1. CT arthrogram imaging Arthrogram18 Schemalägg en utbildad muskuloskeletal radiolog för att utföra artrogrammet direkt före den schemalagda CT-avbildningen. Placera deltagaren på bordet med höften av intresse för synfältet för ett kliniskt fluoroskop. Placera sandsäckar på vardera sidan av fotleden för att förhindra rotatio…

Representative Results

Med dubbla fluoroskopi som referensstandard kvantifierades noggrannheten hos hudmarkörbaserade uppskattningar av höftledens centrum och effekten av mjukvävnadsartefakt på kinematiska och kinetiskamätningar 22,23,24. Den överlägsna noggrannheten hos dubbel fluoroskopi användes sedan för att identifiera subtila skillnader i bäcken- och höftledskinematik mellan patienter med FAIS och asymtomatiska kontrolldeltagare<sup c…

Discussion

Dubbel fluoroskopi är ett kraftfullt verktyg för undersökning av in vivo kinematik, särskilt för höften, vilket är svårt att exakt mäta med traditionell optisk rörelsefångst. Fluoroskopiutrustning är dock specialiserad, där en unik systeminställning kan krävas vid avbildning av andra leder i människokroppen. Till exempel gjordes flera ändringar i monteringen av bildförstärkarna, positionering av systemet och inställningar av strålenergin vid applicering av dubbel fluoroskopi vid studier av f…

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