Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

In vivo Kvantificering af hip arthrokinematics under dynamiske vægtbærende aktiviteter ved hjælp af dual fluoroskopi

Published: July 2, 2021 doi: 10.3791/62792
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1,2,4,5
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

Dual fluoroskopi nøjagtigt indfanger in vivo dynamisk bevægelse af menneskelige led, som kan visualiseres i forhold til rekonstrueret anatomi (f.eks arthrokinematics). Heri præsenteres en detaljeret protokol til kvantificering af hip arthrokinematics under vægtbærende aktiviteter i dagligdagen, herunder integration af dobbelt fluoroskopi med traditionel hudmarkørbevægelsesoptagelse.

Abstract

Flere hoftepatologier er blevet tilskrevet unormal morfologi med en underliggende antagelse af afvigende biomekanik. Strukturfunktionsrelationer på fælles plan er dog fortsat udfordrende at kvantificere på grund af vanskeligheder med præcist at måle dynamisk fælles bevægelse. De bløde væv artefakt fejl iboende i optisk hud markør motion capture forværres af dybden af hofteleddet i kroppen og den store masse af blødt væv omkring leddet. Således er det komplekse forhold mellem knogleform og hofteled kinematik vanskeligere at studere præcist end i andre led. Heri præsenteres en protokol, der inkorporerer computertomografi (CT), tredimensionel (3D) rekonstruktion af volumetriske billeder, dobbelt fluoroskopi og optisk bevægelsesoptagelse for nøjagtigt at måle hofteleddets dynamiske bevægelse. De tekniske og kliniske undersøgelser, der har anvendt dual fluoroskopi til at studere form-funktion relationer af hoften ved hjælp af denne protokol er opsummeret, og de specifikke trin og fremtidige overvejelser for dataindsamling, behandling og analyse er beskrevet.

Introduction

Antallet af samlede hoftegdyr (THA) procedurer udført på voksne i alderen 45-64 år, der lider af hofte slidgigt (OA) mere end fordoblet mellem 2000 og 20101. Baseret på stigningerne i THA-procedurerne fra 2000 til 2014 forudsagde en nylig undersøgelse, at det samlede antal årlige procedurer kan tredobles i løbet af de næste tyve år2. Disse store stigninger i THA procedurer er alarmerende i betragtning af, at de nuværende behandlingsomkostninger overstiger $18 milliarder årligt i USA alene3.

Udviklingsmæssig dysplasi i hoften (DDH) og femoroacetabular impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- eller over-begrænset hofte, henholdsvis, menes at være den primære ætiologi af hofte OA4. Den høje forekomst af disse strukturelle hoftedeformiteter hos personer , der gennemgår THA, blev oprindeligt beskrevet for mere end tre årtier siden5. Stadig, forholdet mellem unormal hofte anatomi og slidgigt er ikke godt forstået. En udfordring at forbedre den arbejdsforståelse af deformiteternes rolle i udviklingen af hip OA er, at unormal hoftemorfologi er meget almindelig blandt asymptomatiske voksne. Især, undersøgelser har observeret morfologi forbundet med cam-type FAIS i ca 35% af den almindelige befolkning6,83% af senior atleter7, og mere end 95% af kollegiale mandlige atleter8. I en anden undersøgelse af kvindelige kollegiale atleter, 60% af deltagerne havde radiografiske beviser for cam FAIS, og 30% havde tegn på DDH9.

Undersøgelser, der viser en høj forekomst af deformiteter blandt personer uden hoftesmerter, peger på muligheden for, at morfologi, der almindeligvis er forbundet med FAIS og DDH, kan være en naturlig variant, der kun bliver symptomatisk under visse forhold. Men samspillet mellem hofte anatomi og hofte biomekanik er ikke godt forstået. Især er der kendte vanskeligheder med at måle hip led bevægelse ved hjælp af traditionel optisk motion capture teknologi. For det første er leddet relativt dybt inde i kroppen, således at placeringen af hofteleddets centrum er vanskelig at både identificere og spore dynamisk ved hjælp af optisk hudmarkørbevægelsesoptagelse med fejl i samme størrelsesorden som femurhovedets radius10,11. For det andet er hofteleddet omgivet af store bløde vævs bulk, herunder subkutant fedt og muskler, der bevæger sig i forhold til den underliggende knogle, hvilket resulterer i blødt væv artefakt12,13,14. Endelig, ved hjælp af optisk sporing af hudmarkører, kinematik evalueres i forhold til generaliseret anatomi og dermed ikke giver indsigt i, hvordan subtile morfologiske forskelle kan påvirke biomekanikken i leddet.

For at afhjælpe manglen på nøjagtige kinematik i kombination med emnespecifik knoglemorfologi er der udviklet både enkelt- og dobbelt fluoroskopisystemer til analyse af andre naturlige fællessystemer15,16,17. Men denne teknologi er først for nylig blevet anvendt til den indfødte hofte fælles, sandsynligvis på grund af vanskelighederne med at erhverve billeder af høj kvalitet gennem det bløde væv omkring hoften. Metoden til præcist at måle in vivo hofteled bevægelse og vise denne bevægelse i forhold til emnespecifik knogleanatomi er beskrevet heri. Den resulterende arthrokinematics giver en enestående evne til at undersøge den subtile samspil mellem knogle morfologi og biomekanik.

Heri er procedurerne for erhvervelse og behandling af dobbelte fluoroskopibilleder af hoften under daglige aktiviteter blevet beskrevet. På grund af ønsket om at fange helkrops kinematik med optisk markørsporing samtidig med to fluoroskopibilleder kræver dataindsamlingsprotokollen koordinering mellem flere datakilder. Kalibrering af det dobbelte fluoroskopisystem anvender plexiglasstrukturer implanteret med metalliske perler, der direkte kan identificeres og spores som markører. I modsætning hertil spores dynamisk knoglebevægelse ved hjælp af markørløs sporing, som kun bruger den CT-baserede radiografiske tæthed af knoglerne til at definere orientering. Dynamisk bevægelse spores derefter samtidigt ved hjælp af dual fluoroskopi og motion capture data, der er rumligt og tidsmæssigt synkroniseret.

Systemerne synkroniseres rumligt under kalibrering gennem samtidig billeddannelse af en terning med både reflekterende markører og implanterede metalperler og generering af et fælles koordinatsystem. Systemerne synkroniseres tidsmæssigt for hver aktivitet eller optagelse ved hjælp af en split elektronisk udløser, som sender et signal til at afslutte optagelsen af de dobbelte fluoroskopi kameraer og afbryder en konstant 5 V input til motion capture system. Denne koordinerede protokol muliggør kvantificering af positionen af kropssegmenter, der falder uden for det kombinerede synsfelt af det dobbelte fluoroskopisystem, udtryk for kinemtiske resultater i forhold til gang-normaliserede hændelser og karakterisering af det bløde væv deformation omkring lårbenet og bækkenet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Procedurer, der er skitseret i denne protokol, blev godkendt af University of Utah Institutional Review Board.

1. CT arthrogram billeddannelse

  1. Arthrogram18
    1. Planlæg en uddannet muskuloskeletal radiolog til at udføre arthrogrammet direkte før den planlagte CT-billeddannelse.
    2. Placer deltageren på bordet med hoften af interesse i synsfeltet af et klinisk fluoroskop. Placer sandsække på hver side af anklen for at forhindre rotation af ben og hofte.
    3. Forbered huden til at skabe et sterilt miljø. Marker det sted, hvor nålen vil blive indsat (lårben hoved-hals junction) og bedøve det bløde væv på injektionsstedet med 2-5 mL af 1% lidokain.
    4. Der fremstilles en opløsning på 20 mL 1 % lidokain, 10 mL i iohexol-injektion og 0,1 mL 1 mg/mL (1:1000) adrenalin i en 30 mL luerlåssprøjte.
    5. To til fem minutter efter lidokain injektion, indsætte en spinal nål lige indtil det kontakter lårbenshals; kontrollere nålens placering ved fluoroskopi. Injicer en lille mængde af den forberedte opløsning (<5 mL) og sørg for, at den injicerede væske er indeholdt i ledkapslen med et billede fra fluoroskopi.
    6. Indsprøjt 20-30 mL af kontrastblandingen. Når der observeres yderligere modstand mod injektionen, skal du have et studieholdsmedlem til manuelt at anvende trækkraft på hoften ved at trække i deltagerens ankel, mens deltageren griber bordets hovedgærde for at modstå overkroppens bevægelse. Indsprøjt den resterende kontrastblanding, alt efter hvad der er relevant.
    7. Kontroller ved fluoroskopi, at kontrastmidlet fylder det fælles rum og dækker lårbenet, når trækkraften påføres.
    8. Overfør patienten til CT-scanneren i kørestol eller seng for at minimere tab af kontrast i ledkapslen.
  2. Trækkraft og CT-billeddannelse
    1. Hjælp deltageren i en liggende stilling på CT-portalen.
    2. Placer haren trækkraftskinne enhed under benet af interesse, at sikre, at den proksimale polstret bar hviler bare distal til ischium. Fastgør krogen og løkkestropperne rundt om deltagerens lår og ankel, og påfør let trækkraft.
    3. Erhverve en spejder billede og indstille synsfeltet til at omfatte hele bækken og proksimale lårben til lige under de mindre trochanter for hofterne. Indstil et separat synsfelt til at omfatte de distale lårben og proksimale skinneben til knæene.
    4. Påfør ekstra trækkraft (har et medlem af forskerholdet trække på anklen, mens en anden strammer remmen af haren trækkraft skinne) for at sikre adskillelse af det fælles rum. Erhverve billeder på 120 kVp, 1,0 mm skive tykkelse, 200 - 400 mAs for hoften og 120 kVp, 3,0 mm skive tykkelse, og 150 mAs for knæene. Brug CARE Dose, en automatiseret eksponeringskontrol, der modulerer rørstrøm i henhold til billedkvaliteten, for at minimere strålingsbyrden for deltageren.
    5. Slip og fjern haren trækkraftskinne enhed. Hjælpe deltageren til en stående stilling og sikre, at de føler sig trygge ved at lægge vægt og være mobil på lemmerne, før de tillader dem at forlade.

2. Dobbelt fluoroskopibilleddannelse

  1. Systemopsætning
    1. Anvend antropometrics19 at estimere højden af hofteleddet baseret på deltagerens rapporterede højde og bruge denne måling til at estimere den ønskede højde af midten af synsfeltet af systemet.
    2. Placer billedet forstærkere ca 50 ° fra hinanden på siden af det instrumenterede løbebånd svarende til hoften af interesse (Figur 1).
    3. Placer røntgenudledere, der skal peges mod billedforstærkerne. Sørg for, at afstanden mellem udlederkilden og billedforstærkernes ansigt er ca. 100-110 cm.
      BEMÆRK: Den anbefalede afstand mellem udlederkilden og billedforstærkernes ansigt varierer afhængigt af systemspecifikationen og kollimatoren i røntgenudlederen.
    4. Forbind midten af billedforstærkerens ansigt og den tilsvarende røntgenudleder af hvert fluoroskoppar ved hjælp af strenge eller målebånd. Kontroller, at strengene (eller båndene) krydser på det ønskede sted (dvs. i den forventede placering af hofteleddet).
    5. Fastgør pladen med tre lasere til emitteren og spejlet til billedforstærkeren. Tænd lasere og forfin tilpasningen af hver emitter og billede intensivere baseret på afspejling af lasere tilbage til laserkilden.
  2. Kalibreringsbilleder
    1. Forbered dig på brug af stråling ved at iføre sig bly og placere skiltning på indgangene til rummet. Minimer eksponeringen ved at have personale slidbeskyttelse, der omfatter en blyvest, nederdel, handsker og briller. Tænd fluoroskoperne og lad systemerne varme op efter behov.
    2. For alle kalibreringsbilleder skal fluoroskoperne indstilles til 64 kVp og 1,4-1,6 mAeller som ellers ønsket.
    3. Åbn kameraets kontrolsoftware på computeren, og vælg de relevante kameraer som slave og master. Brug ekstern synkronisering til masterkameraet fra slavekameraet til at synkronisere de to kameraer.
      BEMÆRK: For alle optagede aktiviteter skal du gemme de samme rammer fra begge to fluoroskopikameraer; rammer identificeres med et tal, der repræsenterer antallet af rammer forud for det elektroniske udløsersignal.
    4. Kontroller justeringen af systemet ved at anbringe en cirkulær metal skive til midten af billedet intensivere og fastgørelse af trådkors armaturet til emitteren.
      BEMÆRK: Når justeringen er bekræftet, er det vigtigt at undgå at kontakte systemet.
    5. Fastgør plexiglasgitteret til en af billedforstærkerne ved hjælp af skruer. minimere den kraft, der anvendes i denne proces for at undgå at ændre justeringen. Erhverve fluoroskopi billeder og gemme 100 billedrammer fra hver dobbelt fluoroskopi kamera af nettet. Fjern gitteret, og gentag processen for den anden billedforstærker.
    6. Placer 3D kalibreringskuben i det kombinerede synsfelt af de to fluoroskoper. For at gøre dette skal du placere kuben på en skammel eller platform, der er radiotranslucent og visuelt kontrollere, at de fleste eller alle terningen er inden for synsfeltet. Orient terningen således, at kalibrering perler ikke overlapper hinanden for enten dual fluoroskopi kamera visning. Hent billeder, og gem 100 billedrammer i kuben.
    7. Før du flytter kuben, skal du måle og registrere den omtrentlige placering af kubens oprindelse fra hver udleder ved hjælp af kubens koordinatsystem. Fjern kuben og en tilhørende platform.
    8. Mål og registrere afstanden mellem udlederkilden og billedforstærkerens ansigt for hvert fluoroskop.
    9. Fastgør beaded plexiglas til en lang stang eller lineal med et gummibånd og flytte det tilfældigt for at give bevægelser, der spænder hele synsfeltet af systemet. Sørg for, at forskningspersonalet er opmærksom på strålings- og slidbeskyttelsens vej for at minimere eksponeringen (se trin 2.2.1). Gem 100 billedrammer i bevægelsen.
    10. Nulstil det billedur, der bruges til at spore eksponeringstiden.
  3. Statisk trial og justering af parametre
    1. Mål højden på den større trochanter for at sikre, at systemhøjden er passende for deltageren.
      1. Palpate låret for at finde den benede fremtrædende plads i den større trochanter og finde det mest overlegne punkt, som det er muligt.
      2. Da den overlegne større trochanter er omtrent i samme højde som hofteleddet, måles højden fra gulvet til dette punkt og sammenligner den med den højdeestimering, der bruges til at oprette det dobbelte fluoroskopisystem.
      3. Hvis det er nødvendigt, skal du justere systemhøjden og kalibrere, mens deltageren forberedes til datafangst.
    2. Gør deltageren bekendt med fluoroskopisystemet og informere dem om, at de skal underrette forskerholdet, hvis de kommer i kontakt med noget af udstyret under billedsessionen, da kontakt med systemet påvirker nøjagtigheden af deres data negativt.
    3. Få deltageren til at træde ind på løbebåndet og stå inden for synsfeltet af det dobbelte fluoroskopisystem. Kontroller deltagerjusteringen fra hver udleders perspektiv, og noter dig denne holdning ud fra perspektivet om, hvor hvert medlem af forskerholdet vil stå eller sidde under billeddannelse.
    4. Estimere billeddiagnostiske parametre (kVp og mA for hver udleder og eksponeringen af de dobbelte fluoroskopikameraer) baseret på deltagerens body mass index (BMI) og indstil hvert fluoroskop i overensstemmelse hermed.
      BEMÆRK: For den refererede kohorte varierede fluoroskopiindstillingerne fra 78 til 104 kVp og 1,9-3,2 mA med kameraeksponeringer på 4,5-7,0 ms.
    5. Få billeder af deltageren under stående og vurdere billederne for kontrast og synsfelt.
      BEMÆRK: Øget kVp er forbundet med øget røntgenspredning (øger støj og reducerer kontrast), lavere billedopløsning og lavere kontrast.
    6. Juster parametrene og/eller deltagerjusteringen, og gentag billedopsamlingen efter behov.
    7. Gem 100 billeder af de endelige billeder, der skal bruges som en statisk prøveversion.
  4. Dynamiske forsøg (Figur 2)
    1. Før starten af dual fluoroskopi billeddannelse, har deltageren gå en kendt afstand, mens der times. Brug dette til at bestemme den selvvalgte ganghastighed for både niveau og hældning gå på løbebåndet.
    2. Har deltageren don en blyeret skjoldbruskkirtlen krave til at beskytte skjoldbruskkirtlen.
    3. Under dynamiske opkøb, har forskeren bemanding den dobbelte fluoroskopi kamera kontrol på dual fluoroskopi arbejdsstation skridt bag bly skjold og se deltageren gennem vinduet af skjoldet (Figur 3).
    4. For udførelsen af alle gangforsøg:
      1. Informer deltageren, inden løbebåndets bælte påbegyndes. Rampe hastigheden af løbebåndet op til den relevante ganghastighed og lad deltagerens gangart normalisere før indsamling af billeder.
      2. For hver gangaktivitet skal du erhverve og gemme mindst to fulde gangcyklusser.
      3. For den skrå gangaktivitet skal deltageren træde ud af løbebåndet. Lås løbebåndet op, sæt hældningen op til 5°,og lås løbebåndet igen, før deltageren træder tilbage på løbebåndet for at udføre aktiviteten.
      4. Gentag billeddannelsen, så aktiviteten registreres to gange.
      5. Den samme proces (trin 2.4.4.3) gentages for at sænke løbebåndet, når aktiviteten er afsluttet.
    5. For pivotaktiviteterne:
      1. Få deltageren til at rotere sin kropsposition og fødder ca. 45° fra forsiden af løbebåndet modsat af pivotretningen. Hvis det ønskes, skal du sørge for, at hver fod er placeret helt på et enkelt bælte af dobbeltbælte løbebånd for at muliggøre enkel behandling af kraftpladedata.
      2. Få deltageren til at udføre flere pivots til og fra deres slutfelt af bevægelse, mens du ser for justeringen af bækkenet i slutningen af bevægelsesområdet. Sørg for, at bevægelsen udføres problemfrit, da pivot ikke kræver acceleration for at opnå den endelige position.
      3. Baseret på placeringen af bækkenet i slutningen vifte af bevægelse, har deltageren rotere og / eller oversætte deres fødder, således at bækkenet vender fremad på løbebåndet og hoften af interesse er i midten af det kombinerede synsfelt af fluoroskoper i slutningen af pivot.
      4. Når positionen er optimeret, har deltageren udføre pivot under dual fluoroskopi billeddannelse og gemme alle rammer, hvor lårbenet og bækkenet er synlige i både dobbelt fluoroskopi kameravisninger (ca. 200-400 billeder) centreret om slutningen vifte af bevægelse, indfange så meget af omdrejningspunktet som muligt.
      5. Gentag billeddannelsen, så aktiviteten registreres to gange.
    6. For bortførelse-adduction aktivitet:
      1. Få deltageren til at stå i synsfeltet af fluoroskoperne og hæve benet af interesse ca. 45 ° ud til deres side. Mind deltageren om at undgå torso bevægelse og reducere vifte af bevægelse, hvis det er nødvendigt.
      2. Erhverve og gemme alle rammer, hvor lårbenet og bækkenet er synlige i både dual fluoroskopi kameravisninger (ca. 200-400 billeder).
      3. Gentag billeddannelsen, så aktiviteten registreres to gange.
    7. Til det dynamiske hofteledcenter eller stjernebueaktivitet20
      1. Få deltageren til at stå i synsfeltet for det dobbelte fluoroskopisystem og hæve og sænke benet for meget og ved 45° trin på 180°, der slutter med en bageste stigning og underdel af deres ben. Før du placerer benet ned på jorden igen, skal deltageren omskære benet og vende tilbage til en stående stilling.
    8. Når deltageren er fortrolig med bevægelsen og kan fuldføre den i ca. 6-8 s, erhverve og gemme billeder af aktiviteten.
      BEMÆRK: Kun én aktivitet opfanges med dobbelt fluoroskopi på grund af forsøgets længde.
  5. Yderligere kalibreringsbilleder
    1. Hvis på noget tidspunkt under dataindsamlingen, mener deltageren, at de kan have været i kontakt med nogen del af det fluorskopiske udstyr, billede gitre og terning og gemme alle filerne til kalibrering.
    2. Når dataindsamlingen er afsluttet, skal du afbilde gitrene og kuben og gemme alle filer til kalibrering for at fungere som en sikkerhedskopi, hvis der opstår problemer med den indledende kalibrering.

3. Hud markør motion capture og instrumenteret løbebånd

  1. Systemopsætning
    1. Fokuser det optiske bevægelsesopsamlingssystem på løbebåndet (Figur 3). På grund af de potentielle problemer med visualisering af deltageren, mens der i synsfeltet af dobbelt fluoroskopi system, være parat til præcist at placere de infrarøde kameraer for at sikre præcis visualisering (Figur 2).
    2. Tænd for systemet og brug et sæt markører for at sikre, at det dobbelte fluoroskopisystem ikke forhindrer visualisering af det ønskede synsfelt.
    3. Kontroller, at mærkerne er klare og cirkulære, og juster fokus på de infrarøde kameraer efter behov.
    4. Sørg for, at fluoroskoperne er dækket for at reducere eventuelle reflekterende overflader. Gennemgå hvert infrarødt kamera, og masker kameravisningen, hvis de reflekterende objekter ikke kan dækkes.
    5. Konfigurer motion capture-softwaren til at læse i et eksternt 5 V-signal fra den elektroniske udløser, der bruges til at afslutte kameraets erhvervelse af det dobbelte fluoroskopisystem. Brug denne udløser til at synkronisere dataene fra de to systemer tidsmæssigt.
  2. Kalibrering
    1. Når systemet er tændt og klar, skal du bruge den aktive kalibreringsstav til samtidig at kalibrere de optiske og infrarøde bevægelsesoptagelseskameraer. Sørg for, at hele området i det dobbelte fluoroskopisystem fanges grundigt under kalibreringen, samtidig med at du undgår kontakt med udstyr.
      BEMÆRK: Wand bevægelser, der ligner kaste mad i en stegepande har fungeret godt.
    2. På grund af de forhindringer, der forårsages af det dobbelte fluoroskopisystem, kan kalibreringsværdierne være værre end normalt observeret for optisk bevægelsesoptagelse. Udfør kalibreringen, så alle infrarøde kameraer har billedfejl mindre end 0,2.
      BEMÆRK: Billedfejlen for videokameraet vil være højere, men stadig mindre end 0,5. Videokameraet bruges ikke specifikt til nogen kvantificering af bevægelse, kun til visuel optagelse af bevægelsesoptagelsen.
    3. Under erhvervelsen af terning forsøg for dual fluoroskopi, også fange terningen med motion capture infrarøde kameraer. Sørg for, at terningen har reflekterende markører fastgjort til det for den position, der skal afbildes med kameraer fra både motion capture og dual fluoroskopi systemer.
  3. Markeringssæt og placering
    1. Før deltagerens ankomst skal du klippe og anvende dobbeltsidet tape (toupeetape) til bunden af 21 sfæriske reflekterende hudmarkører. For at sikre markørernes levetid skal du sørge for, at båndet eller huden ikke kommer i kontakt med de reflekterende markører.
    2. For hver af de fem markørplader (to på skaftet, to på låret, en på bagsiden; Figur 4), påfør spraylim på stofremmens hudside og pak den tæt rundt om deltageren. Kontroller med deltageren, at stropperne føles stramme (men ikke ubehagelige). Rengør hænderne på overskydende spraylim, før du klæber resten af markeringssættet.
    3. Påfør fem markører, der kun anvendes til kalibrering, på kravebenet, mediale knæ, og mediale malleoli, henholdsvis.
    4. Påfør de resterende 16 markører på de forreste overlegne iliaca pigge (ASIS), bageste overlegne iliac pigge (PSIS), større trochanter af lårbenet bliver afbildet, skuldre, brystben, laterale knæ, laterale malleoli, og fødder (Figur 4).
    5. Bed deltageren om at informere undersøgelsesholdet, hvis markører eller stropper løsnes under datafangsten.
  4. Statisk prøveversion
    1. I forbindelse med den statiske stående retssag fra dual fluoroskopi, fange en stående retssag for motion capture.
    2. Mærk alle markører. Hvis nogen markører ikke er synlige af mindst tre infrarøde kameraer under den erhvervede statiske aktivitet, skal du generhverve et statisk billede for at sikre, at alle markører er synlige.
    3. Fjern kalibreringsmarkørerne, og lad deltageren donere en skjoldbruskkirtelhalsbånd til at yde strålingsbeskyttelse i resten af dataindsamlingen.
  5. Dynamiske forsøg
    1. For hver af de dynamiske forsøg fanget med dobbelt fluoroskopi system, erhverve motion capture video, sikre, at hele hver dobbelt fluoroskopi video er inden for rammerne af motion capture erhvervelse.
    2. Sørg for, at bruddet i 5 V-signalet fra den elektroniske udløser af det dobbelte fluoroskopisystem opfanges i hvert forsøg.

4. Forbehandling af billeder

  1. CT-baseret model
    1. Segmenter det proksimale og distale lårben på siden af interesse og hele bækkenet, da disse knogler bruges til sporing og / eller koordinere systemgenerering.
    2. Sørg for, at segmenteringerne er repræsentative for knogleformen i alle tre billedplan og fremstår relativt glatte.
      BEMÆRK: Evnen til at analysere arthrokinematics er afhængig af at opnå rekonstruktioner af høj kvalitet gennem omhyggelig segmentering.
    3. Konverter billeddataene til usigneret tegn (8 bit), og juster efter behov med forskydning og skalering for at producere et billede med et interval på 0 til 255.
    4. Isoler kun knogleområdet i det konverterede billede og beskæres omkring knoglens grænser. Registrer dimensionerne af de beskårne billeder.
    5. Gem som 2D TIFF-format.
    6. Åbn billedet, skift typen til 16-bit, og gem det som en enkelt 3D TIFF-fil.
  2. Overfladerekonstruktion
    1. Generer overflader fra segmenteringsetiketterne, glat og decimere overfladerne iterativt, hvilket sikrer, at ansigterne aldrig reduceres med mere end halvdelen i en enkelt iteration.
      BEMÆRK: Ved hjælp af den beskrevne proces er måltallet af ansigter ca. 30.000 for hver proksimalt og distal lårbensoverflade og 70.000 for hver hemi-bækkenoverflade.
    2. Eksporter hver overflade som et overfladenet i *.vtk-format til brug som modelfil til identifikation af landemærke.
  3. Skelsættende identifikation af koordinatsystemet
    1. Identificer lårbenets vartegn for generering af lårkoordinatsystemet (Figur 5).
      BEMÆRK: Nedenstående parametre er specifikke for de datasæt, der refereres til, og billeddiagnoseprotokollerne. det kan være nødvendigt at ændre værdierne for at vælge landemærkerne korrekt.
      1. Åbn det proksimale lårben som en modelfil. Åbn værktøjslinjen Post og panelet Data for at tilføje et standardfelt med 1-Princ-krumning, vælge en glathed på 10, og visualiser derefter resultatet. Over vælg ansigterne på lårhovedet, og brug indstillingen vælg område fra panelet Rediger til kun at omfatte negativ krumning. Fjern markeringen af udvalgte ansigter, der ikke tilhører lårhovedet. Eksporter denne lårbenshovedoverflade som et overfladenet i *.k-format for en kugle, der passer til at bestemme midten af lårhovedet.
      2. Ved hjælp af en lignende proces, anvende 1-Princ krumning til distale lårben med glathed af 5 og igen vælge område til kun at omfatte ansigter med negativ krumning. Eksporter denne lårbenskondyle overflade for en cylinder, der passer til at bestemme den mediale laterale akse.
      3. Påfør 2-Princ krumning på det distale lårben ved hjælp af en glathed på 3. Fremhæv højderyggene på epicondyles og vælg rækkevidde ved hjælp af en øvre cut-off på -0,1. Eksporter disse ansigter for at generere et fly og bruge det til at isolere ansigterne på de bageste kondyler til cylinderen pasform.
    2. Identificer bækkenets landemærker til generering af bækkenkoordinatsystemet (Figur 5).
      BEMÆRK: Nedenstående parametre er specifikke for de datasæt, der refereres til, og billeddiagnoseprotokollerne. det kan være nødvendigt at ændre værdierne for at vælge landemærkerne korrekt.
      1. For hver hemi-bækken, anvende 2-Princ krumning med en glathed på 5 og vælg rækkevidde til kun at omfatte positive ansigter til at isolere lunate overfladen af acetabulum. Eksporter lunate overfladen og bruge en kugle passer til at bestemme midten af acetabulum.
      2. Re-anvende 2-Princ krumning med en glathed på 2 og vælg alle ansigter med krumning mindre end -0,15 at fremhæve rygsøjler i bækkenet. Vælg punkter på kanten af disse pigge, der bedst repræsenterer ASIS og PSIS som vartegn og registrere dem.

5. Sporing af knoglebevægelse

  1. Kalibrering
    1. Identificere 12 perler i hvert af terningbillederne fra de dobbelte fluoroskopikameraer (indsamlet i trin 2.2.6). Baseret på de kalibrerede afstande mellem hver af terningens perler og målingerne af terningens placering i det dobbelte fluoroskopisystem bestemmer du den rumlige orientering af hvert fluoroskop gennem minimering af sum-of-squares projektionsfejlen mellem de forventede og kendte perleplaceringer.
    2. Brug gitterbillederne til at rette for billedforvrængning og anvende rettelsen på alle billeder, der er knyttet til det pågældende gitterbillede.
    3. Brug bevægelsesbillederne til at kvantificere systemets dynamiske nøjagtighed og bruge markørbaseret sporing til at spore det.
  2. Markørløs sporing
    1. Tilføj placeringen af de valgte landemærker til den knoglespecifikke parameterfil, og saml den dynamiske placering af disse landemærker i det dobbelte fluoroskopisystem som output for alle sporede rammer.
    2. Bestem de rammer, der skal spores (baseret på kinemtiske data fra motion capture, se trin 6.1.2) og åbne den markørløse sporingssoftware med den tilknyttede knoglespecifikke parameterfil.
    3. Vælg en ramme inden for det ønskede område med god visualisering af knoglen, og manuelt orientere CT-baserede digitalt rekonstruerede røntgenbillede (DRR) af knoglen af interesse (enten den proksimale lårben eller hemi-bækken) ved hjælp af de seks frihedsgrader til rådighed i softwaren (Figur 6).
      BEMÆRK: Da de fleste forsøg begynder i en position svarende til stående, kan denne udgangsposition sandsynligvis bruges som et første udgangspunkt for alle forsøg.
    4. Når knoglen er korrektjusteret i begge visninger, skal du gemme løsningen ved at klikke på knappen Manuel i panelet Løsninger.
      BEMÆRK: Hver gang en løsning gemmes, afbildes orienteringsparametrene og den normaliserede krydskorrelationskoefficient til reference. Den normaliserede krydskorrelationskoefficient beregnes ud fra alle pixels med ikke-nulværdier for både fluoroskopet og knogle-DRR'erne.
    5. Anvend dhssian search -optimeringstrinnet (Diagonal Hessian Search) ved at klikke på DHS-knappen i panelet Løsninger og gennemse resultatet. Hvis det optimerede resultat foretrækkes, skal du gå over til den næste ramme. Ellers skal du foretage de nødvendige justeringer og gemme igen ved at klikke på knappen Manuel i panelet Løsninger. Gentag dette trin, indtil der er fundet en tilfredsstillende løsning.
      BEMÆRK: I tilfælde af dårlig billedkontrast giver optimeringsalgoritmen muligvis ikke altid et tilfredsstillende resultat.
    6. For hver femte ramme skal du gentage denne proces ved hjælp af løsningen til den forrige ramme som udgangspunkt. Brug DHS-optimeringen til at automatisere processen.
    7. For at fuldføre det første sporpas skal du bruge et andet værktøj, der interpolerer via lineær projektion (LP) og optimerer løsninger mellem de sporede rammer ved at klikke på knappen Rækkevidde af LP + DHS i panelet Løsninger. Angiv det sæt rammer, der skal spores, og de to rammer, der skal bruges til reference, i vinduet .
      BEMÆRK: De to referencerammer kan være alle rammer i det identificerede sæt rammer. Brugen af den første og sidste ramme giver dog grænser for orienteringen af knoglerne inden for rammeområdet, hvilket kan være gavnligt, når kontrasten er lav.
    8. Gennemgå og forfin hver ramme i forsøget ved hjælp af både manuelle og DHS-baseredeløsninger. Brug plottet af parametre til at sikre, at korrelationskoefficienten er tilstrækkelig høj, og at knoglens orientering ikke har pludselige spring i nogen parameter.
    9. For at sikre præcis sporing, har en anden forsker gennemgå løsningen for hver ramme og foretage de nødvendige ændringer af løsningerne.
    10. Gentag trin 5.2.1-5.2.9 for hver knogle.
  3. Visualisering af bevægelse
    1. Åbn lårbens- og bækkenoverfladerne i softwaren til kinematisk visualisering. Konverter om nødvendigt overfladerne til masker ved hjælp af konverter til maskefunktion. Vælg begge overflader, og eksporter som overflademaske i *.k-format.
    2. Ved hjælp af outputtet fra sporing skal du generere en tekstfil med koordinattransformationerne for hver knogle og ramme.
      BEMÆRK: Rækkefølgen af overfladerne skal svare til rækkefølgen af transformationerne.
    3. Til visualisering af kinematik skal du bruge kinematværktøjet og de to ovennævnte filer fra trin 5.3.1 og 5.3.2 til at animere kinematik. Kontroller, at de animerede kinematik ser fornuftige ud, og at overfladerne har passende afstand mellem dem ved hjælp af enten en halvgennemsigtig overflade eller overfladeafstandsværktøjet. Hvis det er nødvendigt, vende tilbage til trin 5.2.8.

6. Dataanalyse

  1. Hudmarkør kinematik
    1. I motion capture-softwaren skal du batchbehandle alle filer for at anvende de statiske model- og etiketmærker. Når forsøget er afsluttet, fjerne eventuelle umærkede baner.
      BEMÆRK: På grund af forhindringerne i det dobbelte fluoroskopisystem kan der være behov for mere manuel hulfyldning end normalt.
    2. Brug kinematik- og kraftpladedata til at identificere dynamiske hændelser, f.eks. tå-off eller hælstrejke under gangart eller maksimalt bevægelsesområde til drejeaktiviteter. Bestem rammerne for sporing af to fluoroskopidata.
    3. Eksporter alle forsøgsdata til kinematisk behandling i *.c3d-format, herunder både analoge data (dvs. trigger- og kraftpladedata) og markørbaner.
    4. Anvend den ønskede modelskabelonfil (gemt som *.mdh-filformat) på den statiske prøveversion, og tildel derefter denne model til bevægelsesfilerne.
      BEMÆRK: Til analyse blev der anvendt en underekstremitetsmodel med en generaliseret International Society of Biomechanics (ISB) hoved-mave-thorax (HAT) segment og CODA bækkenet, en bækkensegmentmodel defineret af de to ASIS og midten af PSIS-landemærkerne.
  2. Kinematik med dobbelt fluoroskopi
    1. Isoler interesserammer, hvilket sikrer, at kun sammenhængende rammer, der spores til både lårbenet og bækkenet, er inkluderet.
    2. Filtrer landemærkepositioner ved hjælp af et lowpass Butterworth-filter (0,12 normaliseret skæringsfrekvens fra restanalyse og 4. ordrefilter).
    3. Brug landemærkernes filtrerede positioner i hvert bevægelsesforsøg til at spore lårbenskoordinatsystemets dynamiske position (Figur 5).
      1. Definer lårbenet oprindelse som kugle-fit centrum af lårbenet hovedet.
      2. Definer lårbenet z-akse (ringere-overlegen akse) mellem midten af knæet og oprindelsen, peger overlegent.
      3. Definer lårbenet x-aksen (mediale-laterale akse) som den lange akse af en cylinder monteret på lårben kondyles, peger til venstre. For at isolere området af kondyllerne, der skal repræsenteres med en cylinder, skal du passe et fly til epicondyle overflader og isolere den bageste del af lårbenskondyllerne.
      4. Definer lårbenet y-aksen (forreste-posterior) som krydsprodukt af de definerede z- og x-akser, der peger posteriorly. Ret x-aksens retning for at oprette et ortogonalt koordinatsystem.
    4. Brug landemærkernes filtrerede positioner i hver bevægelsesprøve til at spore bækkenkoordinatsystemets dynamiske position (Figur 5).
      1. Definer bækkenets oprindelse som centrum for de to ASIS-landemærker.
      2. Definer bækken y-aksen (forreste-posterior akse) mellem midten af de to PSIS landemærker og oprindelsen, peger anteriorly.
      3. Definer bækken x-aksen (mediale-laterale akse) mellem oprindelsen og højre side ASIS vartegn, der peger til højre.
      4. Definer bækkenet z-akse (inferior-superior akse) som krydsprodukt af de definerede x- og y-akser, der peger overlegent. Ret x-aksens retning for at oprette et ortogonalt koordinatsystem.
    5. Generer rotationsmatrixen mellem koordinatsystemerne, og beregn fælles kinematik pr. MacWilliams og kollegernes ligning 11 (figur 7)21.
    6. Beregn fælles oversættelser ved at omdanne vektorafstanden mellem kuglens fit-centre i lårhovedet og acetabulumets lunateoverflade til bækkenkoordinatsystemet.
      BEMÆRK: Dette giver en enkelt vektor til at repræsentere fælles oversættelse for hver billedramme.
  3. Arthrokinematics
    1. Visualiser kinematik som beskrevet i trin 5.3 for at animere emnespecifikke arthrokinematics (Figur 8).
    2. Anvende datafeltet for overfladeafstand for at måle afstande mellem lårbenet og bækkenets overflader under hver dynamisk aktivitet (Figur 8).
      BEMÆRK: Disse data giver også kvantificering af den relative afstand mellem fælles overflader, men kræver fortolkning for at kvantificere fælles oversættelse.
    3. Eksporter afstand fra overflade til overflade ved hjælp af overfladeafstandsværktøjet for at kvantificere data på tværs af alle deltagere.
  4. Sammenligning med bevægelsesfange med hudmarkør
    1. Ved hjælp af terning billeder og udløse fra hver bevægelse retssag, rumligt og tidsmæssigt synkronisere dobbelt fluoroskopi og motion capture systemer.
    2. Transformér de landemærkede steder, der bruges til bevægelsesfangst af hudmarkører (dvs. ASIS, PSIS, kondyler) fra det markørløse sporingskoordinatsystem til motion capture-koordinatsystemet.
    3. Kombiner disse data med markørplaceringerne fra bevægelsesfangst og import af hudmarkører til kinematisk og kinetisk analyse og rapportering. Juster analysen for at udnytte enten dobbelt fluoroskopi eller hudmarkør steder for hvert vartegn og sammenligne vartegn steder og kinematik mellem de to systemer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjælp af dobbelt fluoroskopi som referencestandard blev nøjagtigheden af hudmarkørbaserede skøn over hofteleddets centrum og effekten af bløddelsartefakt på kinematiske og kinetiske målinger kvantificeret22,23,24. Den overlegne nøjagtighed af dual fluoroskopi blev derefter brugt til at identificere subtile forskelle i bækken og hofte led kinematik mellem patienter med FAIS og asymptomatiske kontrol deltagere25. Dual-fluoroskopi-baserede arthrokinematics blev analyseret for at kvantificere hofteled dækning, forholdet mellem morfologi og kinematik, og knogle-til-knogle afstande under dynamiske bevægelser26,27,28,29.

Før du udviklede en protokol til undersøgelse af vægtbærende hofteled kinematik, blev systemet valideret i kadaveriske prøver med implanterede metalperler under liggende kliniske eksamener med en nøjagtighed inden for 0,5 mm og 0,6 °30. Når valideret, kinematik under kliniske undersøgelser blev målt ved hjælp af dobbelt fluoroskopi hos patienter med FAIS og asymptomatiske kontrol deltagere. Resultaterne viste, at patienterne havde ændret bevægelse i både intern rotation og adduction31.

Ved hjælp af vægtbærende dobbelt fluoroskopi som referencestandard blev fejlen ved at identificere placeringen af hofteledcentret samt fejlene forårsaget af bløddelsartefakt derefter direkte analyseret. Funktionelle metoder til at identificere hofteleddet center, dvs stjerne-bue bevægelse, blev identificeret til at være mere præcis end prædiktive, skelsættende-baserede metoder med fejl på 11,0 og 18,1 mm, henholdsvis32. Dynamiske fejl i hofteleddet center lignede dem fra stående; dog blev yderligere 2,2 mm falsk hofteledcenterbevægelse tilskrevet blødt vævsartefakt med fejl på mere end 5 cm under dynamisk bevægelse for den større trochantermarkør23.

Ud over fejlene i identifikationen af hofteleddets centrum blev fælles vinkler undervurderet med mere end 20° i indre-eksterne rotations pivots23. Mens undervurderingen af kinematik giver anledning til bekymring i sig selv, reducerede disse fejl det målte bevægelsesområde og beregnede kinetiske variabler under selv et lavt udvalg af bevægelsesaktiviteter, såsomgangart 24. Men nøjagtige dual fluoroskopi kinematiske data kan være vanskelige at indarbejde i muskuloskelettale modeller. Specifikt var modelmarkørfejl ca. 1 cm, når der blev kørt inverse kinematik med dobbelt fluoroskopibaserede vartegn. Mens denne fejl er relativt lille i forhold til de 5 cm fejl på grund af blødt væv artefakt fundet for hud markør motion capture data, en sådan fejl er en størrelsesorden større end knogle positioner målt ved dobbelt fluoroskopi.

Ud over kvantificeringen af fejl i traditionel hudmarkørbevægelsesoptagelse giver nøjagtigheden og metoden bag dobbelt fluoroskopi mulighed for at vurdere selv subtile forskelle i kinematik mellem kohorter, som ellers kan være skjult af måleteknikkens fejl. Mens forskelle i hofteled kinematik ikke blev observeret mellem patienter med cam FAIS og asymptomatiske kontrol deltagere, forskelle i bækken kinematik, der ville have været vanskeligt at opdage i overværelse af blødt væv artefakt blev identificeret25. Denne vurdering krævede direkte sammenligning mellem kohorter. Desuden blev det potentielle forhold mellem kinematisk variation og knoglemorfologi, såsom lår anteversion, også undersøgt27. Disse resultater viste behovet for overvejelse af både morfologi og biomekanik i diagnosticering af hoftepatologier og planlægning af konservative eller kirurgiske behandlinger.

En stor forhindring i brugen af biomekaniske data i en klinisk pleje indstilling er forskellen i koordinatsystemer, der anvendes af biomekanikere og klinikere. I et biomekaniklaboratorium drives de landemærker, der bruges til at definere lårbenets og bækkenets koordinatsystemer, af evnen til at identificere og spore landemærkerne fra hudoverfladen under dynamisk bevægelse. I modsætning hertil defineres kirurgiske koordinatsystemer ved hjælp af benede landemærker, der kan identificeres under operationen med en patient, der ligger eller er tilbøjelige. Den direkte sporing af lårbenet og bækkenet i dobbelt fluoroskopi gjorde det muligt at vurdere indflydelsen af forskellige koordinatsystemdefinitioner på kinematisk output29. Forskellene mellem koordinatsystemdefinitioner resulterede i kinemmatiske forskydninger på over 5°. Disse forskydninger var imidlertid relativt konsekvente under bevægelse og kunne redegøres for gennem benget skelsættende identifikation.

Kombinationen af emnespecifik knoglemorfologi og kinematik — arthrokinematics — giver en fælles vurdering af form og funktion. For patienter med DDH, lårben underdækning menes at være årsag til degeneration, og derfor, målinger af dækning anvendes stærkt i diagnose og kirurgisk planlægning. Desværre er disse målinger ofte begrænset til statiske billeder, opnået med en individuel liggende, og kun i to dimensioner. Dobbelt fluoroskopi-afledt arthrokinematics blev brugt til direkte at måle variationen i femmoral dækning under dynamiske aktiviteter26. Vigtigere, stærke sammenhænge mellem dækning i stående og dækning under gangart når evalueret i helhed blev fundet. Men regionaliseret dækning varierede for både forreste og bageste regioner af lårhovedet, selv i holdningsfasen af gangart.

Ekstra-artikulær impingement er en årsag til smerter i hoften og det omkringliggende område og beskriver unormal kontakt mellem lårbenet og regioner i bækkenet uden for acetabulum, herunder ischium og forreste ringere iliac rygsøjlen. Den dynamiske karakter af ischiofemoralske impingement blev evalueret ved sammenligning af kliniske MR-baserede målinger af ischiofemoralum og målinger under dynamiske aktiviteter28. Deri blev nedsat plads observeret dynamisk i forhold til de kliniske standardforanstaltninger; kønsbaserede forskelle, som ikke kunne tilskrives kinematiske forskelle, blev også identificeret. Disse metoder kan også anvendes til at evaluere det fælles rum dynamisk, hvilket giver indsigt i variationen af femurhovedets position i acetabulum og variationen på tværs af patientkohorter (Figur 8).

Figure 1
Figur 1: Overhead visning af dobbelt fluoroskopi system placeret over instrumenteret løbebånd for en venstre hofte. Systemet er placeret for at minimere effekten af scatter og maksimere synsfeltet. Billedforstærkerne er placeret ca. 100-110 cm fra udlederens kilde og vinklet 50° fra hinanden. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Udsigt fra den kontralaterale (højre) side af en deltager under dynamiske aktiviteter. Deltageren er placeret mellem de to billedforstærkere (II), således at synsfeltet for det dobbelte fluoroskopisystem er centreret over venstre hofteled. Niveau og hældning gå, interne og eksterne rotation pivots, og vifte af bevægelsesaktiviteter udføres på et løbebånd platform. Forkortelse: FHJC = funktionel hofteled center. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Overhead visning af bevægelsesopsamlingssystemet i forhold til det dobbelte fluoroskopisystem. Det optiske motion capture-system indeholder 10 infrarøde kameraer og et enkelt videobaseret kamera og er placeret på en ramme, der hænger fra loftet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Forreste og bageste visning af det markørsæt, der anvendes til bevægelsesfange af hudmarkører. Der er fem plader med fire markører hver, som er placeret på bagsiden, lårene og skafter af deltagerne; alle andre markører påføres direkte på huden. Kalibreringsmarkører fjernes for dynamisk bevægelsesoptagelse. Mærkeetiketter, der er forordet med et R- eller L-mærke, angiver markører i højre eller venstre side af kroppen. markøretiketter, der er suffikset med henholdsvis S, L, R, I, A eller P, angiver markørplaceringer på en markørplade, der specifikt er overlegen, henholdsvis venstre, højre, ringere, forreste eller posterior. Forkortelser: *SHO = skulder; CLAV = centrum af kraveben; STRN = bunden af brystbenet; BACK_* = markører af plade placeret på lænden; * ILC = iliac crest; * ASI = forreste overlegen iliac rygsøjlen; * PSI = posterior overlegen iliac rygsøjlen; GRT_TRO = større trochanter; *THI_* = markører for de respektive plader placeret på låret; * KNE_M = mediale lårben kondyle (knæ); * KNE_L = lateral lårben kondyle (knæ); *TIB_* = markører for de respektive plader placeret på skaftet (skinneben); * ANK_M = mediale malleolus (ankel); * ANK_L = lateral malleolus; *5TH = femte metatarsophalangeal fælles; *TOE = første metatarsophalangeal fælles; *HEE = calcaneus (hæl). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Lårbens- og bækkenets landemærker og koordinatsystemer. Landemærker af bilaterale forreste overlegen iliac rygsøjlen (ASIS; magenta) og bageste overlegen iliac rygsøjlen (PSIS; cyan) og deres midtpunkter bruges til at definere koordinatsystemet af bækkenet. Midten af lårhovedet (orange) og bilaterale lårbenskondyler (grøn), deres midtpunkt og en cylinder passer til kondylerne bruges til at definere lårbenets koordinatsystem (vist for venstre lårben). Den tredje akse i hver knogle bestemmes ud fra krydsproduktet af de to viste akser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: Dobbelt fluoroskopi billeder og tilhørende markørløs sporing af en venstre hofte. Billeder vises for maksimal rotation af de eksterne og interne rotation pivots (midten), med billedet fra det forreste fluoroskop (venstre) og det bageste fluoroskop (højre). Markerless tracking løsninger til bækkenet (top) og lårben (nederst) for hver dobbelt fluoroskopi billede. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Dobbelt fluoroskopi målt kinematik. Kinematik for 100 rammer omkring den maksimale rotation (lodret prikket linje) af eksterne og interne rotation pivots for en repræsentativ deltager. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8: Arthrokinematics-baseret overfladeafstand mellem et venstre hemi-bækken og lårben. Arthrokinematics er vist for maksimal rotation af den eksterne og interne rotation pivot (center) med respektive knoglemodeller målt med dobbelt fluoroskopi (ydre). Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dual fluoroskopi er et kraftfuldt værktøj til undersøgelse af in vivo kinematik, især for hoften, som er vanskelig at måle præcist ved hjælp af traditionel optisk bevægelsesoptagelse. Men fluoroskopi udstyr er specialiseret, hvori et unikt system setup kan være påkrævet, når billeddannelse andre led i den menneskelige krop. For eksempel blev der foretaget flere ændringer til montering af billedforstærkere, positionering af systemet og indstillingerne af stråleenergien i anvendelsen af dobbelt fluoroskopi til undersøgelse af ankel kinematik32,33,34,35. Ud over at kræve betydelig undersøgelsesforberedelse kræver dobbelt fluoroskopi erhvervelse af yderligere data, herunder 3D-medicinsk billeddannelse og potentielt traditionel hudmarkørbevægelsesoptagelse for at spore hele kroppens kinematik samt langvarig efterbehandling, herunder CT-billedsegmentering og markørløs sporing af de erhvervede billeder. Heldigvis kan fuldt behandlede data fra dual fluoroskopi bruges i forskellige applikationer med kapaciteter, der når langt ud over dem, der er tilgængelige med traditionel bevægelsesoptagelse.

Optisk motion capture udnytter bevægelsen af markører på huden til at estimere kropssegment positioner, mens stråling-baserede dual fluoroskopi giver mulighed for direkte måling af kun knogle positioner. Mens en betydelig indsats har været dedikeret til at kvantificere blødt væv dynamik i forhold til knogle bevægelse36,37, det er i sagens natur vanskeligt at måle bevægelsesmønstre af den store masse af blødt væv mellem det ydre lag af huden og knoglerne. Men for tyndere væv i direkte kontakt med knoglerne, såsom brusk og labrum af hoften, kombinationen af dobbelt fluoroskopi og CT arthrogram imaging giver mulighed for dynamisk at evaluere deres rumlige forhold. De data, der blev indsamlet under liggende kliniske eksamener blev brugt til at vise, at placeringen af klinisk observerede skader på acetabular labrum på linje med positionen af kontakt mellem lårbenet og labrum under liggende impingement eksamener38. Det er vigtigt, at denne analyse identificerede, at området med indledende og største kontakt mellem lårbenet og labrum ikke var i overensstemmelse med placeringen af den mindste afstand mellem knoglerne.

Personer med hofte patoanatomi er i risiko for skader på brusk og labrum. De mekanismer, der er ansvarlige for korndrolabrale skader, er dog ikke godt forstået. Tænkeligt, arthrokinematics data bygget af CT arthrogram data kunne analyseres for at studere mekanikken i brusk og labrum. For eksempel kan den observerede penetration mellem overfladerekonstruktioner, der repræsenterer blødt væv (f.eks. labrum, brusk) og knogle, analyseres og fortolkes for at tilnærme den stamme, som disse væv oplever. Men selv små fejl i sporing af kinematik eller rekonstruktion af overflader kan resultere i drastiske forskelle i anslåede stammer og ledbelastninger. Således kan mere avancerede modelleringsmetoder, såsom FE-metoden, være nødvendige for at omfattende evaluere kormekanikken i hoften. Data fra dual fluoroskopi, traditionel hudmarkør bevægelsesfangst af helkrops kinematik og det instrumenterede løbebånd kan tjene som input til modeller, der estimerer muskelkræfter og ledreaktionsbelastninger og drejningsmomenter. Disse kinetiske data kan derefter tjene som belastningsbetingelser for FE-modeller, der estimerer koralbelastninger og belastninger.

Ud over de specifikke trin, der er involveret i protokollen, er planlægningen af forskellige aspekter af undersøgelsen også relevant for vellykket dataindsamling. For det første skal arthrogrammet udføres enten flere dage før eller når som helst efter afslutningen af bevægelsesfangstforsøg for at undgå enhver effekt på patientens bevægelsesmønstre i undersøgelser, der anvender arthrogrambilleddannelse, som i sagens natur er invasiv på grund af injektion af kontrast i hoftekapslen. For det andet skal al kalibrering udføres før, men lige før deltagerens ankomst for at sikre, at systemkonfigurationen ikke ændres mellem kalibrering og billedopsamling. For det tredje skal deltageren instrueres i at udføre dynamiske forsøg i tilfældig rækkefølge for at eliminere enhver effekt af bestilling på udførelsen af opgaver.

En anden vigtig overvejelse for brugen af dobbelt fluoroskopi til måling af hofte kinematik er strålingseksponering. Det er dog vigtigt at bemærke, at 80% af den anslåede dosis svarende til stråling i den beskrevne protokol er fra CT-scanningen. En løsning til at reducere eksponeringen er substitution af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) til CT-billeddannelse. Mens MR kan bruges til overfladerekonstruktion, er sporingen af dobbelte fluoroskopibilleder også afhængig af projektionen af knogletætheder fra de digitalt rekonstruerede røntgenbilleder. Selv om MR ikke direkte kan måle knogletæthed, specifikke sekvenser, såsom dobbelt ekko steady state (DESS), giver en vis differentiering mellem tættere kortikale knogle og de mindre tætte annullerende knogle. Disse billeder kan omdannes til at have et lignende udseende til CT-billeder og kan potentielt reducere strålingseksponeringen af deltagere i dobbelt fluoroskopi undersøgelser.

På grund af den store mængde blødt væv omkring hofteleddet skal den specifikke positionering af det dobbelte fluoroskopisystem optimeres for at reducere røntgenspredningen. Deltagerens position i forhold til røntgenudledere og vinklen mellem billedforstærkerne viste sig at være vigtige faktorer. Denne protokol angiver placeringen af det dobbelte fluoroskopisystem, der anvendes til at studere hoftebevægelse hos deltagerne under vægtbærende aktiviteter. Det er dog også relevant at bemærke, at deltagerkohortet var begrænset til personer med et BMI på under 30 kg/m2. En lignende BMI grænse anbefales ved optagelse af dobbelt fluoroskopi billeder af leddene omgivet af store masser af blødt væv.

Protokollen beskrevet heri kan anvendes på forskellige dual fluoroskopi system konfigurationer og samlinger, herunder liggende og vægtbærende hofte kinematik, både løbebånd og overjordisk vægtbærende ankel kinematics, og siddende skulder kinematik16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 ,  26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35. På grund af den minimale globale bevægelse af hofteleddet under løbebånd gangart, en instrumenteret løbebånd blev brugt til vurdering af vægtbærende kinematik af hofteleddet. Uden et løbebånd eller et bevægeligt fluoroskopsystem ville det kun være muligt at fange hofteleddet under aktiviteter, der udføres i et begrænset synsfelt. Brugen af et løbebånd er dog ikke egnet til alle samlinger. Som et eksempel, anvendelse af denne protokol til undersøgelse af ankel kinematik under løbebånd gå fanget kun en lille del af gangart på grund af den iboende bevægelse af løbebånd32,35, mens overground gangart var i stand til at fange en større del af gangart, der spænder fra før hæl-strejke til efter tå-off33,40,41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health (NIH) under tilskud numre S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Indholdet er udelukkende ophavsmændenes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis NIH's officielle synspunkter.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. , Hyattsville (MD). Report No.: 2017-1232 (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, Suppl 1 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. , John Wiley and Sons Inc. (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

Medicin Udgave 173 Dual fluoroskopi biplan videoradiografi kinematik arthrokinematics hofte markørløs sporing
<em>In vivo</em> Kvantificering af hip arthrokinematics under dynamiske vægtbærende aktiviteter ved hjælp af dual fluoroskopi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Atkins, P. R., Fiorentino, N. M.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter