Måling af 3D In-vivo Skulder kinematics ved hjælp af Biplanar Videoradiography

Summary

Biplan videoradiografi kan kvantificere skulder kinematik med en høj grad af nøjagtighed. Protokollen beskrevet heri var specielt designet til at spore scapula, humerus, og ribbenene under planar humeral elevation, og skitserer procedurerne for dataindsamling, behandling og analyse. Unikke overvejelser i forbindelse med dataindsamling er også beskrevet.

Abstract

Skulderen er en af den menneskelige krops mest komplekse fælles systemer, med bevægelse sker gennem koordinerede aktioner af fire individuelle led, flere ledbånd, og ca 20 muskler. Desværre, skulder patologier (f.eks rotator manchet tårer, fælles forskydninger, gigt) er almindelige, hvilket resulterer i betydelige smerter, handicap, og nedsat livskvalitet. Den specifikke ætiologi for mange af disse patologiske tilstande er ikke fuldt forstået, men det er almindeligt accepteret, at skulderpatologi ofte er forbundet med ændret fælles bevægelse. Desværre er måling af skulderbevægelse med den nødvendige nøjagtighed til at undersøge bevægelsesbaserede hypoteser ikke trivielt. Men radiografiske-baserede bevægelsesmåling teknikker har givet de nødvendige fremskridt til at undersøge bevægelsesbaserede hypoteser og give en mekanistisk forståelse af skulder funktion. Formålet med denne artikel er således at beskrive tilgangene til måling af skulderbevægelse ved hjælp af et brugerdefineret biplanar videoradiografisystem. De specifikke mål med denne artikel er at beskrive protokollerne til at erhverve biplanar videoradiographic billeder af skulderkomplekset, erhverve CT-scanninger, udvikle 3D-knoglemodeller, lokalisere anatomiske vartegn, spore humerusens position og orientering, scapula og torso fra de toplanariske radiografiske billeder og beregne de kinemmatiske resultatforanstaltninger. Derudover vil artiklen beskrive særlige overvejelser, der er unikke for skulderen, når de måler led kinematik ved hjælp af denne tilgang.

Introduction

Skulderen er en af den menneskelige krops mest komplekse fælles systemer, med bevægelse sker gennem koordinerede aktioner af fire individuelle led, flere ledbånd, og ca 20 muskler. Skulderen har også den største vifte af bevægelse af kroppens store led og er ofte beskrevet som et kompromis mellem mobilitet og stabilitet. Desværre, skulder patologier er almindelige, hvilket resulterer i betydelige smerter, handicap, og nedsat livskvalitet. For eksempel, rotator manchet tårer påvirker omkring 40% af befolkningen over 601,2,3, med ca 250.000 rotator manchet reparationer udføres ^årligt4, og en anslået økonomisk byrde på $3-5 milliarder om året i ^USA5. Derudover, skulder forskydninger er almindelige og er ofte forbundet med kronisk ^dysfunktion6. Endelig glenohumeral led slidgigt (OA) er et andet væsentligt klinisk problem, der involverer skulderen, med befolkningsundersøgelser viser, at omkring 15%-20% af voksne over 65 år har radiografiske beviser for glenohumeral ^OA7,8. Disse betingelser er smertefulde, forringe aktivitetsniveauer, og mindske livskvaliteten.

Selv om patogenerne af disse betingelser ikke er fuldt forstået, er det almindeligt accepteret, at ændret skulder bevægelse er forbundet med mange skulder patologier9,10,11. Specifikt kan unormal fælles bevægelse bidrage til ^{patologien9,12}, eller at patologien kan føre til unormal fælles ^{bevægelse13,14}. Forholdet mellem fælles bevægelse og patologi er sandsynligvis komplekse, og subtile ændringer i fælles bevægelse kan være vigtige i skulderen. For eksempel, selv om kantede bevægelse er den fremherskende bevægelse, der forekommer på glenohumeral fælles, fælles oversættelser også forekomme under skulder bevægelse. Under normale forhold overstiger disse oversættelser sandsynligvis ikke flere millimeter15,16,17,18,19, og kan derfor være under niveauet for in vivo nøjagtighed for nogle måleteknikker. Selv om det kan være fristende at antage, at små afvigelser i fælles bevægelse kan have ringe klinisk virkning, Er det vigtigt også at erkende, at den kumulative effekt af subtile afvigelser over års skulder aktivitet kan overstige den enkeltes tærskel for væv healing og reparation. Desuden er in-vivo kræfter på glenohumeral fælles ikke ligegyldige. Ved hjælp af brugerdefinerede instrumenterede glenohumeral fælles implantater, tidligere undersøgelser har vist, at hæve en 2 kg vægt til hovedhøjde med en udstrakt arm kan resultere i glenohumeral fælles kræfter, der kan variere fra 70% til 238% af kropsvægt20,21,22. Derfor kan kombinationen af subtile ændringer i ledbevægelse og høje kræfter koncentreret over glenoidens lille bærende overfladeareal bidrage til udviklingen af degenerative skulderpatologier.

Historisk set er målingen af skulderbevægelse blevet udført gennem en række eksperimentelle tilgange. Disse tilgange har inkluderet brugen af komplekse kadaveriske testsystemer designet til at simulere skulderbevægelse23,24,25,26,27, videobaserede bevægelsesoptagelsessystemer med overflademarkører28,29,31, overflademonterede elektromagnetiske sensorer32,33,34,35 , knoglenåle med reflekterende markører eller andre sensorer, der er fastgjort36,37,38, statisk todimensionel medicinsk billeddannelse (dvs. fluoroskopi39,40,41 og røntgenbilleder17,42,43,44,45), statisk tredimensionel (3D) medicinsk billeddannelse ved hjælp af ^MRI46,47, ^{computertomografi48}, og dynamisk, 3D enkelt plan fluoroskopisk billeddannelse49,50,51. På det seneste har bærbare sensorer (f.eks. inertial måleenheder) vundet popularitet til måling af skulderbevægelse uden for laboratorieindstillingen og under frit levevilkår52,53,54,55,56,57.

I de senere år har der været en spredning af biplanede radiografiske eller fluoroskopiske systemer designet til præcist at måle dynamiske, 3D in-vivo bevægelser af skulderen58,59,60,61,62. Formålet med denne artikel er at beskrive forfatternes tilgang til måling af skulderbevægelse ved hjælp af et brugerdefineret biplanar videoradiografisystem. De specifikke mål med denne artikel er at beskrive protokollerne til at erhverve biplanar videoradiographic billeder af skulderkomplekset, erhverve CT-scanninger, udvikle 3D-knoglemodeller, lokalisere anatomiske vartegn, spore humerusens position og orientering, scapula og torso fra de toplanariske radiografiske billeder og beregne kinemmatiske resultatforanstaltninger.

Protocol

Forud for dataindsamlingen gav deltageren skriftligt informeret samtykke. Undersøgelsen blev godkendt af Henry Ford Health Systems Institutionelle Review Board. Protokoller til anskaffelse, behandling og analyse af toplans radiografiske bevægelsesdata er meget afhængige af billedbehandlingssystemer, databehandlingssoftware og resultatmål af interesse. Følgende protokol var specielt designet til at spore scapula, humerus, og den tredje og den fjerde ribben under halshuggede-fly eller koron…

Representative Results

En 52-årig asymptomatisk kvinde (BMI = 23,6 kg/m2) blev rekrutteret som led i en tidligere undersøgelse og gennemgik bevægelsestest (coronal fly bortførelse) på hendes dominerende (højre) skulder65. Forud for dataindsamlingen gav deltageren skriftligt informeret samtykke. Undersøgelsen blev godkendt af Henry Ford Health Systems Institutionelle Review Board. Dataindsamlingen blev udført ved hjælp af den tidligere beskrevne protokol (figur 3). <p…

Discussion

Den teknik, der er beskrevet her, overvinder flere ulemper forbundet med konventionelle teknikker til vurdering af skulderbevægelse (dvs. kadaveriske simuleringer, 2D-billeddannelse, statisk 3D-billeddannelse, videobaserede bevægelsesoptagelsessystemer, bærbare sensorer osv.) ved at give nøjagtige mål for 3D-fælles bevægelse under dynamiske aktiviteter. Nøjagtigheden af den protokol, der er beskrevet heri blev etableret for glenohumeral fælles mod guldstandarden for radiostereometrisk analyse (RSA) at være ±0,…

Materials

Calibration cube	Built in-house	N/A	10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box’s vertical edges (12 beads total). The positions of each bead are precisely known relative to a corner of the box that serves as the origin of the laboratory coordinate system.
Distortion correction grid	Built in-house	N/A	Lucite sheet that covers the entire face of the 16 inch image intensifier and contains an orthogonal array of tantalum beads spaced at 1 cm.
ImageJ	National Institutes of Health	N/A	Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.
Markerless Tracking Workbench	Custom, in house software	N/A	A workbench of custom software used to digitize anatomical landmarks on 3D bone models, constructs anatomical coordinate systems, uses intensity-based image registration to perform markerless tracking, and calculates and visualize kinematic outcomes measures.
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.
Mimics (version 20)	Materialise, Inc	N/A	Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	N/A	3D graphics program used to visualize bones
Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4)		N/A	Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images
Pulse generator (Model 9514)	Quantum Composers, Inc.	N/A	Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time
Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV)	EMD Technologies	N/A	Generates the x-rays used to produce radiographic images
Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110)	North American Imaging	N/A	Converts x-rays into photons to produce visible image
Two Phantom VEO 340 cameras	Vision Research	N/A	High speed cameras record the visible image created by the x-ray system