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Bioengenharia

바이플러나 비디오 방사선 촬영을 사용하여 3D 생체 내 어깨 운동학 측정

Published: March 12, 2021
doi:
10.3791/62210
, ,
1Bone and Joint Center, Department of Orthopaedic Surgery,Henry Ford Health System

Summary

복엽비행기 비디오 방사선 사진은 높은 정확도로 어깨 운동학을 정량화할 수 있습니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜은 평면 상완골 시 견갑골, 상완골 및 갈비뼈를 추적하도록 특별히 설계되었으며 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 절차를 간략하게 설명합니다. 데이터 수집에 대한 고유한 고려 사항도 설명되어 있습니다.

Abstract

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 불행히도, 어깨 병리 (예를 들어, 회전근 눈물, 관절 탈구, 관절염)는 상당한 통증, 장애 및 삶의 질 저하의 결과로 일반적입니다. 이러한 병리학 조건의 많은 특정 병인은 완전히 이해되지 않습니다, 그러나 일반적으로 어깨 병리는 수시로 변경한 합동 운동과 연관된다는 것을 받아 들여집니다. 불행히도 모션 기반 가설을 조사하는 데 필요한 수준의 정확도로 어깨 모션을 측정하는 것은 사소한 것이 아닙니다. 그러나 방사선 계 의 모션 측정 기술은 모션 기반 가설을 조사하고 어깨 기능에 대한 기계적 이해를 제공하는 데 필요한 발전을 제공했습니다. 따라서, 이 문서의 목적은 사용자 정의 바이플러니 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다. 또한 이 방법을 사용하여 관절 운동학을 측정할 때 어깨에 고유한 특별한 고려 사항을 설명합니다.

Introduction

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 어깨는 또한 신체의 주요 관절의 운동의 가장 큰 범위를 가지고 있으며 종종 이동성과 안정성 사이의 타협으로 설명됩니다. 불행히도, 어깨 병리는 상당한 고통, 장애 및 삶의 질을 감소시며 일반적입니다. 예를 들어, 회전근의 눈물은 601,2,3세 이상 인구의 약 40%에 영향을 미치며, 매년 약 250,000개의 회전근 수리가 매년 4회 수행되며, 미국에서연간 3~50억 달러의 경제적 부담이 예상됩니다. 추가적으로, 어깨 탈구는 일반적이고 수시로 만성 기능 장애와 연관됩니다6. 마지막으로, 골누메랄 관절 관절염 (OA)은 어깨와 관련된 또 다른 중요한 임상 문제이며, 인구 연구에 따르면 65 세 이상의 성인의 약 15 %-20 %가 glenohumeral OA7,8의 방사선 학적 증거를 가지고 있음을 나타냅니다. 이러한 조건은 고통스럽고 활동 수준을 손상시키며 삶의 질을 감소시습니다.

이러한 조건의 병인은 완전히 이해되지 않지만, 일반적으로 변경 된 어깨 운동은 많은 어깨 병과 연관되어 받아 들여집니다9,10,11. 구체적으로, 비정상적인 관절 운동은 병리학에 기여할 수 있다9,12, 또는 병리학비정상적인 관절 운동으로 이어질 수 13,14. 관절 운동과 병리학 사이의 관계는 복잡할 수 있으며 관절 운동의 미묘한 변화는 어깨에 중요 할 수 있습니다. 예를 들어, 각진 운동은 골누네관절에서 발생하는 우세한 움직임이지만, 어깨 운동 중에 관절 번역도 발생한다. 정상적인 조건에서 이러한 번역은 여러 밀리미터15,16,17,18,19를 초과하지 않으므로 일부 측정 기술에 대한 생체 내 정확도 수준보다 낮을 수 있습니다. 관절 운동에 작은 편차가 거의 임상적 영향을 미치지 않을 수 있다고 가정하는 것이 유혹적일 수 있지만, 수년간의 어깨 활동 동안 미묘한 편차의 누적 효과가 조직 치유 및 수리를 위한 개인의 임계값을 초과할 수 있음을 인식하는 것이 중요합니다. 또한, 골국 관절의 생체 내 힘은 중요하지 않습니다. 사용자 지정 계측 된 광선 관절 임플란트를 사용하여, 이전 연구는 뻗은 팔로 머리 높이에 2kg 무게를 올리는 것은 체중의 70 %에서 238 %까지 범위 수있는 골뇌 관절 력을 초래할 수 있음을 보여 주었다20,21,22. 따라서, 글레노이드의 작은 하중 베어링 표면적 위에 집중된 조인트 모션과 높은 힘의 미묘한 변화의 조합은 퇴행성 어깨 병리의 발달에 기여할 수 있다.

역사적으로, 어깨 운동의 측정은 다양한 실험적 접근을 통해 달성되었습니다. 이러한 접근 방식에는 숄더 모션 23,24,25,26,27, 표면 마커가 장착된 비디오 기반 모션 캡처 시스템 32,33,34,35를 시뮬레이션하도록 설계된 복잡한 cadaveric 테스트 시스템의 사용이 포함되었습니다. , 반사 마커 또는 기타 센서가 부착된 뼈 핀36,37,38, 정적 2차원 의료 영상(즉, 형광39,40,41 및 방사선 사진 17,42,43,44,45), MRI46,47을 이용한 정적 3차원(3D) 의료 영상, 컴퓨터 단층 촬영48, 및 동적, 3D 단일 평면 형광 화상 진찰49,50,51. 최근에는 웨어러블 센서(예: 관성 측정 장치)가 실험실 환경 외부와 자유 생활 조건에서 어깨 움직임을 측정하는 데 인기를 얻고 있습니다52,53,54,55,56,57.

최근 몇 년 동안, 숄더58,59,60,61,62의 동적, 3D 생체 내 움직임을 정확하게 측정하도록 설계된 복엽비행기 방사선 학적 또는 형광 시스템의 확산이 있었습니다. 이 문서의 목적은 사용자 정의 biplanar 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 저자의 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다.

Protocol

데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다. 복엽 비행기 방사선 촬영 데이터 수집, 처리 및 분석을 위한 프로토콜은 이미징 시스템, 데이터 처리 소프트웨어 및 결과 이해 결과에 크게 의존합니다. 다음 프로토콜은 특히 견갑골 비행기 또는 관상 비행기 납치 중 견갑골, 상완골 및 세 번째 및…

Representative Results

52 세의 무증상 여성 (BMI = 23.6 kg/ m2)은 이전 조사의 일환으로 채용되었으며 지배적 인 (오른쪽) 어깨65에서 모션 테스트 (관상 비행기 납치)를 받았습니다. 데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다. 데이터 수집은 이전에 설명된 프로토콜을 사용하여 수행하였다(그림 3</…

Discussion

여기에 설명된 기술은 동적 활동 중에 3D 조인트 모션의 정확한 측정을 제공함으로써 어깨 모션(예: cadaveric 시뮬레이션, 2D 이미징, 정적 3D 이미징, 비디오 기반 모션 캡처 시스템, 웨어러블 센서 등)을 평가하기 위한 기존의 기술과 관련된 몇 가지 단점을 극복합니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜의 정확도는 ±0.5°와 ±0.4 mm67,68로 방사능 분석(RSA)의 금본…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 간행물에서 보고된 연구는 상 번호 R01AR051912의 밑에 관절염과 근골격계 및 피부 질병의 국가 학회에 의해 지원되었습니다. 이 내용은 전적으로 저자의 책임이며 반드시 국립 보건원 (NIH)의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다.

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
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Keywords: 3D In-vivo Shoulder KinematicsBiplanar VideoradiographyJoint Motion QuantificationRadiation ExposureParticipant PositioningLead-lined Protective VestLow Fluoroscopy ModeRadiographic Image Acquisition
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Lawrence, R. L., Zauel, R., Bey, M. J. Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography. J. Vis. Exp. (169), e62210, doi:10.3791/62210 (2021).
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