Måling av 3D In-vivo skulderkinematikk ved hjelp av biplanet videoradiografi

Summary

Biplan videoradiografi kan kvantifisere skulder kinematikk med høy grad av nøyaktighet. Protokollen som er beskrevet her, ble spesielt utformet for å spore scapula, humerus og ribbeina under planar humeral høyde, og skisserer prosedyrene for datainnsamling, behandling og analyse. Unike hensyn for datainnsamling er også beskrevet.

Abstract

Skulderen er et av menneskekroppens mest komplekse leddsystemer, med bevegelse som skjer gjennom koordinerte handlinger fra fire individuelle ledd, flere leddbånd og ca. 20 muskler. Dessverre er skulderpatologier (f.eks. rotatormansjett tårer, ledddislokasjoner, leddgikt) vanlige, noe som resulterer i betydelig smerte, funksjonshemming og redusert livskvalitet. Den spesifikke etiologien for mange av disse patologiske forholdene er ikke fullt ut forstått, men det er generelt akseptert at skulderpatologi ofte er forbundet med endret felles bevegelse. Dessverre er det ikke trivielt å måle skulderbevegelsen med det nødvendige nøyaktighetsnivået for å undersøke bevegelsesbaserte hypoteser. Imidlertid har radiografiske baserte bevegelsesmålingsteknikker gitt fremskrittet som er nødvendig for å undersøke bevegelsesbaserte hypoteser og gi en mekanistisk forståelse av skulderfunksjon. Formålet med denne artikkelen er derfor å beskrive tilnærmingene for måling av skulderbevegelse ved hjelp av et tilpasset biplanet videoradiografisystem. De spesifikke målene med denne artikkelen er å beskrive protokollene for å skaffe seg biplanet videoradiografiske bilder av skulderkomplekset, skaffe CT-skanninger, utvikle 3D-beinmodeller, finne anatomiske landemerker, spore posisjonen og orienteringen til humerus, scapula og torso fra de biplanare radiografiske bildene, og beregne de kinematiske utfallstiltakene. I tillegg vil artikkelen beskrive spesielle hensyn som er unike for skulderen ved måling av leddkinematikk ved hjelp av denne tilnærmingen.

Introduction

Skulderen er et av menneskekroppens mest komplekse leddsystemer, med bevegelse som skjer gjennom koordinerte handlinger fra fire individuelle ledd, flere leddbånd og ca. 20 muskler. Skulderen har også det største bevegelsesområdet for kroppens store ledd og beskrives ofte som et kompromiss mellom mobilitet og stabilitet. Dessverre er skulderpatologier vanlige, noe som resulterer i betydelig smerte, funksjonshemming og redusert livskvalitet. For eksempel påvirker rotatormansjett tårer omtrent 40% av befolkningen over 601,2,3, med omtrent 250,000 rotator mansjett reparasjoner utført ^årlig4, og en estimert økonomisk byrde på $ 3-5 milliarder per år i ^USA5. I tillegg er skulderdislokasjoner vanlige og er ofte forbundet med kronisk ^dysfunksjon6. Til slutt er glenohumeral leddartritt (OA) et annet betydelig klinisk problem som involverer skulderen, med befolkningsstudier som indikerer at omtrent 15% -20% av voksne over 65 år har radiografiske bevis på glenohumeral ^OA7,8. Disse forholdene er smertefulle, svekker aktivitetsnivået og reduserer livskvaliteten.

Selv om patogenene i disse forholdene ikke er fullt ut forstått, er det generelt akseptert at endret skulderbevegelse er forbundet med mange skulderpatologier9,10,11. Spesielt kan unormal leddbevegelse bidra til ^{patologien9,12}, eller at patologien kan føre til unormal felles ^{bevegelse13,14}. Sammenhenger mellom felles bevegelse og patologi er sannsynligvis komplekse, og subtile endringer i felles bevegelse kan være viktige i skulderen. For eksempel, selv om vinkelbevegelse er den dominerende bevegelsen som forekommer ved glenohumeralleddet, oppstår felles oversettelser også under skulderbevegelse. Under normale forhold overstiger disse oversettelsene sannsynligvis ikke flere millimeter15,16,17,18,19, og kan derfor være under nivået av in-vivo nøyaktighet for noen måleteknikker. Selv om det kan være fristende å anta at små avvik i felles bevegelse kan ha liten klinisk innvirkning, er det viktig å også erkjenne at den kumulative effekten av subtile avvik over år med skulderaktivitet kan overstige individets terskel for vevsheling og reparasjon. Videre er in-vivo krefter på glenohumeral joint ikke inkonsekvente. Ved hjelp av tilpassede instrumenterte glenohumerale leddimplantater har tidligere studier vist at å øke en vekt på 2 kg til hodehøyde med en utstrakt arm kan resultere i glenohumerale leddkrefter som kan variere fra 70% til 238% kroppsvekt20,21,22. Følgelig kan kombinasjonen av subtile endringer i felles bevegelse og høye krefter konsentrert over glenoidens lille bærende overflateområde bidra til utvikling av degenerative skulderpatologier.

Historisk har måling av skulderbevegelse blitt oppnådd gjennom en rekke eksperimentelle tilnærminger. Disse tilnærmingene har inkludert bruk av komplekse kadaveriske testsystemer designet for å simulere skulderbevegelse23,24,25,26,27, videobaserte bevegelsesfangstsystemer med overflatemarkører28,29,31, overflatemonterte elektromagnetiske sensorer32,33,34,35 , benpinner med refleksmarkører eller andre sensorer festet36,37,38, statisk todimensjonal medisinsk bildebehandling (dvs. fluoroskopi39,40,41 og radiografer17,42,43,44,45), statisk tredimensjonal (3D) medisinsk bildebehandling ved hjelp av ^MRI46,47, beregnet ^tomografi48, og dynamisk, 3D enkeltplan fluoroskopisk bildebehandling49,50,51. Mer nylig har bærbare sensorer (f.eks. inertial måleenheter) blitt populære for måling av skulderbevegelser utenfor laboratoriemiljøet og i fritt leveforhold52,53,54,55,56,57.

De siste årene har det vært en spredning av biplanradiografiske eller fluoroskopiske systemer designet for å nøyaktig måle dynamiske, 3D in-vivo bevegelser av skulderen58,59,60,61,62. Hensikten med denne artikkelen er å beskrive forfatternes tilnærming til måling av skulderbevegelse ved hjelp av et tilpasset biplanet videoradiografisystem. De spesifikke målene med denne artikkelen er å beskrive protokollene for å skaffe seg biplanet videoradiografiske bilder av skulderkomplekset, skaffe CT-skanninger, utvikle 3D-beinmodeller, finne anatomiske landemerker, spore posisjonen og orienteringen til humerus, scapula og torso fra de biplanare radiografiske bildene og beregne kinematiske utfallstiltak.

Protocol

Før datainnsamlingen ga deltakeren skriftlig informert samtykke. Undersøkelsen ble godkjent av Henry Ford Health System’s Institutional Review Board. Protokoller for anskaffelse, behandling og analyse av radiografiske bevegelsesdata for biplan er svært avhengige av bildesystemer, databehandlingsprogramvare og utfallsmål av interesse. Følgende protokoll ble spesielt designet for å spore scapula, humerus og den tredje og fjerde ribben under scapular-plane eller coronal-plane bortføring og…

Representative Results

En 52 år gammel asymptomatisk kvinne (BMI = 23,6 kg/m2) ble rekruttert som en del av en tidligere undersøkelse og gjennomgikk bevegelsestesting (coronal plane abduction) på hennes dominerende (høyre) skulder65. Før datainnsamlingen ga deltakeren skriftlig informert samtykke. Undersøkelsen ble godkjent av Henry Ford Health System’s Institutional Review Board. Datainnsamlingen ble utført ved hjelp av protokollen som tidligere er beskrevet (figur 3).</p…

Discussion

Teknikken som er beskrevet her overvinner flere ulemper forbundet med konvensjonelle teknikker for å vurdere skulderbevegelse (dvs. kadaveriske simuleringer, 2D-avbildning, statisk 3D-avbildning, videobaserte bevegelsesfangstsystemer, bærbare sensorer, etc.) ved å gi nøyaktige mål på 3D-leddbevegelse under dynamiske aktiviteter. Nøyaktigheten av protokollen som er beskrevet her, ble etablert for glenohumeralleddet mot gullstandarden for radiostereometrisk analyse (RSA) som skal være ±0,5° og ±0,4 <sup class="x…

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