في فيفو القياس الكمي لمفصليات الورك أثناء الأنشطة الديناميكية الحاملة للوزن باستخدام التنظير الفلوري المزدوج
Summary
يلتقط التنظير الفلوري المزدوج بدقة في الحركة الحيوية الحية للمفاصل البشرية ، والتي يمكن تصورها نسبة إلى التشريح المعاد بناؤه (على سبيل المثال ، المفصليات). هنا، يتم تقديم بروتوكول مفصل لقياس المفصليات الورك خلال الأنشطة الحاملة للوزن من الحياة اليومية، بما في ذلك دمج التنظير الفلوري المزدوج مع التقاط حركة علامة الجلد التقليدية.
Abstract
وقد نسبت العديد من أمراض الورك إلى مورفولوجيا غير طبيعية مع افتراض الكامنة وراء الميكانيكا الحيوية الشاذة. ومع ذلك، لا تزال العلاقات بين الهيكل والوظيفة على المستوى المشترك صعبة التحديد الكمي بسبب الصعوبات في قياس الحركة المشتركة الديناميكية بدقة. تتفاقم أخطاء قطعة أثرية من الأنسجة الرخوة الكامنة في التقاط حركة علامة الجلد البصرية بسبب عمق مفصل الورك داخل الجسم والكتلة الكبيرة من الأنسجة الرخوة المحيطة بالمفصل. وبالتالي ، فإن العلاقة المعقدة بين شكل العظام والحركية المفصلية الوركية أكثر صعوبة في الدراسة بدقة مما كانت عليه في المفاصل الأخرى. هنا ، يتم تقديم بروتوكول يتضمن التصوير المقطعي المحوسب (CT) ، وإعادة بناء ثلاثي الأبعاد (3D) للصور الحجمية ، والتنظير الفلوري المزدوج ، والتقاط الحركة البصرية لقياس الحركة الديناميكية لمفصل الورك بدقة. يتم تلخيص الدراسات التقنية والسريرية التي طبقت التنظير المزدوج لدراسة العلاقات بين الشكل والوظيفة في الورك باستخدام هذا البروتوكول ، ويتم وصف الخطوات المحددة والاعتبارات المستقبلية للحصول على البيانات ومعالجتها وتحليلها.
Introduction
عدد الإجراءات الإجمالية رأب مفصل الورك (THA) التي أجريت على البالغين الذين تتراوح أعمارهم بين 45-64 سنة يعانون من هشاشة العظام الورك (OA) أكثر من الضعف بين عامي 2000 و 20101. واستنادا إلى الزيادات في إجراءات التقييم الثناني في الفترة من عام 2000 إلى عام 2014، توقعت دراسة حديثة أن يتضاعف العدد الإجمالي للإجراءات السنوية ثلاث مرات على مدى السنوات العشرينالمقبلة 2. هذه الزيادات الكبيرة في إجراءات THA مثيرة للقلق بالنظر إلى أن تكاليف العلاج الحالية تتجاوز 18 مليار دولار سنويا في الولايات المتحدة وحدها3.
خلل التنسج التنموي للورك (DDH) ومتلازمة العجز الفخذي (FAIS) ، والتي تصف الورك تحت أو أكثر من مقيدة ، على التوالي ، ويعتقد أن المسببات الأولية للورك OA4. وقد وصف في البداية ارتفاع معدل انتشار هذه التشوهات الورك الهيكلية في الأفراد الذين يخضعون لTH منذ أكثر من ثلاثة عقود5. ومع ذلك ، فإن العلاقة بين تشريح الورك غير الطبيعي وهشاشة العظام ليست مفهومة جيدا. أحد التحديات لتحسين فهم العمل لدور التشوهات في تطوير الزراعة العضوية الورك هو أن مورفولوجيا الورك غير طبيعية شائعة جدا بين البالغين عديمي الأعراض. وتجدر الإشارة إلى أن الدراسات قد لاحظت مورفولوجيا المرتبطة FAIS من نوع كام في ما يقرب من 35٪ من عامة السكان6،83٪ من كبار الرياضيين7،وأكثر من 95٪ من الرياضيين الذكور الجماعية8. في دراسة أخرى من الرياضيين الجماعية الإناث, 60٪ من المشاركين كان الأدلة الإشعاعية من كام FAIS, وكان 30٪ أدلة على DDH9.
تشير الدراسات التي تثبت الانتشار العالي للتشوهات بين الأفراد الذين لا يعانون من ألم الورك إلى إمكانية أن يكون المورفولوجيا المرتبطة عادة ب FAIS و DDH متغيرا طبيعيا لا يصبح أعراضا إلا في ظل ظروف معينة. ومع ذلك ، فإن التفاعل بين تشريح الورك والميكانيكا الحيوية الورك ليست مفهومة جيدا. وتجدر الإشارة إلى أن هناك صعوبات معروفة في قياس حركة مفصل الورك باستخدام تقنية التقاط الحركة البصرية التقليدية. أولا ، المفصل عميق نسبيا داخل الجسم ، بحيث يصعب تحديد موقع مركز مفصل الورك وتتبعه ديناميكيا باستخدام التقاط حركة علامة الجلد البصرية ، مع أخطاء بنفس ترتيب حجم نصف قطر الرأس الفخذي10،11. ثانيا، مفصل الورك محاط بالجزء الأكبر من الأنسجة الرخوة الكبيرة، بما في ذلك الدهون والعضلات تحت الجلد، التي تتحرك نسبة إلى العظام الكامنة، مما يؤدي إلى قطعة أثرية من الأنسجة الرخوة12،13،14. وأخيرا، باستخدام التتبع البصري لعلامات الجلد، يتم تقييم الحركية بالنسبة للتشريح المعمم وبالتالي لا توفر نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير الاختلافات المورفولوجية الدقيقة على الميكانيكا الحيوية للمشترك.
لمعالجة عدم وجود الحركية دقيقة في تركيبة مع مورفولوجيا العظام موضوع محدد، وقد وضعت كل من أنظمة تنظير الفلور واحد ومزدوج لتحليل نظم المفاصل الطبيعية الأخرى15،16،17. ومع ذلك ، تم تطبيق هذه التكنولوجيا مؤخرا فقط على مفصل الورك الأصلي ، على الأرجح بسبب صعوبة الحصول على صور عالية الجودة من خلال الأنسجة الرخوة المحيطة بالورك. وصف منهجية لقياس بدقة في حركة مفصل الورك في الجسم الحي وعرض هذه الحركة بالنسبة لتشريح العظام موضوع محدد هنا. توفر المفصليات الناتجة قدرة لا مثيل لها على التحقيق في التفاعل الدقيق بين مورفولوجيا العظام والميكانيكا الحيوية.
هنا، تم وصف إجراءات الحصول على ومعالجة صور التنظير الفلوري المزدوج للورك أثناء أنشطة الحياة اليومية. ونظرا للرغبة في التقاط الحركية لكامل الجسم مع تتبع العلامات البصرية في وقت واحد مع صور التنظير الفلوري المزدوج، يتطلب بروتوكول جمع البيانات التنسيق بين عدة مصادر للبيانات. تستخدم معايرة نظام التنظير الفلوري المزدوج هياكل زجاج شبكي مزروعة بالخرز المعدني الذي يمكن تحديده وتعقبه بشكل مباشر كعلامات. في المقابل ، يتم تتبع حركة العظام الديناميكية باستخدام تتبع بدون علامات ، والذي يستخدم فقط الكثافة الإشعاعية المستندة إلى التصوير المقطعي للعظام لتحديد الاتجاه. ثم يتم تتبع الحركة الديناميكية في وقت واحد باستخدام التنظير المزدوج وبيانات التقاط الحركة التي تتم مزامنتها مكانيا وزمانيا.
تتم مزامنة الأنظمة مكانيا أثناء المعايرة من خلال التصوير المتزامن لمكعب مع كل من العلامات العاكسة والخرز المعدني المزروع وتوليد نظام تنسيق مشترك. تتم مزامنة الأنظمة زمنيا لكل نشاط أو التقاطها من خلال استخدام مشغل إلكتروني منقسم ، والذي يرسل إشارة لإنهاء تسجيل كاميرات التنظير الفلوري المزدوج ويقطع إدخالا ثابتا 5 V لنظام التقاط الحركة. يمكن هذا البروتوكول المنسق من تحديد موضع شرائح الجسم التي تقع خارج مجال الرؤية المشترك لنظام التنظير الفلوري المزدوج ، والتعبير عن النتائج الحركية بالنسبة للأحداث التي تم تطبيع مشيها ، وتوصيف تشوه الأنسجة الرخوة حول عظم الفخذ والحوض.
Protocol
Representative Results
Discussion
التنظير الفلوري المزدوج هو أداة قوية للتحقيق في الحركية الحية ، وخاصة بالنسبة للورك ، والذي يصعب قياسه بدقة باستخدام التقاط الحركة البصرية التقليدية. ومع ذلك ، فإن معدات التنظير الفلوري متخصصة ، حيث قد تكون هناك حاجة إلى إعداد نظام فريد عند تصوير المفاصل الأخرى لجسم الإنسان. على سبيل…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث من قبل المعاهد الوطنية للصحة (NIH) تحت أرقام المنح S10 RR026565، R21 AR063844، F32 AR067075، R01 R077636، R56 AR074416، R01 GM083925. المحتوى هو فقط مسؤولية المؤلفين ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعهد الوطني للصحة.
Materials
| Amira Software | ThermoFisher Scientific | Version 6.0 | |
| Calibration Cube | Custom | 36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm) | |
| Calibration Wand | Vicon | Active Wand | |
| CT Scanner | Siemens AG | SOMATOM Definition 128 CT | |
| Distortion Correction Grid | Custom | Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter) | |
| Dynamic Calibration Plate | Custom | Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm) | |
| Emitter (2) | Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services | Housing B-100/Tube A-142 | |
| Epinephrine | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
| FEBioStudio Software | FEBio.org | Version 1.3 | Mesh processing and kinematic visualization |
| Graphical Processing Unit | Nvidia | Tesla | |
| Hare Traction Splint | DynaMed | Trac-III, Model No. 95201 | |
| High-speed Camera (2) | Vision Research, Inc. | Phantom Micro 3 | |
| Image Intensifier (2) | Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services | T12964P/S | |
| Iohexol injection | GE Healthcare | Omnipaque 240 mgI/mL | 517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL |
| ImageJ | National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation | ||
| Lidocaine HCl | Hospira | Injection, USP 10 mg/mL | |
| Laser and Mirror Alignment System | Custom | Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier | |
| Markless Tracking Workbench | Henry Ford Hospital, Custom Software | Custom | |
| MATLAB Software | Mathworks, Inc. | Version R2017b | |
| Motion Capture Camera (10) | Vicon | Vantage | |
| Nexus Software | Vicon | Version 2.8 | Motion capture |
| Phantom Camera Control (PCC) Software | Vision Research, Inc. | Version 1.3 | |
| Pre-tape Spray Glue | Mueller Sport Care | Tuffner | |
| Retroreflective Spherical Skin Markers | 14 mm | ||
| Split Belt Fully Instrumented Treadmill | Bertec Corporation | Custom | |
| Visual3D Software | C-Motion Inc. | Version 6.01 | Kinematic processing |
Referências
- National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , (2016).
- 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).
- . HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021)
- 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).
- Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Garling, E. H., et al. Soft-tissue artefact assessment during step-up using fluoroscopy and skin-mounted markers. Journal of Biomechanics. 40, 18-24 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Winter, D. A. . Biomechanics and motor control of human movement. , (2009).
- 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).
- MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
- 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).
