In vivo Cuantificación de la artrocinamática de cadera durante las actividades dinámicas de soporte de peso mediante fluoroscopia dual
Summary
La fluoroscopia dual captura con precisión el movimiento dinámico in vivo de las articulaciones humanas, que se puede visualizar en relación con la anatomía reconstruida (por ejemplo, artroquina). Aquí, se presenta un protocolo detallado para cuantificar la artroquina de cadera durante las actividades de soporte de peso de la vida diaria, incluida la integración de la fluoroscopia dual con la captura de movimiento tradicional de marcadores de piel.
Abstract
Varias patologías de cadera se han atribuido a una morfología anormal con una suposición subyacente de biomecánica aberrante. Sin embargo, las relaciones estructura-función a nivel articular siguen siendo difíciles de cuantificar debido a las dificultades para medir con precisión el movimiento dinámico de las articulaciones. Los errores de artefactos de tejidos blandos inherentes a la captura de movimiento de marcadores ópticos de la piel se ven exacerbados por la profundidad de la articulación de la cadera dentro del cuerpo y la gran masa de tejido blando que rodea la articulación. Por lo tanto, la compleja relación entre la forma ósea y la cinemática de la articulación de la cadera es más difícil de estudiar con precisión que en otras articulaciones. Aquí, se presenta un protocolo que incorpora artrografía por tomografía computarizada (TC), reconstrucción tridimensional (3D) de imágenes volumétricas, fluoroscopia dual y captura de movimiento óptica para medir con precisión el movimiento dinámico de la articulación de la cadera. Se resumen los estudios técnicos y clínicos que han aplicado la fluoroscopia dual para estudiar las relaciones forma-función de la cadera utilizando este protocolo, y se describen los pasos específicos y las consideraciones futuras para la adquisición, el procesamiento y el análisis de datos.
Introduction
El número de procedimientos de artroplastia total de cadera (THA) realizados en adultos de 45 a 64 años que sufren de osteoartritis de cadera (OA) se duplicó con creces entre 2000 y 20101. Sobre la base de los aumentos en los procedimientos de THA de 2000 a 2014, un estudio reciente predijo que el número total de procedimientos anuales puede triplicarse en los próximos veinte años2. Estos grandes aumentos en los procedimientos de THA son alarmantes teniendo en cuenta que los costos actuales del tratamiento superan los $ 18 mil millones anuales solo en los Estados Unidos3.
Se cree que la displasia del desarrollo de la cadera (DDH) y el síndrome de pinzamiento femoroacetabular (FAIS), que describen una cadera con restricciones inferiores o excesivas, respectivamente, son la etiología primaria de la OA de cadera4. La alta prevalencia de estas deformidades estructurales de cadera en individuos sometidos a THA se describió inicialmente hace más de tres décadas5. Aún así, la relación entre la anatomía anormal de la cadera y la osteoartritis no se entiende bien. Un desafío para mejorar la comprensión de trabajo del papel de las deformidades en el desarrollo de la OA de cadera es que la morfología anormal de la cadera es muy común entre los adultos asintomáticos. En particular, los estudios han observado morfología asociada con FAIS de tipo cam en aproximadamente el 35% de la población general6,el 83% de los atletas senior7y más del 95% de los atletas masculinos universitarios8. En otro estudio de atletas universitarias femeninas, el 60% de los participantes tenían evidencia radiográfica de cam FAIS, y el 30% tenía evidencia de DDH9.
Los estudios que demuestran una alta prevalencia de deformidades entre individuos sin dolor de cadera apuntan a la posibilidad de que la morfología comúnmente asociada con FAIS y DDH pueda ser una variante natural que solo se vuelve sintomática bajo ciertas condiciones. Sin embargo, la interacción entre la anatomía de la cadera y la biomecánica de la cadera no se entiende bien. En particular, existen dificultades conocidas para medir el movimiento de la articulación de la cadera utilizando la tecnología tradicional de captura de movimiento óptico. En primer lugar, la articulación es relativamente profunda dentro del cuerpo, de modo que la ubicación del centro de la articulación de la cadera es difícil de identificar y rastrear dinámicamente utilizando la captura de movimiento del marcador óptico de la piel, con errores en el mismo orden de magnitud que el radio de la cabeza femoral10,11. En segundo lugar, la articulación de la cadera está rodeada de un gran volumen de tejido blando, incluida la grasa subcutánea y el músculo, que se mueve en relación con el hueso subyacente, lo que resulta en un artefacto de tejido blando12,13,14. Finalmente, utilizando el seguimiento óptico de los marcadores de la piel, la cinemática se evalúa en relación con la anatomía generalizada y, por lo tanto, no proporciona información sobre cómo las diferencias morfológicas sutiles podrían afectar la biomecánica de la articulación.
Para abordar la falta de cinemática precisa en combinación con la morfología ósea específica del sujeto, se han desarrollado sistemas de fluoroscopia simple y doble para analizar otros sistemas articulares naturales15,16,17. Sin embargo, esta tecnología se ha aplicado recientemente a la articulación nativa de la cadera, probablemente debido a la dificultad para adquirir imágenes de alta calidad a través del tejido blando que rodea la cadera. La metodología para medir con precisión el movimiento in vivo de la articulación de la cadera y mostrar este movimiento en relación con la anatomía ósea específica del sujeto se describe aquí. La artrocinamática resultante proporciona una capacidad incomparable para investigar la interacción sutil entre la morfología ósea y la biomecánica.
Aquí, se han descrito los procedimientos para adquirir y procesar imágenes de fluoroscopia dual de la cadera durante las actividades de la vida diaria. Debido al deseo de capturar cinemática de todo el cuerpo con seguimiento de marcadores ópticos simultáneamente con imágenes de fluoroscopia dual, el protocolo de recopilación de datos requiere coordinación entre varias fuentes de datos. La calibración del sistema de fluoroscopia dual utiliza estructuras de plexiglás implantadas con perlas metálicas que se pueden identificar directamente y rastrear como marcadores. Por el contrario, el movimiento óseo dinámico se rastrea utilizando el seguimiento sin marcadores, que utiliza solo la densidad radiográfica basada en TC de los huesos para definir la orientación. El movimiento dinámico se rastrea simultáneamente utilizando fluoroscopia dual y datos de captura de movimiento que se sincronizan espacial y temporalmente.
Los sistemas se sincronizan espacialmente durante la calibración a través de imágenes simultáneas de un cubo con marcadores reflectantes y cuentas metálicas implantadas y la generación de un sistema de coordenadas común. Los sistemas se sincronizan temporalmente para cada actividad o captura mediante el uso de un disparador electrónico dividido, que envía una señal para finalizar la grabación de las cámaras de fluoroscopia dual e interrumpe una entrada constante de 5 V al sistema de captura de movimiento. Este protocolo coordinado permite cuantificar la posición de los segmentos corporales que caen fuera del campo de visión combinado del sistema de fluoroscopia dual, la expresión de los resultados cinemáticos en relación con los eventos normalizados de la marcha y la caracterización de la deformación de los tejidos blandos alrededor del fémur y la pelvis.
Protocol
Representative Results
Discussion
La fluoroscopia dual es una herramienta poderosa para la investigación de la cinemática in vivo, especialmente para la cadera, que es difícil de medir con precisión utilizando la captura de movimiento óptica tradicional. Sin embargo, el equipo de fluoroscopia es especializado, en el que se puede requerir una configuración de sistema única al obtener imágenes de otras articulaciones del cuerpo humano. Por ejemplo, se realizaron varias modificaciones en el montaje de los intensificadores de imagen, posicio…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) bajo los números de subvención S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los NIH.
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 |
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