Im lebenden Organismus Quantifizierung der Hüftarthrokinematik bei dynamischen tragenden Aktivitäten mittels Dual-Fluoroskopie
Summary
Die duale Durchleuchtung erfasst in vivo die dynamische Bewegung menschlicher Gelenke genau, die relativ zur rekonstruierten Anatomie (z. B. Arthrokinematik) visualisiert werden kann. Hier wird ein detailliertes Protokoll zur Quantifizierung der Hüftarthrokinematik während der belastenden Aktivitäten des täglichen Lebens vorgestellt, einschließlich der Integration der dualen Durchleuchtung mit der traditionellen Hautmarkerbewegungserfassung.
Abstract
Mehrere Hüftpathologien wurden auf eine abnormale Morphologie mit einer zugrunde liegenden Annahme einer abweichenden Biomechanik zurückgeführt. Struktur-Funktions-Beziehungen auf Gelenkebene sind jedoch aufgrund von Schwierigkeiten bei der genauen Messung der dynamischen Gelenkbewegung nach wie vor schwierig zu quantifizieren. Die Weichteilartefaktfehler, die der optischen Hautmarkerbewegungserfassung innewohnen, werden durch die Tiefe des Hüftgelenks im Körper und die große Masse an Weichgewebe, die das Gelenk umgibt, verschlimmert. Daher ist der komplexe Zusammenhang zwischen Knochenform und Hüftgelenkskinematik schwieriger genau zu untersuchen als in anderen Gelenken. Hier wird ein Protokoll vorgestellt, das Computertomographie (CT) Arthrographie, dreidimensionale (3D) Rekonstruktion volumetrischer Bilder, duale Durchleuchtung und optische Bewegungserfassung zur genauen Messung der dynamischen Bewegung des Hüftgelenks umfasst. Die technischen und klinischen Studien, die die duale Durchleuchtung angewendet haben, um Form-Funktions-Beziehungen der Hüfte mit diesem Protokoll zu untersuchen, werden zusammengefasst und die spezifischen Schritte und zukünftigen Überlegungen zur Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse beschrieben.
Introduction
Die Anzahl der gesamten Hüftendoprothetik (THA), die an Erwachsenen im Alter von 45 bis 64 Jahren mit Hüftarthrose (OA) durchgeführt wurden, hat sich zwischen 2000 und 2010 mehr als verdoppelt1. Basierend auf dem Anstieg der THA-Verfahren von 2000 bis 2014 prognostizierte eine aktuelle Studie, dass sich die Gesamtzahl der jährlichen Verfahren in den nächsten zwanzig Jahren verdreifachen könnte2. Diese großen Anstiege der THA-Verfahren sind alarmierend, wenn man bedenkt, dass die aktuellen Behandlungskosten allein in den Vereinigten Staaten 18 Milliarden US-Dollar pro Jahr übersteigen3.
Es wird angenommen, dass Entwicklungsdysplasie der Hüfte (DDH) und femoroacetabuläres Impingement-Syndrom (FAIS), die eine unter- bzw. übereingeschränkte Hüfte beschreiben, die primäre Ätiologie der Hüft-OA4sind. Die hohe Prävalenz dieser strukturellen Hüftdeformitäten bei Personen, die sich einer THA unterziehen, wurde ursprünglich vor mehr als drei Jahrzehnten beschrieben5. Dennoch ist der Zusammenhang zwischen abnormaler Hüftanatomie und Osteoarthritis nicht gut verstanden. Eine Herausforderung bei der Verbesserung des Arbeitsverständnisses der Rolle von Deformitäten bei der Entwicklung von Hüft-OA besteht darin, dass eine abnormale Hüftmorphologie bei asymptomatischen Erwachsenen sehr häufig vorkommt. Bemerkenswerterweise haben Studien die Morphologie im Zusammenhang mit Cam-Typ FAIS bei etwa 35% der Allgemeinbevölkerung6,83% der älteren Athleten7und mehr als 95% der männlichen College-Athleten8beobachtet. In einer anderen Studie mit weiblichen College-Athleten hatten 60% der Teilnehmer einen radiologischen Nachweis von Cam FAIS und 30% hatten Hinweise auf DDH9.
Studien, die eine hohe Prävalenz von Deformitäten bei Personen ohne Hüftschmerzen belegen, weisen auf die Möglichkeit hin, dass die Morphologie, die häufig mit FAIS und DDH assoziiert ist, eine natürliche Variante sein kann, die nur unter bestimmten Bedingungen symptomatisch wird. Die Wechselwirkung zwischen Hüftanatomie und Hüftbiomechanik ist jedoch nicht gut verstanden. Insbesondere gibt es bekannte Schwierigkeiten bei der Messung der Hüftgelenksbewegung mit herkömmlicher optischer Motion-Capture-Technologie. Erstens ist das Gelenk relativ tief im Körper, so dass die Position des Hüftgelenkzentrums schwer zu identifizieren und dynamisch mit optischer Hautmarkerbewegungserfassung zu verfolgen ist, mit Fehlern in der gleichen Größenordnung wie der Radius des Femurkopfes10,11. Zweitens ist das Hüftgelenk von einer großen Weichteilmasse umgeben, einschließlich subkutanem Fett und Muskeln, die sich relativ zum darunter liegenden Knochen bewegen, was zu Weichteilartefakten12,13,14führt . Schließlich wird die Kinematik mittels optischer Verfolgung von Hautmarkern relativ zur generalisierten Anatomie ausgewertet und gibt somit keinen Einblick in die Auswirkungen subtiler morphologischer Unterschiede auf die Biomechanik des Gelenks.
Um dem Mangel an genauer Kinematik in Kombination mit fachspezifischer Knochenmorphologie zu begegnen, wurden sowohl Einzel- als auch Doppelfluoroskopiesysteme für die Analyse anderer natürlicher Gelenksysteme entwickelt15,16,17. Diese Technologie wurde jedoch erst kürzlich auf das native Hüftgelenk angewendet, wahrscheinlich aufgrund der Schwierigkeit, qualitativ hochwertige Bilder durch das die Hüfte umgebende Weichgewebe zu erhalten. Die Methodik zur genauen Messung der In-vivo-Hüftgelenksbewegung und Anzeige dieser Bewegung in Bezug auf die fachspezifische Knochenanatomie wird hier beschrieben. Die daraus resultierende Arthrokinematik bietet eine beispiellose Fähigkeit, das subtile Zusammenspiel zwischen Knochenmorphologie und Biomechanik zu untersuchen.
Hierin wurden die Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Dual-Fluoroskopie-Bildern der Hüfte während Aktivitäten des täglichen Lebens beschrieben. Aufgrund des Wunsches, Ganzkörperkinematik mit optischer Markerverfolgung gleichzeitig mit dualen Durchleuchtungsbildern zu erfassen, erfordert das Datenerfassungsprotokoll die Koordination zwischen mehreren Datenquellen. Die Kalibrierung des dualen Durchleuchtungssystems verwendet Plexiglasstrukturen, die mit metallischen Perlen implantiert werden, die direkt als Marker identifiziert und verfolgt werden können. Im Gegensatz dazu wird die dynamische Knochenbewegung mit markerlosem Tracking verfolgt, das nur die CT-basierte Röntgendichte der Knochen verwendet, um die Orientierung zu definieren. Dynamische Bewegungen werden dann gleichzeitig mit dualen Durchleuchtungs- und Bewegungserfassungsdaten verfolgt, die räumlich und zeitlich synchronisiert sind.
Die Systeme werden während der Kalibrierung räumlich synchronisiert, indem gleichzeitig ein Würfel mit reflektierenden Markern und implantierten Metallperlen und die Generierung eines gemeinsamen Koordinatensystems erstellt wird. Die Systeme werden für jede Aktivität oder Erfassung zeitlich synchronisiert, indem ein geteilter elektronischer Trigger verwendet wird, der ein Signal sendet, um die Aufzeichnung der Dual-Fluoroskopie-Kameras zu beenden und einen konstanten 5-V-Eingang zum Motion-Capture-System zu unterbrechen. Dieses koordinierte Protokoll ermöglicht die Quantifizierung der Position von Körpersegmenten, die außerhalb des kombinierten Sichtfeldes des dualen Durchleuchtungssystems liegen, die Expression kinematischer Ergebnisse in Bezug auf gangnormalisierte Ereignisse und die Charakterisierung der Weichteilverformung um Femur und Becken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Dual-Fluoroskopie ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Untersuchung der In-vivo-Kinematik, insbesondere für die Hüfte, die mit herkömmlicher optischer Bewegungserfassung schwer genau zu messen ist. Fluoroskopiegeräte sind jedoch spezialisiert, wobei bei der Abbildung anderer Gelenke des menschlichen Körpers ein einzigartiger Systemaufbau erforderlich sein kann. Zum Beispiel wurden mehrere Modifikationen an der Montage der Bildverstärker, der Positionierung des Systems und der Einstellung der Str…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health (NIH) unter den Fördernummern S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925 unterstützt. Der Inhalt liegt allein in der Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten des NIH dar.
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
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