ב-Vivo כימות של ארתרוקינמטיקה היפ במהלך פעילויות נושאות משקל דינמיות באמצעות פלואורוסקופיה כפולה
Summary
פלואורוסקופיה כפולה לוכדת במדויק בתנועה דינמית של ויואו של מפרקים אנושיים, אשר ניתן לדמיין ביחס לאנטומיה משוחזרת (למשל, ארתרוקינמטיקה). להלן, פרוטוקול מפורט לכימות ארתרוקינמטיקה הירך במהלך פעילויות נושאות משקל של חיי היומיום מוצג, כולל שילוב של פלואורוסקופיה כפולה עם לכידת תנועה מסורתית סמן העור.
Abstract
מספר פתולוגיות ירך יוחסו למורפולוגיה חריגה עם הנחה הבסיסית של ביומכניקה חריגה. עם זאת, יחסי מבנה-פונקציה ברמה המשותפת עדיין מאתגרים לכימות בשל קשיים במדידת תנועה משותפת דינמית מדויקת. שגיאות חפץ הרקמות הרכות הטבועות בלכידת תנועה של סמן עור אופטי מחמירות על ידי עומק מפרק הירך בתוך הגוף והמסה הגדולה של הרקמה הרכה המקיפה את המפרק. לכן, הקשר המורכב בין צורת העצם לבין קינמטיקה מפרק הירך קשה יותר ללמוד במדויק מאשר במפרקים אחרים. להלן פרוטוקול המשלב ארטרוגרפיה טומוגרפיה ממוחשבת (CT), שחזור תלת מימדי (תלת-ממדי) של תמונות נפחיות, פלואורוסקופיה כפולה ולכידת תנועה אופטית כדי למדוד במדויק את התנועה הדינמית של מפרק הירך. המחקרים הטכניים והקליניים שהפעילו פלואורוסקופיה כפולה כדי לחקור את קשרי תפקודי הצורה של הירך באמצעות פרוטוקול זה מסוכמים, והצעדים הספציפיים והשיקולים העתידיים לרכישת נתונים, עיבוד וניתוח מתוארים.
Introduction
מספר הניתוחים הכוללים של ארתרופלסטיקה בירך (THA) שבוצעו על מבוגרים בגילאי 45-64 שנים הסובלים מדלקת מפרקים ניוונית בירך (OA) יותר מהכפיל את עצמו בין 2000 ל -20101. בהתבסס על העלייה בהליכי THA בין השנים 2000 ל -2014, מחקר שנערך לאחרונה חזה כי המספר הכולל של הליכים שנתיים עשוי לשלש את עצמו בעשרים השנים הבאות2. עליות גדולות אלה בהליכי THA מדאיגות בהתחשב בכך שעלויות הטיפול הנוכחיות עולות על 18 מיליארד דולר בשנה בארצות הבריתלבדה 3.
דיספלזיה התפתחותית של הירך (DDH) ותסמונת ההפוגה הפמורואצטאבולית (FAIS), המתארות ירך מתחת או מוגבלת יתר על המידה, בהתאמה, הם האמינו להיות האטיולוגיה העיקרית של ירך OA4. השכיחות הגבוהה של עיוותים אלה בירך מבנית אצל אנשים העוברים THA תוארה בתחילה לפני יותר משלושהעשורים לפני 5. ובכל זאת, הקשר בין אנטומיה ירך חריגה דלקת מפרקים ניוונית אינו מובן היטב. אחד האתגרים לשיפור ההבנה העובדת של תפקיד העיוותים בהתפתחות OA הירך הוא כי מורפולוגיה ירך חריגה נפוצה מאוד בקרב מבוגרים יםמפטומטיים. ראוי לציין, מחקרים הבחינו מורפולוגיה הקשורים FAIS סוג פקה בכ 35% מהאוכלוסייה הכללית6, 83% של ספורטאים בכירים7, ויותר מ 95% של ספורטאים זכר קולג’ים8. במחקר אחר של ספורטאיות קולג’ים, ל-60% מהמשתתפים היו ראיות רדיוגרפיות של פקה FAIS, ול-30% היו עדויות ל-DDH9.
מחקרים המדגים שכיחות גבוהה של עיוותים בקרב אנשים ללא כאבי ירך מצביעים על האפשרות כי מורפולוגיה הקשורה בדרך כלל עם FAIS ו- DDH עשויה להיות גרסה טבעית שהופכת לסימפטומטית רק בתנאים מסוימים. עם זאת, האינטראקציה בין אנטומיה הירך וביומכניקה הירך אינה מובנת היטב. ראוי לציין, ישנם קשיים ידועים עם מדידת תנועה מפרק הירך באמצעות טכנולוגיית לכידת תנועה אופטית מסורתית. ראשית, המפרק הוא עמוק יחסית בתוך הגוף, כך המיקום של מרכז מפרק הירך קשה לזהות ולעקוב באופן דינמי באמצעות לכידת תנועה סמן עור אופטי, עם שגיאות באותו סדר גודל כמו רדיוס הראש הירך10,11. שנית, מפרק הירך מוקף בנפח גדול של רקמות רכות, כולל שומן ושרירים תת עוריים, הנעים יחסית לעצם הבסיסית, וכתוצאה מכך חפץרקמות רכות 12,13,14. לבסוף, באמצעות מעקב אופטי של סמני עור, קינמטיקה מוערכים ביחס לאנטומיה כללית ולכן אינם מספקים תובנה כיצד הבדלים מורפולוגיים עדינים עשויים להשפיע על הביומכניקה של המפרק.
כדי להתמודד עם היעדר קינמטיקה מדויקת בשילוב עם מורפולוגיה של עצם ספציפית לנושא, פותחו מערכות פלואורוסקופיה בודדות דו-פעמיות לניתוח מערכות מפרקים טבעיות אחרות15,16,17. עם זאת, טכנולוגיה זו הוחלה רק לאחרונה על מפרק הירך המקומי, ככל הנראה בשל הקושי להשיג תמונות באיכות גבוהה דרך הרקמה הרכה המקיפה את הירך. המתודולוגיה למדוד במדויק בתנועה מפרק הירך vivo ולהציג תנועה זו ביחס אנטומיה עצם ספציפית לנושא מתוארת להלן. הארתרוקינמטיקה המתקבלת מספקת יכולת שאין דומה לה לחקור את יחסי הגומלין העדינים בין מורפולוגיה של העצם לביומכניקה.
להלן, נהלי רכישת ועיבוד תמונות פלואורוסקופיה כפולות של הירך במהלך פעילויות של חיי היומיום תוארו. בשל הרצון ללכוד קינמטיקה של כל הגוף עם מעקב אחר סמן אופטי בו זמנית עם תמונות פלואורוסקופיה כפולות, פרוטוקול איסוף הנתונים דורש תיאום בין מספר מקורות נתונים. כיול מערכת הפלורוסקופיה הכפולה משתמש במבני פרספקס המושתלים בחרוזים מתכתיים שניתן לזהותם ישירות ולעקוב אחריהם כסמנים. לעומת זאת, תנועת עצם דינמית מתבצעת באמצעות מעקב ללא סמן, המשתמש רק בצפיפות הרדיוגרף מבוססת ה- CT של העצמות כדי להגדיר אוריינטציה. לאחר מכן מתבצע מעקב אחר תנועה דינמית בו-זמנית באמצעות נתוני פלואורוסקופיה ולכידת תנועה כפולים המסונכרנים באופן מרחבי וטמפורלי.
המערכות מסונכרנות באופן מרחבי במהלך הכיול באמצעות הדמיה בו-זמנית של קוביה עם סמנים רפלקטיביים וחרוזי מתכת מושתלים ויצירת מערכת קואורדינטות משותפת. המערכות מסונכרנות זמנית עבור כל פעילות או לכידה באמצעות גורם אלקטרוני מפוצל, אשר שולח אות לסיים את ההקלטה של מצלמות פלואורוסקופיה כפולה וקוטע קלט V קבוע למערכת לכידת התנועה. פרוטוקול מתואם זה מאפשר כימות המיקום של מקטעי הגוף הנופלים מחוץ לשדה הראייה המשולב של מערכת הפלורוסקופיה הכפולה, ביטוי של תוצאות קינמטיות ביחס לאירועים מנורמלים הליכות, ואפיון עיוות הרקמות הרכות סביב עצם הירך והאגן.
Protocol
Representative Results
Discussion
פלואורוסקופיה כפולה היא כלי רב עוצמה לחקירה של in vivo kinematics, במיוחד עבור הירך, אשר קשה למדוד במדויק באמצעות לכידת תנועה אופטית מסורתית. עם זאת, ציוד פלואורוסקופיה מתמחה, שבו התקנה מערכת ייחודית עשויה להידרש בעת הדמיה מפרקים אחרים של גוף האדם. לדוגמה, מספר שינויים נעשו הרכבה של מגבירי התמ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) תחת מספרי מענקים S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. התוכן הוא באחריות המחברים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של ה- 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 |
References
- 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).
