JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

В городе Vivo Количественная оценка артрокинематики тазобедренного сустава во время динамической несущей деятельности с использованием двойной рентгеноскопии

Published: July 02, 2021
doi:
10.3791/62792
, ,
1Department of Orthopaedics,University of Utah, 2Scientific Computing and Imaging Institute,University of Utah, 3Department of Mechanical Engineering,University of Vermont, 4Department of Biomedical Engineering,University of Utah, 5Department of Physical Therapy,University of Utah

Summary

Двойная рентгеноскопия точно фиксирует in vivo динамическое движение суставов человека, которое может быть визуализировано относительно реконструированной анатомии (например, артрокинематики). Здесь представлен подробный протокол количественной оценки артрокинематики тазобедренного сустава во время несущей деятельности повседневной жизни, включая интеграцию двойной рентгеноскопии с традиционным захватом движения маркеров кожи.

Abstract

Несколько патологий тазобедренного сустава были отнесены к аномальной морфологии с базовым предположением об аберрантной биомеханике. Однако структурно-функциональные отношения на совместном уровне по-прежнему трудно поддаются количественной оценке из-за трудностей с точным измерением динамического движения суставов. Ошибки артефактов мягких тканей, присущие захвату движения оптическими маркерами кожи, усугубляются глубиной тазобедренного сустава в организме и большой массой мягких тканей, окружающих сустав. Таким образом, сложную взаимосвязь между формой кости и кинематикой тазобедренного сустава изучать сложнее, чем в других суставах. Здесь представлен протокол, включающий артрографию компьютерной томографии (КТ), трехмерную (3D) реконструкцию объемных изображений, двойную рентгеноскопию и оптический захват движения для точного измерения динамического движения тазобедренного сустава. Обобщены технические и клинические исследования, в которых применялась двойная рентгеноскопия для изучения формо-функциональных отношений тазобедренного сустава с использованием этого протокола, а также описываются конкретные шаги и будущие соображения по сбору, обработке и анализу данных.

Introduction

Количество процедур тотальной эндопротезирования тазобедренного сустава (THA), выполненных взрослым в возрасте 45-64 лет, страдающим остеоартритом тазобедренного сустава (ОА), более чем удвоилось в период с 2000 по 2010год1. Основываясь на увеличении процедур THA с 2000 по 2014 год, недавнее исследование предсказало, что общее количество ежегодных процедур может утроиться в течение следующих двадцати лет2. Это значительное увеличение процедур THA вызывает тревогу, учитывая, что текущие затраты на лечение превышают 18 миллиардов долларов в год только в Соединенных Штатах3.

Дисплазия развития тазобедренного сустава (DDH) и бедренный синдром импинджмента (FAIS), которые описывают недостаточное или чрезмерное ограничение бедра, соответственно, считаются первичной этиологией тазобедренного сустава OA4. Высокая распространенность этих структурных деформаций тазобедренного сустава у лиц, подвергающихся ТХА, была первоначально описана более трех десятилетий назад5. Тем не менее, связь между аномальной анатомией тазобедренного сустава и остеоартритом не совсем понятна. Одна из проблем улучшения рабочего понимания роли деформаций в развитии ОА тазобедренного сустава заключается в том, что аномальная морфология тазобедренного сустава очень распространена среди бессимптомных взрослых. Примечательно, что исследования наблюдали морфологию, связанную с FAIS кулачкового типа, примерно у 35% населения в целом6,83% старших спортсменов7и более 95% университетских спортсменов-мужчин8. В другом исследовании женщин-спортсменок 60% участников имели рентгенографические доказательства CAM FAIS, а 30% имели доказательства DDH9.

Исследования, демонстрирующие высокую распространенность деформаций среди людей без боли в бедре, указывают на возможность того, что морфология, обычно связанная с FAIS и DDH, может быть естественным вариантом, который становится симптоматическим только при определенных условиях. Тем не менее, взаимодействие между анатомией тазобедренного сустава и биомеханией тазобедренного сустава не совсем понятно. Примечательно, что существуют известные трудности с измерением движения тазобедренного сустава с использованием традиционной технологии оптического захвата движения. Во-первых, сустав находится относительно глубоко внутри тела, так что расположение центра тазобедренного сустава трудно как идентифицировать, так и динамически отслеживать с помощью оптического захвата движения маркером кожи, с ошибками на том же порядке величины, что и радиус головки бедренной кости10,11. Во-вторых, тазобедренный сустав окружен большой массой мягких тканей, включая подкожно-жировую клетчатку и мышцы, которые движутся относительно подлежащей кости, в результате чего образовывался артефакт мягких тканей12,13,14. Наконец, используя оптическое отслеживание маркеров кожи, кинематика оценивается относительно обобщенной анатомии и, таким образом, не дает представления о том, как тонкие морфологические различия могут повлиять на биомеханику сустава.

Для решения проблемы отсутствия точной кинематики в сочетании с субъект-специфической морфологией кости были разработаны как одиночные, так и двойные системы рентгеноскопии для анализа других естественных суставных систем15,16,17. Тем не менее, эта технология только недавно была применена к родному тазобедренному суставу, вероятно, из-за трудностей с получением высококачественных изображений через мягкие ткани, окружающие бедро. Методология точного измерения in vivo движения тазобедренного сустава и отображения этого движения относительно предметно-специфической анатомии кости описана в настоящем документе. Полученная артрокинематика обеспечивает непревзойденную способность исследовать тонкое взаимодействие между морфологией кости и биомеханикой.

Здесь описаны процедуры получения и обработки двойных рентгеноскопических изображений тазобедренного сустава во время повседневной жизни. Из-за желания захватывать кинематику всего тела с оптическим маркерным отслеживанием одновременно с двойными рентгеноскопическими изображениями, протокол сбора данных требует координации между несколькими источниками данных. Калибровка двойной системы рентгеноскопии использует структуры из плексигласа, имплантированные металлическими шариками, которые могут быть непосредственно идентифицированы и отслежены как маркеры. Напротив, динамическое движение костей отслеживается с помощью безмаркерного отслеживания, которое использует только рентгенографическую плотность костей на основе КТ для определения ориентации. Динамическое движение затем отслеживается одновременно с помощью двойной рентгеноскопии и данных захвата движения, которые синхронизированы пространственно и временно.

Системы синхронизируются пространственно во время калибровки посредством одновременной визуализации куба как с отражающими маркерами, так и с имплантированными металлическими шариками и генерации общей системы координат. Системы синхронизируются во времени для каждого действия или захвата с помощью разделенного электронного триггера, который посылает сигнал для завершения записи двойных рентгеноскопических камер и прерывает постоянный вход 5 В в систему захвата движения. Этот скоординированный протокол позволяет количественно оценить положение сегментов тела, которые выходят за пределы комбинированного поля зрения двойной системы рентгеноскопии, экспрессию кинематических результатов относительно событий, нормализованных походкой, и характеристику деформации мягких тканей вокруг бедренной кости и таза.

Protocol

Процедуры, изложенные в этом протоколе, были одобрены Советом по институциональному обзору Университета штата Юта. 1. Компьютерная артрограмма Артрограмма18 Запланируйте обученного рентгенолога опорно-двигательного аппарата для выполнения артро?…

Representative Results

Используя двойную рентгеноскопию в качестве эталонного стандарта, точность оценок центра тазобедренного сустава на основе маркеров кожи и влияние артефакта мягких тканей на кинематические и кинетические измерения были количественно определены22,23,<…

Discussion

Двойная рентгеноскопия является мощным инструментом для исследования in vivo кинематики, особенно для тазобедренного сустава, который трудно точно измерить с помощью традиционного оптического захвата движения. Однако рентгеноскопическое оборудование является специализированным…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) под номерами грантов S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , (2016).
  2. 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).
  3. . HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021)
  4. 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).
  5. Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Winter, D. A. . Biomechanics and motor control of human movement. , (2009).
  20. 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).
  21. MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
  43. 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).

Tags

In Vivo Hip KinematicsDual FluoroscopyWhole Body Motion CaptureHip DegenerationPivot ActivitiesWalking DrillsInclined WalkingAbduction AdductionDynamic Hip Joint CenterStar ArchMarker Placement
check_url/62792?article_type=t&slug=in-vivo-quantification-hip-arthrokinematics-during-dynamic-weight

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy. J. Vis. Exp. (173), e62792, doi:10.3791/62792 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image