Medición de la cinemática del hombro 3D in vivo mediante videorradiografía biplanar

Summary

La videorradiografía biplana puede cuantificar la cinemática del hombro con un alto grado de precisión. El protocolo descrito en este documento fue diseñado específicamente para rastrear la escápula, el húmero y las costillas durante la elevación humeral plana, y describe los procedimientos para la recopilación, el procesamiento y el análisis de datos. También se describen consideraciones únicas para la recopilación de datos.

Abstract

El hombro es uno de los sistemas articulares más complejos del cuerpo humano, con movimiento que ocurre a través de las acciones coordinadas de cuatro articulaciones individuales, múltiples ligamentos y aproximadamente 20 músculos. Desafortunadamente, las patologías del hombro (por ejemplo, desgarros del manguito rotador, dislocaciones articulares, artritis) son comunes, lo que resulta en dolor sustancial, discapacidad y disminución de la calidad de vida. La etiología específica para muchas de estas condiciones patológicas no se entiende completamente, pero generalmente se acepta que la patología del hombro a menudo se asocia con un movimiento articular alterado. Desafortunadamente, medir el movimiento del hombro con el nivel necesario de precisión para investigar hipótesis basadas en el movimiento no es trivial. Sin embargo, las técnicas de medición de movimiento basadas en radiografía han proporcionado el avance necesario para investigar hipótesis basadas en el movimiento y proporcionar una comprensión mecanicista de la función del hombro. Por lo tanto, el propósito de este artículo es describir los enfoques para medir el movimiento del hombro utilizando un sistema de videorradiografía biplanar personalizado. Los objetivos específicos de este artículo son describir los protocolos para adquirir imágenes videorradiográficas biplanares del complejo del hombro, adquirir tomografías computarizadas, desarrollar modelos óseos en 3D, localizar puntos de referencia anatómicos, rastrear la posición y orientación del húmero, la escápula y el torso a partir de las imágenes radiográficas biplanares, y calcular las medidas de resultado cinemáticas. Además, el artículo describirá consideraciones especiales exclusivas del hombro al medir la cinemática articular utilizando este enfoque.

Introduction

El hombro es uno de los sistemas articulares más complejos del cuerpo humano, con movimiento que ocurre a través de las acciones coordinadas de cuatro articulaciones individuales, múltiples ligamentos y aproximadamente 20 músculos. El hombro también tiene el mayor rango de movimiento de las principales articulaciones del cuerpo y a menudo se describe como un compromiso entre la movilidad y la estabilidad. Desafortunadamente, las patologías del hombro son comunes, lo que resulta en dolor sustancial, discapacidad y disminución de la calidad de vida. Por ejemplo, los desgarros del manguito rotador afectan a aproximadamente el 40% de la población mayor de 601,2,3 años, con aproximadamente 250,000 reparaciones del manguito rotador realizadas ^anualmente4, y una carga económica estimada de $ 3-5 mil millones por año en los Estados ^Unidos5. Además, las luxaciones de hombro son comunes y a menudo se asocian con disfunción ^crónica6. Por último, la artrosis articular glenohumeral (OA) es otro problema clínico importante que afecta al hombro, con estudios poblacionales que indican que aproximadamente el 15%-20% de los adultos mayores de 65 años tienen evidencia radiográfica de OA glenohumeral7,8. Estas condiciones son dolorosas, perjudican los niveles de actividad y disminuyen la calidad de vida.

Aunque las patogénesis de estas afecciones no se comprenden completamente, generalmente se acepta que el movimiento alterado del hombro se asocia con muchas patologías del hombro9,10,11. Específicamente, el movimiento anormal de las articulaciones puede contribuir a la ^{patología9,12}, o que la patología puede conducir a un movimiento anormal de las ^{articulaciones13,14}. Las relaciones entre el movimiento articular y la patología son probablemente complejas, y las alteraciones sutiles en el movimiento articular pueden ser importantes en el hombro. Por ejemplo, aunque el movimiento angular es el movimiento predominante que ocurre en la articulación glenohumeral, las traducciones articulares también ocurren durante el movimiento del hombro. En condiciones normales, es probable que estas traducciones no excedan varios milímetros15,16,17,18,19 y, por lo tanto, pueden estar por debajo del nivel de precisión in vivo para algunas técnicas de medición. Si bien puede ser tentador suponer que las pequeñas desviaciones en el movimiento articular pueden tener poco impacto clínico, es importante reconocer también que el efecto acumulativo de las desviaciones sutiles durante años de actividad del hombro puede exceder el umbral del individuo para la curación y reparación de tejidos. Además, las fuerzas in vivo en la articulación glenohumeral no son intrascendentes. Utilizando implantes de articulación glenohumeral instrumentados personalizados, estudios previos han demostrado que elevar un peso de 2 kg a la altura de la cabeza con un brazo extendido puede resultar en fuerzas articulares glenohumerales que pueden oscilar entre el 70% y el 238% del peso corporal20,21,22. En consecuencia, la combinación de cambios sutiles en el movimiento articular y altas fuerzas concentradas sobre la pequeña superficie de carga del glenoideo puede contribuir al desarrollo de patologías degenerativas del hombro.

Históricamente, la medición del movimiento del hombro se ha logrado a través de una variedad de enfoques experimentales. Estos enfoques han incluido el uso de complejos sistemas de pruebas cadavéricas diseñados para simular el movimiento del hombro23,24,25,26,27, sistemas de captura de movimiento basados en video con marcadores de superficie28,29,31, sensores electromagnéticos montados en superficie32,33,34,35 , pines óseos con marcadores reflectantes u otros sensores ^{conectados36,37,38}, imágenes médicas estáticas bidimensionales (es decir, fluoroscopia39,40,41 y radiografías17,42,43,44,45), imágenes médicas estáticas tridimensionales (3D) mediante ^MRI46,47, tomografía ^{computarizada48} e imágenes fluoroscópicas dinámicas de un solo plano 3D49,50,51. Más recientemente, los sensores portátiles (por ejemplo, unidades de medición inerciales) han ganado popularidad para medir el movimiento del hombro fuera del entorno del laboratorio y en condiciones de vida libre52,53,54,55,56,57.

En los últimos años, ha habido una proliferación de sistemas radiográficos o fluoroscópicos biplanos diseñados para medir con precisión los movimientos dinámicos e in vivo en 3D del hombro58,59,60,61,62. El propósito de este artículo es describir el enfoque de los autores para medir el movimiento del hombro utilizando un sistema de videorradiografía biplanar personalizado. Los objetivos específicos de este artículo son describir los protocolos para adquirir imágenes videorradiográficas biplanares del complejo del hombro, adquirir tomografías computarizadas, desarrollar modelos óseos en 3D, localizar puntos de referencia anatómicos, rastrear la posición y orientación del húmero, la escápula y el torso a partir de las imágenes radiográficas biplanares y calcular las medidas de resultado cinemáticas.

Protocol

Antes de la recopilación de datos, el participante proporcionó su consentimiento informado por escrito. La investigación fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional del Sistema de Salud Henry Ford. Los protocolos para adquirir, procesar y analizar datos de movimiento radiográfico biplano dependen en gran medida de los sistemas de imágenes, el software de procesamiento de datos y las medidas de resultado de interés. El siguiente protocolo fue diseñado específicamente para rastr…

Representative Results

Una mujer asintomática de 52 años (IMC = 23,6 kg/m2) fue reclutada como parte de una investigación previa y se sometió a pruebas de movimiento (abducción del plano coronal) en su hombro dominante (derecho)65. Antes de la recopilación de datos, el participante proporcionó su consentimiento informado por escrito. La investigación fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional del Sistema de Salud Henry Ford. La recolección de datos se realizó utilizando el protocolo descri…

Discussion

La técnica descrita aquí supera varias desventajas asociadas con las técnicas convencionales para evaluar el movimiento del hombro (es decir, simulaciones cadavéricas, imágenes 2D, imágenes 3D estáticas, sistemas de captura de movimiento basados en video, sensores portátiles, etc.) al proporcionar medidas precisas del movimiento articular 3D durante las actividades dinámicas. La precisión del protocolo aquí descrito se estableció para que la articulación glenohumeral contra el estándar de oro del análisis …

Materials

Calibration cube	Built in-house	N/A	10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box’s vertical edges (12 beads total). The positions of each bead are precisely known relative to a corner of the box that serves as the origin of the laboratory coordinate system.
Distortion correction grid	Built in-house	N/A	Lucite sheet that covers the entire face of the 16 inch image intensifier and contains an orthogonal array of tantalum beads spaced at 1 cm.
ImageJ	National Institutes of Health	N/A	Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.
Markerless Tracking Workbench	Custom, in house software	N/A	A workbench of custom software used to digitize anatomical landmarks on 3D bone models, constructs anatomical coordinate systems, uses intensity-based image registration to perform markerless tracking, and calculates and visualize kinematic outcomes measures.
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.
Mimics (version 20)	Materialise, Inc	N/A	Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	N/A	3D graphics program used to visualize bones
Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4)		N/A	Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images
Pulse generator (Model 9514)	Quantum Composers, Inc.	N/A	Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time
Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV)	EMD Technologies	N/A	Generates the x-rays used to produce radiographic images
Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110)	North American Imaging	N/A	Converts x-rays into photons to produce visible image
Two Phantom VEO 340 cameras	Vision Research	N/A	High speed cameras record the visible image created by the x-ray system