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Medicine

在维沃 使用双氟镜检查进行动态负重活动时臀部关节肌学的量化

Published: July 2, 2021 doi: 10.3791/62792
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1,2,4,5
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

双荧光镜检查准确地捕捉到人体关节的 体内 动态运动，与重建的解剖学（例如关节肌学）相比，可以可视化。在此，介绍了在日常生活的负重活动中量化臀部关节学的详细协议，包括将双荧光镜检查与传统皮肤标记运动捕捉相结合。

Abstract

一些臀部病理学被归因于异常形态与异常生物力学的基本假设。然而，由于难以准确测量动态联合运动，关节一级的结构功能关系仍然难以量化。光学皮肤标记运动捕获中固有的软组织人工错误因体内臀部关节的深度和关节周围的大量软组织而加剧。因此，骨骼形状和臀部关节运动学之间的复杂关系比其他关节更难准确研究。在此，介绍了一个协议，包括计算机断层扫描 （CT） 关节学， 三维 （3D） 重建体积图像， 双荧光镜检查， 和光学运动捕捉， 以准确测量臀部关节的动态运动.利用本协议对臀部的形态功能关系进行了应用双氟镜检查的技术与临床研究，并介绍了数据采集、处理和分析的具体步骤和未来考虑。

Introduction

2000年至2010年，对45-64岁患有臀部骨关节炎（OA）的成年人进行的臀部关节成形术（THA）总数增加了一倍多。根据2000年至2014年THA程序的增加，最近的一项研究预测，在未来20年中，每年的手术总数可能会增加两倍。考虑到目前仅美国每年的治疗费用就超过180亿美元，THA程序的大幅增长令人震惊。

臀部发育不良 （DDH） 和股骨撞击综合征 （FAIS）， 分别描述一个不足或过度约束的臀部， 被认为是臀部OA4的主要病因.这些结构性臀部畸形在接受THA治疗的个人中高流行率最初是在30多年前5。然而，异常臀部解剖学和骨关节炎之间的关系尚不清楚。提高对畸形在臀部OA发育中作用的工作理解的一个挑战是，异常的臀部形态在无症状的成年人中很常见。值得注意的是，研究发现，在大约35%的普通人群中，6岁、83%的高级运动员和95%以上的大学男性运动员8岁，都与凸轮型FAIS有关。在另一项针对女大学生运动员的研究中，60%的参与者有凸轮FAIS的放射学证据，30%的参与者有DDH9的证据。

研究表明，没有臀部疼痛的个体中畸形患病率很高，这表明通常与 FAIS 和 DDH 相关的形态可能是一种自然变异，只有在特定条件下才会出现症状。然而，臀部解剖学和臀部生物力学之间的相互作用没有得到很好的理解。值得注意的是，使用传统的光学运动捕捉技术测量臀部关节运动存在已知困难。首先，关节在体内相对较深，因此臀部关节中心的位置很难识别和跟踪动态使用光学皮肤标记运动捕获，错误在相同的数量级作为股骨头半径10，11。其次，臀部关节被大软组织体积包围，包括皮下脂肪和肌肉，相对于底层骨骼移动，导致软组织产件12，13，14。最后，使用皮肤标记的光学跟踪，运动学被评估相对于泛化解剖学，因此不能提供如何微妙的形态差异可能影响关节的生物力学的见解。

为了解决缺乏准确的运动学结合主题特定的骨骼形态，已经开发了单和双荧镜系统，用于分析其他自然关节系统15，16，17。然而，这项技术最近才应用于本地臀部关节，可能是由于难以通过臀部周围的软组织获得高质量的图像。本文介绍了准确测量活体臀部关节运动并显示相对于特定主体骨解剖学的运动的方法。由此产生的关节肌理学提供了无与伦比的能力，以调查骨骼形态学和生物力学之间的微妙相互作用。

其中，介绍了在日常生活活动中获取和处理臀部双荧镜图像的程序。由于希望用双荧光镜图像同时使用光学标记跟踪捕获全身运动学，数据收集协议需要多个数据源之间的协调。双荧镜系统的校准利用植入金属珠的有机玻璃结构，可直接识别和跟踪为标记。相比之下，动态骨骼运动使用无标记跟踪进行跟踪，该跟踪仅使用基于 CT 的骨骼放射密度来定义方向。然后使用空间和时间同步的双荧镜检查和运动捕获数据同时跟踪动态运动。

系统在校准过程中通过同时成像一个具有反射标记和植入金属珠的立方体以及生成共同坐标系统，在空间上同步。系统通过拆分电子触发器对每个活动进行时间同步或捕获，该触发器发送信号以结束双荧镜相机的录制，并中断运动捕获系统的恒定 5 V 输入。此协调协议可量化属于双荧光系统组合视场之外的身体段的位置、相对于步态正常化事件运动结果的表达以及股骨和骨盆周围软组织变形的特征。

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Protocol

本议定书中概述的程序已得到犹他大学机构审查委员会的批准。

1. CT关节图成像

  1. 关节图18
    1. 安排训练有素的肌肉骨骼放射科医生在预定的CT成像之前直接进行关节图检查。
    2. 将参与者放在桌子上，臀部对临床荧光镜感兴趣。将沙袋放在脚踝两侧，以防止腿部和臀部旋转。
    3. 准备皮肤，以创建一个无菌的环境。标记针头插入的位置（股骨头颈结），并麻醉注射部位的软组织 ，2-5 mL 的 1% 利多卡因。
    4. 在 30 mL 的诱饵锁注射器中准备 20 mL 的 1% 利多卡因、10 mL 的 iohexol 注射和 0.1 mL 的 1 毫克/mL （1：1000） 肾上腺素解决方案。
    5. 注射利多卡因后两到五分钟，插入脊髓针，直到它接触股骨颈部：通过荧镜检查验证针头的位置。注射少量预制溶液（<5 mL），确保注射的液体包含在关节胶囊内，并配以荧镜检查图像。
    6. 注入20-30mL的对比混合物。观察到对注射的额外阻力时，让研究团队成员通过拉扯参与者的脚踝手动将牵引力施加到臀部，而参与者则抓住桌子的头板来抵抗上半身运动。酌情注射剩余的对比混合物。
    7. 通过荧镜检查验证对比剂是否填充关节空间，并在施加牵引力时覆盖股骨。
    8. 将患者转移到轮椅或床上的 CT 扫描仪，以尽量减少关节胶囊内的对比度损失。
  2. 牵引力和 CT 成像
    1. 帮助参与者进入 CT 龙门上的素化位置。
    2. 将野兔牵引夹板装置置于感兴趣的腿部下，确保近似填充杆只停留在离石台很近的地方。将钩和环带系在参与者的大腿和脚踝周围，并应用轻牵引力。
    3. 获得一个侦察图像，并设置视野，包括整个骨盆和近体股骨略低于臀部较小的龙骨。设置一个单独的视野，包括膝盖的左股骨和近头骨。
    4. 应用额外的牵引力（让研究团队的一名成员拉脚踝，而另一名成员拧紧野兔牵引夹板的表带），以确保关节空间的分离。获得图像在 120千伏普，1.0毫米切片厚度，200 -400毫安的 臀部和 120千伏普，3.0毫米切片厚度，和150毫阿 的膝盖。使用 CARE 剂量，一种自动暴露控制，根据图像质量调节管电流，以最大限度地减轻参与者的辐射负担。
    5. 释放并拆下野兔牵引夹板设备。协助参与者站立，并确保他们感到舒适，把重量和移动的肢体，然后再允许他们离开。

2. 双荧镜成像

  1. 系统设置
    1. 应用人体测量19 根据参与者报告的高度来估计臀部关节的高度，并使用此测量来估计系统视野中心所需的高度。
    2. 将图像强化器彼此放置在与感兴趣的臀部对应的仪器跑步机上的一侧约 50°（图 1）。
    3. 将 X 射线发射器定位到图像强化器上。确保发射源与图像强化剂表面之间的距离 约为 100-110 厘米。
      注：发射源与图像强化剂表面之间的推荐距离将因系统规格和 X 射线发射器中的协作器而异。
    4. 使用字符串或测量磁带连接图像强化器的面部中心和每个荧光镜对的相应 X 射线发射器。验证字符串（或磁带）是否在所需位置交叉（即在臀部关节的预期位置）。
    5. 将盘子用三个激光贴在发射器上，用镜子贴在图像强化器上。打开激光，根据激光反射回激光源，优化每个发射器和图像强化器的对齐。
  2. 校准图像
    1. 准备使用辐射，戴上铅，在房间的入口处放置标牌。让员工佩戴防护服（包括领带领背心、裙子、手套和眼镜）来尽量减少暴露。打开荧镜，让系统在必要时预热。
    2. 对于所有校准图像，将荧光镜设置为 64 kVp 和 1.4-1.6 mA，或根据其他要求。
    3. 打开计算机上的摄像头控制软件，选择合适的相机作为 奴隶 和 主人。使用 外部同步 到主相机从奴隶相机同步两个相机。
      注：对于所有录制的活动，从两个双荧镜相机中保存相同的帧;帧标识为表示电子触发信号之前帧数的数。
    4. 通过将圆形金属清洗机固定在图像强化器的中心并将十字线夹具连接到发射器上，验证系统的对齐性。
      注意：一旦对齐得到验证，避免与系统联系非常重要。
    5. 使用螺丝将有机玻璃网格连接到图像强化器之一;最大限度地减少在此过程中施加的力，以避免改变对齐。获取荧镜图像，从网格的每个双荧镜相机中保存100 个图像帧。拆下网格，并重复其他图像强化器的过程。
    6. 将 3D 校准立方体置于两个荧光镜的组合视野内。为此，请将立方体放在大便或平台上，该凳子或平台具有无线电半透明，并通过视觉验证大部分或全部立方体是否在视野内。定向立方体，使校准珠不会重叠为任何双荧光相机视图。获取图像并保存 100 个 立方体图像帧。
    7. 在移动立方体之前，使用立方体的坐标系统测量并记录每个发射器的立方体起源的大致位置。拆下立方体和任何关联平台。
    8. 测量和记录每个荧光镜的发射源和图像强化剂表面之间的距离。
    9. 将珠子有机玻璃附着在带有橡皮筋的长杆或尺子上，然后随机移动，以提供系统整个视野的运动。确保研究人员注意辐射和磨损防护路径，以尽量减少接触（参见第 2.2.1 步）。保存 100 个 图像帧的运动。
    10. 重置用于跟踪曝光时间的成像时钟。
  3. 参数的静态试验和调整
    1. 测量较大三通道的高度，以确保系统高度适合参与者。
      1. 拍大腿，找到更大的三角星的骨突出，并找到最优越的点，尽可能。
      2. 由于上级的较大导流器与臀部关节的高度大致相同，因此测量从地板到此时的高度，并将其与用于建立双荧光检查系统的身高估计进行比较。
      3. 如有必要，在参与者准备数据捕获时调整系统高度并重新校准。
    2. 让参与者熟悉荧镜检查系统，并告知他们，如果他们在成像过程中接触过任何设备，他们必须通知研究团队，因为与系统的接触会对其数据的准确性产生负面影响。
    3. 让参与者踩到跑步机，站在双荧光镜系统的视野内。从每个发射器的角度检查参与者的对齐情况，并从研究团队中每个成员在成像过程中的站立或坐姿的角度注意此位置。
    4. 根据参与者的身体质量指数 （BMI） 估计每个发射器的成像参数（kVp 和 mA 以及双荧光镜的曝光），并相应地设置每个荧光镜。
      注：对于参考的组别，荧光镜设置范围从78 到 104 kVp和1.9-3.2 mA与相机曝光4.5-7.0 ms.
    5. 在站立时获取参与者的图像，并评估图像以形成对比度和视野。
      注：增加的 kVp 与增加 X 射线散射（增加噪音和减少对比度）、降低图像分辨率和降低对比度相关。
    6. 根据需要调整参数和/或参与者对齐并重复图像采集。
    7. 保存 100 帧 最终图像用作 静态 试用。
  4. 动态试验 （图2)
    1. 在开始双荧光成像之前，让参与者在定时时走一段已知的距离。使用此来确定在跑步机上水平行走和倾斜行走的自选步行速度。
    2. 让参与者戴上甲状腺领，以保护甲状腺。
    3. 在动态采集过程中，让研究人员在铅盾后面的双氟镜工作站安装双氟镜检查摄像头控制，并通过防护罩的视窗观察参与者（图3）。
    4. 对于所有步行试验的性能：
      1. 在启动跑步机皮带之前通知参与者。将跑步机的速度提升至适当的步行速度，让参与者的步态在收集图像之前正常化。
      2. 对于每次步行活动，获取并保存至少两个完整的步态周期。
      3. 对于倾斜的步行活动，让参与者离开跑步机。解锁跑步机，将倾斜度设置为 5°，并在让参与者回到跑步机上执行活动之前重新锁定跑步机。
      4. 重复成像，使活动记录两次。
      5. 重复相同的过程（步骤 2.4.4.3），在活动完成后降低跑步机。
    5. 对于支点活动：
      1. 让参与者从跑步机前部旋转身体位置和脚部，与枢轴方向相对。如果需要，请确保每只脚完全放在双带跑步机上的单个皮带上，以便直接处理力板数据。
      2. 让参与者执行几个枢轴，以和从他们的运动结束范围，同时观察骨盆在运动结束范围的对齐。确保运动顺利进行，因为枢轴不需要加速才能达到最终位置。
      3. 根据骨盆在运动末端的位置，让参与者旋转和/或翻译他们的脚，使骨盆朝向跑步机上，感兴趣的臀部在枢轴末端荧光镜的组合视场中间。
      4. 优化位置后，让参与者在双荧镜成像过程中执行枢轴，并保存在双荧镜相机视图（约 200-400 帧）中可见股骨和骨盆的所有帧，以运动结束范围为中心，捕捉尽可能多的枢轴。
      5. 重复成像，使活动记录两次。
    6. 对于绑架诱拐活动：
      1. 让参与者站在荧光镜的视野中，将感兴趣的腿抬到他们身边约 45° 。如有必要，提醒参与者避免躯干运动并缩小运动范围。
      2. 获取并保存在双荧镜相机视图（约 200-400 帧）中可见股骨和骨盆的所有帧。
      3. 重复成像，使活动记录两次。
    7. 对于动态臀部关节中心或星弧活动20
      1. 让参与者站在双氟镜检查系统的视野中，以 180°的 45° 增量前部抬起和降低腿部，最后以后部抬起和下腿结束。在将腿放回地面之前，让参与者绕腿并返回站立位置。
    8. 一旦参与者对运动感到满意，并且可以在大约 6-8 s 中完成它，获取并保存活动的图像。
      注：由于试验时间长短，只有一项活动通过双荧镜检查捕获。
  5. 其他校准图像
    1. 如果在数据收集过程中的任何时候，参与者认为他们可能接触了荧光设备的任何部分，对网格和立方体进行成像，并保存所有文件进行校准。
    2. 数据收集完成后，对网格和立方体进行成像，并将所有文件保存为校准文件，以便在初始校准中出现任何问题时用作备份。

3. 皮肤标记运动捕捉和仪器跑步机

  1. 系统设置
    1. 将光学运动捕捉系统聚焦在跑步机上（图3）。由于在双荧光镜系统视野中对参与者进行可视化的潜在问题，请准备好精确定位红外摄像机以确保准确可视化（图2）。
    2. 打开系统并使用一组标记，以确保双荧光镜检查系统不会阻止所需视图视场的可视化。
    3. 检查标记是否清晰和圆形，并在必要时调整红外摄像机的对焦。
    4. 确保覆盖荧光镜以减少任何反射表面。如果无法覆盖反光对象，则查看每个红外摄像机并 遮盖 摄像机视图。
    5. 设置运动捕捉软件，从用于结束相机获取双荧光镜系统的电子扳机上读取外部 5 V 信号。使用此触发器对来自两个系统的数据进行时间同步。
  2. 校准
    1. 系统打开并准备就绪后，使用主动校准棒同时校准光学和红外运动捕捉摄像机。确保在校准过程中彻底捕获双荧镜系统内的整个区域，同时避免与任何设备接触。
      注：类似在煎锅中将食物摇动的魔杖动作效果良好。
    2. 由于双荧光镜检查系统造成的阻塞，校准值可能比光学运动捕获通常观察到的要差。进行校准，使所有红外摄像机的图像误差小于 0.2。
      注：摄像机的图像错误将更高，但仍小于 0.5。摄像机不专门用于任何运动量化，仅用于运动捕获的视觉记录。
    3. 在获得双荧镜 的立方体 试验期间，还使用运动捕捉红外摄像机捕获立方体。确保立方体上贴有反光标记，以便用运动捕捉和双荧光镜系统中的摄像机对位置进行成像。
  3. 标记设置和放置
    1. 在参与者到达之前，将双面胶带（托皮胶带）切割并涂抹在 21 个球面反光皮肤标记的底座上。为了确保标记的寿命，请确保胶带或任何皮肤不会与反射标记接触。
    2. 对于五个标记板中的每一个（两个在刀柄上，两个在大腿上，一个在背面; 图4），将喷雾胶水涂抹在织物表带的皮肤侧，并紧紧包裹在参与者周围。与参与者检查表带是否感觉紧绷（但不不舒服）。在粘合标记集的其余部分之前，先清洁手部任何多余的喷雾胶水。
    3. 分别在锁骨、内膝和中腹马洛利上应用五个标记，仅用于校准。
    4. 将剩余的 16 个标记应用于前高级腹腔脊柱 （ASIS）、后部高级腹腔脊柱 （PSIS）、股骨的更大切口、肩部、胸骨、横膝、横向马洛利和脚（图 4）。
    5. 要求参与者告知研究团队在数据捕获过程中是否有任何标记或表带松动。
  4. 静态试验
    1. 结合双氟镜检查的静态站立试验，捕获运动捕获的常设试验。
    2. 标记所有标记。如果在习得的静态活动期间，至少有三台红外摄像机看不到任何标记，请重新获取静态图像，以确保所有标记都可见。
    3. 删除仅校准标记，让参与者戴上甲状腺衣领，在数据收集的剩余时间提供辐射保护。
  5. 动态试验
    1. 对于双荧镜检查系统捕获的每一个动态试验，获取运动捕获视频，确保每个双荧镜检查视频的全部在运动捕获采集范围内。
    2. 确保在每次试验中捕获双荧镜系统电子触发器的 5 V 信号中断。

4. 图像预处理

  1. 基于 CT 的模型
    1. 分割利益侧和整个骨盆的近端和远端股骨，因为这些骨骼用于跟踪和/或协调系统生成。
    2. 确保分割在所有三个成像平面上都代表骨骼形状，并且看起来相对光滑。
      注：分析关节学的能力取决于通过仔细的分割获得高质量的重建。
    3. 将图像数据转换为 未签名字符（8 位）， 并在必要时通过偏移和缩放进行调整，以生成范围为 0 到 255的图像。
    4. 仅隔离转换图像中的骨骼区域，并在骨骼边界周围种植作物。记录裁剪图像的尺寸。
    5. 保存为 2D TIFF 格式。
    6. 打开图像，将类型更改为 16 位，并将其保存为单个 3D TIFF 文件。
  2. 表面重建
    1. 从分割标签生成表面，反复 平滑 和 毁灭 表面，确保在任何单次迭代中面部不会减少一半以上。
      注：使用上述过程，每个近体和远大股骨表面的目标面数约为 30，000 个，每个十字体表面的目标面数约为 70，000 个。
    2. 以 *.vtk 格式将每个表面导出为表面网格，用作地标标识的模型文件。
  3. 坐标系统的地标标标识别
    1. 识别股骨的地标，用于生成股骨坐标系统（图5）。
      注：下面提供的参数特定于引用的数据集和成像协议：可能需要更改值以正确选择地标。
      1. 打开近体股骨作为模型文件。打开Post工具栏和数据面板以添加1-原始曲率的标准字段，选择10的平滑度，然后可视化结果。过度选择股骨头部的面部，并使用编辑面板中的选择范围选项，仅包含负曲率。取消选择任何不属于股骨头部的选定面孔。将此股骨表面导出，作为 *.k 格式的表面网格，用于适合确定股骨头部中心的球体。
      2. 使用类似的过程，将1-Princ 曲率应用于具有5 平滑度的远距股骨，并再次选择范围，仅包括带负曲率的面部。导出此股体圆锥体表面，用于适合确定中向轴的圆柱体。
      3. 使用3的平滑度将2-原始曲率应用于基座股骨。突出显示史诗的山脊，并选择范围使用 -0.1 的上切口。出口这些面来生成平面，并用它来隔离后凸面的面体，以适合气缸。
    2. 识别骨盆的地标，用于骨盆坐标系统的生成（图5）。
      注：下面提供的参数特定于引用的数据集和成像协议：可能需要更改值以正确选择地标。
      1. 对于每个六角体，应用2-Princ 曲率与平滑度 5和选择范围，仅包括正脸，以隔离对乙酰云的 lunate 表面。出口卢纳特表面，并使用适合确定对乙酰球体中心的球体。
      2. 重新应用 2-原始曲率 与 平滑度 2， 并选择曲率小于 -0.15 的所有面部，以突出骨盆的脊柱。选择这些脊柱边缘的点，最能代表 ASIS 和 PSIS 作为地标并记录它们。

5. 骨运动跟踪

  1. 校准
    1. 从双荧镜相机（以第 2.2.6 步收集）中识别每个立方体图像中的12 个珠子。根据立方体每个珠子之间的校准距离和双荧光镜系统中立方体位置的测量，通过最大限度地减少投影位置和已知珠子位置之间的方形投影误差，确定每个荧光镜的空间方向。
    2. 使用 网格 图像校正图像失真，并将校正应用于与该网格图像相关的所有图像。
    3. 使用 运动 图像量化系统的动态精度，并使用基于标记的跟踪来跟踪系统。
  2. 无标记跟踪
    1. 将选定的地标的位置添加到骨特异性 参数 文件中，并收集这些地标在双荧镜系统中的动态位置，作为所有跟踪帧的输出。
    2. 确定将被跟踪的帧（基于运动捕获的运动数据，参见步骤 6.1.2），并打开无标记跟踪软件与相关的骨特定 参数 文件。
    3. 选择在所需的范围内与良好的可视化骨骼的框架，并手动定向基于CT的数字重建放射图（DRR）的兴趣骨（近股骨或半佩尔维斯）使用软件中可用的六度自由度（图6）。
      注：由于大多数试验的起点与站立位置相似，因此此初始位置可能用作所有试验的初始起点。
    4. 一旦骨骼的 DRR 在两种视图中看起来都对齐良好，请单击解决方案面板中的 手动 按钮来保存 解决方案 。
      注：每次保存解决方案时，都会绘制方向参数和规范化的交叉相关系数以供参考。规范化的交叉相关系数基于荧光镜和骨DR的所有非零值像素计算。
    5. 单击解决方案面板中的DHS按钮并查看结果，应用对角线海斯搜索 （DHS） 优化步骤。如果首选优化结果，则移动到下一帧：否则，进行任何必要的调整，并通过单击解决方案面板中的手动按钮进行重保存。重复此步骤，直到找到满意的解决方案。
      注：在图像对比度差的情况下，优化算法可能并不总是产生令人满意的结果。
    6. 对于每第五帧，重复此过程，使用前一帧的解决方案作为起点。使用 DHS 优化实现流程自动化。
    7. 要完成第一次跟踪，请使用另一个工具，通过线性投影 （LP） 进行插值，并通过单击解决方案面板中的LP + DHS按钮范围来优化跟踪帧之间的解决方案。在窗口中，输入要跟踪的帧集和用于参考的两帧。
      注：两个参考帧可以是已确定的帧集内的任何帧。但是，使用第一帧和最后一帧为框架范围内骨骼的方向提供了界限，当对比度较低时，这些边框可能是有益的。
    8. 使用 基于手动 和 DHS的解决方案审查和改进试验的每个帧。使用参数图确保相关系数足够高，并且骨骼的方向不会在任何参数中突然跳跃。
    9. 为确保准确跟踪，让另一位研究人员查看每个帧的解决方案，并对解决方案进行任何必要的修改。
    10. 重复步骤 5.2.1-5.2.9 每块骨头。
  3. 运动的可视化
    1. 打开软件中的股骨和骨盆表面，进行运动可视化。如有必要，使用 转换为网格功能将表面转换为网格 。选择表面和 出口 作为表面网格的 *.k 格式。
    2. 使用跟踪输出，生成带有每个骨骼和帧坐标转换的文本文件。
      注：表面的顺序必须与转换顺序相匹配。
    3. 对于运动学的可视化，请使用 运动工具 和上述两个文件从步骤 5.3.1 和 5.3.2 动画运动学。使用半透明表面或 表面距离 工具验证动画运动学看起来是否合理，并且表面之间有适当的距离。如有必要，返回第 5.2.8 步。

6. 数据分析

  1. 皮肤标记运动学
    1. 在运动捕获软件中，批量处理所有文件以应用静态模型和标签标记。试用完成后，删除任何未标记的轨迹。
      注意：由于双氟镜检查系统的阻塞，可能需要比平常更多的手动间隙填充。
    2. 使用运动和力板数据来识别动态事件，例如步态期间的脚趾脱落或脚跟撞击，或旋转活动的最大运动范围。确定跟踪双荧镜检查数据的兴趣框架。
    3. 以 *.c3d 格式导出用于运动处理的所有试用数据，包括模拟数据（即触发和强制板数据）和标记轨迹。
    4. 将所需的模型模板文件（保存为 *.mdh 文件格式）应用到静态试用中，然后将此模型分配给运动文件。
      注：为了进行分析，使用了下肢模型，该模型具有通用的国际生物力学学会（ISB）头胸胸腔（HAT）段和CODA骨盆，这是由两个ASIS和PSIS地标中心定义的骨盆段模型。
  2. 双荧镜运动学
    1. 隔离感兴趣的框架，确保只包括用于股骨和骨盆的连续帧。
    2. 使用低通巴特沃斯过滤器（剩余分析和4阶过滤器的 0.12 正常化截止频率）过滤地标位置。
    3. 使用每个运动试验中地标的过滤位置来跟踪股骨坐标系统的动态位置（图5）。
      1. 将股骨起源定义为 股骨头部的球形拟合中心。
      2. 定义 膝盖中心 和起源之间的股骨 z 轴（下级轴），以优异的指向。
      3. 将股骨 X 轴（中侧轴）定义为 安装在股骨孔的圆柱体的长轴，指向左侧。将圆柱体区域与圆柱体隔离开来， 将平面与史诗表面相配合 ，并隔离股骨孔的后部。
      4. 将股骨 y 轴（前轴后轴）定义为定义的 z 轴和 x 轴的交叉产物，指向后部。更正 x 轴的方向以创建正交坐标系统。
    4. 使用每个运动试验中地标的过滤位置来跟踪骨盆坐标系统的动态位置（图5）。
      1. 将骨盆原产地定义为 两个 ASIS 地标的中心。
      2. 定义两个 PSIS 地标的中心 和起源之间的骨盆 y 轴（前轴-后轴），前指向。
      3. 定义骨盆 x 轴（中间轴轴）之间的起源和 右侧 ASIS 地标，指向右侧。
      4. 将骨盆 z 轴（劣质轴）定义为定义的 x 轴和 y 轴的交叉产物，指向卓越。更正 x 轴的方向以创建正交坐标系统。
    5. 在坐标系统之间生成旋转矩阵，并根据 MacWilliams 和同事方程 11（图 7）21计算关节运动学。
    6. 通过将股骨的球体拟合中心和对乙酰的腹腔表面之间的矢量距离转换为骨盆坐标系统来计算关节翻译。
      注：这提供了一个单一的向量来表示每个图像帧的联合翻译。
  3. 关节肌学
    1. 将第 5.3 步中描述的运动学可视化，以动画化特定主题关节肌学（图8）。
    2. 应用表面距离数据场来测量每个动态活动期间股骨和骨盆表面之间的距离（图8）。
      注：这些数据还提供了关节表面之间相对距离的量化，但需要解释来量化关节翻译。
    3. 使用表面距离工具对所有参与者的数据进行量化，输出 地表到表面的距离 。
  4. 与皮肤标记运动捕获的比较
    1. 使用每个运动试验的立方体图像和触发器，空间和时间同步双荧镜检查和运动捕获系统。
    2. 将用于皮肤标记运动捕获（即 ASIS、PSIS、凸起）的地标位置从无标记跟踪坐标系统转换为运动捕获坐标系统。
    3. 将这些数据与皮肤标记运动捕获和导入的标记位置相结合，用于运动和动能分析和报告。调整分析，以利用每个地标的双荧光镜或皮肤标记位置，并比较两个系统之间的地标位置和运动学。

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Representative Results

以双氟镜检查为参考标准，对臀部关节中心基于皮肤标记的估计的准确性以及软组织产物对运动和动能测量的影响进行了量化，22、23、24。然后，双氟镜检查的卓越精度被用来识别FAIS患者和无症状控制参与者之间骨盆和臀部关节运动学的细微差异。对基于双氟镜检查的关节学进行了分析，以量化臀部关节覆盖、形态学和运动学之间的关系，以及动态运动26、27、28、29期间的骨与骨的距离。

在制定一个协议，以调查负重臀部关节运动学，该系统被验证在尸体标本与植入金属珠在上皮临床检查的准确性在0.5毫米和0.6°30。一旦得到验证，临床检查期间的运动学使用双氟镜检查在FAIS患者和无症状控制参与者中进行测量。结果表明，患者在内部旋转和辅助31中都改变了运动。

然后，使用负重双荧镜检查作为参考标准，直接分析识别臀部关节中心位置的错误以及软组织人工制品造成的错误。识别臀部关节中心的功能方法，即星弧运动，被识别为比预测性，基于地标的方法更准确，误差分别为11.0和18.1毫米，分别为32。臀部关节中心的动态错误与站立时相似：然而，额外的2.2毫米的虚假臀部关节中心运动归因于软组织神器，在动态运动过程中错误超过5厘米的更大的三角标记23。

除了臀部关节中心识别错误外，在内外部旋转枢轴 23 中，关节角度被低估了20°以上。虽然运动学的低估本身就令人担忧，但这些错误减少了运动测量范围，甚至在低运动活动（如步态24）期间也计算了动能变量。然而，准确的双氟镜检查运动数据可能很难纳入肌肉骨骼模型。具体来说，模型标记错误大约是1厘米时，运行反运动学与双荧镜为基础的地标位置。虽然这个错误是相对较小的相比，5厘米的错误，由于软组织人工发现皮肤标记运动捕获数据，这样的错误是一个数量级大于骨的位置测量双氟镜检查。

除了对传统皮肤标记运动捕获错误进行量化外，双荧光镜检查背后的准确性和方法学还能够评估组别之间运动学的细微差异，否则测量技术的错误可能会隐藏这些差异。虽然没有观察到凸轮FAIS患者和无症状对照参与者之间臀部关节运动学的差异，但在软组织伪影存在的情况下，骨盆运动学的差异是难以察觉的。此评估要求在组数之间直接比较。此外，运动变异和骨骼形态（如股骨前置）之间的潜在关系也于27日进行了调查。这些发现表明，在诊断臀部病理和规划保守或手术治疗时，需要同时考虑形态学和生物力学。

在临床护理环境中使用生物力学数据的一个主要障碍是生物力学和临床医生使用的坐标系统的差异。在生物力学实验室中，用于定义股骨和骨盆坐标系统的地标是由在动态运动期间从皮肤表面识别和跟踪地标的能力驱动的。相比之下，手术坐标系统是使用骨质地标定义的，这些地标可在手术过程中与患者苏平或易感性识别。在双氟镜检查中直接跟踪股骨和骨盆，可以评估各种坐标系统定义对运动输出的影响。坐标系统定义之间的差异导致运动偏移大于 5°。然而，这些偏移在运动过程中相对一致，可以通过骨质地标性识别来解释。

主题特定的骨形态学和运动学的结合 - 关节肌学 - 提供形式和功能的联合水平评估。对于DDH患者，股骨覆盖不足被认为是退化的原因，因此，覆盖的测量在诊断和手术规划中被大量使用。不幸的是，这些测量通常仅限于静态图像，通过单个素，仅在两个维度中获得。双荧镜衍生关节学用于直接测量动态活动期间股骨覆盖的变异性。重要的是，在进行完整评估时，发现站立覆盖与步态覆盖之间具有很强的相关性。然而，即使在步态的姿态阶段，股骨前部和后部区域的区域化覆盖范围也各不相同。

关节外撞击是臀部和周围部位疼痛的原因，描述股骨和骨盆外腹膜区域之间的异常接触，包括腹腔和前下腹股骨。通过比较临床MRI对异道德空间和动态活动期间的测量，评估了异位体不道德撞击的动态性质。其中，与标准临床措施相比，动态观察空间减少：性别差异，不能归因于运动差异，也被确定。这些方法也可以应用于动态评估关节空间，从而深入了解股骨内股骨位置的变异性和患者群的变异性（图8）。

Figure 1
图1：位于左臀部仪器跑步机上的双荧光镜系统的头顶视图。 该系统的定位旨在最大限度地减少散射效果并最大化视野。图像强化器位于距离发射器源约 100-110 厘米的位置，彼此对角为 50°。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2：在动态活动期间从参与者的反向（右）侧查看。 参与者位于两个图像强化器 （II） 之间，以便双荧光镜检查系统的视野集中在左臀部关节上。水平和倾斜行走、内部和外部旋转枢轴以及一系列运动活动在跑步机上平台上进行。缩写： FHJC = 功能性臀部关节中心。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3：相对于双荧光镜检查系统的运动捕获系统的开顶视图。 光学运动捕捉系统包括 10 台红外摄像机和一台基于视频的摄像机，位于悬挂在天花板上的框架上。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4：用于皮肤标记运动捕捉的标记集的前视图和后视图。 有五个盘子，每个有四个标记，分别位于参与者的背部、大腿和刀柄上：所有其他标记直接应用于皮肤。校准标记被移除以用于动态运动捕获。标有 R 或 L 标志的标记标记在身体的右侧或左侧;标识标签上贴有 S、L、R、I、A 或 P，分别表示标记板上的标记位置，特别是高级、左、右、下、前或后标记位置。缩写： *SHO = 肩部;CLAV = 锁骨中心;斯特恩 = 胸骨底部;BACK_* • 放在下背部的盘子标记;*ILC = 伊利亚克峰;*ASI = 前高级腹腔脊柱;*PSI = 后高级腹腔脊柱;GRT_TRO = 更大的三元;*THI_* = 放置在大腿上的相应盘子的标记;*KNE_M = 内阴性圆锥体（膝盖）;*KNE_L = 横向股骨孔道（膝盖）;*TIB_* • 放置在刀柄上的相应板标记（头骨）;*ANK_M = 中性马勒奥卢斯 （脚踝）;*ANK_L = 横向马勒奥卢斯;*5th = 第五代谢眼关节;*脚趾 = 第一个骨食道关节;*嘿 = 卡尔卡内乌斯 （脚跟） 。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5： 股骨和骨盆的地标和坐标系统。 双边前高级腹腔脊柱 （ASIS; 品红色） 和后高级腹腔脊柱 （PSIS; 青色） 及其中点的地标用于定义骨盆的坐标系统。股骨头的中心（橙色）和双边股骨孔（绿色），其中点和圆锥体的圆柱体拟合用于定义股骨的坐标系统（如左股骨所示）。每根骨头的第三轴由所示轴的交叉产品确定。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图6：双荧镜图像及相关无标记跟踪左臀部。 图像显示为外部和内部旋转枢轴的最大旋转（中心），图像来自前荧光镜（左）和后荧光镜（右）。每个双荧镜图像的骨盆（顶部）和股骨（底部）无标记跟踪解决方案。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
图7：双氟镜检查测量运动学。 围绕代表参与者的外部和内部旋转枢轴的最大旋转（垂直虚线）的 100 帧运动学。 请单击此处查看此图的较大版本。

Figure 8
图8：左下皮和股骨之间的关节肌学表面距离。 关节肌学显示为外部和内部旋转枢轴（中心）的最大旋转，并使用双荧镜检查（外部）测量各自的骨骼模型。 请单击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

双荧光镜检查是研究体内运动学的有力工具，尤其是臀部，很难使用传统的光学运动捕捉来精确测量。然而，荧镜检查设备是专门的，其中可能需要一个独特的系统设置时，成像人体的其他关节。例如，在应用双氟镜检查研究脚踝运动学32、33、34、35时，对图像强化器的安装、系统的定位和光束能量的设置进行了多次修改。除了需要大量的研究准备，双氟镜检查需要获得额外的数据，包括3D医学成像和潜在的传统皮肤标记运动捕捉，以跟踪全身运动学，以及冗长的后处理，包括CT图像分割和无标记跟踪获得的图像。幸运的是，双荧镜检查的完全处理数据可用于各种应用，其功能远远超出传统运动捕获功能。

光学运动捕捉利用皮肤上的标记物的运动来估计身体段的位置，而基于辐射的双荧光镜只能直接测量骨骼位置。虽然在量化软组织动力学相对于骨骼运动36，37方面已经投入了大量精力，但从本质上讲，很难测量皮肤和骨骼外层之间大量软组织的运动模式。然而，对于与骨骼直接接触的较薄的组织，如臀部的软骨和腹膜，双荧光镜和CT关节成像的组合提供了动态评估其空间关系的能力。在苏平临床检查期间收集的数据被用来表明，临床观察到的对腹膜损伤的位置与阴囊和腹膜之间的接触位置一致，在苏平撞击检查38。重要的是，这一分析确定，股骨和腹股骨之间最初接触和最大接触的区域与骨骼之间最小距离的位置不一致。

患有臀部病理切除术的人有软骨和腹膜受损的风险。然而，对软骨损伤负责的机制尚不清楚。可以设想，可以分析从CT关节图数据构建的关节肌学数据，以研究软骨和实验室的力学。例如，可以分析和解释代表软组织（例如实验室、软骨）和骨骼的表面重建之间的观察穿透，以接近这些组织所经历的应变。然而，即使是在跟踪运动学或重建表面方面出现的轻微错误，也可能导致估计菌株和关节负载的显著差异。因此，可能需要更先进的建模方法，如FE方法，以全面评估臀部的软骨力学。来自双氟镜检查、全身运动运动的传统皮肤标记运动捕获以及仪器跑步机的数据可以作为模型的输入，这些模型可以估计肌肉力量和关节反应负载和扭矩。然后，这些动能数据可以作为 FE 模型的加载条件，这些模型估计软骨应力和应变。

除了协议中涉及的具体步骤外，研究的不同方面的安排也与成功的数据获取有关。首先，在使用关节X光成像的研究中，由于将对比注入臀部胶囊，关节造影必须在运动捕捉实验完成前几天或之后的任何时间进行，以避免对患者运动模式产生任何影响。其次，所有校准必须在参与者到达之前进行，但就在之前，以确保系统配置在校准和图像采集之间不会发生变化。第三，应指示参与者随机进行动态试验，以消除命令对任务执行的任何影响。

使用双荧光镜测量臀部运动学的另一个主要考虑因素是辐射暴露。但是，需要注意的是，在描述的协议中，估计剂量相当于辐射的 80% 来自 CT 扫描。减少暴露的一个解决方案是用磁共振成像 （MRI） 代替 CT 成像。虽然 MRI 可用于表面重建，但双荧镜图像的跟踪也依赖于数字重建放射图对骨密度的投影。虽然MRI不能直接测量骨密度，但特定序列，如双回波稳定状态（DESS），提供了更密集的皮质骨和密度较低的取消骨之间的一些差异。这些图像可以转换为外观与CT图像相似，并可能减少双氟镜检查研究参与者的辐射暴露。

由于臀部关节周围有大量的软组织，必须优化双荧光镜系统的具体定位，以减少X射线散射。参与者相对于X射线发射器的位置和图像强化器之间的角度被认为是重要的因素。此协议表示用于研究参与者在负重活动期间臀部运动的双荧造系统的位置。然而，也有必要指出，参与者群体仅限于体重指数低于30公斤/平方米的人。在捕获被大量软组织包围的关节的双荧光镜图像时，建议使用类似的 BMI 限制。

本协议可应用于各种双氟镜检查系统配置和关节，包括双氟镜检查和负重臀部运动学、跑步机和地面负重脚踝运动学，以及坐肩运动学16、17、18、19、20、21、22、23、24、25， 26， 27， 28， 29， 30， 31， 32， 33， 34， 35。由于跑步机步态期间臀部关节的全球运动最小，因此使用仪器式跑步机来评估臀部关节的负重运动。如果没有跑步机或移动的荧光镜系统，只有在封闭视野下进行活动时，才能捕捉臀部关节。但是，使用跑步机并不适合所有关节。例如，在跑步机行走过程中，将此协议应用于脚踝运动学调查，由于跑步机32、35的内在运动，只捕获了一小部分步态，而地面步态能够捕捉到步态的较大部分，从脚跟撞击之前到脚趾关闭后的33、40、41。

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Disclosures

作者没有利益冲突。

Acknowledgments

这项研究得到了国家卫生研究院（NIH）的支持，资助编号为S10 RR026565、R21 AR063844、F32 AR067075、R01 R077636、R56 AR074416、R01 GM083925。内容完全由作者负责，不一定代表国家卫生研究院的官方观点。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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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References

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医学， 第 173 期， 双氟镜检查， 双翼飞机视频放射学， 运动学， 关节肌学， 臀部， 无标记跟踪
<em>在维沃</em> 使用双氟镜检查进行动态负重活动时臀部关节肌学的量化
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