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Medicine

イン・ヴィヴォ 二重蛍光法による動的体重負荷活動における股関節運動学の定量化

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

二重蛍光法は、再構築された解剖学(例えば、関節運動学)に対して可視化することができるヒト関節の 生体内 の動的運動を正確に捉える。本明細書において、日常生活の体重負荷活動中に股関節関節運動学を定量化するための詳細なプロトコルが提示され、従来の皮膚マーカーモーションキャプチャとの二重透視の統合を含む。

Abstract

いくつかの股関節病理は異常なバイオメカニクスの根本的な仮定と異常な形態に起因している。しかし、関節レベルでの構造機能関係は、動的関節運動を正確に測定するのが困難なため、定量化が困難です。光学的皮膚マーカーの動きの捕獲に内在する軟部組織のアーティファクトエラーは、体内の股関節の深さと関節を取り巻く軟部組織の大きな塊によって悪化する。したがって、骨形状と股関節運動学の複雑な関係は、他の関節よりも正確に研究することが困難である。本明細書において、コンピュータ断層撮影(CT)関節造影、3次元(3D)再構成の容積画像、二重蛍光法、および光学的運動キャプチャを組み込んだプロトコルが、股関節の動的運動を正確に測定する。.このプロトコルを用いて股関節のフォーム機能関係を研究するために二重蛍光法を応用した技術研究および臨床研究を要約し、データ取得、処理、および分析のための具体的なステップと今後の考慮事項について説明する。

Introduction

股関節変形性関節症(OA)に罹患した45〜64歳の成人に対して行われた総股関節関節形成術(THA)処置の数は、2000年から2010年の間に2倍以上に増加した。2000年から2014年までのTHA手続きの増加に基づいて、最近の研究では、年間手順の全体の数は、今後20年間で3倍になるかもしれないと予測しました 2.THA手続きのこれらの大幅な増加は、現在の治療費が米国だけで年間180億ドルを超えていることを考えると驚くべきことです3.

股関節の発達異形成(DDH)およびフェモロアセスタ症候群(FAIS)は、それぞれ、過小または過剰に制約された股関節を記述し、股関節OA4の主要な病因であると考えられている。THAを受けている個体におけるこれらの構造的な股関節の変形の高い有病率は、当初30年以上前に5.それでも、異常な股関節解剖学と変形性関節症との関係はよく理解されていない。股関節OAの発達における変形の役割の作業理解を改善するための課題の1つは、異常な股関節形態が無症候性成人の間で非常に一般的であるということです。特に、一般集団の約35%でカム型FAISに関連する形態が観察され、シニアアスリートの83%が7人、大学男性アスリートの95%以上が8人である。女性大学アスリートの別の研究では、参加者の60%がカムFAISの放射線証拠を持ち、30%がDDH9の証拠を持っていました。

股関節の痛みのない個体の間で変形の高い有病率を示す研究は、一般的にFAISおよびDDHに関連する形態が特定の条件下でのみ症状になる自然な変異体である可能性を指摘している。しかし、股関節解剖学と股関節バイオメカニクスの相互作用は十分に理解されていない。特に、従来の光学モーションキャプチャ技術を用いて股関節運動を測定することは既知の困難です。まず、関節は身体内に比較的深く、股関節の中心の位置が光学的なスキンマーカーモーションキャプチャを用いて動的に識別および追跡することが困難となるように、大腿骨頭部10,11の半径と同じ桁の誤差を有する。第2に、股関節は、皮下脂肪および筋肉を含む大きな軟部組織塊に囲まれ、下の骨に対して移動し、軟部組織アーチファクト12、13、14をもたらす。最後に、皮膚マーカーの光学的追跡を用いて、キネマティクスは一般化された解剖学に対して評価され、微妙な形態学的差異が関節のバイオメカニクスにどのような影響を与えるかについての洞察を提供しない。

被験者固有の骨形態と組み合わせた正確な運動学の欠如に対処するために、単一および二重の蛍視法システムは、他の自然な関節システム15、16、17を分析するために開発されている。しかし、この技術は、股関節を取り巻く軟部組織を通じて高品質の画像を取得するのが難しい可能性があるため、最近ネイティブの股関節に適用されました。生体内股関節関節運動を正確に測定し、被検体特異的骨解剖に対してこの運動を表示する方法論について、本明細書に記載されている。結果として生じる関節運動学は、骨形態とバイオメカニクスの微妙な相互作用を調査する比類のない能力を提供する。

本明細書において、日常生活の活動中に股関節の二重透視画像を取得および処理する手順が説明されている。二重の蛍光コピー画像と同時に光学マーカー追跡と全身運動学をキャプチャする欲求のために、データ収集プロトコルは、データの複数のソース間の調整を必要とします。二重蛍光法システムの較正は直接識別され、マーカーとして追跡することができる金属ビーズと植え付けられたプレキシガラス構造を利用する。これに対し、動的なボーンモーションはマーカーレス トラッキングを使用して追跡され、方向を定義するためにボーンの CT ベースの放射密度のみを利用します。動的モーションは、空間的および時間的に同期されたデュアルフルオロコピーとモーション キャプチャ データを使用して同時に追跡されます。

システムは、反射マーカーと埋め込み金属ビーズと共通の座標系の生成の両方を備えた立方体の同時イメージングを通じて、キャリブレーション中に空間的に同期されます。システムは、二重蛍光視カメラの記録を終了する信号を送信し、モーションキャプチャシステムに一定の5 V入力を中断するスプリット電子トリガを使用して、各活動またはキャプチャごとに時間的に同期されます。この協調プロトコルにより、二重蛍光法システムの複合視野外に落ちる身体セグメントの位置の定量化、歩行正規化イベントに対する運動学的結果の発現、大腿骨および骨盤の周りの軟部組織変形の特徴化が可能になる。

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Protocol

この議定書で概説された手順は、ユタ大学機関審査委員会によって承認されました。

1. CT関節形成イメージング

  1. アルスログラム18
    1. 訓練を受けた筋骨格系放射線科医が、定期CTイメージングの直前に関節グラムを実行するようにスケジュールします。
    2. 臨床蛍光鏡の視野に関心のあるヒップで、参加者をテーブルの上に置きます。脚と股関節の回転を防ぐために、足首の両側にサンドバッグを置きます。
    3. 無菌環境を作るために皮膚を準備します。針が挿入される場所(大腿骨頭頸部接合部)をマークし、注射部位の軟組織を1%リドカインの 2〜5 mL で麻酔します。
    4. 20 mLの溶液を調製し、1%リドカイン、10 mLのイオヘキソール注射、0.1 mLの1 mg/mL (1:1000)エピネフリンを30 mLルアーロックシリンジで調製します。
    5. リドカイン注射の2~5分後、大腿骨の首に接触するまで脊髄針を挿入する。透視検査によって針の位置を確認する。少量の調製溶液(<5 mL)を注入し、注入された流体が、蛍光検査の画像と共に関節カプセル内に含まれていることを確認します。
    6. 20~30mLのコントラスト混合物を注入します。注射に対するさらなる抵抗が観察された場合、研究チームのメンバーは、参加者が上半身の動きに抵抗するためにテーブルのヘッドボードをつかんで、参加者の足首を引っ張って股関節に手動でトラクションを適用してもらいます。残りのコントラスト混合物を適宜注入する。
    7. 透視検査によって、造影剤が関節空間を満たし、牽引が適用される場合に大腿骨の頭部を覆っていることを確認します。
    8. 患者を車椅子またはベッドのCTスキャナーに移して、関節カプセル内のコントラストの損失を最小限に抑えます。
  2. トラクションとCTイメージング
    1. CTガントリーの上のsupineの位置に参加者を助ける。
    2. 関心の脚の下にヘアトラクション副木装置を置き、近位パッド入りのバーがイスキウムにちょうど遠位を置くことを確認します。参加者の太ももと足首の周りにフックとループストラップを取り付け、光のトラクションを適用します。
    3. スカウト画像を取得し、腰のためのより小さなトロシャンターのすぐ下に骨盤全体と近位大腿骨を含むように視野を設定します。遠位大腿骨と膝の近位脛骨を含むように別の視野を設定します。
    4. 追加のトラクションを適用します(研究チームの1人のメンバーが足首を引っ張り、別のメンバーがヘアトラクション副木のストラップを締めます)、関節スペースの分離を確実にします。 120 kVp、1.0 mmのスライス厚さ、ヒップ 用の200~400mA、120kVp、3.0mm スライス厚さ、膝用の150mA で画像を取得します。CARE線量、画像品質に応じてチューブ電流を調節する自動暴露制御を使用して、参加者への放射線負担を最小限に抑えます。
    5. ヘアトラクション副木装置を解放して取り外します。参加者を立ち位置に支援し、彼らが去ることを許可する前に、彼らが体重を入れて、手足に移動して快適に感じることを確認してください。

2. 二重透視イメージング

  1. システムのセットアップ
    1. 参加者の報告された高さに基づいて股関節の高さを推定するために人類学的な19 を適用し、この測定を使用してシステムの視野の中心の所望の高さを推定する。
    2. 目的のヒップに対応する計測トレッドミルの側面に、画像インテンシファイアを約50°互いに配置します(図1)。
    3. X線エミッタを画像増強器に向ける位置に置きます。エミッタソースとイメージインテンシファイアの面間の距離が約100〜110cmであることを確認します。
      注: エミッタソースとイメージインテンシファイアの面間の推奨距離は、システム仕様とX線エミッタのコリメータによって異なります。
    4. 画像インテンシファイアの面の中心と、各フッ素鏡ペアの対応するX線エミッタを、文字列または測定テープを使用して接続します。文字列(またはテープ)が目的の場所(すなわち、股関節の予想位置)で交差することを確認します。
    5. プレートに3つのレーザーをエミッタに貼り付け、鏡をイメージエンテンシに貼り付けます。レーザーをオンにし、レーザーソースに戻ってレーザーの反射に基づいて、各エミッタと画像増強剤の位置合わせを調整します。
  2. キャリブレーション画像
    1. 鉛を寄付し、部屋の入り口に看板を置くことによって放射線の使用に備えます。有鉛ベスト、スカート、手袋、眼鏡を含む保護具をスタッフに着用させることで、露出を最小限に抑えます。必要に応じて、フッ素スコープをオンにし、システムをウォームアップします。
    2. すべてのキャリブレーション画像に対して、フルオロスコープを 64 kVp および 1.4-1.6 mAに設定するか、または必要に応じて設定します。
    3. コンピュータでカメラコントロールソフトウェアを開き、適切なカメラを スレーブ と マスターとして選択します。スレーブカメラからマスターカメラへの 外部同期を 使用して、2つのカメラを同期します。
      注:記録されたすべてのアクティビティについては、両方のデュアルフルオロコピーカメラから同じフレームを保存します。フレームは、電子トリガ信号の前のフレーム数を表す数値で識別されます。
    4. 円形の金属ワッシャーをイメージ インテンシファイアの中央に貼り付け、十字線のフィクスチャをエミッタに取り付けることで、システムの位置合わせを確認します。
      メモ:アライメントが確認されたら、システムに連絡しないようにすることが重要です。
    5. ネジを使用してイメージインテンチャの1つにプレキシガラスグリッドを取り付けます。線形の変更を避けるために、このプロセスで適用される力を最小限に抑えます。透視画像を取得し、グリッドの各二重透視カメラから100の画像フレームを保存します。グリッドを削除し、他のイメージ増強のためのプロセスを繰り返します。
    6. 3Dキャリブレーションキューブを2つの蛍光スコープの複合視野内に配置します。これを行うには、横半透明のスツールまたはプラットフォーム上に立方体を配置し、キューブの大部分またはすべてが視野の中にあるかどうかを視覚的に確認します。キャリブレーションビーズがデュアルフルオロコピーカメラビューで重ならないように立方体の向きを指定します。画像を取得し、キューブの100のイメージフレームを保存します。
    7. キューブを移動する前に、キューブの座標系を使用して、各エミッタからキューブの原点のおおよその位置を測定および記録します。キューブと関連付けられたプラットフォームを削除します。
    8. 各蛍光スコープのエミッタソースと画像インテンシファイアの面との距離を測定し、記録します。
    9. ビーズのプレキシガラスをゴムバンドで長いロッドまたは定規に取り付け、ランダムに動かして、システムの視野全体に及ぶ動きを提供します。放射線の経路を意識し、被ばくを最小限に抑えるために、研究スタッフが保護を着用していることを確認してください(ステップ2.2.1を参照)。モーションの100 個のイメージ フレームを保存します。
    10. 露出時間の追跡に使用するイメージングクロックをリセットします。
  3. 静的試行とパラメータの調整
    1. より大きなトロチャンターの高さを測定して、システムの高さが参加者に適していることを確認します。
      1. 太ももを触診して、より大きなトロシャンターの骨の目立ちを見つけ、可能な限り最も優れた点を見つけます。
      2. 上の大きなトロシャンターは、股関節とほぼ同じ高さであるため、床からこの点までの高さを測定し、二重透視検査システムを設定するために使用される高さの推定と比較します。
      3. 必要に応じて、システムの高さを調整し、参加者がデータキャプチャの準備をしている間に再調整します。
    2. 蛍光検査システムに慣れ、イメージングセッション中に機器に接触した場合は、システムとの接触がデータの精度に悪影響を及ぼすため、研究チームに通知する必要があることを知らせます。
    3. 参加者にトレッドミルに足を踏み入れ、二重透視検査システムの視野内に立たします。各エミッタの視点から参加者の位置合わせを確認し、イメージング中に研究チームの各メンバーがどこに立つか座っているかという観点から、この位置に注意してください。
    4. 参加者のボディマス指数(BMI)に基づいて、各エミッタのkVpとmAと二重蛍光カメラの露出を推定し、それに応じて各蛍光スコープを設定します。
      注: 参照コホートの場合、蛍光検査の設定は 78 ~ 104 kVp、カメラ露出が4.5 ~ 7.0 ms の 1.9~3.2 mAです。
    5. 立っている間に参加者の画像を取得し、コントラストと視野の画像を評価します。
      注:kVpが増加すると、X線散乱の増加(ノイズが増加し、コントラストが低下)、低い画像解像度、低コントラストに関連付けられます。
    6. 必要に応じて、パラメータや参加者の位置合わせを調整し、画像取得を繰り返します。
    7. 静止試用として使用する最終画像の100フレームを保存します。
  4. 動的試行 (図 2)
    1. 二重透視イメージングの開始前に、参加者は時間を計りながら既知の距離を歩いさせる。この機能を使用して、トレッドミル上を歩くレベルと傾斜の両方に対して、自ら選択した歩行速度を決定します。
    2. 参加者に甲状腺を保護するためにリード甲状腺首輪を与えさせる。
    3. 動的取得の際、研究者はリードシールドの後ろの二重蛍光法ワークステーションステップで二重蛍光法カメラ制御を管理し、シールドの表示ウィンドウを通して参加者を見てください(図3)。
    4. すべてのウォーキングトライアルのパフォーマンス:
      1. トレッドミルのベルトを始める前に参加者に知らせてください。トレッドミルの速度を適切な歩行速度まで上げ、画像を収集する前に参加者の歩行を正常化させます。
      2. 各ウォーキング活動のために、少なくとも2つの完全な足取りサイクルを取得し、保存します。
      3. 傾斜した歩行活動のために、参加者にトレッドミルを降りしてもらいます。トレッドミルのロックを解除し、傾斜を 5°に設定し、トレッドミルを再ロックしてから、参加者がトレッドミルに戻ってアクティビティを実行します。
      4. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
      5. 同じプロセス(ステップ2.4.4.3)を繰り返して、アクティビティの完了時にトレッドミルを下げます。
    5. ピボットアクティビティの場合:
      1. 参加者は、ピボットの方向と反対のトレッドミルの前部から約45°の位置と足を回転させます。必要に応じて、各足が完全にデュアルベルトトレッドミルの単一のベルト上に配置されていることを確認して、フォースプレートデータを簡単に処理できるようにします。
      2. 運動の終わりの範囲で骨盤の整列を見ながら、参加者に動きの終わりの範囲との間でいくつかのピボットを実行させます。ピボットは最終的な位置を達成するために加速を必要としないので、動きがスムーズに実行されることを確認します。
      3. 動きの終わりの範囲で骨盤の位置に基づいて、参加者は骨盤がトレッドミルで前方に向き、目的のヒップがピボットの端にあるフルオロスコープの組み合わせ視野の真ん中にあるような足を回転させたり、または移動させたりします。
      4. 位置が最適化されたら、参加者に二重透視イメージング中にピボットを実行させ、大腿骨と骨盤が両方のデュアルフルオロコピーカメラビュー(約200〜400フレーム)で見えるすべてのフレームを、動きの終わりの範囲を中心にして、可能な限りピボットをキャプチャします。
      5. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
    6. 拉致・中毒活動の場合:
      1. 参加者は、フッ素スコープの視野に立って、関心の脚を約45°の側に上げます。参加者に対して、胴動きを避け、必要に応じて運動範囲を縮小するよう思い出させてください。
      2. 大腿骨と骨盤が両方の二重透視カメラビュー(約200〜400フレーム)で見えるすべてのフレームを取得して保存します。
      3. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
    7. 動的な股関節の中心または星アーク活動20
      1. 参加者は二重透視システムの視野に立ち、足を前に、そして180°の45°刻みで上げ下げさせ、後部の上げと下の脚で終わる。足を地面に戻す前に、参加者に足を外回し、立った位置に戻してもらいます。
    8. 参加者が動きに慣れ、約6-8 sでそれを完了したら、取得し、活動の画像を保存します。
      注:試験の長さのために二重透視検査で1つの活動のみがキャプチャされます。
  5. 追加のキャリブレーション画像
    1. データ収集中の任意の時点で、参加者は、蛍光視機器の任意の部分に接触し、グリッドとキューブを画像化し、キャリブレーションのためにすべてのファイルを保存した可能性があると考える場合。
    2. データ収集が完了したら、グリッドとキューブを画像化し、初期キャリブレーションで問題が発生した場合にバックアップとして使用するために、キャリブレーション用のすべてのファイルを保存します。

3. スキンマーカーモーションキャプチャと計測トレッドミル

  1. システムのセットアップ
    1. 光学式モーションキャプチャシステムをトレッドミルに焦点を当てます(図3)。二重透視検査システムの視野で参加者を視覚化する際の潜在的な問題のために、正確な可視化を確実にするために赤外線カメラを正確に配置する準備をしてください(図2)。
    2. システムの電源を入れ、マーカーのセットを使用して、二重透視検査システムが目的の視野の可視化を妨げないようにします。
    3. マーカーがクリアで円形であることを確認し、必要に応じて赤外線カメラの焦点を調整します。
    4. 反射面を減らすために、フッ素鏡が覆われていることを確認してください。反射オブジェクトを覆うことができない場合は、各赤外線カメラを確認し、カメラビューを マスク します。
    5. 二重蛍光法システムのカメラ獲得を終了するために使用される電子トリガから外部5 V信号を読み取るようにモーションキャプチャソフトウェアを設定します。このトリガーを使用して、2 つのシステムのデータを一時的に同期します。
  2. キャリブレーション
    1. システムがオンになり、準備が整ったら、アクティブなキャリブレーションワンドを使用して、光学式と赤外線モーションキャプチャカメラを同時にキャリブレーションします。機器との接触を避けながら、二重透視検査システム内の領域全体をキャリブレーション中に完全にキャプチャするようにします。
      注:フライパンに食べ物を投げるに似た杖の動きはうまくいきました。
    2. 二重蛍光法システムによって引き起こされる障害物のために、較正値は光学的な動きの捕獲のために通常観察されるより悪いかもしれない。すべての赤外線カメラの 画像エラーが 0.2 未満になるように、キャリブレーションを実行します。
      メモ:ビデオカメラの画像エラーは、0.5未満ですが、高くなります。ビデオカメラは、モーションキャプチャの視覚的な記録のためだけに、動きの定量化のために特別に使用されるものではありません。
    3. 二重透視のための 立方体 試験の獲得中に、また、モーションキャプチャ赤外線カメラで立方体をキャプチャします。立方体に反射マーカーが貼り付けられ、モーションキャプチャシステムとデュアル透視法システムの両方のカメラで画像を撮るようにします。
  3. マーカーセットと配置
    1. 参加者が到着する前に、両面テープ(トウピーテープ)を21個の球状反射皮膚マーカーの基部にカットして塗布します。マーカーの寿命を確実にするために、テープまたは皮膚が反射マーカーに接触していないことを確認してください。
    2. 5つのマーカープレート(シャンクに2つ、太ももに2つ、背中に1つ、または1つ)のそれぞれに対して。 図4)、布革の皮膚側にスプレー接着剤を塗布し、参加者の周りにしっかりと巻き付けます。ストラップがきつい感じであることを参加者に確認してください(しかし、不快ではありません)。マーカーセットの残りの部分を付着する前に、余分なスプレー接着剤の手をきれいにします。
    3. 口径測定にのみ使用される5つのマーカーを鎖骨、内側膝、および内側のmalleoliにそれぞれ塗布します。
    4. 残りの16個のマーカーを前部腸骨棘(ASIS)、後方の腸骨棘(PSIS)、大腿骨の大トロシャンター、肩、胸骨、側面膝、横筋、足に塗布する(図4)。
    5. データキャプチャ中にマーカーやストラップが緩んでしまう場合は、調査チームに知らせるように参加者に依頼します。
  4. 静的トライアル
    1. 二重透視からの静的な立ちの試験と共に、動きの捕獲のための立っている試験を捕獲する。
    2. すべてのマーカーにラベルを付けます。取得した静止アクティビティ中に少なくとも 3 つの赤外線カメラでマーカーが表示されない場合は、静的な画像を再取得して、すべてのマーカーが表示されるようにします。
    3. キャリブレーション専用マーカーを取り外し、参加者に甲状腺首輪を付けて、データ収集の残りの部分で放射線を防ぐことができます。
  5. 動的トライアル
    1. 二重蛍光法システムで撮影された動的試験のそれぞれについて、モーションキャプチャビデオを取得し、各二重蛍光顕微鏡ビデオの全体がモーションキャプチャ取得の範囲内であることを確認します。
    2. 二重蛍光法システムの電子トリガからの5V信号のブレークが各試験内で捕捉されていることを確認してください。

4. 画像前処理

  1. CTベースモデル
    1. これらのボーンは追跡や座標系の生成に使用されるため、対象側と骨盤全体の近位および遠位大腿骨をセグメント化します。
    2. セグメンテーションが 3 つのイメージング平面すべてでボーン形状を表し、比較的滑らかに見えるようにします。
      注:関節運動学を分析する能力は、慎重なセグメンテーションを通じて高品質の再構築を得るに依存しています。
    3. イメージ データを 符号なし char (8 ビット) に変換し、オフセットとスケーリングで必要に応じて調整して 、0 ~ 255の範囲のイメージを生成します。
    4. 変換された画像内のボーン領域のみを分離し、ボーンの境界の周りをトリミングします。トリミングしたイメージのサイズを記録します。
    5. 2D TIFF形式で保存します。
    6. イメージを開き、種類を 16 ビットに変更し、1 つの 3D TIFF ファイルとして保存します。
  2. 表面再建
    1. セグメンテーション ラベルからサーフェスを生成し、サーフェスを繰り返し滑らかにデシメーションし、1 回の反復で面が半分以上減らされないようにします。
      注: 説明したプロセスを使用すると、面の目標数は、近位および遠位大腿骨の各サーフェスに対して約 30,000、ヘミ骨盤サーフェスごとに約 70,000 です。
    2. ランドマークの識別用のモデル ファイルとして使用するために、各サーフェスをサーフェス メッシュとして *.vtk 形式でエクスポートします。
  3. 座標系のランドマーク識別
    1. 大腿骨座標系の生成のための大腿骨のランドマークを特定する (図 5)。
      注: 以下に示すパラメーターは、参照先のデータセットとイメージング プロトコルに固有です。ランドマークを適切に選択するには、値を変更する必要があります。
      1. 近位大腿骨をモデル ファイルとして開きます。[ポスト] ツールバーと[データ]パネルを開いて、標準フィールドに1-Princ 曲率を追加し、滑らかさを 10に選択して結果を視覚化します。大腿骨頭の面をオーバー選択し、[編集]パネルの選択範囲オプションを使用して、負の曲率のみを含めます。大腿骨の頭部に属さない選択した面の選択を解除します。この大腿骨のヘッド サーフェスをサーフェス メッシュとして *.k 形式でエクスポートし、球体フィットが大腿骨頭の中心を決定します。
      2. 同様のプロセスを使用して、5の滑らかさで遠位大腿骨に1-Princ曲率を適用し、負の曲率を持つ面のみを含むように範囲を再度選択します。円柱フィットのためにこの大腿骨顆サーフェスをエクスポートして、内側側面軸を決定します。
      3. 3の滑らかさを使用して、遠位大腿骨に2-Princ曲率を適用します。エピコンダイルの尾根をハイライト表示し、-0.1の上限カットオフを使用して範囲を選択します。これらの面を書き出して平面を生成し、それを使用して円柱フィットの後部コンディエールの面を分離します。
    2. 骨盤座標系の生成に使用する骨盤のランドマークを特定します (図 5)。
      注: 以下に示すパラメーターは、参照先のデータセットとイメージング プロトコルに固有です。ランドマークを適切に選択するには、値を変更する必要があります。
      1. 各ヘミ骨盤に対して、滑らかさが 5の2-Princ Curvatureを適用し、選択範囲を選択して、アセタブラムの潤滑面を分離する正の顔のみを含めます。ルーナ表面をエクスポートし、球体フィットを使用して、アセタブラムの中心を決定します。
      2. 2-Princ Curvatureを 2の滑らかさで再適用し、-0.15 未満の曲率を持つ面をすべて選択して、骨盤の棘をハイライトします。これらの脊椎のエッジ上のポイントを選択して、ASISとPSISをランドマークとして最もよく表し、記録します。

5. 骨の動きの追跡

  1. キャリブレーション
    1. 二重透視カメラから立方体画像のそれぞれ内の12個のビーズを識別します(ステップ2.2.6で収集)。立方体のビーズの各ビーズと二重蛍光法システム内の立方体の位置の測定値との間の較正された距離に基づいて、投影されたビーズ位置と既知のビーズ位置の間の平方和投影誤差を最小化して、各フルオロスコープの空間的方向を決定する。
    2. グリッドイメージを使用して画像の歪みを補正し、そのグリッドイメージに関連付けられているすべての画像に補正を適用します。
    3. モーションイメージを使用してシステムの動的精度を定量化し、マーカーベースのトラッキングを使用してトラッキングします。
  2. マーカーレストラッキング
    1. 選択したランドマークの位置をボーン固有の パラメータ ファイルに追加し、これらのランドマークの動的位置を二重透視検査システムですべての追跡フレームの出力として収集します。
    2. トラックするフレームを決定し(モーション キャプチャのキネマティック データに基づいて、ステップ 6.1.2 を参照)、関連するボーン固有 のパラメータ ファイルでマーカーなしのトラッキング ソフトウェアを開きます。
    3. 望ましい範囲内のフレームを選択し、ソフトウェアで利用可能な6つの自由度を使用して、対象の骨(近位大腿骨またはヘミ骨盤のいずれか)のCTベースのデジタル再構成されたX線写真(DRR)を手動で向けます(図6)。
      注: ほとんどの試行は立ち位置と同様の位置で始まるので、この初期位置は、すべての試行の初期の開始点として使用される可能性があります。
    4. ボーンの DRR が両方のビューで適切に整列表示されたら、[ソリューション] パネルの [ 手動] ボタンをクリックして ソリューション を保存します。
      注: 解が保存されるたびに、方向パラメータと正規化された相互相関係数が参照用にプロットされます。正規化された相互相関係数は、フルオロスコープとボーン Drdrrs の両方に対してゼロ以外の値を持つすべてのピクセルに基づいて計算されます。
    5. [ソリューション] パネル内の DHS ボタンをクリックして、対角ヘッセン検索(DHS)最適化ステップを適用し、結果を確認します。最適化された結果が優先される場合は、次のフレームに移動します。それ以外の場合は、必要に応じて調整を行い、[ソリューション]パネルの[手動]ボタンをクリックして再保存します。満足できるソリューションが見つかるまで、この手順を繰り返します。
      注: イメージのコントラストが悪い場合、最適化アルゴリズムは必ずしも満足のいく結果を得られない場合があります。
    6. 5 フレームごとに、前のフレームの解決を開始点として使用して、このプロセスを繰り返します。 DHS 最適化を使用して、プロセスを自動化します。
    7. トラッキングの最初のパスを完了するには、リニアプロジェクション(LP)を介して補間し、ソリューションパネル内のLP + DHSボタンをクリックして、追跡されたフレーム間のソリューションを最適化する別のツールを使用します。ウィンドウで、追跡するフレームのセットと参照に使用する 2 つのフレームを入力します。
      注: 2 つの参照フレームは、特定されたフレームセット内の任意のフレームにすることができます。ただし、最初のフレームと最後のフレームを使用すると、フレーム範囲内のボーンの方向に対する境界が提供され、コントラストが低い場合に有効です。
    8. 手動とDHSベースのソリューションの両方を使用して、試用版の各フレームを確認し、調整します。パラメータのプロットを使用して、相関係数が十分に高く、ボーンの方向がパラメータに突然ジャンプしないようにします。
    9. 正確な追跡を確実に行うために、別の研究者に各フレームのソリューションを確認してもらい、必要な変更を行います。
    10. 各ボーンについて、ステップ 5.2.1 ~ 5.2.9 を繰り返します。
  3. 動きの可視化
    1. 運動学的可視化のためにソフトウェアで大腿骨および骨盤の表面を開きます。必要に応じて、メッシュ変換機能を使用してサーフェス をメッシュに変換 します。両方のサーフェスを選択し、*.k 形式でサーフェス メッシュとして 書き出 します。
    2. トラッキングからの出力を使用して、各ボーンとフレームの座標変換を含むテキスト ファイルを生成します。
      注: サーフェスの順序は、変換の順序と一致する必要があります。
    3. キネマティックの視覚化には、 キネマティック ツールと、手順 5.3.1 および 5.3.2 の上記の 2 つのファイルを使用して、キネマティックをアニメートします。アニメーションされたキネマティクスが適切に見え、半透明のサーフェスまたはサーフェス距離ツールを使用して、サーフェス間に適切な 距離 があることを確認します。必要に応じて、ステップ 5.2.8 に戻ります。

6. データ分析

  1. スキンマーカーキネマティクス
    1. モーション キャプチャ ソフトウェア内で、すべてのファイルをバッチ処理して、静的モデルとラベル マーカーを適用します。トライアルが完了したら、ラベルのない軌道を削除します。
      注:二重透視検査システムの障害のために、通常より多くの手動ギャップ充填が必要な場合があります。
    2. 運動および力プレートデータを使用して、歩行中のつま先やかかとのストライキ、またはピボットアクティビティの最大モーション範囲などの動的イベントを識別します。二重透視データの追跡に関する対象フレームを決定します。
    3. *c3d形式でのキネマティック処理のすべての試行データをエクスポートします。(例えば、トリガとフォースプレートデータ)とマーカー軌道の両方を含む。
    4. 目的のモデル テンプレート ファイル(*.mdh ファイル形式として保存)を静的トライアルに適用し、このモデルをモーション ファイルに割り当てます。
      注:分析のために、一般化された国際バイオメカニクス学会(ISB)頭腹部胸郭(HAT)セグメントとCODA骨盤(2つのASISとPSISランドマークの中心によって定義された骨盤セグメントモデル)を持つ下肢モデルが使用されました。
  2. 二重透視運動学
    1. 目的のフレームを分離して、大腿骨と骨盤の両方で追跡される連続したフレームのみが含まれることを確認します。
    2. ローパスバターワースフィルタ(残留分析と4番目のオーダーフィルタから0.12正規化カットオフ周波数)を使用してランドマークの位置をフィルタリングします。
    3. 各モーショントライアル全体でランドマークのフィルタされた位置を使用して、大腿骨座標系の動的位置を追跡します (図 5)。
      1. 大腿骨の原点を 、大腿骨頭の球フィット中心として定義します。
      2. 膝の中心と原点の間の大腿骨z軸(劣った上方軸)を、優れた方向を向いて定義します。
      3. 大腿骨のx軸(内側横軸)を 、大腿骨顆にフィットする円柱の長軸として定義し、左を指します。円柱で表現されるコンディレの領域を分離するには、 飛行機を エピコンダイル表面にフィットさせ、大腿骨顆の後部を分離します。
      4. 大腿骨y軸(前-後部)を、定義されたz軸とX軸のクロス積として定義し、後方向を指します。X 軸の方向を修正して直交座標系を作成します。
    4. 各モーショントライアル全体でランドマークのフィルタされた位置を使用して、骨盤座標系の動的位置を追跡します(図5)。
      1. 骨盤の原点を 2 つの ASIS ランドマークの中心として定義します。
      2. 2 つの PSIS ランドマークの中心と原点の間の骨盤 y 軸(前後軸)を定義し、前向きにします。
      3. 原点と右方向の ASIS ランドマークとの間の骨盤 x 軸(内側横軸)を右向きに定義します。
      4. 骨盤の z 軸 (劣った上位軸) を、定義された x 軸と y 軸の交差積として定義し、優れた方向を向きます。X 軸の方向を修正して直交座標系を作成します。
    5. 座標系間の回転行列を生成し、MacWilliamsおよび同僚の方程式11(図7)21に従って関節運動学を計算する。
    6. 大腿骨頭の球フィット中心と、骨盤座標系にアセツサブラムのルーナ表面の間のベクトル距離を変換して、ジョイント変換を計算します。
      注: これは、各イメージ フレームのジョイント変換を表す単一のベクトルを提供します。
  3. 関節運動学
    1. ステップ 5.3 で説明したキネマティクスを視覚化して、被験者固有の関節運動学をアニメーション化する (図 8)。
    2. サーフェス距離データ フィールドを適用して、各動的アクティビティの間に大腿骨と骨盤サーフェスの間の距離を測定します(図 8)。
      注: これらのデータは、関節表面間の相対的な距離の定量も提供しますが、ジョイントの変換を定量化するために解釈が必要です。
    3. サーフェス 距離ツールを 使用してサーフェス間距離を書き出し、すべての参加者のデータを定量化します。
  4. スキンマーカーモーションキャプチャとの比較
    1. 立方体画像と各モーショントライアルのトリガを使用して、二重透視とモーションキャプチャシステムを空間的および時間的に同期させます。
    2. マーカーなしのトラッキング座標系からモーション キャプチャ座標系にスキン マーカー モーション キャプチャキャプチャ(ASIS、PSIS、コンディレスなど)に使用されるランドマークの位置を変換します。
    3. これらのデータをスキン マーカー モーション キャプチャのマーカー位置と組み合わせて、キネマティックおよびキネティック解析とレポート作成用にインポートします。各ランドマークの二重透視または皮膚マーカーの位置を利用し、2つのシステム間のランドマークの位置と運動学を比較するように分析を調整します。

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Representative Results

二重蛍光法を基準として使用して、股関節の中心の皮膚マーカーベースの推定値の精度と、運動学的および運動学的測定に対する軟部組織アーティファクトの効果を定量22、23、24とした。次に、二重透視の優れた精度を使用して、FAIS患者と無症候性対照参加者25の間の骨盤および股関節運動学の微妙な違いを同定した。二重透視法ベースの関節運動学を分析し、股関節被覆、形態と運動学の関係、および動的運動26、27、28、29の間の骨間距離を定量化した。

体重を持つ股関節運動学を調査するプロトコルを開発する前に、このシステムは、supine臨床検査中に金属ビーズを埋め込んだ死体標本で0.5mmおよび0.6°30以内の精度で検証した。一度検証されると、臨床検査中の運動学は、FAISおよび無症候性対照参加者の患者において二重蛍光法を使用して測定された。結果は、患者が内部回転と加重体31の両方で動きを変えていたことを示した。

重量を持つ二重透視法を基準として使用し、股関節の中心の位置を特定する際の誤差と、軟部組織アーティファクトによって引き起こされる誤差を直接分析した。股関節中心を同定する機能的方法、すなわち、星弧運動は、それぞれ11.0および18.1mmの誤差を有する予測的なランドマークベースの方法よりも正確であることが同定された。股関節の中心の動的な誤差は、立っているものと似ていました。しかし、さらに2.2mmのスプリアス股関節中心運動は、より大きなトロシャンターマーカー23の動的移動中に5cm以上の誤差を伴う軟部組織アーチファクトに起因していた。

股関節の中心の同定における誤差に加えて、関節角は内外部回転ピボット23において20°以上過小評価された。運動学の過小評価はそれ自体が懸念されるが、これらの誤差は、歩行24のような低い運動範囲の間でも、運動の測定範囲および計算された運動変数を減少させた。しかし、正確な二重透視運動学的データは、筋骨格系モデルに組み込むのが難しい場合があります。具体的には、モデルマーカーの誤差は、二重透視法ベースのランドマーク位置でインバースキネマティクスを実行する場合、約1cmであった。この誤差は、皮膚マーカーのモーションキャプチャデータに見られる軟部組織アーティファクトによる5cmの誤差に比べて比較的小さいが、そのような誤差は二重透視によって測定された骨位置のそれよりも桁違いに大きい。

従来の皮膚マーカーモーションキャプチャにおけるエラーの定量化に加えて、二重フルオロコピーの背後にある精度と方法論は、コホート間のキネマティクスの微妙な違いさえも評価する機能を提供します。股関節運動学の違いは、カムFAISと無症候性対照参加者の患者との間では認められなかったが、軟部組織人工物の存在下で検出することが困難であったであろう骨盤運動学の違いは25を同定した。この評価にはコホート間の直接比較が必要でした。また、大腿骨前倒など運動学的変動と骨形態との潜在的な関係も検討した。これらの知見は、股関節病理の診断と保守的または外科的治療の計画における形態とバイオメカニクスの両方の検討の必要性を示した。

臨床現場での生体力学的データの使用における大きなハードルは、バイオメカニストや臨床医が使用する座標系の違いです。バイオメカニクスラボでは、大腿骨と骨盤の座標系を定義するために使用されるランドマークは、動的運動中に皮膚表面からランドマークを識別して追跡する能力によって駆動されます。対照的に、外科座標系は、患者のスピーネまたは傾向のある手術中に識別可能な骨のランドマークを使用して定義される。二重透視法における大腿骨および骨盤の直接追跡により、運動学的出力29に対する様々な座標系定義の影響を評価することができた。座標系定義の違いにより、キネマティック オフセットが 5°を超えました。しかし、これらのオフセットは、動きの間に比較的一貫しており、骨のランドマーク識別を介して説明することができます。

被験者固有の骨形態と運動学の組み合わせである関節運動学は、形態と機能の関節レベル評価を提供します。DDHの患者にとって、大腿部の過少補償は変性の原因であると考えられているので、カバレッジの測定は診断および外科的計画において頻繁に使用される。残念ながら、これらの測定値は、多くの場合、静的な画像に限定され、個々のスピーニンで得られ、2次元でのみ得られます。二重蛍光法由来の関節運動学は、動的活動中の大腿部被覆の変動を直接測定するために用いられた26。重要なのは、全体で評価された立ち位置と歩行中のカバレッジとの間に強い相関関係が見つかった。しかし、地域化されたカバレッジは、歩行のスタンス段階でも、大腿骨頭の前部領域と後部領域の両方で変化しました。

関節外障害は、股関節および周囲の痛みの原因であり、大腿骨と、イスキウムと前腸骨の前部の腸骨脊椎を含む骨盤の外の領域との間の異常な接触を記述する。イスキオフェモラルインピンジメントの動的性質を、動的活動中のイスキオフェモラル空間とそれらにおける臨床MRIベースの測定値との比較を通じて評価した。その中で、空間の減少は、標準的な臨床措置と比較して動的に観察された。運動学的な違いに起因しない性ベースの違いも同定された。これらの方法は関節空間を動的に評価するためにも応用でき、アセトアブラム内の大腿骨頭の位置の変動性と患者コホート間の変動性に関する洞察を提供する(図8)。

Figure 1
図1:左股関節用のトレッドミル上に配置された二重透視検査システムのオーバーヘッド図 散乱の影響を最小限に抑え、視野を最大化するようにシステムを配置します。イメージインテンシファイアは、エミッタのソースから約100〜110cm、互いに50°の角度を付けます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2: 動的アクティビティ中の参加者の対側(右)側からの眺め 参加者は、二重透視検査システムの視野が左股関節の中央に配置されるように、2つの画像増強器(II)の間に位置付けられています。レベルと傾斜の歩行、内部および外部の回転ピボット、および動きの範囲はトレッドミルのプラットホームで行われる。略語: FHJC = 機能性股関節中心 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:二重蛍光法システムに対するモーションキャプチャシステムのオーバーヘッド図 光学式モーションキャプチャシステムは、10台の赤外線カメラと1台のビデオベースのカメラを備え、天井からぶら下がっているフレーム上に配置されています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:スキンマーカーモーションキャプチャに使用するマーカーセットの前および後方のビュー 4つのマーカーを持つ5つのプレートがあり、参加者の背中、太もも、シャンクに配置されています。他のすべてのマーカーは、直接皮膚に適用されます。動的モーション キャプチャ用に、キャリブレーション マーカーが削除されます。R または L で始まるマーカー ラベルは、ボディの右側または左側のマーカーを示します。接尾部のマーカーラベルは、マーカープレート上のマーカーの位置を示し、特に優れた、左、右、劣る、前部、または後部をそれぞれ示します。略語: *SHO = 肩;CLAV = 鎖骨の中心;STRN = 胸骨の底部;BACK_* = 腰に配置されたプレートのマーカー。*ILC =腸骨紋;*ASI = 前の上腸骨棘;*PSI =後部上腸骨脊椎;GRT_TRO =大きなトロシャンター;*THI_*=太ももに置かれた各プレートのマーカー。*KNE_M=内側大腿骨顆(膝);*KNE_L=横大腿骨顆(膝);*TIB_*=シャンク(脛)に置かれた各プレートのマーカー。*ANK_M=内側のmalleolus(足首);*ANK_L =横のマリョウラス;*5TH = 第5中足指関節;*TOE = 最初の中足骨転移関節;*HEE = 踵( この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:大腿骨と骨盤のランドマークと座標系 両側の前方腸骨棘(ASIS;マゼンタ)および後方上腸骨棘(PSIS;シアン)とその中間点のランドマークは、骨盤の座標系を定義するために使用される。大腿骨の中心(オレンジ色)と両側大腿骨顆(緑色)、その中間点、および顆の円柱フィットは、大腿骨の座標系を定義するために使用されます(左大腿骨の場合に示されています)。各ボーンの第3軸は、表示された2つの軸の交差積から決定される。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:二重透視画像と左股関節のマーカーレス追跡 画像は、前蛍光鏡(左)と後部蛍光鏡(右)からの画像で、外部および内部の回転ピボット(中央)の最大回転のために示されています。各二重透視画像の骨盤(上)と大腿骨(下)のマーカーレストラッキングソリューション。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 7
図7:二重透視測定の運動学 代表参加者の外部および内部回転ピボットの最大回転数 (垂直点線) を囲む 100 フレームのキネマティクス。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図8:左半骨盤と大腿骨の間の関節運動学的な表面距離 関節運動学は、外部および内部回転ピボット(中央)の最大回転に対して、二重透視(外側)で測定されたそれぞれの骨モデルを示しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

二重蛍光法は、生体内運動学、特に従来の光学的モーションキャプチャを使用して正確に測定することが困難な股関節の調査のための強力なツールです。しかし、透視検査装置は専門化され、人体の他の関節を撮像する際に独自のシステム設定が必要になる場合がある。例えば、画像増強器の取り付け、システムの位置決め、および二重蛍光法の適用におけるビームエネルギーの設定を足首キネマティクス32、33、34、35の研究にいくつか変更した。二重蛍光法は、かなりの研究準備を必要とすることに加えて、3D医療画像処理や、全身運動学を追跡するための伝統的な皮膚マーカーモーションキャプチャを含む追加のデータの取得、ならびにCT画像セグメンテーションや取得した画像のマーカーレス追跡を含む長い後処理を必要とする。幸いなことに、二重蛍光法からの完全に処理されたデータは、従来のモーションキャプチャで利用可能なものをはるかに超える能力を持つ様々なアプリケーションで使用することができます。

光学モーションキャプチャは、皮膚上のマーカーの動きを利用して身体セグメントの位置を推定し、放射線ベースの二重蛍光法は骨位置のみを直接測定することを可能にする。骨運動36,37に対する軟部組織ダイナミクスの定量化に多大な努力がささらされてきたが、皮膚の外層と骨の間の軟部組織の大きな塊の運動パターンを測定することは本質的に困難である。しかし、股関節の軟骨やラブラムなどの骨と直接接触する薄い組織のために、二重蛍光視とCT関節形成イメージングの組み合わせは、それらの空間的関係を動的に評価する能力を提供する。スペピン臨床検査中に収集されたデータは、スペピン障害試験38中の大腿骨とラブラムの間の接触位置と一致するアセバタブルラブラムへの臨床的に観察された損傷の位置を示すために使用された。重要なことに、この分析は、大腿骨とラブラムの間の最初と最大の接触の領域が骨間の最小距離の位置と一致していないことを同定した。

股関節の病変切り術を持つ個人は、軟骨およびラブラムに損傷を受ける危険性があります。しかし、軟骨損傷の原因となるメカニズムはよく理解されていない。CT関節節不同データから構築された関節運動学的データを分析して軟骨やラブラムの力学を研究できると考えられます。例えば、軟部組織(例えば、ラブラム、軟骨)と骨を表す表面再建間の観察された浸透を分析し、これらの組織が経験するひずみを近似するように解釈することができる。しかし、キネマティクスの追跡や表面の再構築にわずかな誤差があっても、推定歪みや関節荷重に大きな違いが生じる可能性があります。したがって、FE法のようなより高度なモデリング方法は、股関節の軟骨力学を総合的に評価するために必要とされ得る。二重透視、全身運動学の従来の皮膚マーカーモーションキャプチャ、および計装トレッドミルからのデータは、筋肉力と関節反応負荷とトルクを推定するモデルの入力として機能することができます。これらの運動データは、軟骨節の応力と歪みを推定するFEモデルへの負荷条件として機能します。

プロトコルに関連する具体的なステップに加えて、研究のさまざまな側面のスケジューリングは、データ取得の成功にも関連しています。まず、関節のカプセルにコントラストを注入して本質的に侵襲的である関節図法を用いた研究では、関節は、患者の運動パターンに対する影響を避けるために、モーションキャプチャ実験の完了の数日前または後にいつでも行われなければならない。次に、キャリブレーションと画像取得の間にシステム構成が変更されないように、参加者の到着前に、すべてのキャリブレーションを実行する必要があります。第三に、参加者は、タスクのパフォーマンスに対する順序付けの影響を排除するために、ランダムな順序で動的試行を実行するように指示する必要があります。

股関節運動学の測定に二重透視法を用いるためのもう一つの大きな考慮事項は、放射線被ばくである。しかし、記載されたプロトコルにおける放射線の推定線量相当量の80%はCTスキャンからのものであることに注意することが重要です。露出を低減する1つの解決策は、CTイメージングのための磁気共鳴画像(MRI)の置換です。MRIは表面再建に使用できますが、二重透視画像の追跡は、デジタル再構成されたX線写真からの骨密度の投影にも依存しています。MRIは直接骨密度を測定することはできませんが、デュアルエコー定常状態(DESS)などの特定のシーケンスは、より密度の高い皮質骨と密度の低いキャンセル骨との間に何らかの分化を提供します。これらの画像は、CT画像と同様の外観を持つように変換することができ、潜在的に二重透視検査研究の参加者の放射線被ばくを減らすことができます。

股関節を取り囲む軟部組織が多いため、X線散乱を低減するために、二重透視検査システムの特定の位置を最適化する必要があります。X線エミッタに対する参加者の位置と、画像インテンシファイア間の角度が重要な要因であることが判明した。このプロトコルは、体重負荷活動中の参加者の股関節運動を研究するために使用される二重蛍光法システムの位置を示す。しかし、参加者コホートはBMIが30kg/m2未満の個体に限定されていたことにも注意が必要です。同様のBMI制限は、軟部組織の大きな塊に囲まれた関節の二重蛍光顕微鏡画像を撮影する場合にお勧めします。

本明細書に記載されているプロトコルは、スピーンと体重を持つ股関節運動学、トレッドミルと地上体重を持つ足首キネマティクス、座っている肩運動学16、17、18、19、20、21、22、23、24、25を含む様々な二重蛍光法システム構成および関節に適用することができる。 26, 27, 28, 29 , 30, 31, 32 , 33, 34, 35 .トレッドミルの歩行中の股関節の最小の世界的な動きのために、インストルメントされたトレッドミルは、股関節の体重を持つ運動学の評価に使用されました。トレッドミルまたは移動蛍光スコープシステムがなければ、限られた視野で行われる活動中にのみ股関節を捕獲することが可能であろう。しかし、トレッドミルの使用は、すべての関節に適していません。例えば、トレッドミル歩行中の足首運動学の調査にこのプロトコルを適用すると、トレッドミル32、35の固有の動きのために歩行のごく一部しか捕捉されなかったが、地上歩行は歩行の大部分を捕らえることができたが、前かかと打ち前から足の先まで33、40、41に及ぶ。

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Disclosures

著者には利益相反はありません。

Acknowledgments

この研究は、米国国立衛生研究所(NIH)の助成金番号S10 RR026565、R21 AR063844、F32 AR067075、R01 R0777636、R56 AR074416、R01 GM083925の下で支援されました。コンテンツは著者の責任であり、必ずしもNIHの公式見解を表すものではありません。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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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).

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