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In vivo Quantificação da Artrokinematics de Quadril durante atividades dinâmicas de peso usando fluoroscopia dupla

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

A fluoroscopia dupla captura com precisão o movimento dinâmico in vivo das articulações humanas, que podem ser visualizadas em relação à anatomia reconstruída (por exemplo, artrokinematics). Aqui é apresentado um protocolo detalhado para quantificar a artrokinemática do quadril durante atividades de suporte de peso da vida diária, incluindo a integração da fluoroscopia dupla com a captura tradicional de movimento de marcador de pele.

Abstract

Várias patologias do quadril foram atribuídas à morfologia anormal com uma suposição subjacente da biomecânica aberrante. No entanto, as relações estrutura-função no nível articular permanecem desafiadoras para quantificar devido às dificuldades em medir com precisão o movimento articular dinâmico. Os erros de artefato de tecido mole inerentes à captura óptica de movimento do marcador de pele são exacerbados pela profundidade da articulação do quadril dentro do corpo e pela grande massa de tecido mole ao redor da articulação. Assim, a relação complexa entre a forma óssea e a cinemática articular do quadril é mais difícil de estudar com precisão do que em outras articulações. Aqui, um protocolo que incorpora a arteografia computada (TC), reconstrução tridimensional (3D) de imagens volumétricas, fluoroscopia dupla e captura de movimento óptico para medir com precisão o movimento dinâmico da articulação do quadril é apresentado. São resumidos os estudos técnicos e clínicos que aplicaram fluoroscopia dupla para estudar as relações forma-função do quadril utilizando este protocolo, e as etapas específicas e considerações futuras para aquisição, processamento e análise de dados são descritas.

Introduction

O número de procedimentos totais de artroplastia do quadril (THA) realizados em adultos de 45 a 64 anos que sofrem de osteoartrite do quadril (OA) mais que dobrou entre 2000 e 20101. Com base nos aumentos dos procedimentos de THA de 2000 a 2014, um estudo recente previu que o número total de procedimentos anuais pode triplicar nos próximos vinte anos2. Esses grandes aumentos nos procedimentos de THA são alarmantes considerando que os custos atuais de tratamento excedem US$ 18 bilhões anualmente apenas nos Estados Unidos3.

Acredita-se que displasia do quadril (DDH) e síndrome de impingamento femoroacetabular (FAIS), que descrevem um quadril sub ou super-constrangido, respectivamente, sejam a etiologia primária do quadril OA4. A alta prevalência dessas deformidades estruturais do quadril em indivíduos submetidos à TA foi inicialmente descrita há mais de três décadas5. Ainda assim, a relação entre anatomia anormal do quadril e a osteoartrite não é bem compreendida. Um desafio para melhorar a compreensão do papel das deformidades no desenvolvimento do OA do quadril é que a morfologia anormal do quadril é muito comum entre adultos assintomáticos. Notavelmente, estudos observaram morfologia associada à FAIS tipo cam em aproximadamente 35% da população geral6, 83% dos atletas seniores7e mais de 95% dos atletas do sexo masculino colegiado8. Em outro estudo de atletas colegiadas do sexo feminino, 60% dos participantes tinham provas radiográficas da cam FAIS, e 30% tinham provas de DDH9.

Estudos que demonstram uma alta prevalência de deformidades entre indivíduos sem dor no quadril apontam para a possibilidade de que a morfologia comumente associada ao FAIS e ao DDH pode ser uma variante natural que só se torna sintomática sob certas condições. No entanto, a interação entre anatomia do quadril e a biomecânica do quadril não é bem compreendida. Notavelmente, há dificuldades conhecidas com a medição do movimento articular do quadril usando a tecnologia tradicional de captura de movimento óptico. Primeiro, a articulação é relativamente profunda dentro do corpo, de tal forma que a localização do centro articular do quadril é difícil de identificar e rastrear dinamicamente usando captura óptica de movimento de marcador de pele, com erros na mesma ordem de magnitude que o raio da cabeça femoral10,11. Em segundo lugar, a articulação do quadril é cercada por grande massa de tecido mole, incluindo gordura subcutânea e músculo, que se move em relação ao osso subjacente, resultando em artefato de tecido mole12,13,14. Finalmente, usando o rastreamento óptico de marcadores de pele, a cinemática é avaliada em relação à anatomia generalizada e, portanto, não fornece insights sobre como diferenças morfológicas sutis podem afetar a biomecânica da articulação.

Para suprir a falta de cinemática precisa em combinação com a morfologia óssea específica do sujeito, tanto sistemas de fluoroscopia única quanto dupla foram desenvolvidos para análise de outros sistemas articulares naturais15,16,17. No entanto, essa tecnologia só recentemente foi aplicada na articulação do quadril nativo, provavelmente devido à dificuldade em adquirir imagens de alta qualidade através do tecido mole ao redor do quadril. A metodologia para medir com precisão o movimento articular do quadril in vivo e exibir este movimento em relação à anatomia óssea específica do sujeito é descrita aqui. A artrokinemática resultante fornece uma habilidade incomparável de investigar a interação sutil entre morfologia óssea e biomecânica.

Aqui, foram descritos os procedimentos para aquisição e processamento de imagens duplas de fluoroscopia do quadril durante as atividades de vida diária. Devido ao desejo de capturar cinemáticas de corpo inteiro com rastreamento de marcador óptico simultaneamente com imagens duplas de fluoroscopia, o protocolo de coleta de dados requer coordenação entre várias fontes de dados. A calibração do sistema de fluoroscopia dupla utiliza estruturas de plexiglass implantadas com contas metálicas que podem ser diretamente identificadas e rastreadas como marcadores. Em contraste, o movimento ósseo dinâmico é rastreado usando rastreamento sem marcadores, que utiliza apenas a densidade radiográfica baseada em TC dos ossos para definir a orientação. O movimento dinâmico é então rastreado simultaneamente usando dados duplos de fluoroscopia e captura de movimento que são sincronizados espacial e temporalmente.

Os sistemas são sincronizados espacialmente durante a calibração através de imagens simultâneas de um cubo com marcadores reflexivos e contas metálicas implantadas e a geração de um sistema de coordenadas comum. Os sistemas são sincronizados temporalmente para cada atividade ou captura através do uso de um gatilho eletrônico dividido, que envia um sinal para acabar com a gravação das câmeras de fluoroscopia dupla e interrompe uma entrada constante de 5 V para o sistema de captura de movimento. Este protocolo coordenado permite a quantificação da posição dos segmentos corporais que estão fora do campo combinado de visão do sistema de fluoroscopia dupla, expressão de resultados cinemáticos em relação a eventos normalizados pela marcha e caracterização da deformação do tecido mole em torno do fêmur e da pelve.

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Protocol

Os procedimentos descritos neste protocolo foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Utah.

1. Imagem de artrograma ct

  1. Artrógrama18
    1. Agende um radiologista musculoesquelético treinado para realizar o artrograma diretamente antes da imagem programada da tomografia computadorizada.
    2. Posicione o participante sobre a mesa com o quadril de interesse no campo de visão de um fluoroscópio clínico. Coloque sacos de areia em ambos os lados do tornozelo para evitar a rotação da perna e do quadril.
    3. Prepare a pele para criar um ambiente estéril. Marque o local onde a agulha será inserida (junção femoral do pescoço da cabeça) e anestesia o tecido mole no local da injeção com 2-5 mL de 1% de lidocaína.
    4. Prepare uma solução de 20 mL de 1% de lidocaína, 10 mL de injeção de iohexol e 0,1 mL de 1 mg/mL (1:1000) de epinefrina em uma seringa de bloqueio de 30 mL.
    5. Dois a cinco minutos após a injeção de lidocaína, insira uma agulha espinhal apenas até entrar em contato com o pescoço femoral; verifique a localização da agulha por fluoroscopia. Injete uma pequena quantidade da solução preparada (<5 mL) e certifique-se de que o fluido injetado esteja contido dentro da cápsula articular com uma imagem de fluoroscopia.
    6. Injete 20-30 mL da mistura de contraste. Quando for observada resistência adicional à injeção, um membro da equipe de estudo aplique tração manualmente no quadril puxando o tornozelo do participante enquanto o participante agarra a cabeceira da mesa para resistir ao movimento superior do corpo. Injete a mistura de contraste restante, conforme apropriado.
    7. Verifique por fluoroscopia que o agente de contraste preenche o espaço articular e cobre a cabeça femoral quando a tração é aplicada.
    8. Transfira o paciente para o tomógrafo em uma cadeira de rodas ou cama para minimizar a perda de contraste dentro da cápsula articular.
  2. Imagem de tração e tomografia
    1. Ajude o participante a uma posição supina no pórtico ct.
    2. Coloque o dispositivo de tala de tração de lebre sob a perna de interesse, garantindo que a barra acolchoada proximal repouse apenas distal ao isquiuso. Fixar o gancho e alças de laço ao redor da coxa e tornozelo do participante e aplicar tração leve.
    3. Adquira uma imagem de batedor e defina o campo de visão para incluir toda a pelve e fêmures proximais para um pouco abaixo do menor trochanter para os quadris. Defina um campo de visão separado para incluir os fêmures distais e as tíbias proximais para os joelhos.
    4. Aplique tração adicional (tenha um membro da equipe de pesquisa puxando o tornozelo enquanto outro aperta a correia da tala de tração da lebre) para garantir a separação do espaço articular. Adquira imagens a 120 kVp, 1,0 mm de espessura de fatia, 200 a 400 mAs para o quadril e 120 kVp, 3,0 mm de espessura de fatia e 150 mAs para os joelhos. Use a DOSE CARE, um controle automatizado de exposição que modula a corrente do tubo de acordo com a qualidade da imagem, para minimizar a carga de radiação para o participante.
    5. Solte e remova o dispositivo de tala de tração da lebre. Ajude o participante a uma posição de pé e certifique-se de que ele se sinta confortável colocando peso e sendo móvel no membro antes de permitir que ele saia.

2. Imagem dupla de fluoroscopia

  1. Configuração do sistema
    1. Aplique antropometria19 para estimar a altura da articulação do quadril com base na altura relatada pelo participante e utilize esta medida para estimar a altura desejada do centro do campo de visão do sistema.
    2. Posicione os intensificadores de imagem aproximadamente 50° um do outro na lateral da esteira instrumentada correspondente ao quadril de interesse(Figura 1).
    3. Posicione os emissores de raios-X a serem apontados para os intensificadores de imagem. Certifique-se de que a distância entre a fonte do emissor e a face dos intensificadores de imagem seja de aproximadamente 100-110 cm.
      NOTA: A distância recomendada entre a fonte do emissor e a face dos intensificadores de imagem variará de acordo com a especificação do sistema e o colisão no emissor de raios-X.
    4. Conecte o centro da face do intensificador de imagem e o emissor de raios-X correspondente de cada par de fluoroscópio usando cordas ou fitas de medição. Verifique se as cordas (ou fitas) cruzam no local desejado (ou seja, na localização esperada da articulação do quadril).
    5. Afixe a placa com três lasers no emissor e no espelho ao intensificador da imagem. Ligue os lasers e refine o alinhamento de cada emissor e intensificador de imagem com base no reflexo dos lasers de volta à fonte laser.
  2. Imagens de calibração
    1. Prepare-se para o uso da radiação vestindo chumbo e colocando sinalização nas entradas da sala. Minimize a exposição por ter a proteção de uso da equipe que inclui um colete de chumbo, saia, luvas e óculos. Ligue os fluoroscópios e permita que os sistemas se aqueçam, conforme necessário.
    2. Para todas as imagens de calibração, defina os fluoroscópios para 64 kVp e 1,4-1,6 mA, ou conforme desejado.
    3. Abra o software de controle da câmera no computador e selecione as câmeras apropriadas como escravas e mestres. Use sincronização externa com a câmera principal da câmera escrava para sincronizar as duas câmeras.
      NOTA: Para todas as atividades gravadas, salve os mesmos quadros de ambas as câmeras de fluoroscopia dupla; os quadros são identificados com um número que representa o número de quadros anteriores ao sinal de gatilho eletrônico.
    4. Verifique o alinhamento do sistema afixando uma arruela metálica circular no centro do intensificador da imagem e anexando a fixação da mira ao emissor.
      NOTA: Uma vez verificado o alinhamento, é importante evitar entrar em contato com o sistema.
    5. Anexar a grade do plexiglass a um dos intensificadores de imagem usando parafusos; minimizar a força aplicada neste processo para evitar alterar o alinhamento. Adquira imagens fluoroscopia e salve 100 quadros de imagem de cada câmera de fluoroscopia dupla da grade. Remova a grade e repita o processo para o outro intensificador de imagem.
    6. Coloque o cubo de calibração 3D dentro do campo de visão combinado dos dois fluoroscópios. Para isso, coloque o cubo em um banquinho ou plataforma que seja radio-translúcido e verifique visualmente que a maioria ou todo o cubo está dentro do campo de visão. Oriente o cubo de tal forma que as contas de calibração não se sobreponham nem para a visão dupla da câmera fluoroscopia. Adquira imagens e salve 100 quadros de imagem do cubo.
    7. Antes de mover o cubo, meça e regisse a localização aproximada da origem do cubo a partir de cada emissor usando o sistema de coordenadas do cubo. Remova o cubo e qualquer plataforma associada.
    8. Meça e regisse a distância entre a fonte do emissor e a face do intensificador de imagem para cada fluoroscópio.
    9. Conecte o plexiglass com uma haste longa ou uma régua com um elástico e mova-o aleatoriamente para fornecer movimentos que alcancem todo o campo de visão do sistema. Certifique-se de que a equipe de pesquisa esteja atenta ao caminho da proteção contra radiação e desgaste para minimizar a exposição (ver passo 2.2.1). Salve 100 quadros de imagem do movimento.
    10. Reinicie o relógio de imagem usado para rastrear o tempo de exposição.
  3. Ensaio estático e ajuste de parâmetros
    1. Meça a altura do trochanter maior para garantir que a altura do sistema seja adequada para o participante.
      1. Palpa a coxa para encontrar a proeminência óssea do maior trochanter e localizar o ponto mais superior, como é possível.
      2. Como o trochanter superior maior é aproximadamente na mesma altura da articulação do quadril, meça a altura do chão até este ponto e compare-a com a estimativa de altura usada para configurar o sistema de fluoroscopia dupla.
      3. Se necessário, ajuste a altura do sistema e recalibrar enquanto o participante estiver sendo preparado para captura de dados.
    2. Familiarize o participante com o sistema de fluoroscopia e informe que deve notificar a equipe de pesquisa caso entre em contato com algum dos equipamentos durante a sessão de imagem, pois o contato com o sistema afeta negativamente a exatidão de seus dados.
    3. Que o participante pise na esteira e fique dentro do campo de visão do sistema de fluoroscopia dupla. Verifique o alinhamento do participante sob a perspectiva de cada emissor e tome nota desta posição a partir da perspectiva de onde cada membro da equipe de pesquisa estará em pé ou sentado durante a imagem.
    4. Estime os parâmetros de imagem (kVp e mA de cada emissor e a exposição das câmeras de fluoroscopia dupla) com base no índice de massa corporal (IMC) do participante e defina cada fluoroscópio em conformidade.
      NOTA: Para a coorte referenciada, as configurações de fluoroscopia variaram de 78 a 104 kVp e 1,9-3,2 mA com exposições de câmera de 4,5-7,0 ms.
    5. Adquira imagens do participante em pé e avalie as imagens para contraste e campo de visão.
      NOTA: O aumento do kVp está associado ao aumento da dispersão de raios-X (aumenta o ruído e reduz o contraste), menor resolução de imagem e menor contraste.
    6. Ajuste os parâmetros e/ou o alinhamento do participante e repita a aquisição de imagens, conforme necessário.
    7. Salve 100 quadros das imagens finais para usar como teste estático.
  4. Ensaios dinâmicos (Figura 2)
    1. Antes do início da dupla fluoroscopia, o participante caminha uma distância conhecida enquanto está cronometrado. Use isso para determinar a velocidade de caminhada auto-selecionada para andar nivelado e inclinado na esteira.
    2. Que o participante faça uma coleira de tireoide de chumbo para proteger a tireoide.
    3. Durante as aquisições dinâmicas, o pesquisador controla o controle duplo da câmera fluoroscopia na estação de trabalho de fluoroscopia dupla passo atrás do escudo de chumbo e observa o participante através da janela de visualização do escudo(Figura 3).
    4. Para o desempenho de todos os ensaios ambulantes:
      1. Informe o participante antes de iniciar a faixa da esteira. Aumente a velocidade da esteira até a velocidade de caminhada apropriada e deixe a marcha do participante normalizar antes de coletar imagens.
      2. Para cada atividade de caminhada, adquira e economize pelo menos dois ciclos completos de marcha.
      3. Para a atividade de caminhada inclinada, o participante saia da esteira. Desbloqueie a esteira, coloque a inclinação em 5°e retrate a esteira antes de fazer com que o participante volte para a esteira para realizar a atividade.
      4. Repita a imagem, de modo que a atividade seja registrada duas vezes.
      5. Repita o mesmo processo (etapa 2.4.4.3) para baixar a esteira após a conclusão da atividade.
    5. Para as atividades pivôs:
      1. Que o participante gire sua posição corporal e pés aproximadamente 45° da frente da esteira em frente à direção do pivô. Se desejar, certifique-se de que cada pé seja colocado inteiramente em uma única correia da esteira de correia dupla para permitir o processamento direto dos dados da placa de força.
      2. Faça com que o participante realize vários pivôs de e para o seu alcance final de movimento enquanto observa o alinhamento da pelve na faixa final de movimento. Certifique-se de que o movimento seja executado sem problemas, pois o pivô não requer aceleração para alcançar a posição final.
      3. Com base na posição da pélvis na faixa final de movimento, que o participante gire e/ou traduza seus pés de tal forma que a pelve esteja voltada para a frente na esteira e o quadril de interesse esteja no meio do campo combinado de visão dos fluoroscópios no final do pivô.
      4. Uma vez otimizada a posição, faça com que o participante realize o pivô durante a dupla fluoroscopia e salve todos os quadros onde o fêmur e a pelve são visíveis tanto em duas vistas de câmera fluoroscopia dupla (aproximadamente 200-400 quadros) centrados sobre a faixa final de movimento, capturando o máximo possível do pivô.
      5. Repita a imagem, de modo que a atividade seja registrada duas vezes.
    6. Para a atividade de adução de abdução:
      1. Que o participante fique no campo de visão dos fluoroscópios e eleve a perna de interesse aproximadamente 45° para o seu lado. Lembre o participante para evitar o movimento do torso e reduzir o alcance do movimento, se necessário.
      2. Adquira e salve todos os quadros onde o fêmur e a pelve são visíveis tanto em visualizações duplas de câmera fluoroscopia (aproximadamente 200-400 quadros).
      3. Repita a imagem, de modo que a atividade seja registrada duas vezes.
    7. Para o centro articular dinâmico do quadril ou atividade arco-estrela20
      1. Que o participante fique no campo de visão do sistema de fluoroscopia dupla e levante e baixe a perna anteriormente e em incrementos de 45° de 180°, terminando com um aumento posterior e inferior da perna. Antes de colocar a perna de volta no chão, peça ao participante circundutor a perna e retorne a uma posição de pé.
    8. Uma vez que o participante esteja confortável com o movimento e possa completá-lo em aproximadamente 6-8 s, adquirir e salvar imagens da atividade.
      NOTA: Apenas uma atividade é capturada com fluoroscopia dupla devido à duração do ensaio.
  5. Imagens de calibração adicionais
    1. Se em algum momento durante a coleta de dados, o participante acredita que pode ter entrado em contato com qualquer parte do equipamento fluoroscópico, imagem das grades e cubo e salvar todos os arquivos para calibração.
    2. Após a conclusão da coleta de dados, imagem as grades e cubo e salvar todos os arquivos para calibração para servir como backup se algum problema surgir com a calibração inicial.

3. Captura de movimento de marcador de pele e esteira instrumentada

  1. Configuração do sistema
    1. Concentre o sistema óptico de captura de movimento na esteira(Figura 3). Devido aos potenciais problemas com a visualização do participante enquanto estiver no campo de visão do sistema de fluoroscopia dupla, esteja preparado para posicionar com precisão as câmeras infravermelhas para garantir uma visualização precisa(Figura 2).
    2. Ligue o sistema e use um conjunto de marcadores para garantir que o sistema de fluoroscopia dupla não impeça a visualização do campo de visão desejado.
    3. Verifique se os marcadores são claros e circulares e ajuste o foco das câmeras infravermelhas, conforme necessário.
    4. Certifique-se de que os fluoroscópios estão cobertos para reduzir quaisquer superfícies reflexivas. Revise cada câmera infravermelha e mascara a visão da câmera se os objetos reflexivos não puderem ser cobertos.
    5. Configure o software de captura de movimento para ler em um sinal externo de 5 V do gatilho eletrônico usado para acabar com a aquisição da câmera do sistema de fluoroscopia dupla. Use este gatilho para sincronizar temporalmente os dados dos dois sistemas.
  2. Calibração
    1. Uma vez que o sistema esteja ligado e pronto, use a varinha de calibração ativa para calibrar simultaneamente as câmeras de captura de movimento óptica e infravermelha. Certifique-se de que toda a região dentro do sistema de fluoroscopia dupla seja completamente capturada durante a calibração, evitando o contato com qualquer equipamento.
      NOTA: Movimentos de varinha que se assemelham a jogar comida em uma frigideira têm funcionado bem.
    2. Devido às obstruções causadas pelo sistema de fluoroscopia dupla, os valores de calibração podem ser piores do que normalmente observados para captura de movimento óptico. Realize a calibração para que todas as câmeras infravermelhas tenham erros de imagem inferiores a 0,2.
      NOTA: O erro de imagem da câmera de vídeo será maior, embora ainda menor que 0,5. A câmera de vídeo não é especificamente usada para qualquer quantificação de movimento, apenas para gravação visual da captura de movimento.
    3. Durante a aquisição do teste cubo para fluoroscopia dupla, também capture o cubo com as câmeras infravermelhas de captura de movimento. Certifique-se de que o cubo tenha marcadores reflexivos afixados a ele para que a posição seja visualizada com câmeras tanto dos sistemas de captura de movimento quanto de fluoroscopia dupla.
  3. Conjunto de marcadores e colocação
    1. Antes da chegada do participante, corte e aplique fita dupla face (fita de peruca) na base de 21 marcadores de pele reflexiva esféricos. Para garantir a longevidade dos marcadores, certifique-se de que a fita ou qualquer pele não entre em contato com os marcadores reflexivos.
    2. Para cada uma das cinco placas de marcador (duas na haste, duas na coxa, uma nas costas; Figura 4), aplique cola spray no lado da pele da alça do tecido e enrole-a firmemente ao redor do participante. Verifique com o participante que as alças se sentem apertadas (mas não são desconfortáveis). Limpe as mãos de qualquer excesso de cola de spray antes de aderir o resto do conjunto de marcadores.
    3. Aplique cinco marcadores, utilizados apenas para calibração, na clavícula, joelhos medial e maleeoli medial, respectivamente.
    4. Aplique os 16 marcadores restantes nas espinhas ilícíais superiores anteriores (ASIS), coluna ilícía posterior superior (PSIS), maior trompeteiro do fêmur sendo imageado, ombros, esterno, joelhos laterais, maleeoli lateral e pés(Figura 4).
    5. Peça ao participante para informar a equipe de estudo se algum marcador ou correia se soltar durante a captura de dados.
  4. Ensaio estático
    1. Em conjunto com o ensaio estático em pé de fluoroscopia dupla, capture um teste permanente para captura de movimento.
    2. Rotule todos os marcadores. Se algum marcador não for visível por pelo menos três câmeras infravermelhas durante a atividade estática adquirida, readquira uma imagem estática para garantir que todos os marcadores sejam visíveis.
    3. Remova os marcadores somente de calibração e faça com que o participante doe uma coleira de tireoide para fornecer proteção contra radiação durante o restante da coleta de dados.
  5. Ensaios dinâmicos
    1. Para cada um dos ensaios dinâmicos capturados com o sistema de fluoroscopia dupla, adquira vídeo de captura de movimento, garantindo que a totalidade de cada vídeo de fluoroscopia dupla esteja dentro dos limites da aquisição de captura de movimento.
    2. Certifique-se de que a quebra no sinal de 5 V do gatilho eletrônico do sistema de fluoroscopia dupla seja capturada dentro de cada ensaio.

4. Pré-processamento de imagem

  1. Modelo baseado em CT
    1. Segmentar o fêmur proximal e distal do lado do interesse e de toda a pelve, pois esses ossos são utilizados para rastreamento e/ou coordenação da geração do sistema.
    2. Certifique-se de que as segmentações são representativas da forma óssea em todos os três planos de imagem e parecem relativamente suaves.
      NOTA: A capacidade de analisar a artrokinematics depende da obtenção de reconstruções de alta qualidade por meio de uma segmentação cuidadosa.
    3. Converta os dados da imagem em char não assinado (8 bits) e ajuste conforme necessário com deslocamento e dimensionamento para produzir uma imagem com um intervalo de 0 a 255.
    4. Isole apenas a região óssea na imagem convertida e corte ao redor dos limites do osso. Regissão das dimensões das imagens cortadas.
    5. Salve como formato 2D TIFF.
    6. Abra a imagem, altere o tipo para 16 bits e salve-acomo um único arquivo TIFF 3D.
  2. Reconstrução de superfície
    1. Gerar superfícies a partir dos rótulos de segmentação, suavizar e dizimar as superfícies iterativamente, garantindo que os rostos nunca sejam reduzidos em mais da metade em qualquer iteração única.
      NOTA: Usando o processo descrito, o número de rostos é de aproximadamente 30.000 para cada superfície proximal e distal do fêmur e 70.000 para cada superfície hemi-pélvis.
    2. Exporte cada superfície como uma malha de superfície em formato *.vtk para uso como um arquivo modelo para identificação de marcos.
  3. Identificação de referência para o sistema de coordenadas
    1. Identificar marcos do fêmur para geração do sistema de coordenadas femorais(Figura 5).
      NOTA: Os parâmetros fornecidos abaixo são específicos para o conjunto de dados referenciado e protocolos de imagem; os valores podem precisar ser alterados para selecionar os marcos adequadamente.
      1. Abra o fêmur proximal como um arquivo modelo. Abra a barra de ferramentas do Post e o painel Data para adicionar um campo padrão de Curvatura 1-Princ,selecione uma suavidade de 10 e, em seguida, visualize o resultado. Selecione demais os rostos da cabeça femoral e use a opção select range do painel Editar para incluir apenas curvatura negativa. Desmarque quaisquer rostos selecionados que não pertençam à cabeça femoral. Exporte esta superfície da cabeça femoral como uma malha superficial em formato *.k para uma esfera adequada para determinar o centro da cabeça femoral.
      2. Usando um processo semelhante, aplique curvatura 1-Princ ao fêmur distal com a suavidade de 5 e novamente selecione o intervalo para incluir apenas os rostos com curvatura negativa. Exporte esta superfície de condíle femoral para um ajuste de cilindro para determinar o eixo medial-lateral.
      3. Aplique curvatura 2-Princ no fêmur distal, utilizando uma suavidade de 3. Destaque os cumes dos epicondyles e selecione o intervalo usando um corte superior de -0,1. Exporte essas faces para gerar um plano e use-o para isolar os rostos dos condyles posteriores para o ajuste do cilindro.
    2. Identificar marcos da pelve para geração do sistema de coordenadas pélvicas(Figura 5).
      NOTA: Os parâmetros fornecidos abaixo são específicos para o conjunto de dados referenciado e protocolos de imagem; os valores podem precisar ser alterados para selecionar os marcos adequadamente.
      1. Para cada hemi-pélvis, aplique curvatura 2-Princ com uma suavidade de 5 e selecione alcance para incluir apenas rostos positivos para isolar a superfície lunate do acetábulo. Exporte a superfície do lunate e use uma esfera adequada para determinar o centro do acetábulo.
      2. Reaplique a Curvatura 2-Princ com uma suavidade de 2 e selecione todas as faces com curvatura inferior a -0,15 para destacar as espinhas da pelve. Escolha pontos na borda dessas espinhas que melhor representam o ASIS e o PSIS como marcos e grave-os.

5. Rastreamento de movimento ósseo

  1. Calibração
    1. Identifique 12 contas dentro de cada uma das imagens do cubo a partir das câmeras de fluoroscopia dupla (coletadas na etapa 2.2.6). Com base nas distâncias calibradas entre cada uma das contas do cubo e nas medidas da localização do cubo dentro do sistema de fluoroscopia dupla, determine a orientação espacial de cada fluoroscópio através da minimização do erro de projeção da soma dos quadrados entre os locais projetados e conhecidos das contas.
    2. Use as imagens da grade para corrigir a distorção da imagem e aplique a correção a todas as imagens associadas a essa imagem de grade.
    3. Use as imagens de movimento para quantificar a precisão dinâmica do sistema e use o rastreamento baseado em marcadores para rastreá-lo.
  2. Rastreamento sem marcador
    1. Adicione a localização dos marcos selecionados ao arquivo de parâmetros específicos do osso e colete a posição dinâmica desses marcos no sistema de fluoroscopia dupla como saída para todos os quadros rastreados.
    2. Determine os quadros que serão rastreados (com base nos dados cinemáticos da captura de movimento, consulte o passo 6.1.2) e abra o software de rastreamento sem marcador com o arquivo de parâmetros específicos do osso associados.
    3. Selecione um quadro dentro da faixa desejada com boa visualização do osso e oriente manualmente a radiografia digitalmente reconstruída (DRR) do osso de interesse (ou o fêmur proximal ou hemi-pélvis) utilizando os seis graus de liberdade disponíveis no software(Figura 6).
      NOTA: Como a maioria dos ensaios começam em uma posição semelhante à posição, esta posição inicial provavelmente pode ser usada como um ponto de partida inicial para todos os ensaios.
    4. Uma vez que o DRR do osso pareça bem alinhado em ambas as visualizações, salve a solução clicando no botão Manual no painel Soluções.
      NOTA: Toda vez que uma solução é salva, os parâmetros de orientação e o coeficiente de correlação cruzada normalizado são traçados para referência. O coeficiente de correlação cruzada normalizado é calculado com base em todos os pixels com valores não-zero para o fluoroscópio e DRRs ósseo.
    5. Aplique a etapa de otimização da Diagonal Hessian Search (DHS) clicando no botão DHS no painel Soluções e revise o resultado. Se o resultado otimizado for preferido, passe para o próximo quadro; caso contrário, faça quaisquer ajustes necessários e resave clicando no botão Manual dentro do painel Soluções. Repita esta etapa até encontrar uma solução satisfatória.
      NOTA: No caso de baixo contraste de imagem, o algoritmo de otimização pode nem sempre produzir um resultado satisfatório.
    6. Para cada quinto quadro, repita este processo, usando a solução para o quadro anterior como ponto de partida. Use a otimização do DHS para automatizar o processo.
    7. Para completar a primeira passagem de rastreamento, use outra ferramenta que interpola via projeção linear (LP) e otimiza soluções entre os quadros rastreados clicando no botão Range de LP + DHS dentro do painel Soluções. Na janela, digite o conjunto de quadros a serem rastreados e os dois quadros a serem usados para referência.
      NOTA: Os dois quadros de referência podem ser quaisquer quadros dentro do conjunto identificado de quadros. No entanto, o uso do primeiro e último quadros fornece limites para a orientação dos ossos dentro da faixa de quadros, o que pode ser benéfico quando o contraste é baixo.
    8. Revise e refine cada quadro do ensaio, utilizando soluções baseadas em Manual e DHS. Use o enredo de parâmetros para garantir que o coeficiente de correlação seja suficientemente alto e que a orientação do osso não tenha saltos repentinos em nenhum parâmetro.
    9. Para garantir um rastreamento preciso, faça com que outro pesquisador revise a solução para cada quadro e faça quaisquer modificações necessárias às soluções.
    10. Repita as etapas 5.2.1-5.2.9 para cada osso.
  3. Visualização do movimento
    1. Abra as superfícies do fêmur e da pelve no software para visualização cinemática. Se necessário, converta as superfícies em malhas usando a função de conversão em malha. Selecione ambas as superfícies e exporte como uma malha de superfície em formato *.k.
    2. Usando a saída do rastreamento, gere um arquivo de texto com as transformações coordenadas para cada osso e quadro.
      NOTA: A ordem das superfícies deve corresponder à ordem das transformações.
    3. Para visualização de cinemática, use a ferramenta cinemato e os dois arquivos acima das etapas 5.3.1 e 5.3.2 para animar a cinemática. Verifique se a cinemática animada parece razoável e que as superfícies têm distância apropriada entre elas usando uma superfície semi-transparente ou a ferramenta de distância da superfície. Se necessário, retorne à etapa 5.2.8.

6. Análise de dados

  1. Cinemática do marcador de pele
    1. Dentro do software de captura de movimento, processe em lote todos os arquivos para aplicar o modelo estático e marcadores de etiqueta. Uma vez que o julgamento esteja concluído, remova qualquer trajetória sem rótulo.
      NOTA: Devido às obstruções do sistema de fluoroscopia dupla, pode ser necessário mais preenchimento manual de lacunas do que o habitual.
    2. Use os dados da placa cinemática e de força para identificar eventos dinâmicos, como dedo do dedo do dedos ou golpes de calcanhar durante a marcha ou faixa máxima de movimento para atividades de pivotação. Determine os quadros de interesse para o rastreamento de dados de fluoroscopia dupla.
    3. Exporte todos os dados de ensaio para processamento cinemático em formato *.c3d, incluindo dados analógicos (ou seja, dados de placas de gatilho e força) e trajetórias de marcadores.
    4. Aplique o arquivo de modelo de modelo desejado (salvo como formato de arquivo *.mdh) ao teste estático e, em seguida, atribua este modelo aos arquivos de movimento.
      NOTA: Para análise, foi utilizado um modelo de membro inferior com um segmento generalizado da Sociedade Internacional de Biomecânica (ISB) e da pelve CODA, modelo de segmento de pélvis definido pelos dois PONTOS ASIS e centro dos marcos do PSIS.
  2. Cinemática de fluoroscopia dupla
    1. Isolador quadros de interesse, garantindo que apenas quadros contíguos que são rastreados tanto para o fêmur quanto para a pelve sejam incluídos.
    2. Filtrar posições de referência utilizando um filtro Butterworth lowpass (0,12 frequência de corte normalizada a partir de análise residual e filtro de4ª ordem).
    3. Use as posições filtradas dos marcos ao longo de cada ensaio de movimento para rastrear a posição dinâmica do sistema de coordenadas femorais(Figura 5).
      1. Defina a origem do fêmur como o centro de ajuste de esfera da cabeça femoral.
      2. Defina o eixo z do fêmur (eixo inferior-superior) entre o centro do joelho e a origem, apontando superiormente.
      3. Defina o eixo fêmur x (eixo medial-lateral) como o eixo longo de um cilindro instalado nos condyles femorais,apontando para a esquerda. Para isolar a região dos condyles a serem representados com um cilindro, encaixe um plano nas superfícies epicondyle e isole a porção posterior dos condyles femorais.
      4. Defina o eixo fêmur y (anterior-posterior) como o produto cruzado dos eixos z e x definidos, apontando posteriormente. Corrija a orientação do eixo x para criar um sistema de coordenadas ortogonais.
    4. Use as posições filtradas dos marcos ao longo de cada ensaio de movimento para acompanhar a posição dinâmica do sistema de coordenadas pélvicas(Figura 5).
      1. Defina a origem da pélvis como o centro dos dois marcos ASIS.
      2. Defina o eixo y-eixo da pélvis (eixo anterior-posterior) entre o centro dos dois marcos psis e a origem, apontando anteriormente.
      3. Defina o eixo pélvis x (eixo medial-lateral) entre a origem e o marco ASIS do lado direito, apontando para a direita.
      4. Defina o eixo z pélvis (eixo inferior-superior) como o produto cruzado dos eixos x e y definidos, apontando superiormente. Corrija a orientação do eixo x para criar um sistema de coordenadas ortogonais.
    5. Gere a matriz de rotação entre os sistemas de coordenadas e calcule a cinemática conjunta por MacWilliams e a Equação 11 (Figura 7)21.
    6. Calcule traduções conjuntas transformando a distância vetorial entre os centros de ajuste da esfera da cabeça femoral e a superfície lunate do acetábulo no sistema de coordenadas da pelve.
      NOTA: Isso fornece um único vetor para representar a tradução conjunta para cada quadro de imagem.
  3. Arthrokinematics
    1. Visualize a cinemática descrita na etapa 5.3 para animar a artrokinemática específica do assunto(Figura 8).
    2. Aplique o campo de dados de distância superficial para medir distâncias entre as superfícies do fêmur e da pelve durante cada atividade dinâmica(Figura 8).
      NOTA: Esses dados também fornecem quantificação da distância relativa entre superfícies articulares, mas requerem interpretação para quantificar a tradução conjunta.
    3. Exporte distâncias superfície-superfície usando a ferramenta de distância superficial para quantificar dados em todos os participantes.
  4. Comparação com captura de movimento de marcador de pele
    1. Usando as imagens do cubo e o gatilho de cada ensaio de movimento, sincronizar espacial e temporalmente os sistemas de fluoroscopia dupla e captura de movimento.
    2. Transforme os locais de referência usados para captura de movimento de marcador de pele (ou seja, ASIS, PSIS, condyles) do sistema de coordenadas de rastreamento sem marcador para o sistema de coordenadas de captura de movimento.
    3. Combine esses dados com os locais marcadores da captura de movimento do marcador de pele e importe para análise e relatórios cinéticos e cinemáticos e cinéticos. Ajuste a análise para utilizar locais de fluoroscopia dupla ou marcador de pele para cada ponto de referência e compare locais de referência e cinemática entre os dois sistemas.

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Representative Results

Utilizando fluoroscopia dupla como padrão de referência, a precisão das estimativas baseadas em marcadores de pele do centro articular do quadril e o efeito do artefato de tecido mole em medidas cinéticas e cinéticas foram quantificadas22,23,24. A precisão superior da fluoroscopia dupla foi então utilizada para identificar diferenças sutis na cinemática pélvica e da articulação do quadril entre pacientes com FAIS e participantes de controle assintomático25. A artrokinematics à base de fluoroscopia dupla foi analisada para quantificar a cobertura articular do quadril, a relação entre morfologia e cinemática e distâncias osso-osso durante movimentos dinâmicos26,27,28,29.

Antes de desenvolver um protocolo para investigar a cinemática articular do quadril, o sistema foi validado em amostras cadavéricas com contas metálicas implantadas durante exames clínicos supinos a uma precisão dentro de 0,5 mm e 0,6°30. Uma vez validada, a cinemática durante os exames clínicos foi medida utilizando-se fluoroscopia dupla em pacientes com FAIS e participantes de controle assintomático. Os resultados demonstraram que os pacientes alteraram o movimento tanto na rotação interna quanto na adução31.

Utilizando fluoroscopia dupla de rolamento de peso como padrão de referência, o erro na identificação da localização do centro articular do quadril, bem como os erros causados pelo artefato de tecido mole foram então diretamente analisados. Métodos funcionais de identificação do centro articular do quadril, ou seja, o movimento do arco estelar, foram identificados como mais precisos do que métodos preditivos, baseados em marcos, com erros de 11,0 e 18,1 mm,respectivamente 32. Erros dinâmicos no centro articular do quadril foram semelhantes aos de pé; no entanto, um movimento adicional de 2,2 mm de centro articular espúrio do quadril foi atribuído ao artefato de tecido mole, com erros de mais de 5 cm durante o movimento dinâmico para o marcador de trochanter maior23.

Além dos erros na identificação do centro articular do quadril, os ângulos articulares foram subestimados por mais de 20° em pivôs de rotação interna-externa23. Embora a subestimação da cinemática seja motivo de preocupação em si, esses erros reduziram a faixa de movimento medida e calcularam variáveis cinéticas durante uma baixa gama de atividades de movimento, como a marcha24. No entanto, dados cinemáticos de fluoroscopia dupla precisas podem ser difíceis de incorporar em modelos musculoesqueléticos. Especificamente, os erros do marcador do modelo foram de aproximadamente 1 cm ao executar cinemática inversa com locais de referência baseados em fluoroscopia dupla. Embora este erro seja relativamente pequeno em comparação com os erros de 5 cm devido ao artefato de tecido mole encontrado para dados de captura de movimento do marcador de pele, tal erro é uma ordem de magnitude maior do que a das posições ósseas medidas por fluoroscopia dupla.

Além da quantificação de erros na captura de movimento tradicional do marcador de pele, a precisão e a metodologia por trás da fluoroscopia dupla fornecem a capacidade de avaliar até mesmo diferenças sutis na cinemática entre coortes, que de outra forma podem ser ocultadas pelos erros da técnica de medição. Embora não tenham sido observadas diferenças na cinemática articular do quadril entre pacientes com FAIS cam e participantes de controle assintomático, foram identificadas diferenças na cinemática pélvica que teriam sido difíceis de detectar na presença de artefato de tecido mole25. Essa avaliação exigiu comparação direta entre as coortes. Além disso, também foi investigada a relação potencial entre variação cinemática e morfologia óssea, como a anteversão femoral,27. Esses achados indicaram a necessidade de consideração tanto da morfologia quanto da biomecânica no diagnóstico de patologias do quadril e no planejamento de tratamentos conservadores ou cirúrgicos.

Um grande obstáculo no uso de dados biomecânicos em um ambiente de cuidados clínicos é a diferença nos sistemas de coordenadas utilizados por biomecanistas e clínicos. Em um laboratório de biomecânica, os marcos utilizados para definir sistemas de coordenadas do fêmur e da pelve são impulsionados pela capacidade de identificar e rastrear os marcos da superfície da pele durante o movimento dinâmico. Em contraste, os sistemas de coordenadas cirúrgicas são definidos usando marcos ósseos identificáveis durante a cirurgia com um supino paciente ou propenso. O rastreamento direto do fêmur e da pelve em fluoroscopia dupla permitiu a avaliação da influência de várias definições do sistema de coordenadas na saída cinemática29. As diferenças entre as definições do sistema de coordenadas resultaram em deslocamentos cinemáticos superiores a 5°. No entanto, essas compensações foram relativamente consistentes durante o movimento e poderiam ser contabilizadas através da identificação de marcos ósseos.

A combinação de morfologia óssea específica do assunto e cinemática — artrokinematics — fornece uma avaliação de forma e função em nível conjunto. Para pacientes com DDH, acredita-se que a subco cobertura femoral seja a causa da degeneração e, portanto, as medidas de cobertura são fortemente utilizadas no diagnóstico e planejamento cirúrgico. Infelizmente, essas medidas são muitas vezes limitadas a imagens estáticas, obtidas com um supino individual, e apenas em duas dimensões. Artrokinematics derivadas da fluoroscopia dupla foram utilizados para medir diretamente a variabilidade na cobertura femoral durante atividades dinâmicas26. É importante ressaltar que foram encontradas fortes correlações entre a cobertura em pé e a cobertura durante a marcha quando avaliadas na totalidade. No entanto, a cobertura regionalizada variou tanto para as regiões anteriores quanto posteriores da cabeça femoral, mesmo durante a fase de postura da marcha.

O impacto extra-articular é uma causa de dor no quadril e região circundante e descreve o contato anormal entre o fêmur e regiões da pelve fora do acetábulo, incluindo o isquium e a coluna ilícita inferior anterior. A natureza dinâmica do impacto isquiofemoral foi avaliada através da comparação das medições clínicas baseadas em Ressonância Magnética do espaço isquiofemoral e aquelas durante atividades dinâmicas28. Nela, a diminuição do espaço foi observada dinamicamente em comparação com as medidas clínicas padrão; diferenças baseadas no sexo, que não puderam ser atribuídas a diferenças cinemáticas, também foram identificadas. Esses métodos também poderiam ser aplicados para avaliar o espaço conjunto dinamicamente, fornecendo uma visão da variabilidade da posição da cabeça femoral dentro do acetábulo e da variabilidade entre as coortes do paciente(Figura 8).

Figure 1
Figura 1: Vista aérea do sistema de fluoroscopia dupla posicionada sobre a esteira instrumentada para um quadril esquerdo. O sistema está posicionado para minimizar o efeito da dispersão e maximizar o campo de visão. Os intensificadores de imagem são posicionados aproximadamente 100-110 cm da fonte do emissor e angulados 50° um do outro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Veja do lado contralateral (direito) de um participante durante atividades dinâmicas. O participante está posicionado entre os dois intensificadores de imagem (II) de tal forma que o campo de visão do sistema de fluoroscopia dupla esteja centrado sobre a articulação do quadril esquerdo. Caminhada nivelada e inclinada, pivôs de rotação interna e externa e variedade de atividades de movimento são realizadas em uma plataforma de esteira. Abreviação: FHJC = centro articular do quadril funcional. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Visão aérea do sistema de captura de movimento em relação ao sistema de fluoroscopia dupla. O sistema óptico de captura de movimento inclui 10 câmeras infravermelhas e uma única câmera baseada em vídeo e está posicionado em um quadro pendurado no teto. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Visão anterior e posterior do conjunto de marcadores utilizado para captura de movimento de marcador de pele. São cinco placas com quatro marcadores cada, que estão posicionados nas costas, coxas e hastes dos participantes; todos os outros marcadores são aplicados diretamente na pele. Os marcadores de calibração são removidos para captura dinâmica de movimento. Etiquetas de marcador pré-facetadas com um R ou L indicam marcadores no lado direito ou esquerdo do corpo; rótulos de marcadores sufixos com S, L, R, I, A ou P indicam locais marcadores em uma placa de marcador, especificamente superior, esquerda, direita, inferior, anterior ou posterior, respectivamente. Abreviaturas: *SHO = ombro; CLAV = centro das clavículas; STRN = fundo do esterno; BACK_* = marcadores de placa colocados na parte inferior das costas; *ILC = crista ilíaca; *ASI = coluna ilíca superior anterior; *PSI = coluna ilíca superior posterior; GRT_TRO = maior trochanter; *THI_* = marcadores das respectivas placas colocadas na coxa; *KNE_M = condíle femoral medial (joelho); *KNE_L = condíleo femoral lateral (joelho); *TIB_* = marcadores das respectivas placas colocadas na haste (tíbia); *ANK_M = maleeolus medial (tornozelo); *ANK_L = maleeolus lateral; *5º = quinta articulação metatarsofalangeal; *TOE = primeira articulação metatarsofalangeal; *HEE = calcâneo (calcanhar). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Marcos e sistemas de coordenação do fêmur e pélvis. Marcos da coluna ilícía superior bilateral (ASIS; magenta) e posterior superior iliac spine (PSIS; ciano) e seus pontos médios são utilizados para definir o sistema de coordenadas da pelve. O centro da cabeça femoral (laranja) e condyles femorais bilaterais (verde), seu ponto médio e um ajuste de cilindro dos condyles são usados para definir o sistema de coordenadas do fêmur (mostrado para o fêmur esquerdo). O terceiro eixo de cada osso é determinado a partir do produto cruzado dos dois eixos apresentados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Imagens duplas de fluoroscopia e rastreamento sem marcador associado de um quadril esquerdo. As imagens são mostradas para rotação máxima dos pivôs de rotação externa e interna (centro), com a imagem do fluoroscópio anterior (esquerda) e do fluoroscópio posterior (à direita). Soluções de rastreamento sem marcador para a pelve (superior) e fêmur (inferior) para cada imagem de fluoroscopia dupla. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Dupla fluoroscopia medida cinemática. Cinemática para 100 quadros em torno da rotação máxima (linha pontilhada vertical) de pivôs de rotação externa e interna para um participante representativo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: Distância superficial baseada em arthrokinematics entre uma hemi-pelve esquerda e fêmur. A artrokinemática é mostrada para rotação máxima do pivô de rotação externa e interna (centro) com os respectivos modelos ósseos medidos com fluoroscopia dupla (externa). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A fluoroscopia dupla é uma ferramenta poderosa para a investigação de cinemática in vivo, especialmente para o quadril, que é difícil de medir com precisão usando a captura de movimento óptico tradicional. No entanto, o equipamento de fluoroscopia é especializado, onde uma configuração única do sistema pode ser necessária ao fotografar outras articulações do corpo humano. Por exemplo, foram feitas várias modificações na montagem dos intensificadores de imagem, posicionamento do sistema e ajustes da energia do feixe na aplicação de fluoroscopia dupla ao estudo da cinemática do tornozelo32,33,34,35. Além de exigir uma preparação considerável do estudo, a fluoroscopia dupla requer a aquisição de dados adicionais, incluindo imagens médicas 3D e captura de movimento potencialmente tradicional de marcador de pele para rastrear a cinemática do corpo inteiro, bem como o longo pós-processamento, incluindo segmentação de imagem ct e rastreamento sem marcador das imagens adquiridas. Felizmente, dados totalmente processados de fluoroscopia dupla podem ser usados em vários aplicativos com capacidades que vão muito além dos disponíveis com captura de movimento tradicional.

A captura óptica de movimento utiliza o movimento de marcadores na pele para estimar posições do segmento corporal, enquanto a fluoroscopia dupla baseada em radiação permite a medição direta das posições ósseas. Embora um esforço significativo tenha sido dedicado à quantificação da dinâmica do tecido mole em relação ao movimento ósseo36,37, é inerentemente difícil medir os padrões de movimento da grande massa de tecido mole entre a camada externa da pele e os ossos. No entanto, para tecidos mais finos em contato direto com os ossos, como a cartilagem e o lábio do quadril, a combinação de fluoroscopia dupla e imagem de artrograma ct fornece a capacidade de avaliar dinamicamente sua relação espacial. Os dados coletados durante os exames clínicos supinos foram utilizados para mostrar que a localização de danos clinicamente observados no lábio acetabular alinhado com a posição de contato entre o fêmur e o lábio durante os exames de impacto supino38. É importante ressaltar que essa análise identificou que a região de contato inicial e maior entre o fêmur e o lábio não se alinhava com a localização da menor distância entre os ossos.

Indivíduos com pathoanatomy do quadril correm o risco de danos à cartilagem e ao lábio. No entanto, os mecanismos responsáveis pelas lesões condrolabais não são bem compreendidos. Possivelmente, os dados de artrokinematics construídos a partir de dados de artrograma ct poderiam ser analisados para estudar a mecânica da cartilagem e do lábio. Por exemplo, a penetração observada entre reconstruções superficiais representando tecido mole (por exemplo, labrum, cartilagem) e osso poderia ser analisada e interpretada para aproximar a cepa experimentada por esses tecidos. No entanto, mesmo pequenos erros no rastreamento de cinemática ou reconstrução de superfícies podem resultar em diferenças drásticas nas cepas estimadas e nas cargas articulares. Assim, métodos de modelagem mais avançados, como o método FE, podem ser necessários para avaliar de forma abrangente a mecânica condrolabral no quadril. Dados da fluoroscopia dupla, captura tradicional de movimento de marcador de pele de cinemática do corpo inteiro, e a esteira instrumentada podem servir de entrada para modelos que estimam forças musculares e cargas de reação articular e torques. Esses dados cinéticos podem então servir como condições de carregamento para modelos FE que estimam tensões e cepas condrolabais.

Além das etapas específicas envolvidas no protocolo, o agendamento de diferentes aspectos do estudo também é relevante para a aquisição bem-sucedida de dados. Primeiro, em estudos usando imagens de artrograma, que é inerentemente invasiva devido à injeção de contraste na cápsula do quadril, o artrograma deve ser realizado vários dias antes ou a qualquer momento após a conclusão de experimentos de captura de movimento para evitar qualquer efeito nos padrões de movimento do paciente. Em segundo lugar, toda a calibração deve ser realizada antes, mas pouco antes, a chegada do participante para garantir que a configuração do sistema não seja alterada entre calibração e aquisição de imagem. Em terceiro lugar, o participante deve ser instruído a realizar ensaios dinâmicos a fim de eliminar qualquer efeito de ordenação no desempenho das tarefas.

Outra grande consideração para o uso de fluoroscopia dupla para a medição da cinemática do quadril é a exposição à radiação. É importante notar, no entanto, que 80% da dose estimada equivalente à radiação no protocolo descrito é da tomografia computadorizada. Uma solução para reduzir a exposição é a substituição de ressonância magnética (RM) por imagem de tomografia computadorizada. Embora a ressonância magnética possa ser usada para reconstrução de superfície, o rastreamento de imagens de fluoroscopia dupla também se baseia na projeção de densidades ósseas a partir das radiografias digitalmente reconstruídas. Embora a ressonância magnética não possa medir diretamente a densidade óssea, sequências específicas, como o estado de eco duplo (DESS), fornecem alguma diferenciação entre o osso cortical mais denso e o osso menos denso. Essas imagens podem ser transformadas para ter uma aparência semelhante às imagens de TC e poderiam potencialmente reduzir a exposição à radiação dos participantes em estudos de fluorose dupla.

Devido à grande quantidade de tecido mole ao redor da articulação do quadril, o posicionamento específico do sistema de fluoroscopia dupla deve ser otimizado para reduzir a dispersão de raios-X. A posição do participante em relação aos emissores de raios-X e o ângulo entre os intensificadores de imagem foram fatores importantes. Este protocolo indica o posicionamento do sistema de fluoroscopia dupla utilizado para estudar o movimento do quadril nos participantes durante atividades de suporte de peso. No entanto, também é relevante notar que a coorte participante foi limitada a indivíduos com IMC inferior a 30 kg/m2. Um limite semelhante de IMC é recomendado ao capturar imagens duplas de fluoroscopia de articulações cercadas por grandes massas de tecido mole.

O protocolo aqui descrito pode ser aplicado a várias configurações e articulações duplas do sistema fluoroscopia, incluindo cinemática de quadril supina e de peso, cinemática de tornozelo de esteira e sobremato, e cinemática do ombro sentado16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25,  26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35. Devido ao movimento global mínimo da articulação do quadril durante a marcha da esteira, uma esteira instrumentada foi utilizada para a avaliação da cinemática de peso da articulação do quadril. Sem uma esteira ou um sistema fluoroscópio em movimento, só seria possível capturar a articulação do quadril durante atividades realizadas em um campo de visão confinado. No entanto, o uso de uma esteira não é apropriado para todas as articulações. Como exemplo, a aplicação deste protocolo à investigação da cinemática do tornozelo durante a caminhada na esteira capturou apenas uma pequena porção de marcha devido ao movimento inerente da esteira32,35, enquanto a marcha em terra foi capaz de capturar uma porção maior de marcha, abrangendo desde antes do salto-strike até depois do dedo do pé33,40,41.

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Disclosures

Os autores não têm conflitos de interesse.

Acknowledgments

Esta pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) sob os números de subvenção S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais do NIH.

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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Medicina Edição 173 Fluoroscopia dupla videoradiografia biplano cinemática artrokinemática quadril rastreamento sem marcador
<em>In vivo</em> Quantificação da Artrokinematics de Quadril durante atividades dinâmicas de peso usando fluoroscopia dupla
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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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