Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

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

Published: July 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

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Процедуры, изложенные в этом протоколе, были одобрены Советом по институциональному обзору Университета штата Юта.

1. Компьютерная артрограмма

  1. Артрограмма18
    1. Запланируйте обученного рентгенолога опорно-двигательного аппарата для выполнения артрограммы непосредственно перед запланированной компьютерной томографией.
    2. Расположите участника на столе с интересующей бедро в поле зрения клинического флюороскопа. Поместите мешки с песком по обе стороны лодыжки, чтобы предотвратить вращение ноги и бедра.
    3. Подготовьте кожу к созданию стерильной среды. Отметьте место, куда будет вставлена игла (соединение головки бедренной кости и шеи) и обезбольте мягкие ткани в месте инъекции 2-5 мл 1% лидокаина.
    4. Приготовьте раствор из 20 мл 1% лидокаина, 10 мл йогексола для инъекций и 0,1 мл 1 мг/мл (1:1000) адреналина в шприце с блокировкой 30 мл.
    5. Через две-пять минут после инъекции лидокаина вставьте спинномозговую иглу до тех пор, пока она не соприкнется с шейкой бедра; проверить местоположение иглы с помощью рентгеноскопии. Вводят небольшое количество приготовленного раствора (<5 мл) и убедитесь, что введенная жидкость содержится в суставной капсуле с изображением из рентгеноскопии.
    6. Вводят 20-30 мл контрастной смеси. Когда наблюдается дополнительное сопротивление инъекции, попрошай члена исследовательской группы вручную применить тягу к бедру, потянув за лодыжку участника, в то время как участник захватывает изголовье стола, чтобы противостоять движению верхней части тела. При необходимости ввести оставшуюся контрастную смесь.
    7. Проверьте с помощью рентгеноскопии, что контрастное вещество заполняет суставное пространство и покрывает головку бедренной кости при применении вытяжения.
    8. Переместе пациента к компьютерному томографу в инвалидной коляске или кровати, чтобы свести к минимуму потерю контраста в суставной капсуле.
  2. Тракционная и компьютерная томография
    1. Помогите участнику перейти в лежачем положении на портале КТ.
    2. Поместите устройство тяги зайца под интересующую ногу, гарантируя, что проксимальный мягкий стержень лежит только дистально к сеяной кище. Прикрепите крючковые и петлевые ремни вокруг бедра и лодыжки участника и примените легкую тягу.
    3. Получите скаутское изображение и установите поле зрения, чтобы включить весь таз и проксимальные бедренные кости чуть ниже меньшего трохантера для бедер. Установите отдельное поле зрения, чтобы включить дистальные бедренные кости и проксимальные большеберцовые кости для коленей.
    4. Примените дополнительное вытяжение (один член исследовательской группы потянет за лодыжку, в то время как другой затягивает ремень области тяги зайца), чтобы обеспечить разделение суставного пространства. Получайте изображения при 120 кВp, толщине среза 1,0 мм, 200 - 400 мА для бедра и 120 кВп, толщине среза 3,0 мм и 150 мА для коленей. Используйте CARE Dose, автоматизированный контроль экспозиции, который модулирует ток трубки в соответствии с качеством изображения, чтобы свести к минимуму радиационную нагрузку на участника.
    5. Отпустите и снимите устройство тяги зайца. Помогите участнику принять положение стоя и убедитесь, что он чувствует себя комфортно, прикладывая вес и будучи подвижным на конечности, прежде чем позволить ему уйти.

2. Двойная рентгеноскопическая визуализация

  1. Настройка системы
    1. Примените антропометрию19 для оценки высоты тазобедренного сустава на основе заявленной высоты участника и используйте это измерение для оценки желаемой высоты центра поля зрения системы.
    2. Расположите усилители изображения примерно на 50° друг от друга на стороне инструментированной беговой дорожки, соответствующей интересуемой бедре(рисунок 1).
    3. Расположите рентгеновские излучатели так, чтобы они были направлены на усилители изображения. Убедитесь, что расстояние между источником излучателя и лицевой стороной усилителей изображения составляет примерно 100-110 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуемое расстояние между источником излучателя и лицевой стороной усилителей изображения будет варьироваться в зависимости от спецификации системы и коллиматора в рентгеновском излучателье.
    4. Соедините центр грани усилителя изображения и соответствующий рентгеновский излучатель каждой пары флюороскопов с помощью струн или измерительных лент. Убедитесь, что струны (или ленты) пересекаются в нужном месте (т. Е. В ожидаемом месте тазобедренного сустава).
    5. Прикрепите пластину тремя лазерами к излучательу и зеркало к усилителю изображения. Включите лазеры и уточните выравнивание каждого излучателя и усилителя изображения на основе отражения лазеров обратно к лазерному источнику.
  2. Калибровочные изображения
    1. Подготовьтесь к использованию радиации, надев свинец и разместив вывески на входах в комнату. Сведите к минимуму воздействие, если персонал будет носить защиту, которая включает в себя свинцовый жилет, юбку, перчатки и очки. Включите флюороскопы и дайте системам прогреться по мере необходимости.
    2. Для всех калибровочных изображений установите для флюороскопов значение 64 кВp и 1,4-1,6 мАили по желанию.
    3. Откройте программное обеспечение управления камерой на компьютере и выберите соответствующие камеры в качестве ведомой и главной. Используйте внешнюю синхронизацию с главной камерой с подчиненной камеры для синхронизации двух камер.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для всех записанных действий сохраните одни и те же кадры с обеих двойных рентгеноскопических камер; кадры обозначаются числом, представляющим количество кадров до электронного триггерного сигнала.
    4. Проверьте выравнивание системы, прикрепив круглую металлическую шайбу к центру усилителя изображения и прикрепив перекрестное приспособление к излучательу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После проверки выравнивания важно избегать контакта с системой.
    5. Прикрепите сетку из плексигласа к одному из усилителей изображения с помощью винтов; свести к минимуму усилие, прилагаемое в этом процессе, чтобы избежать изменения выравнивания. Получение рентгеноскопических изображений и сохранение 100 кадров изображения с каждой двойной рентгеноскопии камеры сетки. Удалите сетку и повторите процесс для другого усилителя изображения.
    6. Поместите 3D-калибровочный куб в объединенное поле зрения двух флюороскопов. Для этого поместите куб на табурет или платформу, которая является радиопрозрачной, и визуально убедитесь, что большая часть или весь куб находится в поле зрения. Ориентируйте куб таким образом, чтобы калибровочные шарики не перекрывались ни для двойного рентгеноскопического вида камеры. Получайте изображения и сохраняйте 100 кадров куба.
    7. Перед перемещением куба измерьте и запишите приблизительное местоположение начала куба от каждого излучателя, используя систему координат куба. Удалите куб и все связанные с ним платформы.
    8. Измерьте и запишите расстояние между источником излучателя и лицевой стороной усилителя изображения для каждого флюороскопа.
    9. Прикрепите бисероплетовое оргстекло к длинному стержню или линейке с помощью резинки и перемещайте его случайным образом, чтобы обеспечить движения, варьирующие все поле зрения системы. Убедитесь, что исследовательский персонал помнит о пути радиации и защите от износа, чтобы свести к минимуму воздействие (см. шаг 2.2.1). Сохраните 100 кадров изображения движения.
    10. Сбросьте часы обработки изображений, используемые для отслеживания времени экспозиции.
  3. Статическое испытание и настройка параметров
    1. Измерьте высоту большего трохантера, чтобы убедиться, что высота системы соответствует участнику.
      1. Прощупайте бедро, чтобы найти костный выступ большого трохантера и найти наиболее превосходную точку, насколько это возможно.
      2. Поскольку верхний большой трохантер находится примерно на той же высоте, что и тазобедренный сустав, измерьте высоту от пола до этой точки и сравните ее с оценкой высоты, используемой для установки двойной системы рентгеноскопии.
      3. При необходимости отрегулируйте высоту системы и повторите настройку во время подготовки участника к сбору данных.
    2. Ознакомите участника с системой рентгеноскопии и сообщите ему, что он должен уведомить исследовательскую группу, если он вступает в контакт с любым оборудованием во время сеанса визуализации, так как контакт с системой негативно влияет на точность их данных.
    3. Попросив участника выйти на беговую дорожку и встать в поле зрения двойной рентгеноскопии. Проверьте выравнивание участников с точки зрения каждого излучателя и запишите это положение с точки зрения того, где каждый член исследовательской группы будет стоять или сидеть во время визуализации.
    4. Оцените параметры визуализации (кВп и мА каждого излучателя и экспозиция двойных рентгеноскопических камер) на основе индекса массы тела (ИМТ) участника и установите каждый флюороскоп соответствующим образом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для упомянутой когорты настройки рентгеноскопии варьировались от 78 до 104 кВp и 1,9-3,2 мА с экспозицией камеры 4,5-7,0 мс.
    5. Получайте изображения участника во время стояния и оценивайте изображения на контрастность и поле зрения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличение kVp связано с увеличением рентгеновского рассеяния (увеличивает шум и снижает контрастность), более низким разрешением изображения и более низкой контрастностью.
    6. При необходимости настройте параметры и/или выравнивание участников и повторите получение изображения.
    7. Сохраните 100 кадров окончательных изображений для использования в качестве статической пробной версии.
  4. Динамические испытания (Рисунок 2)
    1. До начала двойной рентгеноскопии попросить участника пройти известное расстояние во время времени. Используйте это для определения самостоятельно выбранной скорости ходьбы как для ровной, так и для наклонной ходьбы на беговой дорожке.
    2. Подать участнику надеть свинцовый ошейник для щитовидной железы, чтобы защитить щитовидную железу.
    3. Во время динамических приобретений исследователь, обслуживая двойную рентгеноскопию, должен был управлять двойной рентгеноскопией на двухфлюороскопийной рабочей станции, шагнув за ведущим щитом и наблюдая за участником через окно просмотра щита(рисунок 3).
    4. Для выполнения всех испытаний ходьбы:
      1. Сообщите об этом участнику перед началом пояса беговой дорожки. Увеличьте скорость беговой дорожки до соответствующей скорости ходьбы и дайте нормализоваться походке участника перед сбором изображений.
      2. Для каждой активности ходьбы приобретите и сохраните по крайней мере два полных цикла ходьбы.
      3. Для наклонной ходьбы попрошайку сойдите с беговой дорожки. Разблокируйте беговую дорожку, установите наклон на 5°и переблокируйте беговую дорожку, прежде чем участник вернется на беговую дорожку для выполнения действия.
      4. Повторите визуализацию, чтобы активность была записана дважды.
      5. Повторите тот же процесс (шаг 2.4.4.3), чтобы снизить беговую дорожку по завершении мероприятия.
    5. Для действий по развороту:
      1. Попрощайте участнику повернуть свое положение тела и ног примерно на 45° от передней части беговой дорожки, противоположной направлению поворота. При желании убедитесь, что каждая нога полностью размещена на одном поясе беговой дорожки с двумя поясами, чтобы обеспечить простую обработку данных силовой пластины.
      2. Позовить участника выполнить несколько поворотов к и от своего конечного диапазона движения, наблюдая за выравниванием таза в конце диапазона движения. Убедитесь, что движение выполняется плавно, так как шарнир не требует ускорения для достижения конечного положения.
      3. Основываясь на положении таза в конце диапазона движения, поверните и / или переведите свои ноги так, чтобы таз был обращен вперед на беговой дорожке, а интересующее бедро находится в середине объединенного поля зрения флюороскопов в конце поворота.
      4. После того, как положение оптимизировано, попрошу участника выполнить поворот во время двойной рентгеноскопии и сохранить все кадры, где бедренная комть и таз видны в обоих двойных видах рентгеноскопии камеры (примерно 200-400 кадров), центрированных в конце диапазона движения, захватывая как можно больше шарнира.
      5. Повторите визуализацию, чтобы активность была записана дважды.
    6. Для деятельности по похищению-аддукции:
      1. Попросив участника встать в поле зрения флюороскопов и поднять интересующей его ножки примерно на 45° в сторону. Напомните участнику, чтобы он избегал движения туловища и при необходимости уменьшал диапазон движений.
      2. Получите и сохраните все кадры, где бедренная комть и таз видны в обоих видах камеры с двойной рентгеноскопией (примерно 200-400 кадров).
      3. Повторите визуализацию, чтобы активность была записана дважды.
    7. Для динамического центра тазобедренного сустава или активности звездной дуги20
      1. Поставить участника в поле зрения двойной рентгеноскопии и поднимать и опускать ногу с передней и с шагом 45° 180°, заканчивая задним подъемом и опусканием ноги. Прежде чем положить ногу обратно на землю, положите участнику обойти ногу и вернуться в положение стоя.
    8. Как только участник освоится с движением и сможет завершить его примерно за 6-8 с, приобретите и сохраните изображения деятельности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Только одно действие фиксируется с помощью двойной рентгеноскопии из-за продолжительности исследования.
  5. Дополнительные калибровочные изображения
    1. Если в какой-то момент во время сбора данных участник считает, что он мог вступить в контакт с какой-либо частью флюороскопического оборудования, изобразите сетки и куб и сохраните все файлы для калибровки.
    2. После завершения сбора данных изобразите сетки и куб и сохраните все файлы для калибровки, чтобы служить резервной копией, если возникнут какие-либо проблемы с первоначальной калибровкой.

3. Захват движения маркером кожи и инструментная беговая дорожка

  1. Настройка системы
    1. Сфокусируйте оптическую систему захвата движения на беговойдорожке (рисунок 3). Из-за потенциальных проблем с визуализацией участника, находясь в поле зрения двойной системы рентгеноскопии, будьте готовы точно расположить инфракрасные камеры для обеспечения точной визуализации(рисунок 2).
    2. Включите систему и используйте набор маркеров, чтобы система двойной рентгеноскопии не мешала визуализации нужного поля зрения.
    3. Убедитесь, что маркеры четкие и круглые, и при необходимости отрегулируйте фокус инфракрасных камер.
    4. Убедитесь, что флюороскопы закрыты, чтобы уменьшить любые отражающие поверхности. Просмотрите каждую инфракрасную камеру и замаскируйте вид камеры, если отражающие объекты не могут быть покрыты.
    5. Настройте программное обеспечение для захвата движения для считывания внешнего сигнала 5 В с электронного триггера, используемого для завершения захвата камерой двойной рентгеноскопии. Используйте этот триггер для временной синхронизации данных из двух систем.
  2. Калибровка
    1. Как только система будет включена и готова, используйте активную калибровочную палочку для одновременной калибровки оптических и инфракрасных камер захвата движения. Убедитесь, что вся область в системе двойной рентгеноскопии тщательно захвачена во время калибровки, избегая контакта с любым оборудованием.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Движения палочки, напоминающие подливание пищи в сковороду, сработали хорошо.
    2. Из-за препятствий, вызванных двойной системой рентгеноскопии, калибровочные значения могут быть хуже, чем обычно наблюдается для оптического захвата движения. Выполните калибровку так, чтобы все инфракрасные камеры имели погрешности изображения менее 0,2.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ошибка изображения для видеокамеры будет выше, хотя все еще меньше 0,5. Видеокамера специально не используется для количественной оценки движения, только для визуальной записи захвата движения.
    3. Во время приобретения куба испытание для двойной рентгеноскопии, также захват куба с помощью инфракрасных камер захвата движения. Убедитесь, что куб имеет отражающие маркеры, прикрепленные к нему для изображения положения с помощью камер как из системы захвата движения, так и из двойной рентгеноскопии.
  3. Набор и размещение маркеров
    1. Перед приездом участника вырежьте и нанесите двухстороннюю ленту (тулупу) на основание из 21 сферического отражающего маркера кожи. Чтобы обеспечить долговечность маркеров, убедитесь, что лента или любая кожа не соприкасаются с отражающими маркерами.
    2. Для каждой из пяти маркерных пластин (две на хвостовике, две на бедре, одна на спине; Рисунок 4),нанесите спрей-клей на сторону кожи тканевого ремешка и плотно оберните его вокруг участника. Уточните у участника, что ремни ощущаются тугими (но не неудобными). Очистите руки от лишнего распылительного клея, прежде чем приклеить остальную часть набора маркеров.
    3. Нанесите пять маркеров, используемых только для калибровки, на ключицы, медиально-коленные и медиальную маллеолы соответственно.
    4. Нанесите оставшиеся 16 маркеров на передние верхние подвздошные шипы (ASIS), задние верхние подвздошные шипы (PSIS), больший трохантер изобизуемой бедренной кости, плечи, грудину, боковые колени, боковые мальеолы и ступни(рисунок 4).
    5. Попросите участника сообщить исследовательской группе, если какие-либо маркеры или ремни ослабевают во время сбора данных.
  4. Статическое испытание
    1. В сочетании со статическим постоянным испытанием от двойной рентгеноскопии, захватите постоянное испытание для захвата движения.
    2. Пометьте все маркеры. Если какие-либо маркеры не видны по крайней мере тремя инфракрасными камерами во время полученной статической активности, повторно приобретите статическое изображение, чтобы убедиться, что все маркеры видны.
    3. Удалите маркеры, доступные только для калибровки, и попроведите участника наденьте ошейник щитовидной железы, чтобы обеспечить радиационную защиту во время оставшейся части сбора данных.
  5. Динамические испытания
    1. Для каждого динамического испытания, снятого с помощью двойной системы рентгеноскопии, получите видео захвата движения, гарантируя, что все каждое двойное рентгеноскопическое видео находится в пределах захвата движения.
    2. Убедитесь, что разрыв сигнала 5 В от электронного триггера двойной рентгеноскопии фиксируется в каждом испытании.

4. Предварительная обработка изображений

  1. Модель на основе КТ
    1. Сегментируйте проксимальную и дистальную бедренную комку интересуемой стороны и весь таз, так как эти кости используются для отслеживания и / или генерации системы координат.
    2. Убедитесь, что сегментации репрезентативны для формы кости во всех трех плоскостях визуализации и выглядят относительно гладкими.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Способность анализировать артрокинематику зависит от получения высококачественных реконструкций путем тщательной сегментации.
    3. Преобразуйте данные изображения в unsigned char (8 бит) и при необходимости настройте его со смещением и масштабированием для получения изображения с диапазоном от 0 до 255.
    4. Изолируйте только область кости на преобразованном изображении и обрежьте вокруг границ кости. Запишите размеры обрезанных изображений.
    5. Сохранить в формате 2D TIFF.
    6. Откройте изображение, измените тип на 16-битныйи сохраните его как один 3D TIFF-файл.
  2. Реконструкция поверхности
    1. Создавайте поверхности из меток сегментации, сглаживая и уничтожайте поверхности итеративно, гарантируя, что грани никогда не будут уменьшены более чем наполовину в любой итерации.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используя описанный процесс, целевое число лиц составляет приблизительно 30 000 для каждой проксимальной и дистальной поверхности бедренной кости и 70 000 для каждой поверхности полутаза.
    2. Экспортируйте каждую поверхность в виде поверхностной сетки в формате *.vtk для использования в качестве файла модели для идентификации ориентира.
  3. Идентификация ориентира для системы координат
    1. Определите ориентиры бедренной кости для генерации бедренной системы координат(рисунок 5).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные ниже параметры относятся к указанному набору данных и протоколам обработки изображений; возможно, потребуется изменить значения, чтобы правильно выбрать ориентиры.
      1. Откройте проксимальную бедренную комку в виде файла модели. Откройте панель инструментов «Запись» и панель «Данные», чтобы добавить стандартное поле кривизны 1-Princ,выберите плавность 10 и визуализируйте результат. Перерасделите лица головки бедренной кости и используйте параметр выбора диапазона на панели «Правка», чтобы включить только отрицательное искривление. Отмените отбор выбранных лиц, которые не принадлежат головке бедренной кости. Экспортируйте эту поверхность головки бедренной кости в виде поверхностной сетки в формате *.k для сферы, подходящей для определения центра головки бедренной кости.
      2. Используя аналогичный процесс, нанесите 1-Princ Кривизну на дистальную бедренную кость с гладкостью 5 и снова выберите диапазон, чтобы включить только лица с отрицательным искривлением. Экспортируйте эту поверхность мыщелка бедренной кости для цилиндра, подходящего для определения медиал-латеральной оси.
      3. Нанесите 2-Princ Кривизну на дистальную бедренную кость, используя гладкость 3. Выделите гребни мысырьков и выберите диапазон, используя верхнюю отсечку -0,1. Экспортируйте эти грани, чтобы создать плоскость и использовать ее для изоляции граней задних мыщелок для подгонки цилиндра.
    2. Определите ориентиры таза для генерации тазовой системы координат(рисунок 5).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные ниже параметры относятся к указанному набору данных и протоколам обработки изображений; возможно, потребуется изменить значения, чтобы правильно выбрать ориентиры.
      1. Для каждого полутаза применяют 2-Princ кривизну с гладкостью 5 и выбирают диапазон, включающий только положительные грани, чтобы изолировать лунную поверхность вертлужной впадины. Экспортируйте лунную поверхность и используйте сферу, подходящую для определения центра вертлужной впадиной.
      2. Повторно нанесите 2-Princ Кривизну с гладкостью 2 и выберите все лица с кривизной менее -0,15, чтобы выделить шипы таза. Выберите точки на краю этих шипов, которые лучше всего представляют ASIS и PSIS в качестве ориентиров, и запишите их.

5. Отслеживание движения костей

  1. Калибровка
    1. Определите 12 бусин в каждом из кубических изображений с двойных рентгеноскопических камер (собранных на шаге 2.2.6). Основываясь на калиброванных расстояниях между каждой из бусин куба и измерениях местоположения куба в системе двойной рентгеноскопии, определите пространственную ориентацию каждого флюороскопа путем минимизации погрешности проекции суммы квадратов между прогнозируемым и известным расположением шарика.
    2. Используйте изображения сетки для исправления искажений изображения и примените коррекцию ко всем изображениям, связанным с этим изображением сетки.
    3. Используйте изображения движения для количественной оценки динамической точности системы и используйте маркерное отслеживание для ее отслеживания.
  2. Безмаркерное отслеживание
    1. Добавьте местоположение выбранных ориентиров в файл параметров кости и соберите динамическое положение этих ориентиров в системе двойной рентгеноскопии в качестве выходных данных для всех отслеживаемых кадров.
    2. Определите кадры, которые будут отслеживаться (на основе кинематических данных захвата движения, см. шаг 6.1.2) и откройте программное обеспечение для отслеживания без маркеров с соответствующим файлом параметров, специфичных для костей.
    3. Выберите кадр в нужном диапазоне с хорошей визуализацией кости и вручную сориентирует цифровую реконструированную рентгенограмму (DRR) интересуемой кости (проксимальной бедренной кости или полутаза), используя шесть степеней свободы, доступных в программном обеспечении(рисунок 6).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку большинство испытаний начинаются в положении, аналогичном стоящему состоянию, эта начальная позиция, вероятно, может быть использована в качестве начальной отправной точки для всех испытаний.
    4. Как только DRR кости будет хорошо выровнен в обоих представлениях, сохраните решение, нажав кнопку «Вручную» на панели «Решения».
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый раз, когда решение сохраняется, параметры ориентации и нормализованный коэффициент перекрестной корреляции строятся для справки. Нормализованный коэффициент перекрестной корреляции рассчитывается на основе всех пикселей с ненулевыми значениями как для флюороскопа, так и для костных DRR.
    5. Примените шаг оптимизации поиска по диагонали Гессена (DHS), нажав кнопку DHS на панели «Решения», и просмотрите результат. Если оптимизированный результат предпочтительнее, перейдите к следующему кадру; в противном случае внесите необходимые изменения и повторно сохраните, нажав кнопку «Вручную» на панели «Решения». Повторяйте этот шаг до тех пор, пока не будет найдено удовлетворительное решение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В случае плохой контрастности изображения алгоритм оптимизации не всегда может дать удовлетворительный результат.
    6. Для каждого пятого кадра повторите этот процесс, используя решение для предыдущего кадра в качестве отправной точки. Используйте оптимизацию DHS для автоматизации процесса.
    7. Чтобы завершить первый проход отслеживания, используйте другой инструмент, который интерполирует через линейную проекцию (LP) и оптимизирует решения между отслеживаемыми кадрами, нажав кнопку Диапазон LP + DHS на панели «Решения». В окне введите набор кадров для отслеживания и два кадра, которые будут использоваться для справки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Двумя системами отсчета могут быть любые кадры в пределах идентифицированного набора кадров. Тем не менее, использование первого и последнего кадров обеспечивает границы для ориентации костей в пределах диапазона кадров, что может быть полезно при низком контрасте.
    8. Просмотрите и уточните каждый кадр испытания, используя решения на основе как вручную, так и решения на основе DHS. Используйте график параметров, чтобы убедиться, что коэффициент корреляции достаточно высок и что ориентация кости не имеет резких скачков ни в одном параметре.
    9. Чтобы обеспечить точное отслеживание, поставьте другому исследователю просмотреть решение для каждого кадра и внести необходимые изменения в решения.
    10. Повторите шаги 5.2.1-5.2.9 для каждой кости.
  3. Визуализация движения
    1. Откройте бедренную и тазовую поверхности в программном обеспечении для кинематической визуализации. При необходимости преобразуйте поверхности в сетки с помощью функции convert to mesh. Выберите обе поверхности и экспортируйте их в виде поверхностной сетки в формате *.k.
    2. Используя выходные данные отслеживания, создайте текстовый файл с преобразованиями координат для каждой кости и фрейма.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Порядок поверхностей должен совпадать с порядком преобразований.
    3. Для визуализации кинематики используйте инструмент kinemat и два вышеуказанных файла из шагов 5.3.1 и 5.3.2 для анимации кинематики. Убедитесь, что анимированная кинематика выглядит разумно и что поверхности имеют соответствующее расстояние между ними, используя либо полупрозрачную поверхность, либо инструмент расстояния до поверхности. При необходимости вернитесь к шагу 5.2.8.

6. Анализ данных

  1. Кинематика маркеров кожи
    1. В программном обеспечении захвата движения пакетная обработка всех файлов для применения статической модели и маркеров меток. После завершения испытания удалите все немаркированные траектории.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за препятствий двойной рентгеноскопии может потребоваться больше ручного заполнения пробелов, чем обычно.
    2. Используйте кинематические и силовые данные пластин для идентификации динамических событий, таких как удары носколькой или пяткой во время походки или максимального диапазона движения для поворотных действий. Определите интересующие кадры для отслеживания данных двойной рентгеноскопии.
    3. Экспортируйте все данные испытаний для кинематической обработки в формате *.c3d, включая как аналоговые данные (т.е. данные триггера и силовой пластины), так и траектории маркеров.
    4. Примените нужный файл шаблона модели (сохраненный в формате *.mdh) к статической пробной версии, а затем назначьте эту модель файлам движения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для анализа была использована модель нижних конечностей с обобщенным сегментом голова-брюшко-грудная клетка (HAT) Международного общества биомеханики (ISB) и тазом CODA, моделью сегмента таза, определенной двумя ASIS и центром ориентиров PSIS.
  2. Двойная рентгеноскопия кинематика
    1. Изолируйте интересующие кадры, гарантируя, что включены только смежные рамки, которые отслеживаются как для бедренной кости, так и для таза.
    2. Фильтрация ориентиров позиций с помощью низкочастотного фильтра Баттерворта (0,12 нормализованная частота среза из остаточного анализа и фильтр4-го порядка).
    3. Используйте отфильтрованные положения ориентиров на протяжении каждого испытания движения, чтобы отслеживать динамическое положение системы координат бедренной кости(рисунок 5).
      1. Определите происхождение бедренной кости как сферно-прилегание центра головки бедренной кости.
      2. Определите ось Z бедренной кости (нижняя-верхняя ось) между центром колена и началом, указывая выше.
      3. Определите ось X бедренной кости (медиаально-боковая ось) как длинную ось цилиндра, прилегающую к мыщелкам бедренной кости,указывающую влево. Чтобы изолировать область мыщелков, которая должна быть представлена цилиндром, подогнать плоскость к поверхностям надмыщелка и изолировать заднюю часть мыщелок бедренной кости.
      4. Определите бедренную ось Y (передне-заднюю) как поперечное произведение определенных осей z- и x, направленных к задней части. Исправьте ориентацию оси X, чтобы создать ортогональную систему координат.
    4. Используйте отфильтрованные положения ориентиров на протяжении каждого испытания движения для отслеживания динамического положения системы координат таза(рисунок 5).
      1. Определите происхождение таза как центр двух ориентиров ASIS.
      2. Определите ось Y таза (передне-задняя ось) между центром двух ориентиров PSIS и начало, указывающее с передней стороны.
      3. Определите ось X таза (медиаально-боковая ось) между началом и правосторонний ориентир ASIS, указывая направо.
      4. Определите ось Z (нижняя-высшая ось) таза как поперечное произведение определенных осей x и y, указывающих выше. Исправьте ориентацию оси X, чтобы создать ортогональную систему координат.
    5. Сгенерируйте матрицу вращения между системами координат и рассчитайте совместную кинематику по уравнению МакУильямса и его коллег 11(рисунок 7)21.
    6. Рассчитать совместные трансляции путем преобразования векторного расстояния между сферными центрами подгонки головки бедренной кости и лунной поверхностью вертлужной впадиной в систему координат таза.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это обеспечивает один вектор для представления совместного перевода для каждого кадра изображения.
  3. Артрокинематика
    1. Визуализируйте кинематику, как описано на шаге 5.3, чтобы оживить предметно-специфическую артрокинематику(рисунок 8).
    2. Примените поле данных расстояния до поверхности для измерения расстояний между бедренной и тазовой поверхностями во время каждой динамической деятельности(рисунок 8).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти данные также обеспечивают количественную оценку относительного расстояния между поверхностями суставов, но требуют интерпретации для количественной оценки совместного перевода.
    3. Экспортируйте расстояния от поверхности до поверхности с помощью инструмента «Расстояние до поверхности» для количественной оценки данных по всем участникам.
  4. Сравнение с захватом движения маркером кожи
    1. Используя кубические изображения и триггер от каждого испытания движения, пространственно и временно синхронизируйте двойные системы рентгеноскопии и захвата движения.
    2. Преобразуйте ориентиры, используемые для захвата движения маркера кожи (например, ASIS, PSIS, мыщелки), из безмаркерамной системы координат отслеживания в систему координат захвата движения.
    3. Объедините эти данные с маркерами из захвата и импорта движения маркера кожи для кинематического и кинетического анализа и отчетности. Скорректируйте анализ, чтобы использовать либо двойную рентгеноскопию, либо расположение маркеров кожи для каждого ориентира и сравните места ориентира и кинематику между двумя системами.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Используя двойную рентгеноскопию в качестве эталонного стандарта, точность оценок центра тазобедренного сустава на основе маркеров кожи и влияние артефакта мягких тканей на кинематические и кинетические измерения были количественно определены22,23,24. Превосходная точность двойной рентгеноскопии затем была использована для выявления тонких различий в кинематике тазовых и тазобедренных суставов между пациентами с FAIS и бессимптомными контрольными участниками25. Артрокинематика на основе двойной рентгеноскопии была проанализирована для количественной оценки покрытия тазобедренного сустава, взаимосвязи между морфологией и кинематикой, а также расстояний от кости до кости во время динамических движений26,27,28,29.

До разработки протокола исследования кинематики тазобедренного сустава система была проверена в трупных образцах с имплантированными металлическими бусинами во время клинических осмотров лежа на спине с точностью до 0,5 мм и 0,6 °30. После проверки кинематика во время клинических обследований измерялась с использованием двойной рентгеноскопии у пациентов с FAIS и бессимптомных контрольных участников. Результаты показали, что у пациентов изменялись движения как во внутреннем вращении, так и в аддукции31.

Используя двойную рентгеноскопию с весом в качестве эталонного стандарта, ошибка в определении местоположения центра тазобедренного сустава, а также ошибки, вызванные артефактом мягких тканей, затем были непосредственно проанализированы. Функциональные методы идентификации центра тазобедренного сустава, т.е. движения звездной дуги, были идентифицированы как более точные, чем прогностические, основанные на ориентирах методы с погрешностью 11,0 и 18,1 мм соответственно32. Динамические ошибки в центре тазобедренного сустава были аналогичны таковым при стоянии; однако дополнительные 2,2 мм ложного движения центра тазобедренного сустава были отнесены к артефакту мягких тканей с погрешноно более 5 см во время динамического движения для маркера большего трохантера23.

В дополнение к ошибкам в идентификации центра тазобедренного сустава, углы сустава были занижены более чем на 20° во внутренне-внешних поворотахповоротов 23. Хотя недооценка кинематики сама по себе является причиной для беспокойства, эти ошибки уменьшали измеренный диапазон движения и вычисляли кинетические переменные даже в низком диапазоне движений, таких как походка24. Однако точные кинематические данные двойной рентгеноскопии может быть трудно включить в скелетно-мышечные модели. В частности, ошибки маркера модели составляли примерно 1 см при выполнении обратной кинематики с двойными ориентирами на основе рентгеноскопии. Хотя эта погрешность относительно мала по сравнению с погрешностями 5 см из-за артефакта мягких тканей, найденного для данных захвата движения маркеров кожи, такая ошибка на порядок больше, чем у положений костей, измеренных с помощью двойной рентгеноскопии.

В дополнение к количественной оценке ошибок в традиционном захвате движения маркерами кожи, точность и методология двойной рентгеноскопии обеспечивают возможность оценки даже тонких различий в кинематике между когортами, которые в противном случае могут быть скрыты ошибками метода измерения. В то время как различия в кинематике тазобедренного сустава не наблюдались между пациентами с камерой FAIS и бессимптомными контрольными участниками, различия в кинематике таза, которые было бы трудно обнаружить в присутствии артефакта мягких тканей, были идентифицированы25. Эта оценка требовала прямого сравнения между когортами. Кроме того, потенциальная связь между кинематическими вариациями и морфологией кости, такой как бедренная антеверсия, также была исследована27. Эти результаты указывали на необходимость учета как морфологии, так и биомеханики при диагностике патологий тазобедренного сустава и планировании консервативного или хирургического лечения.

Основным препятствием в использовании биомеханических данных в условиях клинической помощи является разница в системах координат, используемых биомеханистами и клиницистами. В лаборатории биомеханики ориентиры, используемые для определения систем координат бедренной кости и таза, управляются способностью идентифицировать и отслеживать ориентиры с поверхности кожи во время динамического движения. Напротив, хирургические системы координат определяются с использованием костных ориентиров, идентифицируемых во время операции с пациентом на спине или лежа. Прямое слежение бедренной кости и таза при двойной рентгеноскопии позволило оценить влияние различных определений систем координат на кинематический выход29. Различия между определениями системы координат привели к кинематическим смещениям более 5°. Однако эти смещения были относительно последовательными во время движения и могли быть учтены с помощью идентификации костных ориентиров.

Сочетание субъект-специфической костной морфологии и кинематики — артрокинематики — обеспечивает оценку формы и функции на уровне суставов. Считается, что для пациентов с ДДГ причиной дегенерации считается недостаточное покрытие бедренной кости, и поэтому измерения покрытия широко используются в диагностике и хирургическом планировании. К сожалению, эти измерения часто ограничиваются статическими изображениями, полученными с помощью индивидуального лежа на спине, и только в двух измерениях. Двойная рентгеноскопическая артрокинематика использовалась для непосредственного измерения изменчивости бедренного покрова во время динамической деятельности26. Важно отметить, что были обнаружены сильные корреляции между покрытием в стоячем положении и охватом во время походки при оценке в целом. Тем не менее, регионализированный охват варьировался как для передней, так и для задней областей головки бедренной кости даже во время фазы стойки походки.

Внесуставное ущемление является причиной боли в бедре и окружающей области и описывает аномальный контакт между бедренной костью и областями таза за пределами вертлужной впадиной, включая седалищ и передний нижний подвздошный отдел позвоночника. Динамическая природа ишиофеморального ущемления оценивалась путем сравнения клинических измерений ишиофеморального пространства на основе МРТ и измерений во время динамической деятельности28. При этом динамически наблюдалось уменьшение пространства по сравнению со стандартными клиническими показателями; Были также выявлены различия по признаку пола, которые нельзя отнести к кинематическим различиям. Эти методы также могут быть применены для динамической оценки суставного пространства, обеспечивая понимание изменчивости положения головки бедренной кости в вертлужной впадиной впадиной и изменчивости между когортами пациентов(рисунок 8).

Figure 1
Рисунок 1:Вид сверху двойной рентгеноскопионной системы, расположенной над инструментальной беговой дорожкой для левого бедра. Система позиционируется таким способом, чтобы минимизировать эффект рассеяния и максимизировать поле зрения. Усилители изображения расположены примерно в 100-110 см от источника излучателя и под углом 50° друг от друга. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Вид с контралатеральной (правой) стороны участника во время динамической деятельности. Участник позиционируется между двумя усилителями изображения (II) таким образом, что поле зрения двойной рентгеноскопии центрируется над левым тазобедренным суставом. Ровная и наклонная ходьба, внутренние и внешние повороты, а также диапазон двигательных упражнений выполняются на беговой дорожке. Аббревиатура: FHJC = функциональный центр тазобедренного сустава. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3:Вид сверху системы захвата движения относительно двойной рентгеноскопии. Оптическая система захвата движения включает в себя 10 инфракрасных камер и одну видеокамеру и расположена на раме, свисающей с потолка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4:Передний и задний вид набора маркеров, используемых для захвата движения маркера кожи. Есть пять пластин с четырьмя маркерами каждая, которые расположены на спине, бедрах и хвостовиках участников; все остальные маркеры наносятся непосредственно на кожу. Калибровочные маркеры удаляются для динамического захвата движения. Метки маркеров, предваряемые R или L, обозначают маркеры на правой или левой стороне тела; метки маркеров с суффиксом S, L, R, I, A или P указывают на расположение маркеров на маркерной пластине, в частности, верхнее, левое, правое, нижнее, переднее или заднее, соответственно. Сокращения: *SHO = плечо; CLAV = центр ключиц; STRN = дно грудины; BACK_* = маркеры пластины, размещенные на нижней части спины; *ILC = подвздошный гребень; *ASI = передний верхний подвздошный отдел позвоночника; *PSI = задний верхний подвздошный отдел позвоночника; GRT_TRO = большой трохантер; *THI_* = маркеры соответствующих пластин, размещенных на бедре; *KNE_M = медиальный мыщелок бедренной кости (колено); *KNE_L = боковой мыщелок бедренной кости (колено); *TIB_* = маркеры соответствующих пластин, размещенных на хвостовике (большеберцовой кости); *ANK_M = медиальная маллеолус (лодыжка); *ANK_L = латеральный маллеолус; *5TH = пятый плюснефаланговый сустав; *TOE = первый плюснефаланговый сустав; *HEE = пятка (пятка). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5:Ориентиры и системы координат бедренной кости и таза. Для определения системы координат таза используются ориентиры двустороннего переднего верхнего подвздошного отдела позвоночника (ASIS; пурпурный) и заднего верхнего подвздошного отдела позвоночника (PSIS; cyan) и их средние точки. Центр головки бедренной кости (оранжевый) и двусторонние мыщелки бедренной кости (зеленый), их средняя точка и цилиндрическая посадка мыщелок используются для определения системы координат бедренной кости (показана для левой бедренной кости). Третья ось каждой кости определяется по поперечному продукту двух отображаемых осей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6:Двойные рентгеноскопические изображения и связанное с ними безмаркерное отслеживание левого бедра. Изображения показаны для максимального вращения внешнего и внутреннего поворота (по центру), с изображением переднего флюороскопа (слева) и заднего флюороскопа (справа). Безмаркерные решения для отслеживания таза (сверху) и бедренной кости (снизу) для каждого двойного рентгеноскопии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7:Двойная рентгеноскопия измеренная кинематика. Кинематика для 100 кадров, окружающих максимальный поворот (вертикальная пунктирная линия) внешних и внутренних поворотов для репрезентативного участника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 8
Рисунок 8:Поверхностное расстояние на основе артрокинематики между левой полу тазовой и бедренной кладкой. Артрокинематика показана для максимального вращения внешнего и внутреннего поворота (центра) с соответствующими моделями костей, измеренными с помощью двойной рентгеноскопии (наружной). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Двойная рентгеноскопия является мощным инструментом для исследования in vivo кинематики, особенно для тазобедренного сустава, который трудно точно измерить с помощью традиционного оптического захвата движения. Однако рентгеноскопическое оборудование является специализированным, при этом может потребоваться уникальная настройка системы при визуализации других суставов человеческого тела. Например, было внесено несколько модификаций в монтаж усилителей изображения, позиционирование системы и настройку энергии пучка при применении двойной рентгеноскопии для исследования кинематики голеностопного сустава32,33,34,35. В дополнение к значительной подготовке к исследованию, двойная рентгеноскопия требует получения дополнительных данных, включая 3D-медицинскую визуализацию и потенциально традиционный захват движения маркеров кожи для отслеживания кинематики всего тела, а также длительную постобработку, включая сегментацию изображений КТ и безмаркерное отслеживание полученных изображений. К счастью, полностью обработанные данные двойной рентгеноскопии могут использоваться в различных приложениях с возможностями, выходящими далеко за рамки тех, которые доступны при традиционном захвате движения.

Оптический захват движения использует движение маркеров на коже для оценки положения сегментов тела, в то время как двойная рентгеноскопия на основе излучения позволяет напрямую измерять только положения костей. Хотя значительные усилия были направлены на количественную оценку динамики мягких тканей по сравнению с движением кости36,37,по своей природе трудно измерить модели движения большой массы мягких тканей между внешним слоем кожи и костями. Однако для более тонких тканей, набирающих непосредственный контакт с костями, таких как хрящ и лабрум бедра, сочетание двойной рентгеноскопии и визуализации КТ-артрограммы обеспечивает возможность динамической оценки их пространственной взаимосвязи. Данные, собранные во время клинических осмотров лежа на спине, были использованы, чтобы показать, что местоположение клинически наблюдаемого повреждения вертлужной вятины совпадает с положением контакта между бедренной костью и лабрумом во время обследований на лежа на спине38. Важно отметить, что этот анализ выявил, что область начального и наибольшего контакта между бедренной костью и лабрумом не совпадала с местоположением наименьшего расстояния между костями.

Лица с патоанатомией тазобедренного сустава подвержены риску повреждения хряща и лабрума. Однако механизмы, ответственные за хондролабральные травмы, не совсем понятны. Можно предположить, что данные артрокинематики, построенные из данных КТ-артрограммы, могут быть проанализированы для изучения механики хряща и лабрума. Например, наблюдаемое проникновение между поверхностными реконструкциями, представляющими мягкие ткани (например, лабрум, хрящ) и костью, может быть проанализировано и интерпретировано для приближения напряжения, испытываемого этими тканями. Однако даже незначительные ошибки в отслеживании кинематики или реконструкции поверхностей могут привести к резким различиям в расчетных деформациях и нагрузках на суставы. Таким образом, для всесторонней оценки хондролабральной механики в бедре могут потребоваться более продвинутые методы моделирования, такие как метод FE. Данные двойной рентгеноскопии, традиционного захвата движения маркерами кожи кинематики всего тела и инструментальной беговой дорожки могут служить исходными данными для моделей, которые оценивают мышечные силы и суставные реакционные нагрузки и крутящие моменты. Эти кинетические данные могут затем служить условиями загрузки для моделей FE, которые оценивают хондролабральные напряжения и деформации.

В дополнение к конкретным шагам, участвующим в протоколе, планирование различных аспектов исследования также имеет отношение к успешному сбору данных. Во-первых, в исследованиях с использованием визуализации артрограммы, которая по своей природе является инвазивной из-за введения контраста в капсулу бедра, артрограмма должна быть выполнена либо за несколько дней до, либо в любое время после завершения экспериментов по захвату движения, чтобы избежать какого-либо влияния на модели движения пациента. Во-вторых, вся калибровка должна быть выполнена до прибытия участника, но непосредственно перед его прибытием, чтобы гарантировать, что конфигурация системы не изменится между калибровкой и получением изображения. В-третьих, участник должен быть проинструктирован о выполнении динамических испытаний в случайном порядке, чтобы исключить любое влияние упорядочения на выполнение заданий.

Другим важным соображением для использования двойной рентгеноскопии для измерения кинематики тазобедренного сустава является радиационное облучение. Однако важно отметить, что 80% предполагаемой дозы, эквивалентной радиации в описанном протоколе, получено от компьютерной томографии. Одним из решений для снижения воздействия является замена магнитно-резонансной томографии (МРТ) на КТ-томографию. В то время как МРТ может использоваться для реконструкции поверхности, отслеживание двойных рентгеноскопических изображений также опирается на проекцию плотности костной ткани из цифровых реконструированных рентгенограмм. Хотя МРТ не может напрямую измерить плотность костной ткани, определенные последовательности, такие как двойное эхо-устойчивое состояние (DESS), обеспечивают некоторую дифференциацию между более плотной кортикальной костью и менее плотной канцеллезной костью. Эти изображения могут быть преобразованы, чтобы иметь внешний вид, похожий на изображения КТ, и потенциально могут уменьшить радиационное облучение участников двойных рентгеноскопических исследований.

Из-за большого количества мягких тканей, окружающих тазобедренный сустав, специфическое позиционирование двойной системы рентгеноскопии должно быть оптимизировано для уменьшения рентгеновского рассеяния. Положение участника относительно рентгеновских излучателей и угол между усилителями изображения были признаны важными факторами. Этот протокол указывает на позиционирование двойной рентгеноскопической системы, используемой для изучения движения бедра у участников во время занятий с отягощениями. Однако также уместно отметить, что когорта участников была ограничена лицами с ИМТ менее 30кг/м2. Аналогичный предел ИМТ рекомендуется при захвате двойных рентгеноскопических изображений суставов, окруженных большими массами мягких тканей.

Протокол, описанный в настоящем описании, может быть применен к различным конфигурациям и суставам двойной рентгеноскопии, включая кинематику и кинематику тазобедренного сустава, как беговую дорожку, так и наземную кинематику голеностопного сустава, а также сидячую кинематику плеча 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25,  26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35. Благодаря минимальному глобальному движению тазобедренного сустава во время беговой походки, для оценки несущей кинематики тазобедренного сустава использовалась инструментная беговая дорожка. Без беговой дорожки или движущейся системы флюороскопа можно было бы захватить тазобедренный сустав только во время действий, выполняемых в ограниченном поле зрения. Однако использование беговой дорожки подходит не для всех суставов. В качестве примера можно привести применение этого протокола к исследованию кинематики голеностопного сустава во время ходьбы на беговой дорожке, захватив лишь небольшую часть походки из-за присущего беговой дорожке движения32,35,в то время как наземная походка смогла захватить большую часть походки, простирающуюся от предшествующего удара пяткой до после удара пяткой до33,40,41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У авторов нет конфликта интересов.

Acknowledgments

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

Materials

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

  1. National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , Hyattsville (MD). Report No.: 2017-1232 (2016).
  2. Singh, J. A., Yu, S., Chen, L., Cleveland, J. D. Rates of total joint replacement in the United States: Future projections to 2020-2040 using the national inpatient sample. Journal of Rheumatology. 46 (9), 1134-1140 (2019).
  3. HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics. , Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021).
  4. Ganz, R., Leunig, M., Leunig-Ganz, K., Harris, W. H. The etiology of osteoarthritis of the hip: An integrated mechanical concept. Clinical Orthopaedics and Related Research. 466 (2), 264-272 (2008).
  5. Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
  6. Frank, J. M., et al. Prevalence of femoroacetabular impingement imaging findings in asymptomatic volunteers: A systematic review. Arthroscopy - Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 31 (6), 1199-1204 (2015).
  7. Anderson, L. A., et al. The 2015 Frank Stinchfield Award: Radiographic Abnormalities Common in Senior Athletes With Well-functioning Hips but Not Associated With Osteoarthritis. Clinical Orthopaedics and Related Research. 474 (2), 342-352 (2016).
  8. Kapron, A. L., et al. Radiographic prevalence of femoroacetabular impingement in collegiate football players: AAOS exhibit selection. Journal of Bone and Joint Surgery - Series A. 93 (19), 1-10 (2011).
  9. Kapron, A. L., et al. The Prevalence of radiographic findings of structural hip deformities in female collegiate athletes. American Journal of Sports Medicine. 43 (6), 1324-1330 (2015).
  10. Garling, E. H., et al. Soft-tissue artefact assessment during step-up using fluoroscopy and skin-mounted markers. Journal of Biomechanics. 40, Suppl 1 18-24 (2007).
  11. Fuller, J., Liu, L. J., Murphy, M. C., Mann, R. W. A comparison of lower-extremity skeletal kinematics measured using skin-and pin-mounted markers. Human Movement Science. 16 (2-3), 219-242 (1997).
  12. Leardini, A., Chiari, A., Della Croce, U., Cappozzo, A. Human movement analysis using stereophotogrammetry Part 3. Soft tissue artifact assessment and compensation. Gait and Posture. 21 (2), 212-225 (2005).
  13. Peters, A., Galna, B., Sangeux, M., Morris, M., Baker, R. Quantification of soft tissue artifact in lower limb human motion analysis: A systematic review. Gait and Posture. 31 (1), 1-8 (2010).
  14. Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
  15. Miranda, D. L., Rainbow, M. J., Crisco, J. J., Fleming, B. C. Kinematic differences between optical motion capture and biplanar videoradiography during a jump-cut maneuver. Journal of Biomechanics. 46 (3), 567-573 (2013).
  16. Lin, C. C., Lu, T. W., Lu, H. L., Kuo, M. Y., Hsu, H. C. Effects of soft tissue artifacts on differentiating kinematic differences between natural and replaced knee joints during functional activity. Gait and Posture. 46, 154-160 (2016).
  17. Kessler, S. E., et al. A direct comparison of biplanar videoradiography and optical motion capture for foot and ankle kinematics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 199 (2019).
  18. Henak, C. R., et al. Computed tomography arthrography with traction in the human hip for three-dimensional reconstruction of cartilage and the acetabular labrum. Clinical Radiology. 69 (10), 381-391 (2014).
  19. Winter, D. A. Biomechanics and motor control of human movement. , John Wiley and Sons Inc. (2009).
  20. Camomilla, V., Cereatti, A., Vannozzi, G., Cappozzo, A. An optimized protocol for hip joint centre determination using the functional method. Journal of Biomechanics. 39 (6), 1096-1106 (2006).
  21. MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
  22. Fiorentino, N. M., et al. Accuracy of functional and predictive methods to calculate the hip joint center in young non-pathologic asymptomatic adults with dual fluoroscopy as a reference standard. Annals of Biomedical Engineering. 44 (7), 2168-2180 (2016).
  23. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Foreman, K. B., Anderson, A. E. In-vivo quantification of dynamic hip joint center errors and soft tissue artifact. Gait and Posture. 50, 246-251 (2016).
  24. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Bo Foreman, K., Anderson, A. E. Soft tissue artifact causes underestimation of hip joint kinematics and kinetics in a rigid-body musculoskeletal model. Journal of Biomechanics. 108, 109890 (2020).
  25. Atkins, P. R., et al. In vivo pelvic and hip joint kinematics in patients with cam femoroacetabular impingement syndrome: a dual fluoroscopy study. Journal of Orthopaedic Research. 38 (4), 823-833 (2020).
  26. Uemura, K., Atkins, P. R., Maas, S. A., Peters, C. L., Anderson, A. E. Three-dimensional femoral head coverage in the standing position represents that measured in vivo during gait. Clinical Anatomy. 31 (8), 1177-1183 (2018).
  27. Uemura, K., Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Hip rotation during standing and dynamic activities and the compensatory effect of femoral anteversion: An in-vivo analysis of asymptomatic young adults using three-dimensional computed tomography models and dual fluoroscopy. Gait and Posture. 61, 276-281 (2018).
  28. Atkins, P. R., et al. In vivo measurements of the ischiofemoral space in recreationally active participants during dynamic activities: a high-speed dual fluoroscopy study. American Journal of Sports Medicine. 45 (12), 2901-2910 (2017).
  29. Uemura, K., Atkins, P. R., Anderson, A. E. The effect of using different coordinate systems on in-vivo hip angles can be estimated from computed tomography images. Journal of Biomechanics. 95, 109318 (2019).
  30. Kapron, A. L., et al. Accuracy and feasibility of dual fluoroscopy and model-based tracking to quantify in vivo hip kinematics during clinical exams. Journal of Applied Biomechanics. 30 (3), 461-470 (2014).
  31. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. In-vivo hip arthrokinematics during supine clinical exams: Application to the study of femoroacetabular impingement. Journal of Biomechanics. 48 (11), 2879-2886 (2015).
  32. Roach, K. E., et al. In vivo kinematics of the tibiotalar and subtalar joints in asymptomatic subjects: a high-speed dual fluoroscopy study. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (9), 0910061-0910069 (2016).
  33. Roach, K. E., Foreman, K. B., Barg, A., Saltzman, C. L., Anderson, A. E. Application of high-speed dual fluoroscopy to study in vivo tibiotalar and subtalar kinematics in patients with chronic ankle instability and asymptomatic control subjects during dynamic activities. Foot and Ankle International. 38 (11), 1236-1248 (2017).
  34. Lenz, A. L., et al. Compensatory motion of the subtalar joint following tibiotalar arthrodesis: an in vivo dual-fluoroscopy imaging study. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 102 (7), 600-608 (2020).
  35. Wang, B. Accuracy and feasibility of high-speed dual fluoroscopy and model-based tracking to measure in vivo ankle arthrokinematics. Gait and Posture. 41 (4), 888-893 (2015).
  36. Challis, J. H., Pain, M. T. G. Soft tissue motion influences skeletal loads during impacts. Exercise and Sport Sciences Reviews. 36 (2), 71-75 (2008).
  37. Dumas, R., Jacquelin, E. Stiffness of a wobbling mass models analysed by a smooth orthogonal decomposition of the skin movement relative to the underlying bone. Journal of Biomechanics. 62, 47-52 (2017).
  38. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. Subject-specific patterns of femur-labrum contact are complex and vary in asymptomatic hips and hips with femoroacetabular impingement. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (12), 3912-3922 (2014).
  39. Fiorentino, N. M., et al. Soft tissue artifact causes significant errors in the calculation of joint angles and range of motion at the hip. Gait and Posture. 55, 184-190 (2017).
  40. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Subject-specific axes of rotation based on talar morphology do not improve predictions of tibiotalar and subtalar joint kinematics. Annals of Biomedical Engineering. 45 (9), 2109-2121 (2017).
  41. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Predicting tibiotalar and subtalar joint angles from skin-marker data with dual-fluoroscopy as a reference standard. Gait and Posture. 49, 136-143 (2016).
  42. Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
  43. Kolz, C. W., et al. Age-related differences in humerothoracic, scapulothoracic, and glenohumeral kinematics during elevation and rotation motions. Journal of Biomechanics. 117, 110266 (2021).

Tags

Медицина Выпуск 173 Двойная рентгеноскопия бипланная видеорадиография кинематика артрокинематика бедро безмаркерное слежение
<em>В городе Vivo</em> Количественная оценка артрокинематики тазобедренного сустава во время динамической несущей деятельности с использованием двойной рентгеноскопии
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Atkins, P. R., Fiorentino, N. M.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter