Waiting
Login processing...

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

Medicine

In Vivo Kvantifiering av höftartrokinematics under dynamiska viktbärande aktiviteter med dubbla fluoroskopi

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

Dubbel fluoroskopi fångar noggrant in vivo dynamisk rörelse av mänskliga leder, som kan visualiseras i förhållande till rekonstruerad anatomi (t.ex. arthrokinematik). Häri presenteras ett detaljerat protokoll för att kvantifiera hip arthrokinematics under viktbärande aktiviteter i det dagliga livet, inklusive integration av dubbel fluoroskopi med traditionell hudmarkör rörelsefångst.

Abstract

Flera hip patologier har tillskrivits onormal morfologi med ett underliggande antagande av avvikande biomekanik. Struktur-funktion relationer på gemensamma nivå är dock fortfarande utmanande att kvantifiera på grund av svårigheter att noggrant mäta dynamiska gemensamma rörelse. Mjukvävnadsartefaktfelen som är inneboende i optisk hudmarkör rörelsefångst förvärras av djupet av höftleden i kroppen och den stora massan av mjukvävnad som omger leden. Således är det komplexa förhållandet mellan benform och höftledskinematik svårare att studera exakt än i andra leder. Häri presenteras ett protokoll som innehåller datortomografi (CT) arthrography, tredimensionell (3D) återuppbyggnad av volymetriska bilder, dubbla fluoroskopi och optisk rörelse fånga för att exakt mäta den dynamiska rörelsen i höftleden. De tekniska och kliniska studier som har tillämpat dubbel fluoroskopi för att studera höftens formfunktionsrelationer med hjälp av detta protokoll sammanfattas, och de specifika stegen och framtida övervägandena för datainsamling, bearbetning och analys beskrivs.

Introduction

Antalet totala höftledarplastik (THA) förfaranden utförs på vuxna i åldern 45-64 år lider av hip artros (OA) mer än fördubblades mellan 2000 och 20101. På grundval av de ökade THA-förfarandena från 2000 till 2014 förutspådde en nyligen genomförd studie att det totala antalet årliga förfaranden kan tredubblas under de kommande tjugo åren2. Dessa stora ökningar av THA-förfaranden är alarmerande med tanke på att nuvarande behandlingskostnader överstiger $ 18 miljarder årligen bara i USA3.

Utvecklingsdysplasi av höften (DDH) och femoroacetabular impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- respektive överbegränsad höft, tros vara den primära etiologin av hip OA4. Den höga prevalensen av dessa strukturella höft missbildningar hos individer som genomgår THA beskrevs ursprungligen mer än tre decennier sedan5. Ändå är förhållandet mellan onormal höftanatomi och artros inte väl förstått. En utmaning för att förbättra arbetsförståelse av deformiteternas roll i utvecklingen av hip OA är att onormal höftmorfologi är mycket vanligt bland asymtomatiska vuxna. Särskilt studier har observerat morfologi i samband med cam-typ FAIS i cirka 35% av den allmännabefolkningen 6,83% av senioridrottare7, och mer än 95% av kollegiala manliga idrottare8. I en annan studie av kvinnliga kollegiala idrottare hade 60% av deltagarna radiografi bevis på cam FAIS, och 30% hade bevis på DDH9.

Studier som visar en hög prevalens av missbildningar bland individer utan höftsmärta pekar på möjligheten att morfologi som ofta förknippas med FAIS och DDH kan vara en naturlig variant som bara blir symptomatisk under vissa förhållanden. Interaktionen mellan höftanatomi och höftbiomekanik är dock inte väl förstådd. Det finns särskilt kända svårigheter med att mäta höftledsrörelse med traditionell optisk rörelsefångstteknik. För det första är leden relativt djup inuti kroppen, så att placeringen av höftledscentret är svår att både identifiera och spåra dynamiskt med hjälp av optisk hudmarkörrörelsefångst, med fel i samma storleksordning som lårbenshuvudetsradie 10,11. För det andra är höftleden omgiven av stor mjukvävnad bulk, inklusive subkutant fett och muskler, som rör sig i förhållande till det underliggande benet, vilket resulterar imjukvävnad artefakt 12,13,14. Slutligen, med hjälp av optisk spårning av hudmarkörer, utvärderas kinematik i förhållande till generaliserad anatomi och ger därför inte insikt i hur subtila morfologiska skillnader kan påverka ledens biomekanik.

För att ta itu med bristen på korrekt kinematik i kombination med ämnesspecifik benmorfologi har både enkla och dubbla fluoroskopisystem utvecklats för att analysera andra naturliga ledsystem15,16,17. Denna teknik har dock först nyligen tillämpats på den inhemska höftleden, sannolikt på grund av svårigheten att förvärva högkvalitativa bilder genom mjukvävnaden som omger höften. Metoden för att noggrant mäta in vivo hip gemensamma rörelse och visa denna rörelse i förhållande till ämnesspecifika ben anatomi beskrivs häri. Den resulterande arthrokinematics ger en oöverträffad förmåga att undersöka det subtila samspelet mellan benmorfologi och biomekanik.

Häri har förfarandena för att förvärva och bearbeta dubbla fluoroskopi bilder av höften under aktiviteter i det dagliga livet beskrivits. På grund av önskan att fånga helkropps kinematik med optisk markörspårning samtidigt med dubbla fluoroskopibilder kräver datainsamlingsprotokollet samordning mellan flera datakällor. Kalibrering av det dubbla fluoroskopisystemet använder plexiglasstrukturer implanterade med metallpärlor som direkt kan identifieras och spåras som markörer. Däremot spåras dynamisk benrörelse med hjälp av markörlös spårning, som endast använder den CT-baserade radiografitätheten hos benen för att definiera orientering. Dynamisk rörelse spåras sedan samtidigt med dubbla fluoroskopi- och rörelsefångsdata som synkroniseras rumsligt och tidsmässigt.

Systemen synkroniseras rumsligt under kalibreringen genom samtidig avbildning av en kub med både reflekterande markörer och implanterade metallpärlor och generering av ett gemensamt koordinatsystem. Systemen synkroniseras tidsmässigt för varje aktivitet eller fångas genom användning av en delad elektronisk utlösare, vilket skickar en signal för att avsluta inspelningen av de dubbla fluoroskopikamerorna och avbryter en konstant 5 V-ingång till rörelsefångssystemet. Detta samordnade protokoll möjliggör kvantifiering av positionen för kroppssegment som faller utanför det kombinerade synfältet för det dubbla fluoroskopisystemet, uttryck för kinematiska resultat i förhållande till gångnormaliserade händelser och karakterisering av mjukvävnadsdeformationen runt lårbenet och bäckenet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Förfaranden som beskrivs i detta protokoll godkändes av University of Utah Institutional Review Board.

1. CT arthrogram imaging

  1. Arthrogram18
    1. Schemalägg en utbildad muskuloskeletal radiolog för att utföra artrogrammet direkt före den schemalagda CT-avbildningen.
    2. Placera deltagaren på bordet med höften av intresse för synfältet för ett kliniskt fluoroskop. Placera sandsäckar på vardera sidan av fotleden för att förhindra rotation av ben och höft.
    3. Förbered huden för att skapa en steril miljö. Markera den plats där nålen kommer att sättas in (lårbenskorsningen mellan huvud och hals) och bedöva mjukvävnaden på injektionsstället med 2-5 ml 1% lidokain.
    4. Förbered en lösning på 20 ml 1% lidokain, 10 ml iohexol injektion och 0,1 ml 1 mg/ml (1:1000) adrenalin i en 30 mL luer lås spruta.
    5. Två till fem minuter efter lidokainjektionen, sätt in en ryggradsnål bara tills den kommer i kontakt med lårbenshalsen; kontrollera nålens placering genom fluoroskopi. Injicera en liten del av den beredda lösningen (<5 ml) och se till att den injicerade vätskan finns i ledkapseln med en bild från fluoroskopi.
    6. Injicera 20-30 ml av kontrastblandningen. När ytterligare motstånd mot injektionen observeras, låt en studiegruppmedlem manuellt applicera dragkraft på höften genom att dra i deltagarens fotled medan deltagaren griper tag i bordets huvudgavel för att motstå överkroppens rörelse. Injicera den återstående kontrastblandningen, efter behov.
    7. Kontrollera genom fluoroskopi att kontrastmedlet fyller ledutrymmet och täcker lårbenshuvudet när dragkraft appliceras.
    8. Överför patienten till CT-skannern i rullstol eller säng för att minimera kontrastförlusten i ledkapseln.
  2. Traction och CT-avbildning
    1. Hjälp deltagaren till en överlägsen position på CT-gantry.
    2. Placera harens dragskena under benet av intresse, vilket säkerställer att den proximala vadderade stången vilar bara distala till ischiumet. Fäst krok- och öglabanden runt deltagarens lår och fotled och applicera lätt dragkraft.
    3. Skaffa en scoutbild och ställ in synfältet så att det inkluderar hela bäckenet och proximala lårben till strax under den mindre trochantern för höfterna. Ställ in ett separat synfält för att inkludera de distala lårbenen och proximala skenbenen för knäna.
    4. Applicera ytterligare dragkraft (ha en medlem av forskargruppen dra i fotleden medan en annan drar åt harens dragskena) för att säkerställa separation av det gemensamma utrymmet. Skaffa bilder vid 120 kVp, 1,0 mm skiva tjocklek, 200 - 400 mAs för höften och 120 kVp, 3,0 mm skiva tjocklek och 150 mAs för knäna. Använd CARE Dose, en automatiserad exponeringskontroll som modulerar rörström efter bildkvalitet, för att minimera strålningsbördan för deltagaren.
    5. Släpp och ta bort harens dragskena. Hjälp deltagaren till en stående position och se till att de känner sig bekväma med att lägga vikt och vara mobila på lemmen innan de tillåter dem att lämna.

2. Dubbel fluoroskopiavbildning

  1. Systeminställningar
    1. Applicera antropometri19 för att uppskatta höftledens höjd baserat på deltagarens rapporterade höjd och använd denna mätning för att uppskatta önskad höjd i mitten av systemets synfält.
    2. Placera bildförstärkarna cirka 50° från varandra på sidan av det instrumenterade löpbandet som motsvarar den höft av intresse (figur 1).
    3. Placera röntgenemittrarna som ska pekas mot bildförstärkarna. Se till att avståndet mellan sändarkällan och bildens förstärkare är cirka 100-110 cm.
      OBS: Det rekommenderade avståndet mellan sändarkällan och bildförstärkarens ansikte varierar beroende på systemspecifikation och kollegialatorn i röntgenavsändaren.
    4. Anslut mitten av bildförstärkarens mitt och motsvarande röntgenavsändare för varje fluoroskoppar med strängar eller mätband. Kontrollera att strängarna (eller banden) korsar önskad plats (dvs. på höftledens förväntade plats).
    5. Fäst plattan med tre lasrar på sändaren och spegeln på bildförstärkaren. Slå på lasrarna och förfina justeringen av varje emitter- och bildförstärkare baserat på laserns reflektion tillbaka till laserkällan.
  2. Kalibreringsbilder
    1. Förbered för användning av strålning genom att ta på dig bly och placera skyltar på ingångarna till rummet. Minimera exponeringen genom att låta personalen bära skydd som inkluderar en blyad väst, kjol, handskar och glasögon. Slå på fluoroskopen och låt systemen värmas upp vid behov.
    2. För alla kalibreringsbilder ställer du in fluoroskopen på 64 kVp och 1,4-1,6 mA, eller på annat sätt.
    3. Öppna kamerakontrollprogramvaran på datorn och välj lämpliga kameror som slav och master. Använd extern synkronisering till huvudkameran från slavkameran för att synkronisera de två kamerorna.
      OBS: För alla inspelade aktiviteter, spara samma ramar från båda dubbla fluoroskopikameror; bildrutor identifieras med ett tal som representerar antalet bildrutor före den elektroniska utlösarsignalen.
    4. Kontrollera systemets inriktning genom att fästa en cirkulär metallbricka i mitten av bildförstärkaren och fästa hårkorsfixturen på sändaren.
      OBS: När justeringen har verifierats är det viktigt att undvika att kontakta systemet.
    5. Fäst plexiglasgallret på en av bildförstärkarna med skruvar; minimera den kraft som används i denna process för att undvika att ändra justeringen. Skaffa fluoroskopibilder och spara 100 bildramar från varje dubbel fluoroskopikamera i rutnätet. Ta bort rutnätet och upprepa processen för den andra bildförstärkaren.
    6. Placera 3D-kalibreringskuben inom det kombinerade synfältet för de två fluoroskopen. För att göra detta, placera kuben på en pall eller plattform som är radiotranslucent och visuellt verifiera att det mesta eller hela kuben ligger inom synfältet. Orientera kuben så att kalibreringspärlorna inte överlappar varandra för vare sig dubbel fluoroskopikameravy. Hämta bilder och spara 100 bildramar i kuben.
    7. Innan du flyttar kuben mäter och registrerar du den ungefärliga platsen för kubens ursprung från varje sändare med hjälp av kubens koordinatsystem. Ta bort kuben och alla tillhörande plattformar.
    8. Mät och registrera avståndet mellan sändarkällan och bildförstärkarens framtapp för varje fluoroskop.
    9. Fäst pärl plexiglaset på en lång stång eller linjal med ett gummiband och flytta det slumpmässigt för att ge rörelser som sträcker sig över hela systemets synfält. Se till att forskningspersonalen är medveten om strålnings- och slitageskyddets väg för att minimera exponeringen (se steg 2.2.1). Spara 100 bildramar av rörelsen.
    10. Återställ bildklockan som används för att spåra exponeringstiden.
  3. Statisk försök och justering av parametrar
    1. Mät höjden på den större byxen för att säkerställa att systemhöjden är lämplig för deltagaren.
      1. Palpate låret för att hitta den beniga framträdandet av den större trochanter och hitta den mest överlägsna punkten, som är möjligt.
      2. Eftersom den överlägsna större trochantern är ungefär i samma höjd som höftleden, mät höjden från golvet till denna punkt och jämför den med höjduppskattningen som används för att ställa in det dubbla fluoroskopisystemet.
      3. Justera vid behov systemhöjden och kalibrera om medan deltagaren förbereds för datainsamling.
    2. Bekanta deltagaren med fluoroskopisystemet och informera dem om att de måste meddela forskargruppen om de kommer i kontakt med någon av utrustningen under avbildningssessionen, eftersom kontakt med systemet påverkar noggrannheten i deras data negativt.
    3. Få deltagaren att kliva in på löpbandet och stå inom synfältet på det dubbla fluoroskopisystemet. Kontrollera deltagarnas anpassning ur varje sändares perspektiv och notera denna position ur perspektivet där varje medlem i forskargruppen kommer att stå eller sitta under bildbehandling.
    4. Uppskatta avbildningsparametrarna (kVp och mA för varje sändare och exponeringen av de dubbla fluoroskopikamerorna) baserat på deltagarens kroppsmasseindex (BMI) och ställ in varje fluoroskop i enlighet därmed.
      OBS: För den refererade kohorten varierade fluoroskopiinställningarna från 78 till 104 kVp och 1,9-3,2 mA med kameraexponeringar på 4,5-7,0 ms.
    5. Skaffa bilder på deltagaren under stående och utvärdera bilderna för kontrast och synfält.
      OBS: Ökad kVp är förknippad med ökad röntgenspridning (ökar bruset och minskar kontrasten), lägre bildupplösning och lägre kontrast.
    6. Justera parametrarna och/eller deltagarnas justering och upprepa bildförvärvet vid behov.
    7. Spara 100 bildrutor av de slutliga bilderna så att de kan användas som en statisk utvärderingsversion.
  4. Dynamiska försök (Figur 2)
    1. Innan den dubbla fluoroskopiavbildningen börjar, få deltagaren att gå ett känt avstånd medan han eller hon är tidsend. Använd detta för att bestämma den självvalda gånghastigheten för både nivå- och lutningsvandring på löpbandet.
    2. Låt deltagaren göra en blyad sköldkörtelkrage för att skydda sköldkörteln.
    3. Under dynamiska förvärv, be forskaren bemanna den dubbla fluoroskopikamerakontrollen vid den dubbla fluoroskopi arbetsstationen steg bakom blyskölden och titta på deltagaren genom visningsfönstret på skölden (Figur 3).
    4. För utförandet av alla vandringsförsök:
      1. Informera deltagaren innan du startar löpbandets bälte. Öka löpbandets hastighet upp till lämplig gånghastighet och låt deltagarens gång normaliseras innan bilderna samlas in.
      2. För varje gångaktivitet, förvärva och spara minst två fulla gångcykler.
      3. För den lutande gångaktiviteten, få deltagaren att kliva av löpbandet. Lås upp löpbandet, ställ in lutningen på 5°och lås löpbandet igen innan deltagaren går tillbaka till löpbandet för att utföra aktiviteten.
      4. Upprepa avbildningen så att aktiviteten registreras två gånger.
      5. Upprepa samma process (steg 2.4.4.3) för att sänka löpbandet när aktiviteten är klar.
    5. För pivotaktiviteterna:
      1. Få deltagaren att rotera sin kroppsposition och fötter ca 45° från framsidan av löpbandet mittemot svängriktningen. Om så önskas, se till att varje fot placeras helt på ett enda bälte i löpbandet med dubbla bälten för att möjliggöra enkel bearbetning av kraftplåtsdata.
      2. Se till att deltagaren utför flera svängningar till och från sitt slutområde medan han tittar efter bäckenets inriktning i slutet av rörelseområdet. Se till att rörelsen utförs smidigt eftersom pivoten inte kräver acceleration för att uppnå den slutliga positionen.
      3. Baserat på bäckenets position vid slutet av rörelseområdet, få deltagaren att rotera och/eller översätta fötterna så att bäckenet är vänd framåt på löpbandet och höften av intresse är i mitten av det kombinerade synfältet på fluoroskopen i slutet av pivoten.
      4. När positionen är optimerad, få deltagaren att utföra pivoten under dubbel fluoroskopiavbildning och spara alla ramar där lårbenet och bäckenet är synliga i både dubbla fluoroskopikameravyer (cirka 200-400 bilder) centrerade om rörelseområdet och fångar så mycket av pivoten som möjligt.
      5. Upprepa avbildningen så att aktiviteten registreras två gånger.
    6. För kidnappnings-adduction aktivitet:
      1. Se till att deltagaren står i fluoroskopens synfält och höjer intressebenet cirka 45° ut till sin sida. Påminn deltagaren om att undvika bålrörelse och minska rörelseområdet om det behövs.
      2. Skaffa och spara alla ramar där lårbenet och bäckenet är synliga i både dubbla fluoroskopikameravyer (cirka 200-400 bilder).
      3. Upprepa avbildningen så att aktiviteten registreras två gånger.
    7. För den dynamiska höftledens centrum eller stjärnbågens aktivitet20
      1. Se till att deltagaren står i synfältet på det dubbla fluoroskopisystemet och höjer och sänker benet framifrån och vid 45° steg på 180°, vilket slutar med en bakre höjning och lägre ben. Innan du lägger benet tillbaka ner på marken, få deltagaren att omskära benet och återgå till en stående position.
    8. När deltagaren är bekväm med rörelsen och kan slutföra den på cirka 6-8 s, förvärva och spara bilder av aktiviteten.
      OBS: Endast en aktivitet fångas med dubbel fluoroskopi på grund av studiens längd.
  5. Ytterligare kalibreringsbilder
    1. Om deltagaren vid något tillfälle under datainsamlingen tror att de kan ha kommit i kontakt med någon del av den fluoroskopiska utrustningen, avbilda rutnäten och kuben och spara alla filer för kalibrering.
    2. När datainsamlingen är klar avbildar du rutnäten och kuben och sparar alla filer för kalibrering för att fungera som en säkerhetskopia om några problem uppstår med den första kalibreringen.

3. Rörelsefångst av hudmarkör och instrumenterat löpband

  1. Systeminställningar
    1. Fokusera det optiska rörelsefångstsystemet på löpbandet (Bild 3). På grund av de potentiella problemen med att visualisera deltagaren när det gäller det dubbla fluoroskopisystemet, var beredd att exakt placera de infraröda kamerorna för att säkerställa korrekt visualisering (figur 2).
    2. Slå på systemet och använd en uppsättning markörer för att säkerställa att det dubbla fluoroskopisystemet inte förhindrar visualisering av önskat synfält.
    3. Kontrollera att markörerna är tydliga och cirkulära och justera fokus för de infraröda kamerorna vid behov.
    4. Se till att fluoroskopen är täckta för att minska eventuella reflekterande ytor. Granska varje infraröd kamera och maskera kameravyn om de reflekterande objekten inte kan täckas över.
    5. Ställ in rörelsefångstprogramvaran för att läsa in en extern 5 V-signal från den elektroniska utlösaren som används för att avsluta kameraförvärvet av det dubbla fluoroskopisystemet. Använd den här utlösaren för att synkronisering av data från de två systemen.
  2. Kalibrering
    1. När systemet är på och klart använder du den aktiva kalibreringsstaven för att samtidigt kalibrera de optiska och infraröda rörelseinspelningskamerorna. Se till att hela regionen i det dubbla fluoroskopisystemet fångas noggrant under kalibreringen samtidigt som kontakt med någon utrustning undviks.
      OBS: Trollstavsrörelser som liknar mat i en stekpanna har fungerat bra.
    2. På grund av de hinder som orsakas av det dubbla fluoroskopisystemet kan kalibreringsvärdena vara sämre än vad som vanligtvis observerats för optisk rörelsefångst. Utför kalibreringen så att alla infraröda kameror har bildfel under 0,2.
      Bildfelet för videokameran kommer att vara högre, men fortfarande mindre än 0,5. Videokameran används inte specifikt för någon kvantifiering av rörelse, endast för visuell inspelning av rörelsefångst.
    3. Under förvärvet av kubförsöket för dubbel fluoroskopi, fånga också kuben med rörelsefångst infraröda kameror. Se till att kuben har reflekterande markörer fästa på den för att positionen ska avbildas med kameror från både rörelsefångst och dubbla fluoroskopisystem.
  3. Marköruppsättning och placering
    1. Innan deltagaren anländer, klipp och applicera dubbelsidig tejp (toupee tejp) på basen av 21 sfäriska reflekterande hudmarkörer. För att säkerställa markörens livslängd, se till att tejpen eller något skal inte kommer i kontakt med de reflekterande markörerna.
    2. För var och en av de fem markörplattorna (två på skaftet, två på låret, en på baksidan; Bild 4), applicera spraylim på tygbandets hudsida och linda det tätt runt deltagaren. Kontrollera med deltagaren att remmarna känns täta (men inte obekväma). Rengör händerna på överflödigt spraylim innan du vidhäftar resten av marköruppsättningen.
    3. Applicera fem markörer, som endast används för kalibrering, på nyckelbenet, mediala knän respektive mediala malleoli.
    4. Applicera de återstående 16 markörerna på de främre överlägsna iliaca ryggraderna (ASIS), bakre överlägsna iliaca ryggrader (PSIS), större trochanter av lårbenet som avbildas, axlar, bröstben, laterala knän, laterala malleoli och fötter (Figur 4).
    5. Be deltagaren att informera studieteamet om några markörer eller remmar lossnar under datainsamlingen.
  4. Statisk utvärderingsversion
    1. I samband med den statiska stående rättegången från dubbel fluoroskopi, fånga en stående rättegång för rörelsefångst.
    2. Märk alla markörer. Om några markörer inte visas av minst tre infraröda kameror under den förvärvade statiska aktiviteten, återta en statisk bild för att säkerställa att alla markörer är synliga.
    3. Ta bort kalibreringsmarkörerna och låt deltagaren göra en sköldkörtelkrage för att ge strålskydd under återstoden av datainsamlingen.
  5. Dynamiska försök
    1. För var och en av de dynamiska prövningarna som fångas med det dubbla fluoroskopisystemet, förvärva motion capture-video, vilket säkerställer att hela varje dubbel fluoroskopivideo ligger inom gränserna för förvärvet av rörelsefångst.
    2. Se till att brytningen i 5 V-signalen från den elektroniska utlösaren av det dubbla fluoroskopisystemet fångas upp i varje försök.

4. Förbearbetning av bilder

  1. CT-baserad modell
    1. Segmentera det proximala och distala lårbenet på sidan av intresse och hela bäckenet, eftersom dessa ben används för spårning och / eller samordna systemgenerering.
    2. Se till att segmenteringarna är representativa för benformen i alla tre bildplan och verkar relativt släta.
      OBS: Förmågan att analysera artrokinematics är beroende av att få högkvalitativa rekonstruktioner genom noggrann segmentering.
    3. Konvertera bilddata till osignerad röding (8 bitar) och justera vid behov med förskjutning och skalning för att skapa en bild med intervallet 0 till 255.
    4. Isolera endast benregionen i den konverterade bilden och beskär runt benets gränser. Registrera dimensionerna på de beskurna bilderna.
    5. Spara som 2D TIFF-format.
    6. Öppna bilden, ändra typen till 16-bitarsoch spara den som en enda 3D TIFF-fil.
  2. Ytrekonstruktion
    1. Generera ytor från segmenteringsetiketterna, släta och decimate ytorna iterativt, vilket säkerställer att ytorna aldrig reduceras med mer än hälften i någon enskild iteration.
      OBS: Med hjälp av den beskrivna processen är mål antalet ansikten cirka 30 000 för varje proximal och distala lårbensyta och 70 000 för varje hemi-bäckenyta.
    2. Exportera varje yta som ett ytnät i *.vtk-format för användning som modellfil för identifiering av landmärken.
  3. Identifiering av landmärken för koordinatsystemet
    1. Identifiera femurets landmärken för generering av lårbenskoordinatsystemet (figur 5).
      OBS: Parametrarna nedan är specifika för de refererade datauppsättnings- och bildprotokollen. värden kan behöva ändras för att välja landmärken på lämpligt sätt.
      1. Öppna det proximala lårbenet som modellfil. Öppna verktygsfältet Post och datapanelen om du vill lägga till ett standardfält med 1-Princ Curvature, välj en jämnhet på 10 och visualisera sedan resultatet. Övermarkera lårbenshuvudets ytor och använd alternativet välj intervall på redigeringspanelen för att endast inkludera negativ krökning. Avmarkera markerade ansikten som inte tillhör lårbenshuvudet. Exportera denna lårbenshuvudyta som ett ytnät i *.k-format för en sfär som passar för att bestämma mitten av lårbenshuvudet.
      2. Använd en liknande process, applicera 1-Princ Curvature på det distala lårbenet med jämnheten 5 och välj igen intervall för att endast inkludera ansikten med negativ krökning. Exportera denna femorala kondyle yta för en cylinder passform för att bestämma den mediala laterala axeln.
      3. Applicera 2-Princ Curvature på det distala lårbenet med en jämnhet av 3. Markera epicondyles åsar och välj intervall med en övre cut-off på -0,1. Exportera dessa ansikten för att generera ett plan och använd det för att isolera ansiktena på de bakre kondylerna för cylinderpassning.
    2. Identifiera bäckenets landmärken för generering av bäckenkoordinatesystemet (figur 5).
      OBS: Parametrarna nedan är specifika för de refererade datauppsättnings- och bildprotokollen. värden kan behöva ändras för att välja landmärken på lämpligt sätt.
      1. För varje hemi-bäcken, applicera 2-Princ Curvature med en jämnhet på 5 och välj intervall för att endast inkludera positiva ansikten för att isolera acetabulumets månyta. Exportera månens yta och använd en sfär som passar för att bestämma acetabulumens centrum.
      2. Applicera 2-Princ Curvature igen med en jämnhet på 2 och välj alla ansikten med krökning mindre än -0,15 för att markera bäckenets ryggrader. Välj punkter på kanten av dessa ryggrader som bäst representerar ASIS och PSIS som landmärken och spela in dem.

5. Spårning av benrörelser

  1. Kalibrering
    1. Identifiera 12 pärlor i var och en av kubbilderna från de dubbla fluoroskopikamerorna (samlade i steg 2.2.6). Baserat på de kalibrerade avstånden mellan var och en av kubens pärlor och mätningarna av kubens placering i det dubbla fluoroskopisystemet, bestämmer du den rumsliga orienteringen för varje fluoroskop genom minimering av summa av kvadratprojektionsfel mellan de projicerade och kända pärlplatserna.
    2. Använd rutnätsbilderna för att korrigera för bildförvrängning och tillämpa korrigeringen på alla bilder som är associerade med rutnätsbilden.
    3. Använd rörelsebilderna för att kvantifiera systemets dynamiska noggrannhet och använd markörbaserad spårning för att spåra det.
  2. Markörlös spårning
    1. Lägg till platsen för de valda landmärkena i den benspecifika parameterfilen och samla in den dynamiska positionen för dessa landmärken i det dubbla fluoroskopisystemet som utgång för alla spårade ramar.
    2. Bestäm vilka bildrutor som ska spåras (baserat på kinematiska data från rörelsefångst, se steg 6.1.2) och öppna den markörlösa spårningsprogramvaran med den tillhörande benspecifika parameterfilen.
    3. Välj en ram inom önskat intervall med god visualisering av benet och orientera manuellt den CT-baserade digitalt rekonstruerade röntgenbilden (DRR) av det beskavliga benet (antingen det proximala lårbenet eller hemi-bäckenet) med hjälp av de sex frihetsgrader som finns tillgängliga i programvaran (figur 6).
      OBS: Eftersom de flesta försök börjar i en position som liknar stående, kan denna ursprungliga position sannolikt användas som en första startpunkt för alla försök.
    4. När DRR för benet verkar väljusterat i båda vyerna sparar du lösningen genom att klicka på knappen Manuell på panelen Lösningar.
      OBS: Varje gång en lösning sparas ritas orienteringsparametrarna och den normaliserade korrelationskoefficienten som referens. Den normaliserade korrelationskoefficienten beräknas baserat på alla pixlar med icke-nollvärden för både fluoroskopet och ben-DRR.
    5. Använd DHS-optimeringssteget (Diagonal Hessian Search) genom att klicka på DHS-knappen på panelen Lösningar och granska resultatet. Om det optimerade resultatet är att föredra går du till nästa bildruta. Annars gör du nödvändiga justeringar och gör om genom att klicka på knappen Manuell på lösningspanelen. Upprepa det här steget tills en tillfredsställande lösning hittas.
      OBS: Vid dålig bildkontrast kanske optimeringsalgoritmen inte alltid ger ett tillfredsställande resultat.
    6. För var femte bildruta upprepar du den här processen med lösningen för föregående bildruta som utgångspunkt. Använd DHS-optimeringen för att automatisera processen.
    7. För att slutföra det första spårningspasset använder du ett annat verktyg som interpoleras via linjär projektion (LP) och optimerar lösningar mellan de spårade bildrutorna genom att klicka på knappen Intervall för LP + DHS på panelen Lösningar. I fönstret anger du den uppsättning ramar som ska spåras och de två bildrutor som ska användas som referens.
      OBS: De två referensramarna kan vara alla ramar i den identifierade uppsättningen ramar. Användningen av den första och sista ramen ger dock gränser för benens orientering inom ramområdet, vilket kan vara fördelaktigt när kontrasten är låg.
    8. Granska och förfina varje bildruta i utvärderingsversionen med hjälp av både manuella och DHS-baseradelösningar. Använd parameterdiagrammet för att säkerställa att korrelationskoefficienten är tillräckligt hög och att benets orientering inte har plötsliga hopp i någon parameter.
    9. För att säkerställa korrekt spårning, be en annan forskare granska lösningen för varje ram och göra nödvändiga ändringar i lösningarna.
    10. Upprepa steg 5.2.1-5.2.9 för varje ben.
  3. Visualisering av rörelse
    1. Öppna lårbens- och bäckenytorna i programvaran för kinematisk visualisering. Vid behov konvertera ytorna till maskor med hjälp av funktionen konvertera till nät. Välj båda ytorna och exportera som ytnät i *.k-format.
    2. Använd utdata från spårning och generera en textfil med koordinatomvandlingarna för varje ben och ram.
      OBS: Ytorna måste matcha omformningsordningen.
    3. För visualisering av kinematik, använd kinematverktyget och ovanstående två filer från steg 5.3.1 och 5.3.2 för att animera kinematiken. Kontrollera att den animerade kinematiken ser rimlig ut och att ytorna har lämpligt avstånd mellan dem med hjälp av antingen en halvgenomskinlig yta eller ytavståndsverktyget. Återgå vid behov till steg 5.2.8.

6. Dataanalys

  1. Hudmarkör kinematik
    1. I motion capture-programvaran, batchprocessa alla filer för att tillämpa den statiska modellen och etikettmarkörerna. När rättegången är klar tar du bort alla omärkta banor.
      OBS: På grund av hinder i det dubbla fluoroskopisystemet kan mer manuell gapfyllning än vanligt krävas.
    2. Använd kinematiska data och kraftplåtsdata för att identifiera dynamiska händelser, till exempel tå-off eller hälslag under gång eller maximalt rörelseområde för pivoterande aktiviteter. Bestäm de ramar som är av intresse för spårning av data med dubbla fluoroskopi.
    3. Exportera alla försöksdata för kinematisk bearbetning i *.c3d-format, inklusive både analoga data (dvs. trigger- och kraftplåtsdata) och markörbanor.
    4. Använd önskad modellmallfil (sparad som *.mdh-filformat) på den statiska utvärderingsversionen och tilldela sedan den här modellen till rörelsefilerna.
      OBS: För analys användes en lägre lem modell med en generaliserad International Society of Biomechanics (ISB) head-abdomen-thorax (HAT) segment och CODA bäckenet, en bäcken segment modell definieras av de två ASIS och centrum av PSIS landmärken.
  2. Dubbel fluoroskopi kinematik
    1. Isolera ramar av intresse, se till att endast sammanhängande ramar som spåras för både lårbenet och bäckenet ingår.
    2. Filtrera landmärkespositioner med hjälp av ett Butterworth-filter med lågpass(0,12 normaliserad brytfrekvens från restanalys och4:e orderfilter).
    3. Använd landmärkena filtrerade positioner under varje rörelseförsök för att spåra lårbenskoordinatsystemets dynamiska position (figur 5).
      1. Definiera lårbenets ursprung som femoralhuvudets sfärpassning.
      2. Definiera lårbensaxeln (sämre axel) mellan knäets mitt och ursprunget och peka överlägset.
      3. Definiera lårbenets x-axel (medial-lateral axel) som den långa axeln på en cylinder monterad på lårbenskondylerna, som pekar åt vänster. För att isolera kondylerregionen som ska representeras med en cylinder, montera ett plan på epicondyle-ytorna och isolera den bakre delen av lårbenskondylarna.
      4. Definiera lårbenets y-axel (främre bakre) som korsprodukten av de definierade z- och x-axlarna och peka bakre. Korrigera x-axelns orientering för att skapa ett orthogonalt koordinatsystem.
    4. Använd landmärkena filtrerade positioner under varje rörelseförsök för att spåra bäckenkoordinatsystemets dynamiska position (bild 5).
      1. Definiera bäckenets ursprung som centrum för de två ASIS-landmärkena.
      2. Definiera bäckenets y-axel (främre-bakre axeln) mellan mitten av de två PSIS-landmärkena och ursprunget och peka främre.
      3. Definiera bäckenets x-axel (medial-lateral axel) mellan ursprunget och det högra ASIS-landmärket och peka åt höger.
      4. Definiera bäckenets z-axel (sämre axel) som korsprodukten av de definierade x- och y-axlarna och peka överlägset. Korrigera x-axelns orientering för att skapa ett orthogonalt koordinatsystem.
    5. Generera rotationsmatrisen mellan koordinatsystemen och beräkna ledkinematik per MacWilliams och kollegornas ekvation 11 (figur 7)21.
    6. Beräkna gemensamma översättningar genom att omvandla vektoravståndet mellan femoralhuvudets sfärpassningscentra och acetabulumets månyta till bäckenkoordinatsystemet.
      OBS: Detta ger en enda vektor för att representera gemensam översättning för varje bildram.
  3. Arthrokinematics
    1. Visualisera kinematiken enligt beskrivningen i steg 5.3 för att animera ämnesspecifik artrokinematik (figur 8).
    2. Applicera datafältet för ytavstånd för att mäta avstånden mellan lårbens- och bäckenytorna under varje dynamisk aktivitet (figur 8).
      OBS: Dessa uppgifter ger också kvantifiering av det relativa avståndet mellan gemensamma ytor men kräver tolkning för att kvantifiera gemensam översättning.
    3. Exportera yt-till-ytavstånd med hjälp av ytavståndsverktyget för att kvantifiera data för alla deltagare.
  4. Jämförelse med rörelsefångst av hudmarkör
    1. Med hjälp av kubbilderna och utlösaren från varje rörelseförsök synkroniserar rumsligt och tidsmässigt de dubbla fluoroskopi- och rörelseinspelningssystemen.
    2. Omvandla de landmärkesplatser som används för rörelsefångst av hudmarkörer (dvs. ASIS, PSIS, kondyler) från det markörlösa spårningskoordinatesystemet till koordinatsystemet för rörelsefångst.
    3. Kombinera dessa data med markörplatserna från rörelsefångst och import av hudmarkörer för kinematisk och kinetisk analys och rapportering. Justera analysen för att använda antingen dubbla fluoroskopi- eller hudmarkörplatser för varje landmärke och jämföra landmärkeplatser och kinematik mellan de två systemen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Med dubbla fluoroskopi som referensstandard kvantifierades noggrannheten hos hudmarkörbaserade uppskattningar av höftledens centrum och effekten av mjukvävnadsartefakt på kinematiska och kinetiskamätningar 22,23,24. Den överlägsna noggrannheten hos dubbel fluoroskopi användes sedan för att identifiera subtila skillnader i bäcken- och höftledskinematik mellan patienter med FAIS och asymtomatiska kontrolldeltagare25. Dubbelfluoroskopi-baserade arthrokinematics analyserades för att kvantifiera höftled täckning, förhållandet mellan morfologi och kinematik och ben-till-ben avstånd under dynamiska rörelser26,27,28,29.

Innan ett protokoll utvecklades för att undersöka viktbärande höftledskinematik validerades systemet i kadaveriska exemplar med implanterade metallpärlor under supine kliniska undersökningar med en noggrannhet inom 0, 5 mm och 0, 6°30. När kinematiken validerades mättes den med dubbla fluoroskopi hos patienter med FAIS och asymtomatiska kontrolldeltagare. Resultaten visade att patienter hade ändrat rörelse i både intern rotation och adduction31.

Med hjälp av viktbärande dubbel fluoroskopi som referensstandard analyserades felet i att identifiera platsen för höftledscentret samt de fel som orsakas av mjukvävnadsartefakten. Funktionella metoder för att identifiera höftledscentrum, dvs. Dynamiska fel i höftledscentret liknade dem från stående; emellertid tillskrevs ytterligare 2,2 mm falska hip led centrum rörelse till mjukvävnad artefakt, med fel på mer än 5 cm under dynamisk rörelse för större trochanter markör23.

Förutom felen i identifieringen av höftledscentrum underskattades ledvinklarna med större än 20° i interna-externa rotations pivoter23. Medan underskattningen av kinematik är oroande i sig, minskade dessa fel det uppmätta rörelseområdet och beräknade kinetiska variabler under även ett lågt utbud av rörelseaktiviteter, såsom gång24. Exakta dubbla fluoroskopi kinematiska data kan dock vara svårt att införliva i muskuloskeletala modeller. Specifikt var modellmarkörfel cirka 1 cm när man körde omvänd kinematik med dubbla fluoroskopibaserade landmärkeplatser. Även om detta fel är relativt litet jämfört med de 5 cm fel på grund av mjukvävnad artefakt som finns för hud markör rörelse fångst data, är ett sådant fel en storleksordning större än för ben positioner mätt med dubbla fluoroskopi.

Förutom kvantifiering av fel i traditionell hudmarkör rörelsefångst, noggrannheten och metoden bakom dubbel fluoroskopi ger förmågan att utvärdera även subtila skillnader i kinematik mellan kohorter, som annars kan döljas av felen i mättekniken. Medan skillnader i hip led kinematik observerades inte mellan patienter med cam FAIS och asymtomatiska kontroll deltagare, identifierades skillnader i bäckenhålorna kinematik som skulle ha varit svårt att upptäcka i närvaro av mjukvävnad artefakt25. Denna bedömning krävde en direkt jämförelse mellan kohorter. Dessutom undersöktes det potentiella förhållandet mellan kinematisk variation och benmorfologi, såsom femoral anteversion, också27. Dessa resultat anges behovet av övervägande av både morfologi och biomekanik vid diagnos av hip patologier och planering av konservativa eller kirurgiska behandlingar.

Ett stort hinder i användningen av biomekaniska data i en klinisk vårdinställning är skillnaden i koordinatsystem som används av biomekaniker och kliniker. I ett biomekaniklabb drivs landmärken som används för att definiera koordinatsystem för lårbenet och bäckenet av förmågan att identifiera och spåra landmärken från hudytan under dynamisk rörelse. Däremot definieras kirurgiska koordinatsystem med beniga landmärken identifierbara under kirurgi med en patient supine eller benägen. Den direkta spårningen av lårbenet och bäckenet i dubbel fluoroskopi gjorde det möjligt att utvärdera påverkan av olika koordinatsystemdefinitioner på kinematisk utgång29. Skillnaderna mellan koordinatsystemdefinitioner resulterade i kinematiska förskjutningar som var större än 5°. Dessa kompensationer var dock relativt konsekventa under rörelse och kunde redovisas genom benig landmärkeidentifiering.

Kombinationen av ämnesspecifik benmorfologi och kinematik – artrokinematik – ger en bedömning på lednivå av form och funktion. För patienter med DDH, femorala undertäckning tros vara orsaken till degeneration, och därför används mätningar av täckning kraftigt i diagnos och kirurgisk planering. Tyvärr är dessa mätningar ofta begränsade till statiska bilder, erhållna med en individuell supine, och endast i två dimensioner. Dubbel fluoroskopi-härledd arthrokinematics användes för att direkt mäta variationen i femoral täckning under dynamiska aktiviteter26. Viktigt, starka korrelationer mellan täckning i stående och täckning under gång när utvärderas i sin helhet hittades. Ändå varierade regionaliserad täckning för både främre och bakre regioner i femorala huvudet även under hållningsfasen av gång.

Extra-artikulär impingement är en orsak till smärta i höften och omgivande regionen och beskriver onormal kontakt mellan lårbenet och regionerna i bäckenet utanför acetabulum, inklusive ischium och främre sämre iliaca ryggraden. Den dynamiska karaktären av ischiofemoral impingement utvärderades genom jämförelse av kliniska MRI-baserade mätningar av ischiofemoral utrymme och de under dynamiska aktiviteter28. Däri observerades minskat utrymme dynamiskt i jämförelse med de kliniska standardmåtten. Könsbaserade skillnader, som inte kunde hänföras till kinematiska skillnader, identifierades också. Dessa metoder skulle också kunna tillämpas för att dynamiskt utvärdera det gemensamma utrymmet, vilket ger insikt i variabiliteten hos lårbenshuvudets position i acetabulum och variationen mellan patientkohorter (figur 8).

Figure 1
Figur 1:Överliggande vy över det dubbla fluoroskopisystemet placerat över det instrumenterade löpbandet för en vänster höft. Systemet är placerat för att minimera effekten av scatter och maximera synfältet. Bildförstärkarna är placerade ca 100-110 cm från sändarens källa och vinklade 50° från varandra. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 2
Figur 2: Visa från en deltagares kontralaterala (högra) sida under dynamiska aktiviteter. Deltagaren placeras mellan de två bildförstärkarna (II) så att synfältet för det dubbla fluoroskopisystemet är centrerat över den vänstra höftleden. Nivå- och lutningsvandring, interna och externa rotations pivoter och rörelseaktiviteter utförs på en löpbandsplattform. Förkortning: FHJC = funktionell höftledscentrum. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 3
Figur 3: Överliggande vy över rörelsefångssystemet i förhållande till det dubbla fluoroskopisystemet. Det optiska rörelseinspelningssystemet innehåller 10 infraröda kameror och en enda videobaserad kamera och är placerat på en ram som hänger från taket. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 4
Bild 4:Främre och bakre vy av marköruppsättningen som används för rörelsefångst med hudmarkörer. Det finns fem plattor med fyra markörer vardera, som är placerade på baksidan, låren och skaften av deltagarna; alla andra markörer appliceras direkt på huden. Kalibreringsmarkörer tas bort för dynamisk rörelsefångst. Marköretiketter som är förordade med ett R eller L anger markörer på höger eller vänster sida av kroppen. marköretiketter suffixerade med S, L, R, I, A eller P anger markörplatser på en markörplatta, särskilt överlägsen, vänster, höger, sämre, främre respektive bakre. Förkortningar: *SHO = axel; CLAV = nyckelbenens mitt; STRN = botten av bröstbenet; BACK_* = markörer för plattan placerad på nedre delen av ryggen; *ILC = iliaca vapen; *ASI = främre överlägsen iliaca ryggrad; *PSI = bakre överlägsen iliaca ryggrad; GRT_TRO = större byxförtråga; *THI_* = markörer för respektive plattor placerade på låret; *KNE_M = mediala femorala condyle (knä); *KNE_L = lateral femoral kondyle (knä); *TIB_* = markörer för respektive plattor placerade på skaftet (skenbenet); *ANK_M = mediala malleolus (fotled); *ANK_L = lateral malleolus; *5TH = femte metatarsophalangeal gemensamma; *TOE = första metatarsofalangealleden; *HEE = calcaneus (häl). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 5
Figur 5: Landmärken och koordinatsystem för lårbenet och bäckenet. Landmärken av bilaterala främre överlägsen iliaca ryggrad (ASIS; magenta) och bakre överlägsen iliaca ryggrad (PSIS; cyan) och deras mittpunkter används för att definiera koordinatsystemet för bäckenet. Mitten av lårbenshuvudet (orange) och bilaterala lårbenskondyler (gröna), deras mittpunkt och en cylinderpassning av kondylarna används för att definiera lårbenets koordinatsystem (visas för vänster lårben). Den tredje axeln i varje ben bestäms från korsprodukten av de två visade axlarna. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 6
Figur 6:Dubbla fluoroskopibilder och tillhörande markörlös spårning av en vänster höft. Bilder visas för maximal rotation av de yttre och interna rotations pivoterna (mitten), med bilden från det främre fluoroskopet (vänster) och det bakre fluoroskopet (höger). Markörlösa spårningslösningar för bäckenet (överst) och lårbenet (nederkant) för varje dubbel fluoroskopibild. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 7
Figur 7:Dubbel fluoroskopi mätt kinematik. Kinematik för 100 bildrutor som omger den maximala rotationen (lodrät prickad linje) för externa och interna rotations pivoter för en representativ deltagare. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Figure 8
Figur 8: Arthrokinematiskt ytavstånd mellan ett vänster hemi-bäcken och lårben. Arthrokinematics visas för maximal rotation av den yttre och inre rotations pivoten (mitten) med respektive benmodeller mätta med dubbel fluoroskopi (yttre). Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dubbel fluoroskopi är ett kraftfullt verktyg för undersökning av in vivo kinematik, särskilt för höften, vilket är svårt att exakt mäta med traditionell optisk rörelsefångst. Fluoroskopiutrustning är dock specialiserad, där en unik systeminställning kan krävas vid avbildning av andra leder i människokroppen. Till exempel gjordes flera ändringar i monteringen av bildförstärkarna, positionering av systemet och inställningar av strålenergin vid applicering av dubbel fluoroskopi vid studier av fotledskineematik32,33,34,35. Förutom att kräva betydande studieförberedelser kräver dubbel fluoroskopi förvärv av ytterligare data, inklusive 3D medicinsk avbildning och potentiellt traditionell hudmarkör rörelsefångst för att spåra hela kroppen kinematik, samt lång efterbehandling, inklusive CT bild segmentering och markörlös spårning av förvärvade bilder. Lyckligtvis kan fullt bearbetade data från dubbel fluoroskopi användas i olika applikationer med funktioner som når långt utöver de som är tillgängliga med traditionell rörelsefångst.

Optisk rörelsefångst använder markörernas rörelse på huden för att uppskatta kroppssegmentets positioner, medan strålningsbaserad dubbel fluoroskopi möjliggör direkt mätning av endast benpositionerna. Medan betydande ansträngningar har ägnats åt att kvantifiera mjukvävnadsdynamik i förhållande till benrörelse36,37, är det i sig svårt att mäta rörelsemönstren för den stora massan av mjukvävnad mellan det yttre lagret av huden och benen. Men för tunnare vävnader i direkt kontakt med benen, såsom brosk och labrum i höften, ger kombinationen av dubbel fluoroskopi och CT artrogram imaging förmågan att dynamiskt utvärdera deras rumsliga förhållande. De data som samlats in under supine kliniska undersökningar användes för att visa att platsen för kliniskt observerade skador på acetabular labrum överensstämmer med kontaktpositionen mellan lårbenet och labrum under supine impingement undersökningar38. Viktigt, denna analys identifierade att regionen av inledande och största kontakt mellan lårbenet och labrum inte överensstämmer med platsen för det minsta avståndet mellan benen.

Individer med hip patoanatomy riskerar skador på brosk och labrum. Mekanismerna som ansvarar för korndrolabral skador är dock inte väl förstådda. Tänkbart, arthrokinematics data byggda från CT artrogram data kunde analyseras för att studera mekaniken i brosk och labrum. Till exempel kunde den observerade penetrationen mellan ytrekonstruktioner som representerar mjukvävnad (t.ex. labrum, brosk) och ben analyseras och tolkas för att approximera den stam som upplevs av dessa vävnader. Men även små fel i spårningen av kinematik eller rekonstruktion av ytor kan leda till drastiska skillnader i uppskattade stammar och ledbelastningar. Således kan mer avancerade modelleringsmetoder, såsom FE-metoden, krävas för att omfattande utvärdera kondrolabral mekanik i höften. Data från dubbel fluoroskopi, traditionell hudmarkör rörelsefångst av hela kroppen kinematik, och det instrumenterade löpbandet kan fungera som ingång för modeller som uppskattar muskelkrafter och ledreaktionsbelastningar och vridmoment. Dessa kinetiska data kan sedan fungera som belastningsförhållanden för FE-modeller som uppskattar korndrolabrala påfrestningar och stammar.

Förutom de specifika steg som ingår i protokollet är schemaläggningen av olika aspekter av studien också relevant för framgångsrikt datainsamling. För det första, i studier med artrogramavbildning, som i sig är invasiv på grund av injektion av kontrast i höftkapseln, måste artrogrammet utföras antingen flera dagar före eller när som helst efter slutförandet av rörelsefångstförsök för att undvika någon effekt på patientens rörelsemönster. För det andra måste all kalibrering utföras före, men strax före, deltagarens ankomst för att säkerställa att systemkonfigurationen inte ändras mellan kalibrering och bildförvärv. För det tredje bör deltagaren instrueras att utföra dynamiska prövningar slumpmässigt för att eliminera alla effekter av beställning på utförandet av uppgifter.

En annan viktig faktor för användningen av dubbel fluoroskopi för mätning av höftkinematik är strålningsexponering. Det är dock viktigt att notera att 80% av den uppskattade dosekvivalenten av strålning i det beskrivna protokollet kommer från ct-skanningen. En lösning för att minska exponeringen är att ersätta magnetisk resonanstomografi (MRT) för CT-avbildning. Medan MRI kan användas för ytrekonstruktion, är spårningen av dubbla fluoroskopibilder också beroende av projektion av bentäthet från de digitalt rekonstruerade röntgenbilderna. Även om MRT inte direkt kan mäta bentätheten, ger specifika sekvenser, såsom det dubbla eko steady state (DESS), viss differentiering mellan det tätare närbenet och det mindre täta cancellousbenet. Dessa bilder kan omvandlas för att ha ett liknande utseende som CT-bilder och kan potentiellt minska strålningsexponeringen för deltagare i dubbla fluoroskopistudier.

På grund av den stora mängden mjukvävnad som omger höftleden måste den specifika placeringen av det dubbla fluoroskopisystemet optimeras för att minska röntgenspridningen. Deltagarens position i förhållande till röntgenemittrarna och vinkeln mellan bildförstärkarna konstaterades vara viktiga faktorer. Detta protokoll anger placeringen av det dubbla fluoroskopi systemet som används för att studera höft rörelse i deltagarna under viktbärande aktiviteter. Det är dock också relevant att notera att deltagarkohorten var begränsad till personer med ett BMI under 30 kg/m2. En liknande BMI-gräns rekommenderas när du tar dubbla fluoroskopibilder av leder omgivna av stora massor av mjukvävnad.

Protokollet som beskrivs häri kan tillämpas på olika dubbla fluoroskopi systemkonfigurationer och leder, inklusive supine och viktbärande höft kinematik, både löpband och överjordisk viktbärande ankel kinematik, och sittande axel kinematik16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 ,  26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35. På grund av höftledens minimala globala rörelse under löpbands gång användes ett instrumenterat löpband för bedömning av viktbärande kinematik i höftleden. Utan ett löpband eller ett rörligt fluoroskopsystem skulle det bara vara möjligt att fånga höftleden under aktiviteter som utförs inom ett begränsat synfält. Användningen av ett löpband är dock inte lämplig för alla leder. Som ett exempel fångade tillämpningen av detta protokoll på undersökningen av fotled kinematik under löpband promenader endast en liten del av gång på grund av löpbandets inneboende rörelse32,35, medan överjordisk gång kunde fånga en större del av gång, som sträcker sig från före hälstrejk till efter tå-av33,40,41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga intressekonflikter.

Acknowledgments

Denna forskning stöddes av National Institutes of Health (NIH) under bidragsnummer S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Innehållet är enbart författarnas ansvar och representerar inte nödvändigtvis NIH: s officiella åsikter.

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

Medicin Utgåva 173 Dubbel fluoroskopi biplan videoradiografi kinematik arthrokinematik höft markörlös spårning
<em>In Vivo</em> Kvantifiering av höftartrokinematics under dynamiska viktbärande aktiviteter med dubbla fluoroskopi
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