双平面视频放射摄影法研究腕关节和远端桡尺关节

摘要

双平面视频放射照相术（BVR）是一种先进的成像技术，用于研究骨骼和植入物的三维运动。通过结合基于密度的图像体数据与上肢远端的视频放射图像，BVR 可用于研究腕关节和远端桡尺关节的体内运动，以及关节成形术后的运动情况。

摘要

准确测量骨骼运动学参数对于理解关节的正常功能、病理影响、疾病进展以及治疗效果至关重要。in vivo 然而，使用皮肤表面标记物来推断骨骼运动的测量系统虽已为正常和病理状态下的运动学研究提供了重要见解，但这些系统无法精确获取关节内运动（arthrokinematics），尤其是在动态活动中。在过去二十年中，双平面视频放射照相（BVR）系统使许多研究人员能够直接研究日常活动中关节的骨骼运动学。为将BVR系统应用于上肢远端，需在受试者执行特定任务时，利用两个经过校准的X射线源采集桡骨远端与手部的视频放射图像。通过将三维（3D）模型投影与每个BVR视图进行最佳拟合配准，可从视频放射图像中计算出三维刚体位置。 这些3D模型是基于独立获取的计算机断层扫描数据所生成的特定骨组织密度图像体。结合图形处理器单元和高性能计算系统，这种基于模型的追踪方法在评估腕关节及桡尺远侧关节生物力学方面已被证明快速且准确。本研究中，我们首先总结了既往研究结果，这些研究已证实BVR在评估腕关节和桡尺远侧关节运动学时，与in vitro 光学运动捕捉系统之间具有亚毫米级和亚度级的一致性。此外，我们应用BVR技术计算了腕关节旋转中心的变化行为，分析了假体各组件之间的相互接触模式，并评估了前臂旋前-旋后过程中尺骨变异的动态变化。未来，随着平板X射线探测器的应用、更多X射线源（即多平面视频放射照相）的引入，或先进计算机视觉算法的发展，腕骨结构有望被更精细地捕捉。

引言

准确测量骨骼运动学体内参数对于理解健康关节和置换关节的功能、病理影响、疾病进展以及治疗效果至关重要。在关节面无创量化骨骼运动学（即关节运动学）对于理解骨关节炎等关节病理状态和疾病至关重要，但在技术上具有挑战性。以往采用皮肤表面标记物推断骨骼运动的技术已为理解正常和病理状态下的运动学提供了重要见解。 然而，这些技术无法获得准确的关节运动学数据，尤其是在步行等日常生活活动的动态过程中。由于皮肤相对于深层骨骼的移动，这类光学系统在精度上存在固有局限，而皮肤移动正是人体运动分析中主要的误差来源^1,2。

目前用于量化三维（3D）骨骼运动学的先进方法是基于图像的追踪技术，主要包括双平面视频放射照相（BVR）³ 以及连续的计算机断层扫描（CT）体积成像⁴ 和磁共振成像（MRI）⁵。尽管常规的3D CT和基于MRI的技术在全球许多医院中具有高精度和广泛可及性，但它们无法测量关节的动态运动。近年来，已开发出4D CT扫描⁶和动态MRI⁷等成像技术以解决这一局限；然而，这些方法要么使患者暴露于高剂....

方案

本研究已获得经AAHRPP认证的Lifespan - 罗德岛医院机构审查委员会（IRB）批准。共有16名患者根据机构指南签署了知情同意书。

1. 数据采集

1. 计算机断层扫描（CT）
   1. 为CT检查准备样本或受试者。
      注意：用于准确性评估^14,15，使用了来自4具完整尸体标本的6个完整前臂（70.5 ± 12.3岁，4个右侧，2名女性）以及1个接受全腕关节置换术的前臂（49岁，右侧，女性）。对于 体内 研究¹⁶10名腕关节健康的志愿者（57.0 ± 5.2岁，女性8名，右利手9名）和6名接受全腕关节置换术的患者（74.7 ± 5.6岁，女性2名，右侧腕关节优势2名，左侧腕关节优势4名）被纳入研究。
   2. 对每位受试者进行成像⁴使用16排临床CT扫描仪，以25 cm的数据采集直径对前臂远端进行CT扫描，并采用Bone Plus卷积算法重建，重建视野为20 cm。管电压和管电流设置为80 kVp和80 mA。扫描范围限于桡骨远端关节面近端约7 cm处至远端指骨。
      注意：本研究中，图像的体素尺寸为 0.39 × 0.39 mm²

结果

基于模型跟踪的 2D 到 3D 图像配准软件的选择，在一定程度上取决于是否可访问图形处理器单元（GPU）和高性能计算（HPC）系统。这些程序具有不同的处理流程，目前各程序之间尚无统一的方法。在本研究中，我们使用 Autoscoper，这是由布朗大学开发的一款开源 2D 到 3D 图像配准程序²⁵。选择开源程序使得研究人员能够修改和自动化其处理流程。在该软件中，X 射线图像被称为“Rad Renderer”，数字重建射线图像被称为“DRR Renderer”。这些图像的特征通过四种类型的滤波器进行了增强，软件采用两种优化算法（粒子群优化和单纯形下降法）执行匹配过程。此外，该软件中预定义了两种相似性度量（代价函数）：归一化互相关（NCC）和绝对差之和（SAD）。

BVR 与 OMC 在腕关节、置换后的腕关节（TWA）以及下尺桡关节（DRUJ）^{14, 15} .......

讨论

双平面视频放射照相术（BVR）是一种基于图像的方法，能够以亚毫米和亚度级精度测量腕关节和远端桡尺关节中骨骼与植入物的运动。在本研究所描述的实验中，BVR 被用于确定健康腕关节的投影中心（COR）的精确模式以及全腕关节置换术（TWA）的接触模式。这些发现可为下一代全腕关节假体的设计提供依据，并为计算模型的验证提供in vivo（体内）数据。通过 BVR 还观察到前臂旋前-旋后过程中尺骨变异度变化的非线性关系，这一结果可能对远端桡尺关节（DRUJ）疾病的治疗规划具有指导意义。由于 BVR 具备动态捕捉能力和高精度，可用于研究腕关节和 DRUJ 在多种运动状态下的病理机制，从而为诊断和治疗策略的制定提供支持。

为确保结果准确，在预处理和处理阶段均需对若干关键步骤给予充分关注。在整个实验过程中，研究人员必须仔细校准X射线源，因为最终输出结果依赖于校准矩阵。在实验前后多次重复校准X射线源，有助于确保校准的准确性。在处理过程中，所采用的优化方法与代价函数，以及对X光片和数字重建 radiograph（DRR）所使用的滤波器，均可能影响最终结果。因此，在单个项目中最好保持这些参.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
三维表面扫描仪	Artec 3D	Artec Space SpiderTM	卢森堡
Autoscoper	布朗大学	https://simtk.org/projects/autoscoper	https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2019.05.040
CT扫描仪	通用电气（GE）	Lightspeed 16	美国威斯康星州密尔沃基
Geomagic Wrap 3D	3D Systems	版本 2017	美国南卡罗来纳州洛克希尔
图形处理器（GPU）	Nvidia	GeForce GTX 1080	CUDA支持的GPU
高速摄像机	Phantom	版本 10	美国新泽西州韦恩，Vision Research
图像增强器	Dunlee	直径40 cm	美国伊利诺伊州奥罗拉
ImageJ	开源软件（布朗大学）	https://imagej.net/Fiji	https://doi.org/10.1038/nmeth.2019
Matlab	MathWorks, Inc.	R2017a 至 R2020a	美国马萨诸塞州纳蒂克
Mimics	Materialise	版本 19.0 至 22.0	比利时鲁汶
运动捕捉相机	Qualisys	Oqus 5+	瑞典哥德堡
脉冲X射线发生器	EMD Technologies	EPS 45–80	加拿大魁北克省圣欧斯塔什
畸变校正网格	McMaster-Carr	9255T641	钢制穿孔板交错孔，厚度0.048"，孔径0.125"，尺寸36" × 40"
腕关节植入物（体外研究）	Integra LifeSciences	Universal 2	美国新泽西州普兰斯伯勒
腕关节植入物（体内研究）	Integra LifeSciences	Freedom	美国新泽西州普兰斯伯勒
WristViz	开源软件（布朗大学）	https://github.com/DavidLaidlaw/WristVisualizer/tree/master	开源软件
X射线管	Varian Medical Systems	型号 G-1086	美国加利福尼亚州帕洛阿尔托
XMALab	开源软件（布朗大学）	https://www.xromm.org/xmalab/	https://doi.org/10.1242/jeb.145383