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体内动态负重活动中髋关节关节运动学的双荧光透视定量分析

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DOI：

10.3791/62792

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2021年7月2日

 ,  , 
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

本文内容

摘要

双荧光透视技术可精确捕捉 体内 人体关节的动态运动，可相对于重建的解剖结构进行可视化观察（例如关节运动学）。本文提供了一项详细方案，用于量化日常生活负重活动中髋关节的关节运动学，包括将双平面透视技术与传统的皮肤标记点运动捕捉技术相结合的方法。

摘要

多种髋关节病变被认为与异常形态有关，其潜在假设为生物力学异常。然而，由于难以精确测量关节的动态运动，关节水平上的结构-功能关系仍难以量化。光学皮肤标记运动捕捉中固有的软组织伪影误差，因髋关节位于体内较深以及关节周围存在大量软组织而进一步加剧。因此，相较于其他关节，骨形态与髋关节运动学之间的复杂关系更难以准确研究。本文介绍了一种结合计算机断层扫描（CT）关节造影、容积图像的三维（3D）重建、双平面透视成像和光学运动捕捉的技术方案，以精确测量髋关节的动态运动。本文综述了已应用该方案并采用双平面透视成像研究髋关节形态-功能关系的技术与临床研究，并详细描述了数据采集、处理与分析的具体步骤及未来需考虑的问题。

引言

在患有髋关节骨关节炎（OA）的45至64岁成人中，全髋关节置换术（THA）的实施数量在2000年至2010年间增加了一倍以上1。根据2000年至2014年THA手术数量的增长趋势，最近一项研究预测，未来二十年内每年手术的总数量可能增至三倍2。考虑到目前仅美国每年的治疗费用就已超过180亿美元，THA手术数量的大幅增长令人担忧3。

发育性髋关节发育不良（DDH）和股骨髋臼撞击综合征（FAIS）分别表现为髋关节约束不足或过度，被认为是髋关节骨关节炎（OA）的主要病因4。在接受全髋关节置换术（THA）的个体中，这些结构性髋关节畸形的高发率早在三十多年前即已有报道5。然而，异常髋关节解剖结构与骨关节炎之间的关系仍不明确。目前深入理解畸形在髋关节OA发生中作用的一个挑战在于，异常的髋关节形态在无症状成年人中非常普遍。值得注意的是，研究发现，普通人群中约有35%的个体存在与凸轮型FAIS相关的形态学改变6，老年运动员中该比例达83%7，而在大学男性运动员中则超过95%8。另一项针对女性大学运动员的研究显示，60%的受试者具有凸轮型FAIS的影像学证据，30%的受试者存在DDH的影像学表现9。

在无髋部疼痛的个体中观察到较高比例的解剖变异，这提示通常与髋关节撞击综合征（FAIS）和发育性髋关节发育不良（DDH）相关的形态学特征可能属于正常解剖变异，仅在特定条件下才会出现症状。然而，髋关节解剖结构与生物力学之间的相互作用尚不明确。值得注意的是，使用传统的光学运动捕捉技术测量髋关节运动存在已知困难。首先，髋关节位于体内较深位置，导致髋关节中心的位置难以通过基于皮肤标记点的光学运动捕捉系统进行准确识别和动态追踪，其误差幅度与股骨头半径相当10,11。其次，髋关节周围存在大量软组织，包括皮下脂肪和肌肉，这些组织相对于深层骨骼发生移动，从而引起软组织伪影12,13,14。最后，基于皮肤标记点的光学追踪所获得的运动学数据是相对于通用解剖模型进行评估的，因此无法揭示细微的形态学差异如何影响关节的生物力学特性。

为解决缺乏精确运动学数据并结合个体特异性骨形态的问题，已开发出单平面和双平面透视系统，用于分析其他自然关节系统15,16,17然而，这项技术直到最近才被应用于原生髋关节，这可能是因为通过髋关节周围软组织获取高质量图像存在困难。准确测量的方法学 体内 髋关节运动及其相对于个体特异性骨性解剖结构的显示方法在本文中予以描述。所获得的关节运动学数据为研究骨形态与生物力学之间细微的相互作用提供了前所未有的能力。

本文描述了在日常活动中获取和处理髋关节双平面透视图像的步骤。由于需要在采集双平面透视图像的同时，结合光学标记追踪技术来捕获全身运动学数据，因此数据采集方案需要协调多个数据来源。双平面透视系统的标定使用植入金属小球的有机玻璃结构，这些金属小球可被直接识别并作为标记进行追踪。相比之下，动态骨运动采用无标记追踪技术，该技术仅利用基于CT的骨骼放射密度信息来确定骨骼的空间方位。随后，通过空间和时间上同步的双平面透视与运动捕捉数据，对动态运动进行同步追踪。

在标定过程中，通过对一个同时带有反射标记点和植入式金属珠的立方体进行同步成像，并建立一个公共坐标系，实现系统的空间同步。对于每一项活动或数据采集，系统通过使用分路电子触发信号实现时间同步，该信号会发送指令以终止双平面X线透视摄像机的记录，同时中断运动捕捉系统的持续5 V输入信号。这种协调的协议使得能够量化超出双平面X线透视系统联合视场范围的躯体节段位置，将运动学结果相对于步态标准化事件进行表达，并表征股骨和骨盆周围软组织的形变情况。

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方案

本方案中概述的程序已获得犹他大学机构审查委员会的批准。

1. CT 关节造影成像

  1. 关节造影术18
    1. 安排一名经过培训的肌肉骨骼放射科医师，在预定的CT成像前直接进行关节造影术。
    2. 将受试者置于检查台上，使目标髋关节位于临床透视仪的视野范围内。在踝关节两侧放置沙袋，以防止下肢和髋关节旋转。
    3. 准备皮肤以创建无菌环境。标记针头插入位置（股骨头颈交界处），并在注射部位用麻醉剂麻醉软组织 2-5 mL 1% 利多卡因
    4. 配制溶液 20 mL 1% 利多卡因 10 mL 碘海醇注射液，以及 0.1 mL 1 mg/mL（1:1000）肾上腺素30 mL鲁尔锁注射器
    5. 利多卡因注射后两到五分钟，插入脊髓穿刺针直至接触股骨颈；通过透视确认针的位置。注入少量配制好的溶液（<5 mL），并通过荧光透视成像确认注入的液体位于关节囊内。
    6. 注射20-30 mL对比剂混合液。当注射过程中观察到阻力增加时，由研究团队成员手动施加牵引力，即在受试者抓住自身脚踝的同时，牵拉其踝部 将床头板固定以防止上半身移动。根据需要注射剩余的对比剂混合物。
    7. 通过透视确认造影剂在牵引状态下充满关节腔并覆盖股骨头。
    8. 将患者通过轮椅或病床转移至CT扫描仪，以尽量减少关节囊内对比剂的流失。
  2. 牵引与CT成像
    1. 协助受试者以仰卧位躺于CT扫描仪的检查床上。
    2. 将霍尔牵引夹板装置置于患肢下方，确保近端带衬垫的横杆位于坐骨结节稍远端。将钩环固定带绕过受试者的股部和踝部并固定，施加轻度牵引力。
    3. 获取定位像，并设置视野范围，髋部包括整个骨盆及股骨近端，下界至小转子稍下方；膝部则另设视野范围，包括股骨远端及胫骨近端。
    4. 施加额外牵引力（由研究团队的一名成员牵拉踝部，同时另一名成员收紧兔式牵引夹板的绑带），以确保关节间隙分离。采集图像于 120 kVp，1.0 mm 层厚，200 - 400 mAs 髋关节 120 kVp，3.0 mm 层厚，150 mAs 针对膝关节检查，使用CARE Dose（一种根据图像质量调节管电流的自动曝光控制技术），以尽量减少受试者的辐射暴露。
    5. 松开并移除股骨牵引夹板装置。协助受试者站起，并确保其感觉能够舒适地在患肢上负重并自由活动后，方可允许其离开。

2. 双重荧光成像

  1. 系统设置
    1. 应用人体测量学19 根据受试者报告的身高估算髋关节高度，并利用该测量值估算系统视野中心的期望高度。
    2. 放置图像增强器 约 50° 在对应于目标髋关节的仪器化跑步机一侧，彼此分开图1).
    3. 将X射线发射器对准影像增强器。确保发射源与影像增强器表面之间的距离为 大约 100-110 cm.
      注意：发射源与图像增强器表面之间的推荐距离将根据系统规格及X射线发射源中的准直器而有所不同。
    4. 使用绳子或卷尺连接每个透视装置组合中影像增强器表面的中心与相应的X射线发射源。验证绳子（或卷尺）在目标位置（即髋关节的预期位置）相交。
    5. 将装有三个激光器的板固定到发射器上，并将镜面固定到像增强器上。打开激光器，根据激光反射回激光源的情况，精细调整每个发射器和像增强器的对准。
  2. 校准图像
    1. 穿戴铅衣并放置警示标识于房间入口处，以准备使用辐射。通过让工作人员穿戴包括铅背心、铅裙、铅手套和铅眼镜在内的防护装备，以尽量减少辐射暴露。根据需要打开透视设备，并让系统预热。
    2. 对于所有校准图像，将透视设备设置为 64 kVp 和 1.4-1.6 mA，或按其他要求进行。
    3. 打开计算机上的相机控制软件，并选择相应的相机 从属 和 主控使用 外部同步 从从相机向主相机传输以同步两台相机。
      注意：对于所有记录的活动，需从两台双平面透视摄像机中保存相同的帧；这些帧通过一个数字编号来标识，该数字表示在电子触发信号之前的帧数。
    4. 通过将一个圆形金属垫圈固定在影像增强器的中心，并将十字准线装置连接到发射器上，来验证系统的对准情况。
      ​注意：一旦确认对齐，应避免触碰系统。
    5. 使用螺丝将亚克力网格固定在其中一个影像增强器上；此过程中应尽量减少施加的力，以避免改变其对准状态。采集透视图像并保存 100 个图像帧 来自每台双荧光透视相机的 网格移除网格，然后对另一个图像增强器重复此过程。
    6. 将3D校准立方体置于两台荧光透视仪的共同视场范围内。为此，将立方体放置在具有放射透射性的凳子或平台上，并目视确认立方体的大部分或全部均位于视场内。调整立方体方向，确保在双荧光透视相机的任一视角下，校准标记珠均不发生重叠。采集图像并保存 100 个图像帧 的 立方体.
    7. 移动立方体之前，使用立方体的坐标系测量并记录每个发射器到立方体原点的大致位置。移除立方体及任何相关平台。
    8. 测量并记录每台透视设备的发射源与影像增强器表面之间的距离。
    9. 将带珠子的有机玻璃板用橡皮筋固定在长杆或直尺上，随机移动，以产生覆盖系统整个视野范围的运动。确保研究人员注意辐射路径，并穿戴防护装备以尽量减少暴露（参见步骤 2.2.1）。保存 100 个图像帧 的 运动.
    10. 重置用于跟踪曝光时间的成像时钟。
  3. 静态试验与参数调节
    1. 测量大转子的高度，以确保系统高度适合受试者。
      1. 触摸大腿以找到大转子的骨性突起，并尽可能定位其最高点。
      2. 由于股骨大转子上部大致与髋关节处于同一高度，测量从地面到该点的高度，并将其与设置双荧光透视系统时使用的人体高度估算值进行比较。
      3. 如有必要，在参与者准备进行数据采集时，调整系统高度并重新校准。
    2. 让受试者熟悉荧光透视系统，并告知他们在成像过程中若接触到任何设备，必须立即通知研究团队，因为与系统的接触会负面影响其数据的准确性。
    3. 让受试者踏上跑步机，站立于双荧光透视系统的视野范围内。从每个发射源的角度检查受试者的对位情况，并记录研究团队每位成员在成像过程中所处位置（站立或坐姿）时观察到的该对位状态。
    4. 估算成像参数（kVp 和 mA） 根据受试者的体重指数（BMI）调整每个发射源的参数以及双平面透视摄像机的曝光设置，并相应地设定每台透视设备。
      注意：对于所引用的队列，透视成像参数范围为 78 至 104 kVp 和 1.9-3.2 mA 相机曝光时间 4.5-7.0 毫秒.
    5. 采集受试者站立时的图像，并评估图像的对比度和视野范围。
      ​注意：管电压（kVp）升高会导致X射线散射增加（增加噪声并降低对比度）、图像分辨率降低以及对比度下降。
    6. 根据需要调整参数和/或参与者的位置对齐，并重复图像采集。
    7. 保存 100 帧 最终图像的使用作为 静态 试验
  4. 动态试验（图2)
    1. 在开始双荧光成像之前，让受试者行走一段已知距离，同时记录时间。利用此数据确定受试者在 treadmill 上平地行走和坡道行走时的自选行走速度。
    2. 让受试者佩戴铅制甲状腺护领以保护甲状腺。
    3. 在动态采集过程中，让研究人员 在双荧光透视工作站操作双荧光透视摄像控制系统 退至铅屏蔽后方 并通过屏蔽罩上的观察窗观察参与者图3).
    4. 进行所有步行试验时：
      1. 在启动跑步机传送带之前，告知受试者。将跑步机速度逐渐增加至合适的步行速度，并在采集图像前让受试者的步态趋于稳定。
      2. 每次步行活动中，采集并保存至少两个完整的步态周期。
      3. 对于斜坡行走活动，让受试者从跑步机上下来。解锁跑步机，将坡度设置为 5°，然后在让受试者重新踏上跑步机进行活动之前，重新锁定跑步机。
      4. 重复成像，使活动被记录两次。
      5. 重复相同步骤（步骤 2.4.4.3），在活动结束后降低跑步机。
    5. 对于旋转活动：
      1. 让受试者将身体和脚部旋转约45°，偏离转枢方向的跑台正前方。如有需要，确保每只脚完全置于双跑带跑台的单侧跑带上，以便于对测力台数据进行直接处理。
      2. 让受试者在活动范围的末端前后进行数次旋转，同时观察其骨盆在活动范围末端的对齐情况。确保动作平稳完成，因旋转无需加速即可达到最终位置。
      3. 根据骨盆在活动范围末端的位置，让受试者旋转和/或平移双脚，使骨盆在转体结束时正对跑步机前方，且目标髋关节位于两个透视仪联合视野的中央。
      4. 当位置优化后，让受试者在双荧光透视成像过程中执行旋转动作，并保存双荧光透视相机视野中均可见股骨和骨盆的所有帧图像（约200–400帧），以运动终末范围为中心，尽可能完整地捕捉整个旋转过程。
      5. 重复成像，使活动被记录两次。
    6. 对于外展-内收活动：
      1. 让受试者站立于荧光透视仪的视野范围内，将目标腿向外侧抬起约45°。提醒受试者避免躯干移动，必要时减小活动范围。
      2. 采集并保存在双荧光透视相机视野中均可见股骨和骨盆的所有帧图像（约200–400帧）。
      3. 重复成像，使活动被记录两次。
    7. 动态髋关节中心或星弧活动20
      1. 让受试者站立于双平面X线透视系统的视野范围内，先后向前方及每隔45°至180°方向做下肢的抬高与放下动作，最终以向后抬高和放下下肢结束。在将下肢放回地面之前，让受试者完成下肢的环转运动，然后恢复站立姿势。
    8. 当受试者适应该动作并能在约6-8秒内完成时，采集并保存该活动的图像。
      注意：由于试验时长限制，双荧光透视仅能捕捉一项活动。
  5. 附加校准图像
    1. 如果在数据采集过程中的任何时刻，受试者认为其可能接触了任何部分的荧光透视设备，应立即对网格和立方体进行成像，并保存所有文件用于校准。
    2. 数据采集完成后，对载网和立方体进行成像，并保存所有文件用于校准，以便在初始校准出现问题时作为备份。

3. 皮肤标记物运动捕捉与仪器化跑步机

  1. 系统设置
    1. 将光学运动捕捉系统的焦点对准跑步机（图3）。由于参与者处于双平面荧光透视系统视野内时可能存在可视化困难，需准备精确调整红外相机的位置，以确保准确成像（图2）。
    2. 开启系统，并使用一组标记点确认双平面荧光透视系统不会阻碍所需视野的可视化。
    3. 检查标记点是否清晰且呈圆形，并根据需要调整红外相机的焦距。
    4. 确保荧光透视仪被遮盖，以减少任何反光表面。逐一检查每个红外相机，若反光物体无法遮挡，则对相机视野进行遮蔽处理。
    5. 设置运动捕捉软件，接收来自用于终止双平面荧光透视系统相机采集的电子触发器的外部5 V信号。利用此触发信号实现两个系统间的数据时间同步。
  2. 校准
    1. 系统开启并准备就绪后，使用主动校准棒同时校准光学和红外运动捕捉相机。校准过程中需完整覆盖双平面荧光透视系统内的整个区域，同时避免与任何设备发生接触。
      注：类似翻炒食物的动作在挥动校准棒时效果良好。
    2. 由于双平面荧光透视系统造成的遮挡，校准结果可能较通常光学运动捕捉所达到的水平有所下降。应进行校准，使所有红外相机的图像误差小于0.2。
      注：视频相机的图像误差会更高，但仍应低于0.5。视频相机不用于运动的量化分析，仅用于运动捕捉过程的视觉记录。
    3. 在进行双平面荧光透视的立方体校准试验时，同时使用运动捕捉红外相机采集该立方体的图像。确保立方体上贴有反射标记点，以便运动捕捉系统和双平面荧光透视系统均能成像其位置。
  3. 标记点设置与放置
    1. 在参与者到达前，将21个球形反射皮肤标记点的底部贴上双面胶带（假发专用胶带）。为延长标记点使用寿命，确保胶带或皮肤不与反射标记点表面直接接触。
    2. 对于五个标记板（小腿两个、大腿两个、背部一个；图4），在织物绑带的皮肤接触面喷涂粘合剂，并将其紧密缠绕于参与者肢体上。询问参与者确认绑带紧固但无不适感。在粘贴其余标记点前，清理手上多余的喷雾胶。
    3. 将五个仅用于校准的标记点分别贴于锁骨、膝内侧及内踝处 。
    4. 将剩余的16个标记点贴于髂前上棘（ASIS）、髂后上棘（PSIS）、被成像侧股骨的大转子、肩部、胸骨、膝外侧、外踝以及足部（图4）。
    5. 提醒参与者，若在数据采集过程中有任何标记点或绑带松动，应及时通知研究团队。
  4. 静态试验
    1. 在进行双平面荧光透视的静态站立试验的同时，采集运动捕捉的站立状态数据。
    2. 对所有标记点进行标记。若在静态活动采集期间，有任何标记点未被至少三个红外相机捕捉到，则需重新采集静态图像，以确保所有标记点均可见。
    3. 移除仅用于校准的标记点，并让参与者佩戴甲状腺防护颈圈，以在后续数据采集过程中提供辐射防护。
  5. 动态试验
    1. 对于使用双平面荧光透视系统采集的每一次动态试验，同步采集运动捕捉视频，确保每段双平面荧光透视视频的全部时间范围均包含在运动捕捉数据采集的时间范围内。
    2. 确保每次试验中均记录到双平面荧光透视系统电子触发器输出的5 V信号的中断事件。

4. 图像预处理

  1. 基于CT的模型
    1. 分割感兴趣侧的股骨近端和远端以及整个骨盆，因为这些骨骼用于运动追踪和/或坐标系的建立。
    2. 确保在三个成像平面中，分割结果均能代表骨组织的形态，且表面相对平滑。
      注意：分析关节运动学的能力取决于通过精细的图像分割获得高质量重建结果。
    3. 将图像数据转换为 无符号字符（8 位） 并根据需要通过偏移和缩放进行调整，以生成具有指定范围的图像 0 到 255.
    4. 在转换后的图像中仅分离出骨组织区域，并围绕骨组织边界进行裁剪。记录裁剪后图像的尺寸。
    5. 保存为 2D TIFF 格式。
    6. 打开图像，将类型更改为 16位，并将其保存为单个 3D TIFF 文件。
  2. 表面重构
    1. 从分割标签生成表面 平滑 和 消灭；大量减少 反复处理表面，确保在任何单次迭代中面的数量减少不超过一半。
      注意：采用所述方法，每个股骨近端和远端表面的目标面数约为 30,000，每个半骨盆表面的目标面数约为 70,000。
    2. 导出每一个 表面 以 *.vtk 格式的表面网格形式，作为标志点识别模型文件使用。
  3. 坐标系的标志点识别
    1. 确定股骨的解剖标志，以建立股骨坐标系（图5).
      注意：以下提供的参数针对所引用的数据集和成像方案而设定；为准确选择解剖标志点，可能需要调整相应数值。
      1. 打开 股骨近端 作为 模型文件. 打开 术后 工具栏和 数据 面板以添加一个 标准 领域 1-主曲率，选择一个 光滑度 的 10 然后观察结果。过度选择 股骨头的表面 并使用 选择范围 选项从 编辑 面板 仅保留负曲率区域。取消选择不属于股骨头的任何已选面。 导出 将此股骨头表面以 *.k 格式保存为表面网格 球面拟合 确定股骨头中心。
      2. 采用类似的方法进行操作 1-主曲率 到 股骨远端 与 光滑度 的 5 再次 选择范围 仅包含具有负曲率的面。 导出 这 股骨髁 表面用于一个 圆柱拟合 以确定内侧-外侧轴。
      3. 应用 2-主曲率 至股骨远端，使用一个 光滑度 的 3. 标出肱骨髁的嵴部 选择范围 使用 -0.1 作为上限截断值。 导出 这些面生成一个平面，并利用该平面分离后髁面以进行圆柱拟合。
    2. 确定骨盆解剖标志点以建立骨盆坐标系图5).
      注意：以下提供的参数针对所引用的数据集和成像方案；为准确选择解剖标志点，可能需要调整相应数值。
      1. 对于每个半骨盆，施加 2-主曲率 与一个 光滑度 的 5 和 选择范围 仅包含正位相的面，以分离髋臼的月状关节面。 导出 的 月骨关节面 并使用一个 球面拟合 确定髋臼中心。
      2. 重新应用 2-主曲率 与一个 光滑度 的 2 并选择曲率小于 -0.15 的所有面，以突出骨盆棘突。在这些棘突边缘选择最能代表其形态的点 ASIS 和 PSIS 作为标记并记录下来。

5. 骨骼运动追踪

  1. 校准
    1. 在双透视摄像机采集的立方体图像中（步骤 2.2.6 采集），识别每个图像中的12 个珠子 。根据立方体各珠子之间的已知距离以及立方体在双透视系统中的位置测量结果，通过最小化投影珠子位置与实际珠子位置之间的平方和投影误差，确定每台透视设备的空间取向。
    2. 利用网格图像校正图像畸变，并将校正应用于与该网格图像相关的所有图像。
    3. 使用运动图像 量化系统的动态精度，并采用基于标记的跟踪方法进行追踪。
  2. 无标记跟踪
    1. 将选定解剖标志点的位置添加至特定骨骼的参数文件中，并在双透视系统中采集这些标志点在所有被追踪帧中的动态位置作为输出。
    2. 确定需要追踪的帧（基于运动捕捉的运动学数据，参见步骤 6.1.2），并使用相应的骨骼特异性参数文件打开无标记跟踪软件。
    3. 在目标范围内选择一个骨骼可视化效果良好的帧，手动调整感兴趣骨骼（近端股骨或半骨盆）基于 CT 的数字重建放射图像（DRR），利用软件提供的六个自由度进行对齐（图 6）。
      注：由于大多数试验起始姿势接近站立位，该初始位置通常可作为所有试验的起始参考点。
    4. 当骨骼的 DRR 在两个视图中均显示良好对齐后，点击解决方案面板中的手动按钮保存当前解。
      注：每次保存解时，系统会绘制出取向参数和归一化互相关系数以供参考。归一化互相关系数基于透视图像与骨骼 DRR 中所有非零像素值计算得出。
    5. 点击解决方案面板中的DHS按钮，执行对角线 Hessian 搜索（DHS）优化步骤，并查看结果。若优化结果更优，则进入下一帧；否则进行必要的手动调整，并点击解决方案面板中的手动按钮重新保存。重复此步骤直至获得满意解。
      注：在图像对比度较差的情况下，优化算法可能无法始终产生满意结果。
    6. 每隔五帧重复一次该过程，以前一帧的解作为起始点，使用DHS优化功能实现流程自动化。
    7. 为完成首次跟踪过程，使用线性投影（LP）插值工具，并通过点击解决方案面板中的LP + DHS 范围按钮，在已追踪帧之间优化解。在弹出窗口中输入需追踪的帧集合及两个参考帧。
      注：两个参考帧可以是已识别帧集中的任意帧，但使用首帧和末帧可为帧范围内骨骼的取向提供边界约束，这在对比度较低时尤为有益。
    8. 逐帧审查并优化试验中的每一帧，结合使用手动和基于DHS的解。利用参数曲线图确认相关系数足够高，且骨骼取向在任一参数上均无突变跳跃。
    9. 为确保跟踪准确性，应由另一位研究人员审查每一帧的解，并对解进行必要的修改。
    10. 对每块骨骼重复执行步骤 5.2.1–5.2.9。
  3. 运动可视化
    1. 在软件中打开股骨和骨盆表面以进行运动学可视化。如有需要，使用转换为网格功能将表面转换为网格。选中两个表面后，以 *.k 格式导出为表面网格。
    2. 根据跟踪输出结果，生成包含每块骨骼在每一帧中的坐标变换的文本文件。
      注：表面的顺序必须与变换的顺序一致。
    3. 为实现运动学可视化，使用kinemat工具以及步骤 5.3.1 和 5.3.2 生成的上述两个文件对运动学进行动画模拟。验证动画是否合理，并通过半透明表面或表面距离工具检查各表面之间是否保持适当距离。如有需要，返回步骤 5.2.8 进行修正。

6. 数据分析

  1. 皮肤标记物运动学
    1. 在动作捕捉软件中，批量处理所有文件以应用静态模型并标记标记物。试验完成后，移除所有未标记的轨迹。
      注意：由于双荧光透视系统的遮挡，可能需要比通常更多的手动填补间隙。
    2. 利用运动学和测力台数据识别动态事件，例如步态中的足趾离地或足跟撞击，或旋转活动中的最大活动范围。确定用于跟踪双荧光透视数据的关键帧。
    3. 将所有试验数据以 *.c3d 格式导出用于运动学处理，包括模拟数据（即触发信号和测力台数据）以及标记物轨迹。
    4. 将所需模型模板文件（保存为 *.mdh 文件格式）应用于静态试验，然后将该模型分配给运动文件。
      注意：在分析中使用了一个下肢模型，该模型包含一个通用的国际生物力学学会（ISB）头-腹部-胸部（HAT）节段和CODA骨盆模型，骨盆节段模型由两个ASIS和PSIS标志点中心定义。
  2. 双荧光透视运动学
    1. 提取关键帧，确保仅包含股骨和骨盆均被连续跟踪的帧。
    2. 使用低通巴特沃斯滤波器（根据残差分析确定的0.12归一化截止频率和4次滤波器）对标志点位置进行滤波。
    3. 利用每个运动试验中滤波后的标志点位置，跟踪股骨坐标系的动态位置（图5）。
      1. 将股骨原点定义为股骨头球面拟合中心。
      2. 将股骨z轴（下-上轴）定义为膝关节中心与原点之间的连线，方向向上。
      3. 将股骨x轴（内侧-外侧轴）定义为拟合股骨髁的圆柱长轴，方向向左。为分离出用圆柱表示的髁区域，需拟合一个平面到髁上表面，并分离股骨髁的后部区域。
      4. 将股骨y轴（前-后轴）定义为所定义的z轴与x轴的叉积，方向向后。校正x轴方向以建立正交坐标系。
    4. 利用每个运动试验中滤波后的标志点位置，跟踪骨盆坐标系的动态位置（图5）。
      1. 将骨盆原点定义为两个ASIS标志点的中心。
      2. 将骨盆y轴（前-后轴）定义为两个PSIS标志点中心与原点之间的连线，方向向前。
      3. 将骨盆x轴（内侧-外侧轴）定义为从原点到右侧ASIS标志点的连线，方向向右。
      4. 将骨盆z轴（下-上轴）定义为所定义的x轴与y轴的叉积，方向向上。校正x轴方向以建立正交坐标系。
    5. 生成坐标系之间的旋转矩阵，并根据MacWilliams及其同事的公式11计算关节运动学（图7）21。
    6. 通过将股骨头球面拟合中心与髋臼月状面之间的矢量距离转换至骨盆坐标系中，计算关节平移。
      注意：这为每一图像帧提供了一个表示关节平移的单一矢量。
  3. 关节运动学
    1. 按照步骤5.3所述可视化运动学，以动画形式展示个体化的关节运动学（图8）。
    2. 应用表面距离数据场，测量每次动态活动中股骨与骨盆表面之间的距离（图8）。
      注意：这些数据也可用于量化关节面之间的相对距离，但需进一步解释以量化关节平移。
    3. 使用表面距离工具导出表面到表面的距离，以量化所有受试者的数据。
  4. 与皮肤标记物动作捕捉的比较
    1. 利用每个运动试验的立方体图像和触发信号，对双荧光透视系统和动作捕捉系统进行空间和时间同步。
    2. 将用于皮肤标记物动作捕捉的标志点位置（即ASIS、PSIS、髁）从无标记跟踪坐标系转换至动作捕捉坐标系。
    3. 将这些数据与皮肤标记物动作捕捉获得的标记点位置合并，并导入进行运动学和动力学分析与报告。调整分析方法，针对每个标志点分别使用双荧光透视或皮肤标记物位置，并比较两种系统之间的标志点位置和运动学参数。

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结果

以双平面透视成像作为参考标准，量化了基于皮肤标记点估算髋关节中心的准确性，以及软组织伪影对运动学和动力学测量的影响22,23,24。随后利用双平面透视成像更高的准确性，识别出股骨髋臼撞击综合征（FAIS）患者与无症状对照组个体在骨盆和髋关节运动学之间的细微差异25。基于双平面透视成像的关节运动学分析被用于量化髋关节覆盖范围、形态与运动学之间的关系，以及动态运动过程中骨与骨之间的距离26,27,28,29。

在开发用于研究负重状态下髋关节运动学的实验方案之前，该系统已在仰卧位临床检查中通过植入金属标...

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讨论

双平面透视成像是一种研究运动功能的有力工具 体内 运动学，尤其是髋关节运动学，使用传统的光学运动捕捉方法难以准确测量。然而，荧光透视设备具有特殊性，在对人體其他关节进行成像时可能需要独特的系统设置。例如，在将双平面荧光透视应用于踝关节运动学研究时，对影像增强器的安装方式、系统的定位以及射线能量参数等均进行了多项调整。32,33,34,35除了需要大量的研究准备工作外，双平面透视技术还需要采集额外的数据，包括三维医学影像，以及可能需要传统的皮肤标记物运动捕捉来追踪全身运动学，此外还需进行 lengthy 的后期处理，包括CT影像分割和无标记物图像追踪。幸运的是，经过完整处理的双平面透视数据可用于多种应用，其功能远远超过传统运动捕捉技术所能达到的范围。

光学运动捕捉利用皮肤表面标记点的运动来估算身体节段的位置，而基...

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致谢

本研究由美国国立卫生研究院（NIH）资助，资助编号为 S10 RR026565、R21 AR063844、F32 AR067075、R01 R077636、R56 AR074416、R01 GM083925。本内容仅由作者负责，不代表 NIH 的官方观点。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Amira 软件赛默飞世尔科技版本 6.0
校准立方体自定义36 个钢珠（直径 3 mm，间距 6.35 cm，不确定度 0.0036 mm）
校准棒Vicon活性探头
CT 扫描仪西门子股份公司SOMATOM Definition 128 CT
畸变校正网格自定义带钢珠网格的丙烯酸板，钢珠间距为10 mm，直径方向排列31颗钢珠（钢珠直径2 mm）
动态校准板自定义带三个钢珠的丙烯酸板（钢珠间距30 mm，直径2 mm，不确定度0.0013 mm）
发射极 (2)Varian Interay；由Radiological Imaging Services公司翻新B-100饲养盒/管A-142
肾上腺素Hospira注射剂，USP 10 mg/mL
FEBioStudio 软件FEBio.org版本 1.3网格处理与运动学可视化
图形处理器Nvidia特斯拉
Hare 牵引夹板DynaMedTrac-III，型号 95201
高速相机（2）Vision Research, Inc.Phantom Micro 3
图像增强器（2）Dunlee公司；由Radiological Imaging Services公司再制造T12964P/S
碘海醇注射液GE HealthcareOmnipaque 240 mgI/mL每毫升含 517.7 毫克碘海醇、1.21 毫克三羟甲基氨基甲烷、0.1 毫克乙二胺四乙酸钙二钠
ImageJ美国国立卫生研究院与光学与计算仪器实验室
盐酸利多卡因Hospira注射剂，USP 10 mg/mL
激光与反射镜准直系统自定义三台激光器固定在丙烯酸板上，丙烯酸板连接至发射器，反射镜则附着在图像增强器的端面
无标记追踪工作台亨利·福特医院，定制软件自定义
MATLAB 软件Mathworks, Inc.版本 R2017b
动作捕捉相机（10）ViconVantage
Nexus 软件Vicon版本 2.8动作捕捉
Phantom Camera Control (PCC) 软件Vision Research, Inc.版本 1.3
预涂喷雾胶穆勒运动护理塔夫纳
反光球形皮肤标记点14 mm
分体式双跑带全仪器化跑步机Bertec Corporation自定义
Visual3D 软件C-Motion 公司版本 6.01运动学处理

参考文献

  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).

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