Name: 使用双平面影像学测量 3D 体内肩部运动学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00.000+00:00
Duration: 6 min 9 s
Description: 学习使用双平面X线摄影技术精确测量肩关节三维运动学的方法。本方案涵盖受试者定位、安全防护措施及肩胛骨、肱骨和肋骨的动态追踪，为生物力学研究提供高精度数据支持。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究由国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所（资助号：R01AR051912）资助。本内容仅由作者负责，不代表美国国立卫生研究院（NIH）的官方观点。

作者无利益冲突。

本文所述技术克服了传统肩关节运动评估方法（如尸体模拟、二维成像、静态三维成像、基于视频的动作捕捉系统、可穿戴传感器等）的多种局限性，能够精确测量动态活动过程中的三维关节运动。本方案在盂肱关节上的测量精度已通过放射立体测量分析（RSA）这一金标准验证，角度误差为±0.5°，位移误差为±0.4 mm67,68。类似的方法也已应用于其他关节，如膝关节69、脊柱70和足/踝关节71。重要的是，若缺乏足够精确的测量系统，为检测关节运动中具有统计学意义且具临床潜在价值的差异所需样本量可能过于庞大而难以实现。此外，该精度水平使得研究者能够描述一系列潜在的重要结局指标，例如关节位置和/或位移62,72、关节运动学（arthrokinematics）<sup class="xref...

肩关节是人体最复杂的关节系统之一，其运动依赖于四个独立关节、多条韧带以及约20块肌肉的协调作用。肩关节也是人体主要关节中活动范围最大的，常被描述为在灵活性与稳定性之间的一种权衡。然而，肩部疾病十分常见，常导致显著疼痛、功能障碍以及生活质量下降。例如，约40%年龄超过60岁的人群患有肩袖撕裂1,2,3，每年在美国约进行25万例肩袖修复手术4，每年造成的经济负担估计达30亿至50亿美元5。此外，肩关节脱位也较为常见，且常伴随慢性功能障碍6。最后，盂肱关节骨关节炎（OA）是肩部另一重要的临床问题，人群研究表明，约15%至20%年龄超过65岁的成年人存在影像学上的盂肱关节OA证据7,8。这些疾病会引起疼痛，影响活动能力，并降低生活质量。
尽管这些疾病的发病机制尚未完全明确，但普遍认为肩关节运动的改变与多种肩部病理状况相关9,10,11。具体而言，异常的关节运动可能促成病理变化9,12，或者病理本身可能导致关节运动异常13,14。关节运动与病理之间的关系可能十分复杂，肩关节中细微的运动改变也可能具有重要意义。例如，尽管角运动是盂肱关节的主要运动形式，但在肩部运动过程中也存在关节的平移运动。在正常情况下，这些平移运动的幅度可能不超过数毫米15,16,17,18,19，因此可能低于某些测量技术在体内的测量精度。尽管人们可能倾向于认为关节运动的微小偏差对临床影响甚微，但同样重要的是要认识到，多年肩部活动过程中细微偏差的累积效应可能超过个体组织修复与愈合的阈值。此外，盂肱关节在体内的受力情况也不容忽视。通过使用定制的仪器化盂肱关节假体，既往研究显示，用伸直的手臂将2 kg的重物举至头部高度时，盂肱关节所受的力可达到体重的70%至238%20,21,22。因此，关节运动的细微变化与集中在关节盂较小承重面积上的高负荷相结合，可能促进退行性肩部病理的形成。
历史上，肩关节运动的测量已通过多种实验方法实现。这些方法包括使用复杂的尸体测试系统来模拟肩关节运动23,24,25,26,27，基于视频的动作捕捉系统结合体表标记物28,29,31，附着在体表的电磁传感器32,33,34,35，植入骨内的骨针并连接反光标记或其他传感器36,37,38，静态二维医学影像（即透视成像39,40,41 和X线片17,42,43,44,45），基于MRI的静态三维（3D）医学影像46,47，计算机断层扫描48，以及动态三维单平面透视成像49,50,51。近年来，可穿戴传感器（例如惯性测量单元）在实验室外及自由生活条件下测量肩关节运动方面日益受到关注52,53,54,55,56,57。
近年来，已涌现出多种双平面放射照相或透视系统，旨在精确测量肩关节动态的三维体内运动58,59,60,61,62。本文旨在介绍作者使用定制双平面视频放射照相系统测量肩关节运动的方法。本文的具体目标是描述获取肩关节复合体双平面视频放射图像的协议、获取CT扫描数据、建立三维骨模型、定位解剖标志点、从双平面放射图像中追踪肱骨、肩胛骨和躯干的位置与方向，以及计算运动学结果指标。

<table><tbody><tr><td>校准立方体</td><td>自制</td><td>N/A</td><td>10 cm 丙烯酸盒，每个角嵌有一个钽珠，盒子&amp;rsquo;s 垂直边中点处另有四个钽珠（共12个钽珠）。每个钽珠的位置相对于盒子的一个角（作为实验室坐标系原点）精确已知。</td></tr><tr><td>畸变校正网格</td><td>自制</td><td>N/A</td><td>丙烯酸板，覆盖整个16英寸影像增强器表面，上面以1 cm间距排列正交的钽珠阵列。</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>美国国立卫生研究院</td><td>N/A</td><td>图像处理软件，用于生成骨体积的TIFF图像序列。</td></tr><tr><td>无标记追踪工作台</td><td>定制，内部开发软件</td><td>N/A</td><td>一套定制软件工作台，用于在三维骨模型上数字化解剖标志点，构建解剖坐标系，利用基于强度的图像配准实现无标记追踪，并计算和可视化运动学结果指标。</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Inc</td><td>N/A</td><td>计算机编程软件，用于数据处理与分析。</td></tr><tr><td>Mimics（版本20）</td><td>Materialise, Inc</td><td>N/A</td><td>图像处理软件，用于从CT扫描中分割肱骨、肩胛骨和肋骨。</td></tr><tr><td>Open Inventor</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>N/A</td><td>三维图形程序，用于骨骼可视化。</td></tr><tr><td>Phantom相机控制软件（PCC，版本3.4）</td><td></td><td>N/A</td><td>用于设定相机参数，以及采集和保存X射线图像的软件。</td></tr><tr><td>脉冲发生器（型号9514）</td><td>Quantum Composers, Inc.</td><td>N/A</td><td>同步X射线与相机系统，并设定曝光时间。</td></tr><tr><td>两台100 kW脉冲X射线发生器（型号CPX 3100CV）</td><td>EMD Technologies</td><td>N/A</td><td>产生用于生成X射线图像的X射线。</td></tr><tr><td>两台40 cm影像增强器（型号P9447H110）</td><td>North American Imaging</td><td>N/A</td><td>将X射线转换为光子，以生成可见图像。</td></tr><tr><td>两台Phantom VEO 340高速相机</td><td>Vision Research</td><td>N/A</td><td>高速相机记录X射线系统生成的可见图像。</td></tr></tbody></table>

使用双平面视频放射摄影测量体内肩关节三维运动学

Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

肩关节是人体最复杂的关节系统之一，其运动依赖于四个独立关节、多条韧带以及约20块肌肉的协调作用。遗憾的是，肩部疾病（例如肩袖撕裂、关节脱位、关节炎）十分常见，常导致显著疼痛、功能障碍以及生活质量下降。尽管许多此类疾病的特定病因尚未完全明确，但普遍认为肩部疾病通常与关节运动异常相关。然而，要以足够高的精度测量肩部运动以验证基于运动机制的假设并非易事。不过，基于放射影像的运动测量技术已取得必要进展，使得研究者能够深入检验运动相关假说，并对肩关节功能建立机制性理解。因此，本文旨在介绍使用定制双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目标包括：描述获取肩关节复合体双平面视频放射影像的实验流程、获取CT扫描数据、构建三维骨模型、定位解剖标志点、从双平面放射影像中追踪肱骨、肩胛骨和躯干的位置与方向，以及计算运动学结果指标。此外，本文还将阐述采用该方法测量肩关节运动学时所特有的若干注意事项。

一名52岁无症状女性（BMI = 23.6 kg/m2）作为先前一项研究的一部分被纳入，并对其优势侧（右侧）肩关节进行了运动测试（冠状面外展）65。在数据采集前，受试者签署了书面知情同意书。该研究获得了亨利·福特医疗系统机构审查委员会的批准。数据采集采用先前描述的方案进行（图3）。
受试者的盂肱关节、肩胸关节和肱胸关节运动学数据分别如图7、图8和图9所示。对盂肱关节和肩胸关节运动学的目视检查表明，受试者肩部运动与冠状面外展过程中通常预期的运动模式一致66。具体而言，盂肱关节运动包括抬高和轻度外旋，总体上位于肩胛骨后方的平面内（图7）；而肩胸关节运动则包括上旋、后倾以及轻度...

双平面视频放射照相技术能够以高精度量化肩关节运动学。本文所述方案专为在平面肱骨抬高过程中追踪肩胛骨、肱骨和肋骨而设计，并概述了数据采集、处理和分析的步骤。文中还描述了数据采集过程中的特殊注意事项。

肩关节是人体最复杂的关节系统之一，其运动通过四个独立关节的协调作用实现，……

我们认为，分享我们在此项研究中使用该技术的实验方案及所获得的经验非常重要，因为参与这些研究的受试者会暴露于辐射之下，因此容错空间非常小。该技术的主要优势在于能够精确量化关节运动，从而使研究人员能够探索原本无法实现的科学问题。在开始分析之前，应将座椅置于双平面成像范围内，使待测肩关节大致位于双平面X射线束交汇的中心位置。请受试者以舒适、直立的姿势就座，双臂置于身体两侧。根据受试者的身体测量数据、待测试的动作以及需要追踪的骨骼，调整座椅的初始位置。同时，在受试者躯干上固定带有铅衬的防护背心，以覆盖腹部以及对侧肩部和胸部。打开系统X射线源内的光源，并升起系统，直到投射到影像增强器上的阴影与受试者的腋窝水平一致。在观察影像增强器上阴影的同时，轻柔地移动坐在椅子上的受试者，使其处于双平面成像范围内。一旦通过光源确定了受试者在两个系统中的位置，即让受试者执行将在检查过程中测试的动作。受试者的肩部应保持在放射成像范围内。在控制室内，为确认受试者的位置，将X射线控制面板设置为低剂量透视模式，并将脉冲发生器设为0.25秒采集一次。安排一名助手向受试者解释整个过程，包括提醒受试者在成像过程中可能听到的声音。开始成像前，助手应穿上铅衬防护背心，并在保持与受试者视线清晰且沟通顺畅的前提下，远离X射线源。为获取图像，先启动摄像头并预热X射线控制面板。当系统准备就绪后，指示助手使用手持遥控触发器开始采集放射影像。获取图像后，应检查图像以确定受试者的体位是否适合清晰显示所有必要的骨骼。对于静态图像采集，根据初步成像结果在X射线控制面板上设置优化的放射技术参数，并让助手指导受试者坐直，双臂自然垂于身体两侧。在此体位下采集图像后，需检查图像质量、目标骨骼的可见度以及技术条件是否符合要求。当获得最佳图像后，保存每个相机的试验数据。对于动态图像采集，使用相同的参数，但将脉冲发生器设置为两秒曝光，让助手根据口头提示练习将要对受试者执行的动作，控制节奏，使动作在两秒内完成。当受试者准备就绪后，启动相机并如示范所示预启动控制面板，同时通知助手系统已准备就绪。在发出“准备，开始”的口令前，助手应先询问受试者是否已准备就绪，以便在助手启动X射线系统采集动态图像的同时，受试者同步执行相应动作。当所有动作试验均获得高质量图像后，保存各摄像机记录的试验数据。在本项代表性分析中，一名52岁无症状女性对其优势侧肩关节进行了运动功能测试，过程如图所示。还获取了肩关节在冠状面、矢状面和横断面的CT扫描图像，以包括整个肩胛骨、肱骨和肋骨。这些放射影像说明了在较低肱骨抬高角度下获取肩关节双平面X线片的复杂性：在绿色视图中，外侧肩峰和锁骨远端区域曝光过度，但由于该区域软组织体积较小，在红色视图中显示清晰。然而，随着手臂抬高，三角肌主体投影至该区域，从而获得更佳的放射影像曝光效果。如本项运动学分析所观察到的，盂肱关节运动包括上抬以及轻微的外旋，总体上位于肩胛骨平面后方。肩胛胸壁运动包括向上旋转、后倾以及轻微的内旋-外旋。在运动测试过程中，肩峰下间隙的最小距离持续减小，直至肱骨胸壁上抬角度达到约90度，此后该距离开始增大。平均肩峰下距离呈现出相似的变化趋势。最小肩峰下距离的变化轨迹与表面积指标呈互补关系，即当表面积较大时，最小距离 tends to 较小。让受试者练习该动作对于确保其理解操作流程，并能够以正确的速度和节奏完成所需动作为至关重要。

measuring-3d-vivo-shoulder-kinematics-using-biplanar

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

使用双平面影像学测量 3D 体内肩部运动学

本报告详细介绍了在使用被动标记式运动捕捉设备时，如何采用肩峰标记簇方法获取肩胛骨运动学数据。如文献所述，该方法可提供一种可靠、无创、三维、动态且有效的肩胛骨运动学测量手段，最大限度地减少皮肤移动伪影。...

使用肩峰标记簇测量动态肩胛骨运动学以最小化皮肤移动伪影

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。...

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

在实验动物胃肠道中对平滑肌收缩进行体内测量仍是一种强大但尚未被充分利用的技术。目前市场上无法购得柔性双元件应变规，需自行制备。本方案描述了用于在啮齿类动物中进行急性或慢性植入的可靠且低成本应变规的构建方法。...

微型双元件应变计的制备与植入用于测量 体内 啮齿类动物的胃肠道收缩

我们展示了使用图案化气溶胶粘合剂构建三维纸基微流控装置的方法。这种粘合剂应用方式可在各层之间形成半永久性结合，使得一次性装置在使用后能够无损拆解，并有助于折叠复杂的非平面结构。...

利用粘合剂图案化构建三维纸质微流控装置

胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的核心组分，为从细胞迁移、分化到增殖等多种细胞过程提供关键信号。本文提供了一种将细胞包埋于三维胶原蛋白水凝胶中的实验方案，以及一种利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道生成随机或定向排列胶原基质的进阶技术。...

用于研究三维相互作用的3D胶原凝胶与微通道的制备 在体 内

本方案采用多视角立体成像技术，从未经校准的系列照片中生成三维（3D）模型，成本低廉且可灵活适用于手术环境。通过基于样条的等几何运动学方法对3D模型间的应变图进行量化，该方法能够在共享相同参数化的粗网格上实现光滑曲面的精确表达。...

利用多视角立体成像与等几何运动学在皮肤扩张的猪模型中进行应变量化

此处，我们介绍一种用于可视化血管形成的实验方案 体内 通过多光子显微镜在三维支架中实时观察。在转基因支架中的血管生成研究采用小鼠颅骨临界骨缺损模型。治疗组中检测到的新血管数量多于对照组。...

通过多光子显微镜观察血管生成 在体 内 用于颅骨临界骨缺损修复的基因修饰3D-PLGA/nHAp支架

使用基于纳米纤维素-海藻酸盐的生物墨水对软骨和皮肤类似物进行生物打印。打印前通过单步被动混合装置对生物墨水进行细胞接种。结果显示，所构建的组织结构细胞分布均匀，细胞活力高，并表现出良好的分化标志物。...

利用新型被动混合单元技术实现生物墨水预细胞化的软骨与皮肤组织类似物生物打印

我们开发了相关方案并设计了一种定制装置，以实现毫米级样本的包埋。本文介绍了样本制备流程，重点阐述了使用丙烯酸树脂和聚酰亚胺管进行包埋的方法，以实现样本的刚性固定和长期保存，从而便于通过显微CT对组织结构和细胞形态进行研究。...

通过显微计算机断层扫描实现固定与染色后毫米级完整样本的刚性包埋，用于无切片三维组织学研究

本方案介绍了一种用于粘连性肩关节囊炎的体内大鼠模型。该模型通过关节外缝线固定对肩盂肱关节进行内固定，并维持较长时间，从而导致关节旋转活动范围（ROM）减小和关节僵硬程度增加。...

肩关节粘连性囊炎大鼠模型

学习使用双平面X线摄影技术精确测量肩关节三维运动学的方法。本方案涵盖受试者定位、安全防护措施及肩胛骨、肱骨和肋骨的动态追踪，为生物力学研究提供高精度数据支持。

使用双平面视频放射摄影测量体内肩关节三维运动学

探索更多视频