Name: 在维沃 使用双氟镜检查进行动态负重活动时臀部关节肌学的量化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 43 s
Description: 了解双荧光透视结合全身动作捕捉技术用于量化活体髋关节运动学。该方法提高了追踪髋关节运动的精度，有助于研究髋关节退行性病变中的生物力学机制及临床应用。

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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。

作者无利益冲突。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>Amira 软件</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>版本 6.0</td><td></td></tr><tr><td>校准立方体</td><td></td><td>自定义</td><td>36 个钢珠（直径 3 mm，间距 6.35 cm，不确定度 0.0036 mm）</td></tr><tr><td>校准棒</td><td>Vicon</td><td>活性探头</td><td></td></tr><tr><td>CT 扫描仪</td><td>西门子股份公司</td><td>SOMATOM Definition 128 CT</td><td></td></tr><tr><td>畸变校正网格</td><td></td><td>自定义</td><td>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）</td></tr><tr><td>动态校准板</td><td></td><td>自定义</td><td>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）</td></tr><tr><td>发射极 (2)</td><td>Varian Interay；由Radiological Imaging Services公司翻新</td><td>B-100饲养盒/管A-142</td><td></td></tr><tr><td>肾上腺素</td><td>Hospira</td><td>注射剂，USP 10 mg/mL</td><td></td></tr><tr><td>FEBioStudio 软件</td><td>FEBio.org</td><td>版本 1.3</td><td>网格处理与运动学可视化</td></tr><tr><td>图形处理器</td><td>Nvidia</td><td>特斯拉</td><td></td></tr><tr><td>Hare 牵引夹板</td><td>DynaMed</td><td>Trac-III，型号 95201</td><td></td></tr><tr><td>高速相机（2）</td><td>Vision Research, Inc.</td><td>Phantom Micro 3</td><td></td></tr><tr><td>图像增强器（2）</td><td>Dunlee公司；由Radiological Imaging Services公司再制造</td><td>T12964P/S</td><td></td></tr><tr><td>碘海醇注射液</td><td>GE Healthcare</td><td>Omnipaque 240 mgI/mL</td><td>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</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>美国国立卫生研究院与光学与计算仪器实验室</td><td></td><td></td></tr><tr><td>盐酸利多卡因</td><td>Hospira</td><td>注射剂，USP 10 mg/mL</td><td></td></tr><tr><td>激光与反射镜准直系统</td><td></td><td>自定义</td><td>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</td></tr><tr><td>无标记追踪工作台</td><td>亨利·福特医院，定制软件</td><td>自定义</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 软件</td><td>Mathworks, Inc.</td><td>版本 R2017b</td><td></td></tr><tr><td>动作捕捉相机（10）</td><td>Vicon</td><td>Vantage</td><td></td></tr><tr><td>Nexus 软件</td><td>Vicon</td><td>版本 2.8</td><td>动作捕捉</td></tr><tr><td>Phantom Camera Control (PCC) 软件</td><td>Vision Research, Inc.</td><td>版本 1.3</td><td></td></tr><tr><td>预涂喷雾胶</td><td>穆勒运动护理</td><td>塔夫纳</td><td></td></tr><tr><td>反光球形皮肤标记点</td><td></td><td></td><td>14 mm</td></tr><tr><td>分体式双跑带全仪器化跑步机</td><td>Bertec Corporation</td><td>自定义</td><td></td></tr><tr><td>Visual3D 软件</td><td>C-Motion 公司</td><td>版本 6.01</td><td>运动学处理</td></tr></tbody></table>

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

In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy

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。

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）患者与无症状对照参与者在骨盆和髋关节运动学方面的细微差异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的骨与骨之间的距离26,27,28,29。
在开发用于研究负重状态下髋关节运动学的方案之前，该系统已在植入金属标记物的尸体标本上进行了...

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。

多种髋关节疾病的发病机制被认为与异常形态有关，其潜在假设为生物力学异常。然而，结构与功能之间的关系……

本方案结合体内髋关节运动学测量与全身运动捕捉，以阐明生物力学在髋关节退变中的作用。与传统的髋关节运动追踪方法相比，双荧光透视技术具有更高的准确性，因而能够研究髋关节形态与运动模式之间的细微关系。对于枢轴运动，需让受试者旋转或平移其足部，使骨盆在跑步机上保持向前正对。在旋转结束时，目标髋关节应位于透视设备联合视野的中央。位置优化后，让受试者在双透视成像过程中进行旋转动作，并保存所有在两个透视相机视野中均能清晰看到股骨和骨盆的图像帧。尽可能捕捉旋转轴的全部运动。在进行行走训练前，告知参与者即将启动跑步机传送带。将跑步机速度逐渐增加至合适的行走速度。在采集图像之前，让受试者的步态恢复正常。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度，然后重新启动跑步机。在让受试者重新踏上跑步机进行活动之前，对于外展-内收活动，应让受试者站立在透视仪的视野范围内，并将目标下肢向外侧抬起约45度，同时保持躯干不动。进行动态髋关节中心或星形轨迹活动时，让受试者站立于双平面X线透视系统的视野范围内，将腿部向前抬起，然后以45度为增量逐步降低至180度。在将腿部放回地面之前，让受试者进行腿部的环转运动，再恢复直立站姿。标记物放置时，将喷雾胶涂于五个标记板的织物带的皮肤接触面一侧。然后将其紧密地缠绕在受试者身上。检查受试者是否感觉绑带紧实但无不适感。随后将标记板放置在织物条上。清洁双手以去除多余的喷雾胶，并戴上手套以保护标记点，然后将仅用于校准的五个标记点贴在锁骨、膝内侧和内踝处。接下来，将用于追踪的16个标记点贴在髂前上棘、髂后上棘、被成像侧股骨的大转子、肩部、胸骨、膝外侧、外踝和足部。为识别坐标系的解剖标志，打开近端股骨作为模型文件，然后打开后处理工具栏和数据面板，添加一个基于第一主曲率的标准场。选择平滑度为 10，然后点击应用。接下来，选中股骨头的表面。在编辑面板中，点击选择范围，仅包含负曲率区域。使用测量工具中的球面拟合工具确定股骨头的中心。将该股骨头表面以 k 格式导出为表面网格。类似地，使用半径为五的勺形工具对远端股骨应用主曲率分析。再次单击选择范围，仅包含具有负曲率的面。导出该股骨髁表面用于圆柱拟合，以确定内外侧轴。接下来，对远端股骨应用第二主曲率，平滑度设置为三。标出髁上嵴的边缘，然后点击选择范围。应用上限阈值为负0.1。将这些面导出以生成一个平面，并利用该平面分离出用于圆柱拟合的后髁面。对于无标记追踪，选择在目标范围内能清晰显示骨骼的某一帧图像。然后利用软件提供的六个自由度，手动调整感兴趣骨骼的基于CT的数字重建放射图像的方向。当骨骼的数字重建放射图像在两个视图中均显示良好对齐时，通过点击解算面板中的手动按钮保存该解算结果。接下来，在“解决方案”面板中，点击 DHS 按钮以执行对角线海森搜索优化步骤，并查看结果。如果优化后的结果符合预期，则进入下一帧；否则进行必要的调整，并通过点击“解决方案”面板中的“手动”按钮重新保存。要完成第一轮跟踪，请使用“解决方案”面板中的 LP 加 DHS 范围按钮。在窗口中输入需要追踪的帧集合，以及用于参考的两帧。结合手动方法和基于DHS的解决方案，对试验的每一帧进行审阅和优化。利用参数曲线图确认相关系数足够高，并确保骨骼方向在任何参数上均无突然跳跃。为了可视化运动，需在运动学可视化软件中打开股骨和骨盆的表面。如有需要，可使用“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。利用追踪结果，生成一个包含每块骨骼在每一帧中坐标变换的文本文件。然后，使用运动学工具以及先前生成的表面网格和文本文件，对运动学进行动画模拟。通过使用半透明表面，验证动画模拟的运动学结果是否合理。或者使用表面距离工具，运行动画运动学分析，并确认各表面之间具有适当的距离。此处展示了代表性受试者在外旋和内旋枢轴最大旋转前后100帧的运动学动画。该图显示了左侧半骨盆与股骨之间的表面距离测量结果。使用双荧光透视法观察相对于骨模型的外旋和内旋枢轴最大旋转角度。精确追踪关节运动学时，细节至关重要。数据采集和处理的每一步都必须有明确的目的性并严谨执行。

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在维沃 使用双氟镜检查进行动态负重活动时臀部关节肌学的量化

在本研究中，使用了 原位 将讨论用于纤维关节生物力学的加载装置与微米级X射线计算机断层扫描技术的结合应用。可通过整体关节生物力学变化识别的实验读数包括：1）反作用力与位移的关系， 即 牙槽窝内牙齿的移位及其对载荷的反应性响应，2）三维（3D）空间构型与形态测量学 即 牙齿与牙槽窝之间的几何关系，以及加载轴线改变导致的读数1和读数2的变化 即...

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