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Mesure de la cinématique 3D in vivo de l’épaule à l’aide de la vidéoradiographie biplanaire

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DOI :

10.3791/62210

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12 mars 2021

 ,  , 
1Bone and Joint Center, Department of Orthopaedic Surgery, Henry Ford Health System

Dans cet article

Résumé

La vidéoradiographie biplan permet de quantifier la cinématique de l’épaule avec un haut degré de précision. Le protocole décrit ici a été spécialement conçu pour suivre l’omoplate, l’humérus et les côtes pendant l’élévation humérale plane, et décrit les procédures de collecte, de traitement et d’analyse des données. Des considérations uniques pour la collecte de données sont également décrites.

Résumé

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. Malheureusement, les pathologies de l’épaule (p. ex., déchirures de la coiffe des rotateurs, luxations articulaires, arthrite) sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. L’étiologie spécifique pour beaucoup de ces conditions pathologiques n’est pas entièrement comprise, mais il est généralement admis que la pathologie de l’épaule est souvent associée à un mouvement articulaire altéré. Malheureusement, mesurer le mouvement de l’épaule avec le niveau de précision nécessaire pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement n’est pas anodin. Cependant, les techniques de mesure du mouvement basées sur la radiographie ont fourni les progrès nécessaires pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement et fournir une compréhension mécaniste de la fonction de l’épaule. Ainsi, le but de cet article est de décrire les approches de mesure du mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer les mesures cinématiques des résultats. En outre, l’article décrira des considérations spéciales propres à l’épaule lors de la mesure de la cinématique articulaire à l’aide de cette approche.

Introduction

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. L’épaule a également la plus grande amplitude de mouvement des principales articulations du corps et est souvent décrite comme un compromis entre mobilité et stabilité. Malheureusement, les pathologies de l’épaule sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. Par exemple, les déchirures de la coiffe des rotateurs touchent environ 40 % de la population âgée de plus de 601 2,3 ans, avec environ 250 000 réparations de la coiffe des rotateurs effectuées chaque année4 et un fardeau économique estimé à 3 à 5 milliards de dollars par an aux États-Unis5. De plus, les luxations de l’épaule sont fréquentes et sont souvent associées à un dysfonctionnement chronique6. Enfin, l’arthrose de l’articulation gléno-humérale (ARTH) est un autre problème clinique important impliquant l’épaule, avec des études de population indiquant qu’environ 15% à 20% des adultes de plus de 65 ans présentent des preuves radiographiques d’OA gléno-humérale7,8. Ces conditions sont douloureuses, altèrent les niveaux d’activité et diminuent la qualité de vie.

Bien que les pathogènes de ces conditions ne soient pas entièrement comprises, il est généralement admis que le mouvement altéré de l’épaule est associé à de nombreuses pathologies de l’épaule9,10,11. Plus précisément, un mouvement articulaire anormal peut contribuer à la pathologie9,12, ou que la pathologie peut conduire à un mouvement articulaire anormal13,14. Les relations entre le mouvement articulaire et la pathologie sont probablement complexes, et des altérations subtiles du mouvement articulaire peuvent être importantes dans l’épaule. Par exemple, bien que le mouvement angulaire soit le mouvement prédominant se produisant au niveau de l’articulation gléno-humérale, des translations articulaires se produisent également pendant le mouvement de l’épaule. Dans des conditions normales, ces translations ne dépassent probablement pas plusieurs millimètres15,16,17,18,19 et peuvent donc être inférieures au niveau de précision in vivo pour certaines techniques de mesure. Bien qu’il puisse être tentant de supposer que de petites déviations dans le mouvement articulaire peuvent avoir peu d’impact clinique, il est important de reconnaître également que l’effet cumulatif des déviations subtiles au cours des années d’activité de l’épaule peut dépasser le seuil de guérison et de réparation des tissus de l’individu. De plus, les forces in vivo au niveau de l’articulation gléno-humérale ne sont pas sans conséquence. En utilisant des implants articulaires gléno-huméraux instrumentés sur mesure, des études antérieures ont montré que l’augmentation d’un poids de 2 kg à la hauteur de la tête avec un bras tendu peut entraîner des forces articulaires gléno-humérales pouvant aller de 70% à 238% du poids corporel20,21,22. Par conséquent, la combinaison de changements subtils dans le mouvement articulaire et de forces élevées concentrées sur la petite surface porteuse de la glénoïde peut contribuer au développement de pathologies dégénératives de l’épaule.

Historiquement, la mesure du mouvement de l’épaule a été réalisée grâce à une variété d’approches expérimentales. Ces approches ont inclus l’utilisation de systèmes de test cadavériques complexes conçus pour simuler le mouvement de l’épaule23,24,25,26,27, des systèmes de capture de mouvement vidéo avec des marqueurs de surface28,29,31, des capteurs électromagnétiques montés en surface32,33,34,35 , des broches osseuses avec marqueurs réfléchissants ou d’autres capteurs attachés36,37,38, imagerie médicale statique bidimensionnelle (c.-à-d. fluoroscopie39,40,41 et radiographies17,42,43,44,45), imagerie médicale tridimensionnelle (3D) statique utilisant l’IRM46,47, tomodensitométrie48 et imagerie fluoroscopique 3D à plan unique dynamique49,50,51. Plus récemment, les capteurs portables (par exemple, les unités de mesure inertielle) ont gagné en popularité pour mesurer le mouvement des épaules en dehors du laboratoire et dans des conditions de vie libre52,53,54,55,56,57.

Au cours des dernières années, il y a eu une prolifération de systèmes radiographiques ou fluoroscopiques biplans conçus pour mesurer avec précision les mouvements dynamiques et 3D in vivo de l’épaule58,59,60,61,62. Le but de cet article est de décrire l’approche des auteurs pour mesurer le mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer des mesures cinématiques des résultats.

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Protocole

Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford.

Les protocoles d’acquisition, de traitement et d’analyse des données de mouvement radiographique biplan dépendent fortement des systèmes d’imagerie, des logiciels de traitement des données et des mesures des résultats d’intérêt. Le protocole suivant a été spécialement conçu pour suivre l’omoplate, l’humérus et les troisième et quatrième côtes lors de l’abduction du plan scapulaire ou du plan coronal et pour quantifier la cinématique gléno-humérique, scapulothoracique et humeuracique.

1. Protocole d’imagerie CT

  1. Demandez au participant de s’allonger sur la table d’examen de tomodensitométrie avec les bras sur les côtés. En fonction de la taille du participant, placez-le décentré sur la table de manière à ce que tout l’hémi-torse soit disponible pour l’imagerie.
  2. Pour acquérir les images éclaireuses, le technologue s’assure que le champ de vision de la tomodensitométrie comprend la clavicule (supérieurement), les épicondyles huméraux distaux (inférieurs), l’ensemble de l’articulation gléno-humérale (latéralement) et les articulations costovertébrales et sternocostales (médialement) (Figure 1).
  3. Acquérir le scanner avec les paramètres suivants: mode de balayage = hélicoïdal; tension du tube = 120 kVp; courant de tube: 200-400 mA (auto); épaisseur de la tranche = 0,66 mm; Champ de vision = 34 cm.
  4. Vérifiez la qualité de l’analyse et le champ de vision.
  5. Reformatez l’acquisition à l’aide d’une taille de matrice d’image de 512 x 512 pixels. Compte tenu de l’épaisseur de la tranche et du champ de vision, l’acquisition donne un espacement isotrope du voxel d’environ 0,66 mm.
  6. Exportez les images au format DICOM.

2. Protocole biplan de capture de mouvement par rayons X

REMARQUE : Le système de radiographie biplanaire personnalisé utilisé dans ce protocole est décrit dans la Table des matériaux. Les procédures de collecte de données varieront probablement selon les composants du système. Les systèmes à rayons X sont arbitrairement appelés « vert » et « rouge » pour distinguer les procédures et les séquences d’images résultantes et sont positionnés avec un angle interfaisceaux d’environ 50° et une distance source-image (SID) d’environ 183 cm (Figure 2). Un minimum de deux membres du personnel de recherche sont requis pour la collecte des données; l’un pour faire fonctionner le système de radiographie et l’ordinateur, et l’autre pour instruire le participant à la recherche.

  1. Configuration du logiciel de l’appareil photo
    1. Réglez l’ouverture de l’appareil photo sur le paramètre par défaut (f/5.6).
      REMARQUE : Cette valeur dépend de plusieurs facteurs, notamment l’appareil photo, le temps d’exposition, l’ISO et l’anthropométrie des participants.
    2. Ouvrez le logiciel de la caméra et chargez le protocole d’étude sur chaque caméra (taux d’échantillonnage : 60 Hz, temps d’exposition : 1 100 μs).
      REMARQUE: Le temps d’exposition de l’appareil photo peut varier en fonction de plusieurs facteurs, notamment l’appareil photo, le réglage de l’ouverture et l’exposition radiographique.
  2. Échauffement du système
    REMARQUE: L’anode du tube à rayons X peut être endommagée si des expositions de haute puissance sont produites lorsqu’il fait froid. Par conséquent, les tubes doivent être réchauffés par une série d’expositions à faible consommation d’énergie basées sur les recommandations du fabricant.
    1. Sur les deux panneaux de commande du générateur de rayons X, sélectionnez Réglage vasculaire . Les réglages vasculaires préprogrammés produisent des expositions à faible énergie appropriées pour l’échauffement du système (par fabricant du système).
    2. Réglez le temps d’exposition sur le générateur d’impulsions à 0,25 s.
    3. Sur les panneaux de commande du générateur de rayons X, maintenez les boutons PREP enfoncés. Délai de préparation s’affiche à l’écran.
    4. Une fois que les deux écrans ont lu Prêt à exposer, appuyez simultanément sur les boutons EXPOSE et maintenez-les enfoncés.
      REMARQUE: Cela ne produira pas de rayons X, mais ne fera qu’armer le système. La production de rayons X ne se produit qu’en appuyant sur la pédale ou les gâchettes portatives.
    5. Appuyez sur les boutons PREP et EXPOSE des deux panneaux de commande, puis appuyez simultanément sur la pédale (ou portative) pour déclencher le générateur de rayons X afin de produire des rayons X.
      REMARQUE: Les rayons X sont produits pendant la durée spécifiée par le générateur d’impulsions (étape 2.3.2) ou jusqu’à ce que la pédale soit relâchée, selon la première éventualité.
    6. Répétez les étapes 2.2.2 à 2.2.5 jusqu’à ce que l’unité de chaleur (HU) du tube à rayons X dépasse le niveau requis par le fabricant pour acquérir des images (5% HU pour notre système).
  3. Vérifiez la synchronisation de l’appareil photo et la mise au point de l’image.
    REMARQUE : Vérifiez la synchronisation et la mise au point de la caméra en acquérant un ensemble d’images de test de la grille de correction de distorsion (voir Tableau des matériaux). Chaque intensificateur d’image sera testé individuellement en suivant les étapes décrites ci-dessous.
    1. Placez la grille de correction de distorsion sur l’intensificateur d’image.
    2. Sur les deux panneaux de commande du générateur de rayons X, sélectionnez le réglage Cardiaque , qui est programmé selon la technique radiographique par défaut (70 kVp, 320 mA, 2 ms et point focal = 1,0 mm).
      REMARQUE: Les paramètres de l’appareil photo restent inchangés (taux d’échantillonnage: 60 Hz, temps d’exposition: 1 100 μs).
    3. Réglez le générateur d’impulsions sur 0,25 s.
    4. Lancez l’acquisition de la caméra via le logiciel de la caméra et acquérez des images radiographiques comme décrit précédemment dans les étapes 2.2.3-2.2.5.
    5. Prévisualisez les images résultantes et déterminez le temps écoulé à partir de l’impulsion de déclenchement pour chaque système. Si la différence de temps écoulé entre les caméras est supérieure à 2 μs, déterminez quelle caméra tire en retard et spécifiez un délai d’image dans le logiciel de la caméra pour résoudre le problème.
    6. Inspectez visuellement la netteté de l’image pour vérifier la mise au point de l’appareil photo. Pour une évaluation objective, analysez une ligne de profil tracée sur une bille dans la grille de correction de distorsion à l’aide d’un logiciel de traitement d’image (par exemple, ImageJ). Plus précisément, inspectez la pente des valeurs de gris de pixel le long de cette ligne de profil. Une pente plus négative assure une image plus nette (en supposant que l’image radiographique est inversée de sorte que la perle soit sombre). Si nécessaire, recentrez les caméras et répétez les étapes 2.3.3-2.3.6.
  4. Configuration et positionnement des participants à la recherche
    REMARQUE : Le positionnement du participant à la recherche dépend fortement des os suivis et du mouvement testé. Les tests sont généralement effectués avec le participant à la recherche assis sur une chaise fixe (c.-à-d. non pivotante ou à roues) afin de minimiser le risque de changements dans sa position qui peuvent faire bouger l’épaule en dehors du volume d’imagerie 3D.
    1. Positionnez la chaise dans le volume d’imagerie biplan de sorte que l’épaule à tester soit centrée approximativement à l’endroit où les faisceaux de rayons X biplans se croisent. Il s’agit d’une position préliminaire. Ajustez-le en fonction de l’anthropométrie du participant, du mouvement à tester et des os à suivre.
    2. Demandez au participant d’être assis dans une posture verticale confortable avec les bras posés sur le côté.
    3. Fixez un gilet de protection doublé de plomb sur le torse du participant pour couvrir son abdomen et l’épaule et la poitrine controlatérales.
    4. Définissez la hauteur préliminaire des intensificateurs d’image. Pour faciliter cette procédure, allumez la lumière dans la source de rayons X du système. Soulevez le système jusqu’à ce que l’ombre du participant projetée sur l’intensificateur d’image soit au niveau de son aisselle.
      REMARQUE: La source et l’intensificateur d’image dans chaque système sont couplés pour se déplacer ensemble. Les systèmes non couplés nécessiteront des étapes d’alignement supplémentaires non décrites ici.
    5. Établissez la hauteur préliminaire des intensificateurs d’image. Déplacez doucement le participant sur sa chaise dans le volume d’image du biplan tout en regardant son ombre projetée sur chaque intensificateur d’image.
      REMARQUE: Une bonne hypothèse initiale consiste à positionner le participant de manière à ce que l’articulation acromio-claviculaire soit approximativement au centre des deux intensificateurs d’image. Cette position est une estimation initiale raisonnable pour le protocole actuel, qui nécessite la visualisation et le suivi de l’humérus, de l’omoplate et de deux côtes lors de l’élévation de l’épaule.
    6. Une fois que la position du participant semble raisonnable dans les deux systèmes, maintenez la source lumineuse allumée et demandez au participant d’effectuer le mouvement à tester. Assurez-vous que l’épaule du participant reste dans le champ de vision radiographique pendant toute la durée de l’essai de mouvement. Si possible, collimez les faisceaux de rayons X pour réduire l’exposition.
    7. Répétez les étapes 2.4.5 à 2.4.6 jusqu’à ce qu’il apparaisse que la configuration du participant dans le volume d’image est appropriée.
    8. Chercheur n ° 1: Retournez à la salle de contrôle pour faire fonctionner les panneaux de contrôle à rayons X et les caméras. Réglez le panneau de commande des rayons X en mode fluoroscopie basse consommation (60 kVp, 3-4 mA) et le générateur d’impulsions sur une acquisition de 0,25 s.
    9. Chercheur no 2 : Expliquez au participant qu’une image sera prise afin que sa position puisse être vérifiée dans les images et décrire la série d’événements qui se produiront. Avertissez le participant des sons émis par le système (p. ex., clics, bourdonnements) pour éviter toute appréhension. Enfilez un gilet de protection doublé de plomb, récupérez la gâchette portative et éloignez-vous le plus possible des sources de rayons X pour minimiser l’exposition tout en maintenant une ligne de visée claire et une communication avec le participant. Si possible, tenez-vous derrière un bouclier doublé de plomb avec une fenêtre.
    10. Chercheur n ° 1 (dans la salle de contrôle des rayons X): Démarrez les caméras et amorcez le panneau de commande des rayons X comme décrit précédemment (étapes 2.2.3-2.2.5). Lorsque le système est prêt à être exposé, avisez le chercheur #2.
    11. Chercheur no 2 (en laboratoire) : Indiquez au participant au sujet de l’acquisition d’images. Déclenchez l’acquisition d’images radiographiques à l’aide du déclencheur à distance portatif. Informez le participant qu’une image a été prise et excusez-vous à la salle de contrôle.
    12. Chercheur #1 et #2 (dans la salle de contrôle des rayons X) : Inspectez les images. Concentrez-vous uniquement sur la position du participant et la visibilité de tous les os à suivre. Si nécessaire, répétez les étapes 2.4.5 à 2.4.12 jusqu’à ce que la position du participant soit satisfaisante.
    13. Une fois la configuration et le positionnement du système à rayons X établis, ne déplacez pas le système à rayons X pendant la session de collecte de données, sauf si de nouvelles images d’étalonnage et de correction de la distorsion sont collectées pour chaque configuration. Demandez également au participant de se déplacer le moins possible pendant la durée de la session de collecte de données afin d’éviter d’avoir à répéter les procédures de configuration.
  5. Collecte de données : Acquisition d’images statiques
    1. Chercheur #1 (dans la salle de contrôle des rayons X): Réglez la technique radiographique optimisée sur le panneau de commande des rayons X (sur la base de tests préliminaires). Le protocole radiographique utilisé ici est de 70 kVp, 320 mA, 2 ms et point focal = 1,0 mm, la caméra collectant à 60 Hz et un temps d’exposition de 1 100 μs. Réglez le générateur d’impulsions sur 0,25 s.
      REMARQUE : Informez le participant que la prochaine image sera une acquisition d’image formelle.
    2. Chercheur no 2 (en laboratoire) : Informez le participant de s’asseoir debout avec son bras appuyé à ses côtés.
    3. Acquérir une image comme décrit précédemment (étapes 2.4.8-2.4.11).
    4. Chercheurs #1 et #2 (dans la salle de contrôle des rayons X) : Inspectez les images. Concentrez-vous sur la qualité de l’image (c.-à-d. la luminosité et le contraste) et la visibilité de tous les os nécessaires. Si des ajustements de la qualité de l’image sont nécessaires, déterminez le paramètre à modifier (c.-à-d. arrêt f, temps d’exposition de l’appareil photo, kVp, mA) et réacquisez l’image statique.
      REMARQUE: Il est essentiel de toujours être conscient de la façon dont la dose est affectée par les paramètres radiographiques.
    5. Répétez les étapes 2.5.1 à 2.5.4 jusqu’à ce que la qualité de l’image soit acceptable, dans les limites des estimations de dose approuvées par la CISR.
    6. Une fois que la qualité de l’image est acceptable, vérifiez la qualité technique des images (par exemple, des images corrompues).
    7. Après une acquisition d’image d’essai statique acceptable, enregistrez l’essai de chaque caméra (par exemple, « green_still.cine », « red_still.cine »).
  6. Collecte de données : acquisition d’images dynamiques
    1. Chercheur no 1 (dans la salle de contrôle des rayons X) : Maintenir les mêmes paramètres radiographiques de l’image statique de l’essai. Réglez le générateur d’impulsions sur une exposition de 2,0 s.
    2. Chercheur no 2 (en laboratoire) : Enseignez au participant le mouvement à effectuer, y compris le plan et le moment du mouvement. Vérifiez que la chaise et les vêtements et/ou le gilet doublé de plomb du participant n’interfèrent pas avec le mouvement des épaules. Pratiquez le procès de la motion avec le participant. Utilisez le signal verbal « Prêt... et... go » rythmé de sorte qu’il faut 2 s (c.-à-d. la durée de l’essai de mouvement) pour aider le participant à rythmer l’initiation et l’achèvement de la motion.
      REMARQUE: Il est essentiel que le participant comprenne les procédures et puisse effectuer systématiquement l’essai de motion pour éviter l’exposition inutile associée à un essai raté.
    3. Chercheur n ° 2 (en laboratoire): Après une pratique suffisante, récupérez le déclencheur à distance portatif. Déplacez-vous dans un endroit sûr dans le laboratoire avec une ligne de vue claire et une communication avec le participant à la recherche.
    4. Chercheur n ° 1 (dans la salle de contrôle des rayons X): Réinitialisez le générateur d’impulsions à 2,0 s, démarrez les caméras et amorcez le panneau de commande des rayons X comme décrit précédemment (étapes 2.3.4-2.3.5). Lorsque le système est prêt à être exposé, avisez le chercheur #2.
    5. Chercheur no 2 (en laboratoire) : Demandez au participant à la recherche : « Êtes-vous prêt? » [attendre la réponse affirmative] « Prêt ... et... allez-y. (rythmé, comme auparavant, de sorte qu’il faut 2 s).
    6. Chercheur no 2 (en laboratoire) : Déclenchez manuellement le système de radiographie lorsque le participant initie un mouvement du bras.
      REMARQUE: Bien que le déclenchement manuel basé sur le mouvement visuel risque d’omettre le début de l’essai de mouvement, il empêche la surexposition du participant à la recherche en cas de mauvaise communication ou de démarrage retardé.). Une fois l’essai terminé, informez le participant qu’une image a été prise et excusez-vous à la salle de contrôle pour inspecter les images.
    7. Chercheurs no 1 et no 2 (dans la salle de contrôle des rayons X) : Inspectez les images d’essai pour vérifier leur qualité (c.-à-d. luminosité et contraste) et leur état technique (c.-à-d. toute image corrompue) (figure 3). Enregistrez les essais de mouvement de chaque caméra (par exemple, « green_scapab1.cine », « red_scapab1.cine »).
    8. Répétez les étapes 2.6.1 à 2.6.7 pour recueillir tous les essais de mouvement dans le cadre du protocole de radioprotection approuvé.
  7. Collecter des images d’étalonnage
    REMARQUE : L’étalonnage des images radiographiques permet de définir le système de coordonnées en laboratoire, la position et l’orientation de chaque système radiographique à rayons X par rapport au système de coordonnées de laboratoire et les paramètres intrinsèques qui permettent la génération de radiographies reconstruites numériquement (RRC), qui sont utilisées dans le processus de suivi sans marqueur. Les calculs d’étalonnage sont décrits à l’étape 3.4.1.
    1. Conservez les mêmes paramètres de caméra et de technique radiographique utilisés lors de la collecte de données.
    2. Réglez le générateur d’impulsions sur une exposition de 0,5 s.
    3. Placez le cube d’étalonnage (voir Tableau des matériaux) au milieu du volume d’imagerie.
    4. Acquérir et enregistrer les images du cube (par exemple, « green_cube.cine », « red_cube.cine »).
  8. Collectez les images pour la correction de distorsion et la correction non uniforme.
    REMARQUE: Les images radiographiques collectées à l’aide d’un intensificateur d’image sont affectées par l’intensité, la non-uniformité63 et la distorsion. Par conséquent, des images d’un champ blanc et d’une grille de correction de distorsion sont acquises sur chaque système radiographique pour déterminer les corrections nécessaires. Il est généralement prudent de collecter des images d’étalonnage avant les images de distorsion et de correction non uniforme au cas où les intensificateurs d’image seraient heurtés pendant le positionnement de la grille de distorsion.
    1. Supprimez tous les objets du champ de vision radiographique.
    2. Conservez les mêmes paramètres de caméra et de technique radiographique utilisés lors de la collecte de données. Réglez le générateur d’impulsions sur une exposition de 0,5 s.
    3. Fixez la grille de correction de distorsion (voir Tableau des matériaux) à la surface de l’intensificateur d’image vert.
    4. Acquérir les images de grille et de champ blanc.
    5. Enregistrez les images (par exemple, « green_grid.cine », « red_white.cine »).
    6. Déplacez la grille vers l’intensificateur d’image rouge et répétez les étapes 2.7.2 à 2.7.5, en modifiant les noms de fichiers image, le cas échéant.

3. Protocole de traitement des données

REMARQUE : Les procédures de préparation de la géométrie osseuse, de prétraitement de l’image (c.-à-d. correction de la distorsion et de la non-uniformité et étalonnage de l’image) et le suivi sans marqueur sont très variables et dépendent du logiciel utilisé. Les procédures décrites dans le présent document sont spécifiques au logiciel propriétaire. Cependant, les principales étapes de traitement des données sont probablement traduisibles dans n’importe quel logiciel de capture de mouvement à rayons X.

  1. Traitement de la tomodensitométrie
    REMARQUE: Le logiciel de suivi sans marqueur propriétaire utilisé par le laboratoire des auteurs optimise la position et l’orientation d’un RRC. Par conséquent, les procédures de traitement de l’analyse CT entraînent la création d’une pile d’images TIFF 16 bits. D’autres progiciels peuvent exiger que la géométrie osseuse soit représentée dans différents formats ou spécifications.
    1. Ouvrez un programme de traitement d’image (par exemple, Mimics, FIJI) et importez les images CT.
    2. Segmentez l’humérus des tissus mous environnants. Pour les côtes, créez une extension qui relie l’aspect antérieur de la côte au manubrium pour numériser l’articulation sternocostale plus tard à l’étape 3.2.6.
    3. Effectuez une opération booléenne sur le masque fini avec un masque noir (c’est-à-dire que tous les pixels sont colorés en noir) (opération : noir moins os). Il en résulte un masque inversé de l’os dans lequel tous les pixels sont noirs à l’exception de ceux correspondant à l’os, qui restent en niveaux de gris CT.
    4. Recadrez la pile d’images le long des trois axes pour éliminer les pixels noirs (c’est-à-dire non osseux). Laissez quelques pixels noirs sur les bords de ce cadre de sélection 3D.
    5. Enregistrez la pile d’images modifiée au format TIFF.
    6. Répétez les étapes 3.1.1 à 3.1.5 pour tous les os restants.
  2. Définition des systèmes de coordonnées anatomiques et des régions d’intérêt (ROI)
    REMARQUE: Ce protocole oriente les systèmes de coordonnées anatomiques comme suit. Pour une épaule droite, l’axe +X est orienté latéralement, l’axe +Y est orienté de manière supérieure et l’axe +Z est orienté postérieurement. Pour une épaule gauche, l’axe +X est orienté latéralement, l’axe +Y est orienté de manière supérieure et l’axe +Z est orienté antérieurement.
    1. Importez la pile d’images TIFF pour l’os à traiter. Convertir la pile TIFF en fichier . RAW et restituez un modèle osseux 3D basé sur les dimensions de pixel connues et l’espacement des images à l’aide du logiciel propriétaire.
      REMARQUE : La résolution du modèle est basée sur l’échantillonnage du volume CT (c.-à-d. l’espacement du voxel). Par conséquent, la surface moyenne des triangles maillés est d’environ 1,02 mm2 (±0,2 mm2) (étape 1,3).
    2. Numériser les repères anatomiques sur l’humérus comme suit (Figure 4A).
      1. Centre géométrique de la tête humérale : Déterminez les dimensions et la position d’une sphère qui minimise la distance entre la surface de la sphère et la surface articulaire humérale à l’aide d’un algorithme des moindres carrés. Définissez le centre géométrique de la tête humérale comme les coordonnées du centre de la sphère optimisée.
      2. Épicondyles médiaux et latéraux: Situés à la section la plus large de l’humérus distal.
    3. Définissez le retour sur investissement de la tête humérale comme suit (Figure 5A).
      1. Toute la surface articulaire humérale et une plus grande tubérosité.
    4. Numérisez les repères anatomiques sur l’omoplate comme suit (Figure 4B).
      1. Racine de la colonne vertébrale scapulaire: Situé à la frontière médiale le long de la colonne vertébrale scapulaire.
      2. Articulation acromio-claviculaire postérieure: Située à l’aspect postérieur de la facette claviculaire de l’acromion scapulaire.
      3. Angle inférieur: Situé au point le plus bas de l’omoplate.
    5. Définissez les ROI scapulaires comme suit (Figure 5B).
      1. Acromion: La sous-surface de l’acromion latérale à la colonne vertébrale de l’omoplate.
      2. Glénoïde : Toute la surface articulée de la glénoïde.
    6. Numérisez les repères anatomiques sur les côtes comme suit (Figure 4C).
      1. Côte antérieure : Située dans la partie la plus médiale de l’extension de la côte.
      2. Côte postérieure: Situé au point médian supérieur / inférieur de l’aspect postérieur de la facette sur la tête de la côte.
      3. Côte latérale: Situé à l’aspect le plus latéral de la côte lorsque les points de côte antérieurs et postérieurs sont alignés verticalement sur l’écran.
  3. Prétraitement d’image
    REMARQUE: Le prétraitement de l’image est effectué à l’aide d’un logiciel propriétaire et implique la conversion des fichiers d’image cinétique en piles TIFF et la correction des images pour la distorsion non uniforme.
    1. Effectuer une correction de non-uniformité : Le logiciel fait la moyenne des quelque 30 images (c.-à-d. 0,5 s de données) pour produire une image unique, de haute qualité et en champ lumineux afin de minimiser l’effet du bruit dans une seule image. L’image en champ lumineux est utilisée pour calculer la densité radiographique réelle le long du rayon de la source de rayons X à chaque pixel de chaque image de données. La somme de la densité radiographique de toute la matière pénétrée par le rayon de chaque pixel est proportionnelle au logarithme du champ lumineux pour ce pixel moins le logarithme de l’image d’observation pour ce pixel (c.-à-d. le traitement log-sub).
    2. Effectuer une correction de distorsion : Le logiciel fait la moyenne des quelque 30 images (c’est-à-dire 0,5 seconde de données) pour produire une seule image et réduit l’effet du bruit dans une image individuelle. Le logiciel de correction de distorsion crée une carte affine à partir de chaque triple de positions de perles adjacentes dans l’image de la grille de distorsion jusqu’à la position connue (vraie) de ces trois perles dans la grille de correction de distorsion Lucite. Cette collection de petites cartes affines est ensuite utilisée pour rééchantillonner chaque image observée de l’essai de mouvement dans les coordonnées réelles représentées par le tableau orthogonal de perles.
    3. Appliquer des corrections de distorsion et de non-uniformité à tous les cadres de chaque essai.
  4. Calibrage du volume d’imagerie biplan.
    REMARQUE: L’étalonnage de l’image a été effectué à l’aide d’un logiciel propriétaire. Le logiciel utilise un algorithme d’optimisation non linéaire pour ajuster les emplacements des perles d’objet d’étalonnage observées à leurs emplacements 3D connus. Ce processus est effectué pour chaque ensemble d’images d’étalonnage biplanaires. Le résultat est un système qui peut projeter numériquement deux vues d’un volume osseux et les enregistrer par rapport aux images radiographiques du même os collectées lors de la collecte de données.
  5. Suivi sans marqueur
    REMARQUE: Le suivi sans marqueur est effectué à l’aide d’un logiciel propriétaire. Des logiciels tels que Autoscoper et C-Motion peuvent également être utilisés pour compléter ce processus.
    1. Sur la première image de l’essai de mouvement, faites pivoter et traduisez le DRR à l’aide des commandes logicielles jusqu’à ce qu’il semble bien correspondre aux images radiographiques biplanes (Figure 6).
    2. Enregistrez la solution manuelle.
    3. Appliquez l’algorithme d’optimisation.
    4. Inspectez visuellement la solution jugée optimale par l’algorithme sur la base de la solution manuelle initiale. Si nécessaire, ajustez la solution et répétez les étapes 3.5.2 à 3.5.3 jusqu’à ce que la solution optimisée soit satisfaite.
    5. Répétez les étapes 3.5.1 à 3.5.4 pour chaque 10e image du procès de mouvement.
      REMARQUE: Cet intervalle dépend de plusieurs facteurs, notamment la fréquence d’images, la vitesse de mouvement et la qualité de l’image. Des intervalles plus courts peuvent être nécessaires.
    6. Une fois que chaque 10e image est suivie, effectuez une optimisation pour créer des solutions préliminaires interpolées qui sont ensuite optimisées.
    7. Continuez à affiner les solutions jusqu’à ce que toutes les images de l’essai de mouvement soient bien suivies.

4. Protocole d’analyse des données

REMARQUE: Le logiciel de suivi sans marqueur propriétaire utilisé dans ce protocole permet d’obtenir les trajectoires brutes et filtrées des repères anatomiques qui seront utilisés pour construire des systèmes de coordonnées anatomiques. Ces coordonnées sont exprimées par rapport au système de coordonnées de laboratoire défini par l’objet d’étalonnage au cours de la procédure d’étalonnage. Le protocole suivant décrit, en termes généraux, les procédures de calcul des mesures cinématiques des résultats à partir de ces trajectoires historiques afin qu’elles puissent être calculées dans n’importe quel langage de programmation (par exemple, MATLAB). Un deuxième logiciel propriétaire est utilisé pour calculer la cinématique et les statistiques de proximité.

  1. Calculer la cinématique et les statistiques de proximité
    REMARQUE : Les principales mesures des résultats cinématiques comprennent les rotations articulaires (c.-à-d. les angles d’Euler) et les positions. Les principales statistiques de proximité comprennent l’écart minimum, l’écart moyen et le centre de contact moyen pondéré, qui sont calculés pour chaque cadre de données. Collectivement, ces mesures décrivent l’arthrocinématique articulaire, ou interactions de surface au cours d’un mouvement. Les proximités anatomiques agrégées tout au long de l’essai de mouvement comprennent le centre de contact moyen, le chemin de contact et la longueur du chemin de contact.
    1. Pour chaque os et chaque cadre de mouvement, utilisez les coordonnées anatomiques filtrées (c.-à-d. la sortie du logiciel de suivi sans marqueur) pour construire une matrice de transformation à 16 éléments représentant le système de coordonnées anatomiques de l’os par rapport au système de coordonnées de laboratoire.
    2. Calculez la cinématique relative en reliant les systèmes de coordonnées anatomiques entre les os pertinents à l’aide du logiciel.
    3. Extraire les angles et les positions des articulations à l’aide de méthodes conventionnelles64. Compte tenu de l’orientation des systèmes de coordonnées anatomiques, extraire la cinématique gléno-humérale à l’aide d’une séquence de rotation Z-X'-Y'', extraire la cinématique scapulothoracique à l’aide d’une séquence de rotation Y-Z'-X'' et extraire la cinématique humeurothoracique à l’aide d’une séquence de rotation Y-Z'-Y''.
    4. Écart minimum : Calculez le plus petit écart (c’est-à-dire la distance) entre les centroïdes du triangle du plus proche voisin sur l’os opposé à l’aide du logiciel.
    5. Écart moyen : calculez la moyenne pondérée en fonction de la surface de l’écart minimal à l’aide des triangles qui ont le plus petit écart par rapport à leur voisin le plus proche dans une zone de mesure spécifiée à l’aide du logiciel. Définissez la zone de mesure comme les triangles les plus proches de l’os opposé dont la somme des surfaces est de 200 mm2. Incorporer cette zone de mesure dans le calcul pour s’assurer que seule la surface qui est raisonnablement proche de l’os opposé est incluse dans le calcul de l’écart moyen.
      REMARQUE : La taille de la zone de mesure (c.-à-d. 200 mm2) a été choisie lors de l’élaboration initiale de l’algorithme après qu’il a été constaté qu’elle reflétait systématiquement l’espace subacromial et les proximités articulaires gléno-humérales sans être trop biaisée par rapport aux surfaces éloignées. L’utilisation de cette mesure pour des interactions de surface plus larges (p. ex., tibiofemoral) peut nécessiter une plus grande surface de mesure.
    6. Centre de contact moyen pondéré (c.-à-d. centroïde) : Calculez le point sur la surface du retour sur investissement qui minimise la distance pondérée par rapport à tous les autres triangles dans la zone de mesure (c.-à-d. les triangles les plus proches de l’os opposé dont la somme des surfaces s’élève à 200 mm2) à l’aide du logiciel. Le facteur de pondération pour chaque triangle dans la zone de mesure est calculé comme suit : aire du triangle / distance au carré du centroïde le plus proche voisin (c.-à-d. pondération carrée inverse). De cette façon, les triangles qui sont pondérés plus lourdement sont plus grands (d’un facteur de 1) et plus proches de l’os opposé (d’un facteur de la distance minimale au carré).
    7. Centre de contact moyen : calculez la position moyenne du centre de contact (c’est-à-dire centroïde) dans l’essai de mouvement à l’aide du logiciel. Étant donné que les centres de contact représentent l’arthrokinématique articulaire, le centre de contact moyen représente le centre des interactions de surface pendant un mouvement.
    8. Chemin de contact : définissez en connectant les coordonnées du centre de contact moyen pondéré à travers l’essai de mouvement à l’aide du logiciel.
    9. Longueur du chemin de contact : calculez la longueur du chemin de contact à travers l’essai de mouvement à l’aide du logiciel.

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Résultats

Une femme asymptomatique de 52 ans (IMC = 23,6 kg/m2) a été recrutée dans le cadre d’une enquête antérieure et a subi un test de mouvement (abduction par avion coronal) sur son épaule dominante (droite)65. Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford. La collecte de données a été effectuée à l’aide du protocole décrit précédemment (...

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Discussion

La technique décrite ici surmonte plusieurs inconvénients associés aux techniques conventionnelles d’évaluation du mouvement de l’épaule (simulations cadavériques, imagerie 2D, imagerie 3D statique, systèmes de capture de mouvement vidéo, capteurs portables, etc.) en fournissant des mesures précises du mouvement des articulations 3D pendant les activités dynamiques. La précision du protocole décrit ici a été établie pour que l’articulation gléno-humérale par rapport à l’étalon-or de l’analyse radiostéométrique (RSA) soit...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par l’Institut national de l’arthrite et des maladies musculo-squelettiques et cutanées sous le numéro d’attribution R01AR051912. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les points de vue officiels des National Institutes of Health (NIH).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Boîtedeconstruite en interneavec une perle de tantale dans chaque coin et quatre perles supplémentaires à mi-chemin le long de la boîte. s (12 perles au total). Les positions de chaque bille sont connues avec précision par rapport à un coin de la boîte qui sert d’origine au système de coordonnées du laboratoire.
FeuilleN/Ainternequi couvre toute la face de l’intensificateur d’image de 16 pouces et contient un réseau orthogonal de perles de tantale espacées de 1 cm.
ImageJNational Institutes of HealthN/ALogiciel de traitement d’images utilisé pour préparer la pile TIFF des volumes osseux.
Établipersonnalisé, logiciel interneN/AUn établi de logiciels personnalisés utilisés pour numériser des points de repère anatomiques sur des modèles osseux 3D, construit des systèmes de coordonnées anatomiques, utilise l’enregistrement d’images basé sur l’intensité pour effectuer un suivi sans marqueur, et calcule et visualise les mesures cinématiques des résultats.
MATLABMathworks, IncN/ALogiciel de programmation informatique. Pour effectuer le traitement et l’analyse des données.
Mimics (version 20)Materialise, IncN/ALogiciel de traitement d’images utilisé pour segmenter l’humérus, l’omoplate et les côtes à partir de la tomodensitométrie.
Open InventorThermo Fisher ScientificN/AProgramme graphique 3D utilisé pour visualiser les os
Logiciel de contrôle de caméra fantôme (PCC) (version 3.4)N/ALogiciel permettant de spécifier les paramètres de la caméra et d’acquérir et d’enregistrer des images radiographiques
Générateur d’impulsions (modèle 9514)Quantum Composers, Inc.N/ASynchronise les systèmes de rayons X et de caméra et spécifie le temps d’exposition
Deux générateurs de rayons X pulsés de 100 kW (modèle CPX 3100CV)EMD TechnologiesN/AGénère les rayons X utilisés pour produire des images radiographiques
Deux intensificateurs d’image de 40 cm (Modèle P9447H110)North American ImagingN/AConvertit les rayons X en photons pour produire une image visible
Deux caméras Phantom VEO 340ResearchN/ALes caméras à haute vitesse enregistrent l’image visible créée par le système à rayons X
en lucite 10 cm de lucite Vision

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