Articolo metodologico

Misurazione della cinematica della spalla 3D in vivo utilizzando la videoradiografia biplanare

DOI:

10.3791/62210

⸱

12 marzo 2021

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

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La videoradiografia biplana può quantificare la cinematica della spalla con un alto grado di precisione. Il protocollo qui descritto è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l'omero e le costole durante l'elevazione omerale planare e delinea le procedure per la raccolta, l'elaborazione e l'analisi dei dati. Vengono inoltre descritte considerazioni univoche per la raccolta dei dati.

Abstract

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La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. Sfortunatamente, le patologie della spalla (ad esempio, lacrime della cuffia dei rotatori, lussazioni articolari, artrite) sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. L'eziologia specifica per molte di queste condizioni patologiche non è completamente compresa, ma è generalmente accettato che la patologia della spalla è spesso associata a un movimento articolare alterato. Sfortunatamente, misurare il movimento della spalla con il livello di precisione necessario per indagare ipotesi basate sul movimento non è banale. Tuttavia, le tecniche di misurazione del movimento basate sulla radiografia hanno fornito il progresso necessario per indagare ipotesi basate sul movimento e fornire una comprensione meccanicistica della funzione della spalla. Pertanto, lo scopo di questo articolo è descrivere gli approcci per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l'orientamento dell'omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico. Inoltre, l'articolo descriverà considerazioni speciali uniche per la spalla quando si misura la cinematica articolare utilizzando questo approccio.

Introduzione

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. La spalla ha anche la più grande gamma di movimento delle principali articolazioni del corpo ed è spesso descritta come un compromesso tra mobilità e stabilità. Sfortunatamente, le patologie della spalla sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. Ad esempio, le lacrime della cuffia dei rotatori colpiscono circa il 40% della popolazione di età superiore ai 601,2,3 anni, con circa 250.000 riparazioni della cuffia dei rotatori eseguite ogni anno4 e un onere economico stimato di $ 3-5 miliardi all'anno negli Stati Uniti5. Inoltre, le lussazioni della spalla sono comuni e sono spesso associate a disfunzioni croniche6. Infine, l'osteoartrite articolare gleno-omerale (OA) è un altro problema clinico significativo che coinvolge la spalla, con studi di popolazione che indicano che circa il 15%-20% degli adulti di età superiore ai 65 anni ha evidenze radiografiche di OA7,8 gleno-omerale. Queste condizioni sono dolorose, compromettono i livelli di attività e diminuiscono la qualità della vita.

Sebbene le patogenesi di queste condizioni non siano completamente comprese, è generalmente accettato che il movimento alterato della spalla sia associato a molte patologie della spalla9,10,11. In particolare, il movimento articolare anormale può contribuire alla patologia9,12, o che la patologia può portare a un movimento articolare anormale13,14. Le relazioni tra movimento articolare e patologia sono probabilmente complesse e sottili alterazioni nel movimento articolare possono essere importanti nella spalla. Ad esempio, sebbene il movimento angolare sia il movimento predominante che si verifica nell'articolazione gleno-omerale, le traduzioni articolari si verificano anche durante il movimento della spalla. In condizioni normali queste traduzioni probabilmente non superano diversi millimetri15,16,17,18,19, e quindi possono essere al di sotto del livello di accuratezza in vivo per alcune tecniche di misurazione. Mentre può essere allettante supporre che piccole deviazioni nel movimento articolare possano avere un impatto clinico minimo, è importante anche riconoscere che l'effetto cumulativo di sottili deviazioni nel corso di anni di attività della spalla può superare la soglia dell'individuo per la guarigione e la riparazione dei tessuti. Inoltre, le forze in vivo all'articolazione gleno-omerale non sono irrilevanti. Utilizzando impianti articolari gleno-omerali strumentati personalizzati, studi precedenti hanno dimostrato che l'aumento di un peso di 2 kg all'altezza della testa con un braccio teso può comportare forze articolari gleno-omerali che possono variare dal 70% al 238% del peso corporeo20,21,22. Di conseguenza, la combinazione di sottili cambiamenti nel movimento articolare e forze elevate concentrate sulla piccola superficie portante della glenoide può contribuire allo sviluppo di patologie degenerative della spalla.

Storicamente, la misurazione del movimento della spalla è stata realizzata attraverso una varietà di approcci sperimentali. Questi approcci hanno incluso l'uso di complessi sistemi di test cadaverici progettati per simulare il movimento della spalla23,24,25,26,27, sistemi di motion capture basati su video con marcatori di superficie28,29,31, sensori elettromagnetici a montaggio superficiale32,33,34,35 , perni ossei con marcatori riflettenti o altri sensori collegati36,37,38, imaging medico bidimensionale statico (cioè fluoroscopia39,40,41 e radiografie17,42,43,44,45), imaging medico statico tridimensionale (3D) mediante risonanza magnetica46,47, tomografia computerizzata48 e imaging fluoroscopico dinamico a piano singolo 3D49,50,51. Più recentemente, i sensori indossabili (ad esempio, unità di misura inerziali) hanno guadagnato popolarità per misurare il movimento della spalla al di fuori dell'ambiente di laboratorio e in condizioni di vita libera52,53,54,55,56,57.

Negli ultimi anni, c'è stata una proliferazione di sistemi radiografici o fluoroscopici biplani progettati per misurare con precisione i movimenti dinamici 3D in vivo della spalla58,59,60,61,62. Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere l'approccio degli autori per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l'orientamento dell'omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico.

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Protocollo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L'indagine è stata approvata dall'Institutional Review Board dell'Henry Ford Health System.

I protocolli per l'acquisizione, l'elaborazione e l'analisi dei dati di movimento radiografico biplano dipendono fortemente dai sistemi di imaging, dal software di elaborazione dei dati e dalle misure di risultato di interesse. Il seguente protocollo è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l'omero e la terza e la quarta costola durante l'abduzione del piano scapolare o coronale e per quantificare la cinematica gleno-oculea, scapolotoracica e omotororacica.

1. Protocollo di imaging CT

  1. Chiedi al partecipante di sdraiarsi supino sul tavolo d'esame CT con le braccia ai lati. A seconda delle dimensioni del partecipante, posizionali fuori centro sul tavolo in modo che l'intero emisfero sia disponibile per l'imaging.
  2. Per acquisire le immagini scout, il tecnologo assicura che il campo visivo TC includa la clavicola (superiormente), gli epicondili omerali distali (inferiormente), l'intera articolazione gleno-omerale (lateralmente) e le articolazioni costovertebrale e sternocostali (medialmente) (Figura 1).
  3. Acquisire la SCANSIONE TC con i seguenti parametri: modalità di scansione = elicoidale; tensione tubo = 120 kVp; corrente del tubo: 200-400 mA (auto); spessore fetta = 0,66 mm; FOV = 34 cm.
  4. Verificare la qualità della scansione e il campo visivo.
  5. Riformattare l'acquisizione utilizzando una matrice di immagini di dimensioni 512 x 512 pixel. Dato lo spessore della fetta e il FOV, l'acquisizione si traduce in una spaziatura isotropa del voxel di circa 0,66 mm.
  6. Esporta le immagini in formato DICOM.

2. Protocollo di acquisizione del movimento a raggi X biplano

NOTA: il sistema a raggi X biplanare personalizzato utilizzato in questo protocollo è descritto nella Tabella dei materiali. Le procedure di raccolta dei dati variano probabilmente a seconda dei diversi componenti del sistema. I sistemi a raggi X sono arbitrariamente definiti "verde" e "rosso" per distinguere le procedure e le sequenze di immagini risultanti e sono posizionati con un angolo di interfascio di circa 50 ° e una distanza sorgente-immagine (SID) di circa 183 cm (Figura 2). Per la raccolta dei dati sono necessari almeno due membri del personale di ricerca; uno per far funzionare il sistema a raggi X e il computer, e l'altro per istruire il partecipante alla ricerca.

  1. Configurazione del software della fotocamera
    1. Impostare l'apertura della fotocamera sull'impostazione predefinita (f/5.6).
      NOTA: questo valore dipende da diversi fattori, tra cui fotocamera, tempo di esposizione, ISO e antropometria dei partecipanti.
    2. Aprire il software della fotocamera e caricare il protocollo di studio su ciascuna fotocamera (frequenza di campionamento: 60 Hz, tempo di esposizione: 1.100 μs).
      NOTA: il tempo di esposizione della fotocamera può variare in base a diversi fattori, tra cui la fotocamera, l'impostazione dell'apertura e l'esposizione radiografica.
  2. Riscaldamento del sistema
    NOTA: l'anodo del tubo a raggi X può danneggiarsi se vengono prodotte esposizioni ad alta potenza quando fa freddo. Pertanto, i tubi devono essere riscaldati da una serie di esposizioni a bassa energia in base alle raccomandazioni del produttore.
    1. Su entrambi i pannelli di controllo del generatore di raggi X, selezionare Impostazione vascolare . Le impostazioni vascolari pre-programmate producono esposizioni a bassa energia appropriate per il riscaldamento del sistema (per produttore del sistema).
    2. Impostare il tempo di esposizione sul generatore di impulsi su 0,25 s.
    3. Sui pannelli di controllo del generatore di raggi X, tenere premuti i pulsanti PREP . Ritardo preparazione viene visualizzato sullo schermo.
    4. Una volta che entrambe le schermate leggono Ready to Expose, tieni premuti contemporaneamente i pulsanti EXPOSE .
      NOTA: questo non produrrà raggi X, ma solo arma il sistema. La produzione di raggi X avviene solo premendo il pedale o i grilletti portatili.
    5. Premere i pulsanti PREP ed EXPOSE su entrambi i pannelli di controllo e contemporaneamente premere e tenere premuto il pedale (o impugnato) per attivare il generatore di raggi X per produrre raggi X.
      NOTA: I raggi X sono prodotti per la durata specificata dal generatore di impulsi (punto 2.3.2) o fino a quando il pedale non viene rilasciato, a seconda di quale evento si verifichi per primo.
    6. Ripetere i passaggi 2.2.2-2.2.5 fino a quando l'unità di calore (HU) del tubo a raggi X supera il livello richiesto dal produttore per acquisire le immagini (5% HU per il nostro sistema).
  3. Verificare la sincronizzazione della fotocamera e lo stato attivo dell'immagine.
    NOTA: verificare la sincronizzazione e la messa a fuoco della telecamera acquisendo una serie di immagini di prova della griglia di correzione della distorsione (vedere Tabella dei materiali). Ogni intensificatore di immagini verrà testato individualmente utilizzando i passaggi descritti di seguito.
    1. Posizionare la griglia di correzione della distorsione sull'intensificatore di immagine.
    2. Su entrambi i pannelli di controllo del generatore di raggi X, selezionare l'impostazione Cardiaca , che è programmata secondo la tecnica radiografica predefinita (70 kVp, 320 mA, 2 ms e punto focale = 1,0 mm).
      NOTA: le impostazioni della fotocamera rimangono invariate (frequenza di campionamento: 60 Hz, tempo di esposizione: 1.100 μs).
    3. Impostare il generatore di impulsi su 0,25 s.
    4. Avviare l'acquisizione della fotocamera tramite il software della fotocamera e acquisire immagini a raggi X come descritto in precedenza nei passaggi 2.2.3-2.2.5.
    5. Visualizza in anteprima le immagini risultanti e determina il tempo trascorso dall'impulso di trigger per ciascun sistema. Se la differenza di tempo trascorso tra le telecamere è superiore a 2 μs, determinare quale telecamera sta sparando in ritardo e specificare un ritardo di fotogramma nel software della fotocamera per risolvere il problema.
    6. Ispezionare visivamente la nitidezza dell'immagine per verificare la messa a fuoco della fotocamera. Per una valutazione obiettiva, analizzare una linea di profilo disegnata attraverso un tallone all'interno della griglia di correzione della distorsione utilizzando un software di elaborazione delle immagini (ad esempio, ImageJ). In particolare, ispezionate la pendenza dei valori di grigio pixel lungo questa linea di profilo. Una pendenza più negativa garantisce un'immagine più nitida (supponendo che l'immagine radiografica sia invertita in modo tale che il tallone sia scuro). Se necessario, rimettere a fuoco le fotocamere e ripetere i passaggi 2.3.3-2.3.6.
  4. Configurazione e posizionamento dei partecipanti alla ricerca
    NOTA: il posizionamento del partecipante alla ricerca dipende fortemente dalle ossa monitorate e dal movimento testato. Il test viene in genere eseguito con il partecipante alla ricerca seduto su una sedia fissa (cioè non girevole o su ruote) per ridurre al minimo il potenziale di cambiamenti nella loro posizione che possono causare lo spostamento della spalla al di fuori del volume di imaging 3D.
    1. Posizionare la sedia nel volume di imaging biplano in modo che la spalla da testare sia centrata approssimativamente dove si intersecano i fasci di raggi X biplani. Questa è una posizione preliminare. Regolalo in base all'antropometria del partecipante, al movimento da testare e alle ossa da tracciare.
    2. Chiedi al partecipante di essere seduto in una comoda postura eretta con le braccia appoggiate al suo fianco.
    3. Fissare un giubbotto protettivo rivestito di piombo sul busto del partecipante per coprire l'addome e la spalla e il torace controlaterali.
    4. Impostare l'altezza preliminare degli intensificatori di immagine. Per facilitare questa procedura, accendere la luce all'interno della sorgente a raggi X del sistema. Sollevare il sistema fino a quando l'ombra del partecipante proiettata sull'intensificatore di immagine è al livello della loro ascella.
      NOTA: l'intensificatore di origine e immagine all'interno di ciascun sistema sono accoppiati per spostarsi insieme. I sistemi disaccoppiati richiederanno ulteriori passaggi di allineamento non descritti qui.
    5. Stabilire l'altezza preliminare degli intensificatori di immagine. Sposta delicatamente il partecipante sulla sedia all'interno del volume dell'immagine biplano mentre osservi la sua ombra proiettata su ciascun intensificatore di immagine.
      NOTA: Una buona ipotesi iniziale è quella di avere il partecipante posizionato in modo tale che l'articolazione acromioclavicolare sia approssimativamente al centro di entrambi gli intensificatori di immagine. Questa posizione è una ragionevole ipotesi iniziale per il protocollo attuale, che richiede la visualizzazione e il tracciamento dell'omero, della scapola e di due costole durante l'elevazione della spalla.
    6. Una volta che la posizione del partecipante sembra essere ragionevole in entrambi i sistemi, tenere accesa la sorgente luminosa e chiedere al partecipante di eseguire il movimento da testare. Assicurarsi che la spalla del partecipante rimanga all'interno del campo visivo radiografico durante l'intera prova di movimento. Se possibile, collimare i raggi X per ridurre l'esposizione.
    7. Ripetere i passaggi 2.4.5-2.4.6 fino a quando non risulta che la configurazione del partecipante all'interno del volume dell'immagine è appropriata.
    8. Ricercatore #1: Torna alla sala di controllo per far funzionare i pannelli di controllo a raggi X e le telecamere. Impostare il pannello di controllo a raggi X in modalità fluoroscopia a bassa potenza (60 kVp, 3-4 mA) e il generatore di impulsi su un'acquisizione di 0,25 s.
    9. Ricercatore #2: Spiegare al partecipante che verrà scattata un'immagine in modo che la sua posizione possa essere verificata nelle immagini e descrivere la serie di eventi che accadranno. Avverti il partecipante dei suoni emessi dal sistema (ad esempio, clic, ronzii) per prevenire qualsiasi apprensione. Indossa un giubbotto protettivo rivestito di piombo, recupera il grilletto portatile e allontanati il più possibile dalle sorgenti di raggi X per ridurre al minimo l'esposizione pur mantenendo una chiara linea di vista e comunicazione con il partecipante. Se possibile, stare dietro uno scudo rivestito di piombo con una finestra.
    10. Ricercatore #1 (nella sala di controllo a raggi X): avviare le telecamere e avviare il pannello di controllo a raggi X come descritto in precedenza (passaggi 2.2.3-2.2.5). Quando il sistema è pronto per l'esposizione, avvisare il ricercatore #2.
    11. Ricercatore #2 (in laboratorio): Indicare al partecipante l'acquisizione di immagini. Attivare l'acquisizione dell'immagine radiografica utilizzando il trigger remoto portatile. Informa il partecipante che è stata scattata un'immagine e scusati per la sala di controllo.
    12. Ricercatore #1 e #2 (nella sala di controllo a raggi X): Ispeziona le immagini. Concentrati solo sulla posizione del partecipante e sulla visibilità di tutte le ossa da tracciare. Se necessario, ripetere i passaggi 2.4.5-2.4.12 fino a quando la posizione del partecipante non è soddisfacente.
    13. Una volta stabilita la configurazione e il posizionamento del sistema a raggi-X, non spostare il sistema a raggi X durante la sessione di raccolta dati a meno che non vengano raccolte nuove immagini di calibrazione e correzione della distorsione per ogni configurazione. Inoltre, indicare al partecipante di spostarsi il meno possibile per la durata della sessione di raccolta dati per evitare di dover ripetere le procedure di installazione.
  5. Raccolta dati: Acquisizione immagini statiche
    1. Ricercatore #1 (nella sala di controllo a raggi X): Impostare la tecnica radiografica ottimizzata sul pannello di controllo a raggi X (basato su test preliminari). Il protocollo radiografico utilizzato qui è 70 kVp, 320 mA, 2 ms e punto focale = 1,0 mm, con la fotocamera che raccoglie a 60 Hz e un tempo di esposizione di 1.100 μs. Impostare il generatore di impulsi su 0,25 s.
      NOTA: Informare il partecipante che l'immagine successiva sarà un'acquisizione formale dell'immagine.
    2. Ricercatore #2 (in laboratorio): Informare il partecipante di sedersi in posizione eretta con il braccio appoggiato al fianco.
    3. Acquisire un'immagine come descritto in precedenza (passaggi 2.4.8-2.4.11).
    4. Ricercatori #1 e #2 (nella sala di controllo a raggi X): ispezionare le immagini. Concentrati sulla qualità dell'immagine (cioè luminosità e contrasto) e sulla visibilità di tutte le ossa necessarie. Se sono necessarie regolazioni della qualità dell'immagine, determinare il parametro da modificare (ad esempio, f-stop, tempo di esposizione della fotocamera, kVp, mA) e riacquisire l'immagine statica.
      NOTA: È fondamentale essere sempre consapevoli di come la dose è influenzata dai parametri radiografici.
    5. Ripetere i passaggi 2.5.1-2.5.4 fino a quando la qualità dell'immagine è accettabile, entro le stime della dose approvate dall'IRB.
    6. Una volta che la qualità dell'immagine è accettabile, ispezionare le immagini per la qualità tecnica (ad esempio, cornici corrotte).
    7. Dopo un'acquisizione accettabile dell'immagine di prova statica, salvare la versione di prova da ciascuna telecamera (ad esempio, "green_still.cine", "red_still.cine").
  6. Raccolta dati: acquisizione dinamica delle immagini
    1. Ricercatore #1 (nella sala di controllo a raggi X): Mantenere gli stessi parametri radiografici dall'immagine di prova statica. Impostare il generatore di impulsi su un'esposizione di 2,0 s.
    2. Ricercatore #2 (in laboratorio): Insegnare al partecipante il movimento da eseguire, compreso il piano e i tempi del movimento. Verificare che la sedia e l'abbigliamento e/o il giubbotto foderato di piombo del partecipante non interferiscano con il movimento della spalla. Esercitati con il partecipante alla prova di movimento. Usa il segnale verbale "Pronto... e... go" ha un ritmo in modo che ci vogliano 2 s (cioè la durata della prova di movimento) per aiutare il partecipante a seguire l'inizio e il completamento del movimento.
      NOTA: è fondamentale che il partecipante comprenda le procedure e possa eseguire costantemente la prova di movimento per evitare l'esposizione non necessaria associata a una prova fallita.
    3. Ricercatore #2 (in laboratorio): Dopo una pratica sufficiente, recupera il grilletto remoto portatile. Spostati in un luogo sicuro in laboratorio con una chiara linea di vista e comunicazione con il partecipante alla ricerca.
    4. Ricercatore n. 1 (nella sala di controllo a raggi X): ripristinare il generatore di impulsi a 2.0 s, avviare le telecamere e avviare il pannello di controllo a raggi X come descritto in precedenza (passaggi 2.3.4-2.3.5). Quando il sistema è pronto per l'esposizione, avvisare il ricercatore #2.
    5. Ricercatore #2 (in laboratorio): Chiedi al partecipante alla ricerca: "Sei pronto?" [attendere la risposta affermativa] "Pronto... e... vai." (ritmato, come prima, in modo che ci vogliano 2 s).
    6. Ricercatore #2 (in laboratorio): attiva manualmente il sistema a raggi X quando il partecipante avvia il movimento del braccio.
      NOTA: sebbene l'attivazione manuale basata sul movimento visivo rischi di omettere l'inizio della prova di movimento, impedisce di sovraesporre il partecipante alla ricerca in caso di errore di comunicazione o avvio ritardato. Una volta completata la prova, informare il partecipante che è stata scattata un'immagine e scusarsi nella sala di controllo per ispezionare le immagini.
    7. Ricercatori #1 e #2 (nella sala di controllo a raggi X): ispezionare le immagini di prova per la qualità (cioè luminosità e contrasto) e le condizioni tecniche (cioè eventuali fotogrammi corrotti) (Figura 3). Salva le prove di movimento da ciascuna telecamera (ad esempio, "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
    8. Ripetere i passaggi 2.6.1-2.6.7 per raccogliere tutte le prove di movimento all'interno del protocollo di sicurezza delle radiazioni approvato.
  7. Raccogli immagini di calibrazione
    NOTA: la calibrazione delle immagini radiografiche determina la definizione del sistema di coordinate basato sul laboratorio, la posizione e l'orientamento di ciascun sistema radiografico a raggi X rispetto al sistema di coordinate di laboratorio e i parametri intrinseci che consentono la generazione di radiografie ricostruite digitalmente (DRR), che vengono utilizzate nel processo di tracciamento senza marcatori. I calcoli di taratura sono descritti al punto 3.4.1.
    1. Mantenere le stesse impostazioni della fotocamera e le stesse impostazioni della tecnica radiografica utilizzate durante la raccolta dei dati.
    2. Impostare il generatore di impulsi su un'esposizione di 0,5 s.
    3. Posizionare il cubo di calibrazione (vedere Tabella dei materiali) al centro del volume di imaging.
    4. Acquisire e salvare le immagini del cubo (ad esempio, "green_cube.cine", "red_cube.cine").
  8. Raccogli le immagini per la correzione della distorsione e la correzione della non uniformità.
    NOTA: le immagini radiografiche raccolte utilizzando un intensificatore di immagine sono influenzate dall'intensità, dalla non uniformità63 e dalla distorsione. Di conseguenza, le immagini di un campo bianco e di una griglia di correzione della distorsione vengono acquisite su ciascun sistema radiografico per determinare le correzioni necessarie. È generalmente prudente raccogliere immagini di calibrazione prima delle immagini di correzione della distorsione e della non uniformità nel caso in cui gli intensificatori di immagine vengano urtati mentre la griglia di distorsione viene posizionata.
    1. Rimuovere tutti gli oggetti dal campo visivo radiografico.
    2. Mantenere le stesse impostazioni della fotocamera e le stesse impostazioni della tecnica radiografica utilizzate durante la raccolta dei dati. Impostare il generatore di impulsi su un'esposizione di 0,5 s.
    3. Collegare la griglia di correzione della distorsione (vedere Tabella dei materiali) alla superficie dell'intensificatore di immagine verde.
    4. Acquisisci le immagini della griglia e del campo bianco.
    5. Salva le immagini (ad esempio, "green_grid.cine", "red_white.cine").
    6. Spostare la griglia sull'intensificatore di immagini rosso e ripetere i passaggi 2.7.2-2.7.5, modificando i nomi dei file di immagine, a seconda dei casi.

3. Protocollo di trattamento dei dati

NOTA: le procedure per la preparazione della geometria ossea, la pre-elaborazione dell'immagine (ad esempio, la correzione della distorsione e della non uniformità e la calibrazione dell'immagine) e il tracciamento senza marcatori sono altamente variabili e dipendono dal software utilizzato. Le procedure qui descritte sono specifiche per il software proprietario. Tuttavia, le principali fasi di elaborazione dei dati sono probabilmente traducibili in qualsiasi pacchetto software di acquisizione del movimento a raggi X.

  1. Elaborazione della scansione TC
    NOTA: Il software proprietario di tracciamento markerless utilizzato dal laboratorio degli autori ottimizza la posizione e l'orientamento di un DRR. Pertanto, le procedure per l'elaborazione della scansione CT comportano la creazione di uno stack di immagini TIFF a 16 bit. Altri pacchetti software possono richiedere che la geometria ossea sia rappresentata in diversi formati o specifiche.
    1. Aprire un programma di elaborazione delle immagini (ad esempio, Mimics, FIJI) e importare le immagini CT.
    2. Segmentare l'omero dai tessuti molli circostanti. Per le costole, creare un'estensione che colleghi l'aspetto anteriore della costola al manubrio per digitalizzare l'articolazione sternocostale più avanti nel passaggio 3.2.6.
    3. Eseguire un'operazione booleana sulla maschera finita con una maschera nera (ad esempio, tutti i pixel sono colorati di nero) (operazione: nero meno osso). Ciò si traduce in una maschera invertita dell'osso in cui tutti i pixel sono neri ad eccezione di quelli corrispondenti all'osso, che rimangono in scala di grigi CT.
    4. Ritaglia la pila di immagini lungo tutti e tre gli assi per eliminare i pixel neri (cioè non ossei). Lasciare alcuni pixel neri ai bordi di questo riquadro di delimitazione 3D.
    5. Salvare lo stack di immagini modificato nel formato TIFF.
    6. Ripetere i passaggi 3.1.1-3.1.5 per tutte le ossa rimanenti.
  2. Definizione dei sistemi di coordinate anatomiche e delle regioni di interesse (ROI)
    NOTA: questo protocollo orienta i sistemi di coordinate anatomiche come segue. Per una spalla destra, l'asse +X è orientato lateralmente, l'asse +Y è orientato superiormente e l'asse +Z è orientato posteriormente. Per una spalla sinistra, l'asse +X è orientato lateralmente, l'asse +Y è orientato superiormente e l'asse +Z è orientato anteriormente.
    1. Importare la pila di immagini TIFF per l'osso da elaborare. Convertire lo stack TIFF in un file . RAW e renderizza un modello osseo 3D basato sulle dimensioni in pixel note e sulla spaziatura dell'immagine utilizzando il software proprietario.
      NOTA: La risoluzione del modello si basa sul campionamento del volume CT (cioè la spaziatura voxel). Di conseguenza, l'area media dei triangoli mesh è di circa 1,02 mm2 (±0,2 mm2) (passo 1,3).
    2. Digitalizzare i punti di riferimento anatomici sull'omero come segue (Figura 4A).
      1. Centro geometrico della testa omerale: determina le dimensioni e la posizione di una sfera che minimizza la distanza tra la superficie della sfera e la superficie articolare omerale utilizzando un algoritmo dei minimi quadrati. Definite il centro geometrico della testa omerale come coordinate del centro della sfera ottimizzata.
      2. Epicondili mediali e laterali: situato nella sezione più ampia dell'omero distale.
    3. Definire il ROI della testa omerale come segue (Figura 5A).
      1. L'intera superficie articolare omerale e una maggiore tuberosità.
    4. Digitalizzare i punti di riferimento anatomici sulla scapola come segue (Figura 4B).
      1. Radice della colonna vertebrale scapolare: situata sul bordo mediale lungo la colonna vertebrale scapolare.
      2. Articolazione acromioclavicolare posteriore: situata nell'aspetto posteriore della faccetta clavicolare sull'acromione scapolare.
      3. Angolo inferiore: situato nel punto più inferiore della scapola.
    5. Definire il ROI scapolare come segue (Figura 5B).
      1. Acromion: Il sottosuolo dell'acromion laterale alla colonna vertebrale della scapola.
      2. Glenoide: l'intera superficie articolata della glenoide.
    6. Digitalizzare i punti di riferimento anatomici sulle costole come segue (Figura 4C).
      1. Costola anteriore: situata nella parte più mediale dell'estensione della costola.
      2. Costola posteriore: situata nel punto medio superiore/inferiore dell'aspetto posteriore della sfaccettatura sulla testa della costola.
      3. Costola laterale: situata nell'aspetto più laterale della costola quando i punti della costola anteriore e posteriore sono allineati verticalmente sullo schermo.
  3. Pre-elaborazione delle immagini
    NOTA: la pre-elaborazione delle immagini viene eseguita utilizzando un software proprietario e comporta la conversione dei file di immagine cine in stack TIFF e la correzione delle immagini per la non uniformità della distorsione.
    1. Eseguire la correzione della non uniformità: il software calcola in media circa 30 fotogrammi (ovvero 0,5 s di dati) per produrre un'unica immagine di alta qualità in campo luminoso per ridurre al minimo l'effetto del rumore in ogni singolo fotogramma. L'immagine a campo luminoso viene utilizzata per calcolare la vera densità radiografica lungo il raggio dalla sorgente di raggi X a ciascun pixel di ciascun fotogramma di dati. La somma della densità radiografica di tutta la materia penetrata dal raggio di ciascun pixel è proporzionale al logaritmo del campo luminoso per quel pixel meno il logaritmo dell'immagine di osservazione per quel pixel (cioè l'elaborazione log-sub).
    2. Eseguire la correzione della distorsione: il software calcola in media circa 30 fotogrammi (cioè 0,5 secondi di dati) per produrre una singola immagine e riduce l'effetto del rumore in ogni singola immagine. Il software di correzione della distorsione crea una mappa affine da ogni tripla di posizioni di perline adiacenti nell'immagine della griglia di distorsione alla posizione nota (vera) di quelle tre perline nella griglia di correzione della distorsione di Lucite. Questa raccolta di piccole mappe affini viene quindi utilizzata per ricampionare ogni fotogramma osservato della prova di movimento nelle coordinate reali rappresentate dalla matrice ortogonale di perline.
    3. Applicare correzioni di distorsione e non uniformità a tutti i fotogrammi di ogni prova.
  4. Calibrazione del volume di imaging biplano.
    NOTA: la calibrazione dell'immagine è stata eseguita utilizzando un software proprietario. Il software utilizza un algoritmo di ottimizzazione non lineare per regolare le posizioni delle perline dell'oggetto di calibrazione osservate nelle posizioni 3D note. Questo processo viene condotto per ogni set di immagini di calibrazione biplanare. Il risultato è un sistema in grado di proiettare digitalmente due viste di un volume osseo e registrarle rispetto alle immagini radiografiche dello stesso osso raccolte durante la raccolta dei dati.
  5. Tracciamento senza marcatori
    NOTA: il tracciamento senza marcatori viene eseguito utilizzando un software proprietario. Software come Autoscoper e C-Motion possono anche essere utilizzati per completare questo processo.
    1. Nel primo fotogramma della prova di movimento, ruotare e tradurre il DRR utilizzando i controlli software fino a quando non sembra corrispondere bene alle immagini a raggi X biplane (Figura 6).
    2. Salvare la soluzione manuale.
    3. Applicare l'algoritmo di ottimizzazione.
    4. Ispezionare visivamente la soluzione determinata come ottimale dall'algoritmo in base alla soluzione manuale iniziale. Se necessario, regolare la soluzione e ripetere i passaggi 3.5.2-3.5.3 fino a quando non si è soddisfatti della soluzione ottimizzata.
    5. Ripetete i passaggi 3.5.1-3.5.4 per ogni decimo fotogramma durante la prova di movimento.
      NOTA: questo intervallo dipende da diversi fattori, tra cui la frequenza dei fotogrammi, la velocità del movimento e la qualità dell'immagine. Potrebbero essere necessari intervalli più piccoli.
    6. Una volta tracciato ogni 10° fotogramma, eseguire un'ottimizzazione per creare soluzioni preliminari interpolate che vengono successivamente ottimizzate.
    7. Continua a perfezionare le soluzioni fino a quando tutti i fotogrammi della prova di movimento non sono tracciati bene.

4. Protocollo di analisi dei dati

NOTA: Il software proprietario di tracciamento senza marcatori utilizzato in questo protocollo si traduce nelle traiettorie grezze e filtrate dei punti di riferimento anatomici che verranno utilizzati per costruire sistemi di coordinate anatomiche. Queste coordinate sono espresse rispetto al sistema di coordinate di laboratorio definito dall'oggetto di taratura durante la procedura di taratura. Il seguente protocollo descrive, in termini generali, le procedure per il calcolo delle misure di esito cinematico da queste traiettorie di riferimento in modo che possano essere calcolate in qualsiasi linguaggio di programmazione (ad esempio, MATLAB). Un secondo software proprietario viene utilizzato per calcolare la cinematica e le statistiche di prossimità.

  1. Calcola la cinematica e le statistiche di prossimità
    NOTA: Le principali misure di esito cinematico includono rotazioni articolari (cioè angoli di Eulero) e posizioni. Le statistiche di prossimità primarie includono il gap minimo, il gap medio e il contact center medio ponderato, che vengono calcolati per ogni frame di dati. Collettivamente, queste misure descrivono l'artrokinematica articolare o le interazioni superficiali durante un movimento. Le prossimità anatomiche aggregate nella prova di movimento includono il contact center medio, il percorso di contatto e la lunghezza del percorso di contatto.
    1. Per ogni osso e fotogramma di movimento, utilizzare le coordinate anatomiche filtrate (ad esempio, l'output dal software di tracciamento senza marcatori) per costruire una matrice di trasformazione a 16 elementi che rappresenta il sistema di coordinate anatomiche dell'osso rispetto al sistema di coordinate di laboratorio.
    2. Calcola la cinematica relativa mettendo in relazione i sistemi di coordinate anatomiche tra le ossa rilevanti utilizzando il software.
    3. Estrarre gli angoli e le posizioni dei giunti utilizzando metodi convenzionali64. Dato l'orientamento dei sistemi di coordinate anatomiche, estrarre la cinematica gleno-omerale usando una sequenza di rotazione Z-X'-Y'', estrarre la cinematica scapolotoracica usando una sequenza di rotazione Y-Z'-X'' ed estrarre la cinematica omomotororacica usando una sequenza di rotazione Y-Z'-Y''.
    4. Divario minimo: calcola il divario più piccolo (cioè la distanza) tra i centroidi del triangolo più vicino sull'osso opposto utilizzando il software.
    5. Gap medio: calcola la media ponderata per area dello spazio minimo utilizzando i triangoli che hanno il divario più piccolo rispetto al loro vicino più vicino all'interno di un'area di misurazione specificata utilizzando il software. Definite l'area di misura come i triangoli più vicini all'osso opposto le cui aree ammontano a 200 mm2. Incorporare questa area di misurazione nel calcolo per garantire che solo la superficie ragionevolmente vicina all'osso opposto sia inclusa nel calcolo del gap medio.
      NOTA: Le dimensioni dell'area di misura (cioè 200 mm2) sono state selezionate durante lo sviluppo iniziale dell'algoritmo dopo che è stato scoperto che riflette costantemente lo spazio subacromiale e le vicinanze dell'articolazione gleno-omerale senza essere eccessivamente distorte da superfici distanti. L'uso di questa misura per interazioni superficiali più ampie (ad esempio, tibiofemorale) può richiedere un'area di misurazione più ampia.
    6. Contact center medio ponderato (ad esempio, centroide): calcola il punto sulla superficie roi che riduce al minimo la distanza ponderata da tutti gli altri triangoli all'interno dell'area di misurazione (ad esempio, triangoli più vicini all'osso opposto le cui aree ammontano a 200 mm2) utilizzando il software. Il fattore di ponderazione per ciascun triangolo nell'area di misurazione è calcolato come: area del triangolo / distanza al quadrato dal centroide più vicino (cioè ponderazione inversa del quadrato). In questo modo, i triangoli che sono pesati più pesantemente sono più grandi (di un fattore 1) e più vicini all'osso opposto (di un fattore della distanza minima al quadrato).
    7. Contact center medio: calcola la posizione media del contact center (cioè centroide) durante la prova di movimento utilizzando il software. Dato che i contact center rappresentano l'artrokinematica articolare, il contact center medio rappresenta il centro delle interazioni superficiali durante un movimento.
    8. Percorso di contatto: definire collegando le coordinate del contact center medio ponderato durante la prova di movimento utilizzando il software.
    9. Lunghezza del percorso di contatto: calcola la lunghezza del percorso di contatto attraverso la prova di movimento utilizzando il software.

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Risultati

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Una femmina asintomatica di 52 anni (BMI = 23,6 kg/m2) è stata reclutata nell'ambito di una precedente indagine ed è stata sottoposta a test di movimento (rapimento del piano coronale) sulla sua spalla dominante (destra)65. Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L'indagine è stata approvata dall'Institutional Review Board dell'Henry Ford Health System. La raccolta dei dati è stata eseguita utilizzando il protocollo precedentemente descri...

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Discussione

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La tecnica qui descritta supera diversi svantaggi associati alle tecniche convenzionali per valutare il movimento della spalla (ad esempio, simulazioni cadaveriche, imaging 2D, imaging 3D statico, sistemi di motion capture basati su video, sensori indossabili, ecc.) fornendo misure accurate del movimento articolare 3D durante le attività dinamiche. L'accuratezza del protocollo qui descritto è stata stabilita per l'articolazione gleno-omerale rispetto al gold standard dell'analisi radiostereometrica (RSA) da ±0,5° e ±0,4 ...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata supportata dal National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases con il numero di premio R01AR051912. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del National Institutes of Health (NIH).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Cubo di calibrazioneCostruito internamenteN/A Scatolalucite da 10 cm con una perlina di tantalio in ogni angolo e quattro perline aggiuntive a metà della scatola' s bordi verticali (12 perline in totale). Le posizioni di ogni perlina sono note con precisione rispetto a un angolo della scatola che funge da origine del sistema di coordinate del laboratorio.
Griglia di correzione della distorsione FoglioN/Acostruito internamenteche copre l'intera superficie dell'intensificatore di immagine da 16 pollici e contiene una matrice ortogonale di perline di tantalio distanziate di 1 cm.
ImageJNational Institutes of HealthN/A Softwaredi elaborazione delle immagini utilizzato per preparare la pila TIFF dei volumi ossei.
Unbanco di lavoro di software personalizzato utilizzato per digitalizzare punti di riferimento anatomici su modelli ossei 3D, costruisce sistemi di coordinate anatomiche, utilizza la registrazione delle immagini basata sull'intensità per eseguire il tracciamento senza marcatori e calcola e visualizza le misure dei risultati cinematici.
MATLABMathworks, IncN/A Softwaredi programmazione per computer. Per eseguire l'elaborazione e l'analisi dei dati.
Mimics (versione 20)Materialise, IncN/ASoftware di elaborazione delle immagini utilizzato per segmentare omero, scapola e costole dalla scansione TC.
Open InventorThermo Fisher ScientificN/AProgramma di grafica 3D utilizzato per visualizzare le ossa
Software Phantom Camera Control (PCC) (versione 3.4)N/ASoftware per specificare i parametri della telecamera e acquisire e salvare immagini radiografiche
Generatore di impulsi (Modello 9514)Quantum Composers, Inc.N/ASincronizza i sistemi a raggi X e la telecamera e specifica il tempo di esposizione
Due generatori di raggi X pulsati da 100 kW (modello CPX 3100CV)EMD TechnologiesN/AGenera i raggi X utilizzati per produrre immagini radiografiche
Due intensificatori di immagine da 40 cm (modello P9447H110)North American ImagingN/AConverte i raggi X in fotoni per produrre immagini visibili
Due telecamere Phantom VEO 340Vision ResearchN/A Letelecamere ad alta velocità registrano l'immagine visibile creata dal sistema a raggi X
di di lucite

Riferimenti

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