Articolo metodologico

In vivo Quantificazione dell'artrokinematica dell'anca durante le attività dinamiche di carico utilizzando la doppia fluoroscopia

DOI:

10.3791/62792

⸱

2 luglio 2021

 ,  , 
1Department of Orthopaedics, University of Utah, 2Scientific Computing and Imaging Institute, University of Utah, 3Department of Mechanical Engineering, University of Vermont, 4Department of Biomedical Engineering, University of Utah, 5Department of Physical Therapy, University of Utah

In questo articolo

Sommario

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

La doppia fluoroscopia cattura con precisione il movimento dinamico in vivo delle articolazioni umane, che può essere visualizzato rispetto all'anatomia ricostruita (ad esempio, artrokinematica). Qui viene presentato un protocollo dettagliato per quantificare l'artrocinematica dell'anca durante le attività di carico della vita quotidiana, compresa l'integrazione della doppia fluoroscopia con la tradizionale cattura del movimento dei marcatori cutanei.

Abstract

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

Diverse patologie dell'anca sono state attribuite a morfologia anomala con un'ipotesi sottostante di biomeccanica aberrante. Tuttavia, le relazioni struttura-funzione a livello articolare rimangono difficili da quantificare a causa delle difficoltà nel misurare con precisione il movimento dinamico dell'articolazione. Gli errori di artefatto dei tessuti molli inerenti alla cattura del movimento del marcatore ottico della pelle sono esacerbati dalla profondità dell'articolazione dell'anca all'interno del corpo e dalla grande massa di tessuto molle che circonda l'articolazione. Pertanto, la complessa relazione tra forma ossea e cinematica dell'articolazione dell'anca è più difficile da studiare con precisione rispetto ad altre articolazioni. Qui viene presentato un protocollo che incorpora l'artrografia computerizzata (CT), la ricostruzione tridimensionale (3D) di immagini volumetriche, la doppia fluoroscopia e l'acquisizione ottica del movimento per misurare con precisione il movimento dinamico dell'articolazione dell'anca. Gli studi tecnici e clinici che hanno applicato la doppia fluoroscopia per studiare le relazioni forma-funzione dell'anca utilizzando questo protocollo sono riassunti e vengono descritti i passaggi specifici e le considerazioni future per l'acquisizione, l'elaborazione e l'analisi dei dati.

Introduzione

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

Il numero di procedure totali di artroplastica dell'anca (THA) eseguite su adulti di età compresa tra 45 e 64 anni affetti da artrosi dell'anca (OA) è più che raddoppiato tra il 2000 e il 20101. Sulla base degli aumenti delle procedure THA dal 2000 al 2014, un recente studio ha previsto che il numero complessivo di procedure annuali potrebbe triplicare nei prossimi vent'anni2. Questi grandi aumenti delle procedure THA sono allarmanti considerando che gli attuali costi di trattamento superano i 18 miliardi di dollari all'anno solo negli Stati Uniti3.

Si ritiene che la displasia evolutiva dell'anca (DDH) e la sindrome da impingement femoroacetabolare (FAIS), che descrivono un'anca sotto- o sovra-vincolata, siano l'eziologia primaria dell'OA4dell'anca . L'alta prevalenza di queste deformità strutturali dell'anca in individui sottoposti a THA è stata inizialmente descritta più di tre decenni fa5. Tuttavia, la relazione tra anatomia anormale dell'anca e osteoartrite non è ben compresa. Una sfida per migliorare la comprensione del ruolo delle deformità nello sviluppo dell'OA dell'anca è che la morfologia anormale dell'anca è molto comune tra gli adulti asintomatici. In particolare, gli studi hanno osservato la morfologia associata al FAIS di tipo cam in circa il 35% della popolazione generale6,l'83% degli atleti senior7e oltre il 95% degli atleti maschi collegiali8. In un altro studio su atlete collegiali, il 60% dei partecipanti aveva prove radiografiche di CAM FAIS e il 30% aveva evidenza di DDH9.

Gli studi che dimostrano un'alta prevalenza di deformità tra gli individui senza dolore all'anca indicano la possibilità che la morfologia comunemente associata a FAIS e DDH possa essere una variante naturale che diventa sintomatica solo in determinate condizioni. Tuttavia, l'interazione tra anatomia dell'anca e biomeccanica dell'anca non è ben compresa. In particolare, ci sono difficoltà note con la misurazione del movimento dell'articolazione dell'anca utilizzando la tradizionale tecnologia di acquisizione ottica del movimento. In primo luogo, l'articolazione è relativamente profonda all'interno del corpo, in modo tale che la posizione del centro dell'articolazione dell'anca è difficile da identificare e tracciare dinamicamente utilizzando la cattura ottica del movimento del marcatore cutaneo, con errori sullo stesso ordine di grandezza del raggio della testa del femore10,11. In secondo luogo, l'articolazione dell'anca è circondata da una grande massa di tessuti molli, tra cui grasso sottocutaneo e muscolo, che si muove rispetto all'osso sottostante, con conseguente artefatto dei tessuti molli12,13,14. Infine, utilizzando il tracciamento ottico dei marcatori cutanei, la cinematica viene valutata rispetto all'anatomia generalizzata e quindi non fornisce informazioni su come sottili differenze morfologiche potrebbero influenzare la biomeccanica dell'articolazione.

Per affrontare la mancanza di una cinematica accurata in combinazione con la morfologia ossea specifica del soggetto, sono stati sviluppati sistemi di fluoroscopia sia singoli che doppi per analizzare altri sistemi articolari naturali15,16,17. Tuttavia, questa tecnologia è stata applicata solo di recente all'articolazione dell'anca nativa, probabilmente a causa della difficoltà di acquisire immagini di alta qualità attraverso i tessuti molli che circondano l'anca. La metodologia per misurare con precisione il movimento dell'articolazione dell'anca in vivo e visualizzare questo movimento rispetto all'anatomia ossea specifica del soggetto è descritta qui. L'artrokinematica risultante fornisce una capacità senza precedenti di indagare la sottile interazione tra morfologia ossea e biomeccanica.

Qui sono state descritte le procedure per l'acquisizione e l'elaborazione di immagini a doppia fluoroscopia dell'anca durante le attività della vita quotidiana. A causa del desiderio di acquisire la cinematica di tutto il corpo con il tracciamento ottico dei marcatori contemporaneamente alle immagini a doppia fluoroscopia, il protocollo di raccolta dei dati richiede il coordinamento tra diverse fonti di dati. La calibrazione del sistema a doppia fluoroscopia utilizza strutture in plexiglass impiantate con perle metalliche che possono essere identificate direttamente e tracciate come marcatori. Al contrario, il movimento osseo dinamico viene monitorato utilizzando il tracciamento senza marcatori, che utilizza solo la densità radiografica basata sulla TC delle ossa per definire l'orientamento. Il movimento dinamico viene quindi monitorato simultaneamente utilizzando la doppia fluoroscopia e i dati di acquisizione del movimento che sono sincronizzati spazialmente e temporalmente.

I sistemi vengono sincronizzati spazialmente durante la calibrazione attraverso l'imaging simultaneo di un cubo con marcatori riflettenti e perle metalliche impiantate e la generazione di un sistema di coordinate comune. I sistemi sono sincronizzati temporalmente per ogni attività o cattura attraverso l'uso di un trigger elettronico split, che invia un segnale per terminare la registrazione delle doppie telecamere fluoroscopiche e interrompe un ingresso costante di 5 V al sistema di motion capture. Questo protocollo coordinato consente la quantificazione della posizione dei segmenti corporei che non rientrano nel campo visivo combinato del sistema dual fluoroscopico, l'espressione di risultati cinematici relativi a eventi normalizzati dall'andatura e la caratterizzazione della deformazione dei tessuti molli intorno al femore e al bacino.

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Protocollo

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Le procedure delineate in questo protocollo sono state approvate dall'Institutional Review Board dell'Università dello Utah.

1. Imaging artrogramma CT

  1. Artrogramma18
    1. Programmare un radiologo muscoloscheletrico addestrato per eseguire l'artrogramma direttamente prima dell'imaging TC programmato.
    2. Posizionare il partecipante sul tavolo con l'anca di interesse nel campo visivo di un fluoroscopio clinico. Posizionare sacchi di sabbia su entrambi i lati della caviglia per impedire la rotazione della gamba e dell'anca.
    3. Preparare la pelle per creare un ambiente sterile. Contrassegnare la posizione in cui verrà inserito l'ago (giunzione testa-collo del femore) e anestetizzare i tessuti molli nel sito di iniezione con 2-5 ml di lidocaina all'1%.
    4. Preparare una soluzione di 20 mL di lidocaina all'1%, 10 mL di iniezione di ioesolo e 0,1 mL di 1 mg/mL (1:1000) di epinefrina in una siringa luer lock da 30 mL.
    5. Da due a cinque minuti dopo l'iniezione di lidocaina, inserire un ago spinale solo fino a quando non entra in contatto con il collo del femore; verificare la posizione dell'ago mediante fluoroscopia. Iniettare una piccola quantità della soluzione preparata (<5 mL) e assicurarsi che il fluido iniettato sia contenuto all'interno della capsula articolare con un'immagine dalla fluoroscopia.
    6. Iniettare 20-30 ml della miscela di contrasto. Quando si osserva un'ulteriore resistenza all'iniezione, chiedere a un membro del team di studio di applicare manualmente la trazione all'anca tirando la caviglia del partecipante mentre il partecipante afferra la testiera del tavolo per resistere al movimento della parte superiore del corpo. Iniettare la miscela di contrasto rimanente, a seconda dei casi.
    7. Verificare mediante fluoroscopia che il mezzo di contrasto riempia lo spazio articolare e copra la testa del femore quando viene applicata la trazione.
    8. Trasferire il paziente allo scanner TC su una sedia a rotelle o un letto per ridurre al minimo la perdita di contrasto all'interno della capsula articolare.
  2. Imaging di trazione e TC
    1. Aiuta il partecipante in posizione supina sul portale CT.
    2. Posizionare il dispositivo di stecca di trazione della lepre sotto la gamba di interesse, assicurandosi che la barra imbottita prossimale si appoggi appena distale all'ischio. Attaccare le cinghie a strappo intorno alla coscia e alla caviglia del partecipante e applicare una leggera trazione.
    3. Acquisisci un'immagine scout e imposta il campo visivo per includere l'intero bacino e i femori prossimali appena sotto il trocantere minore per i fianchi. Imposta un campo visivo separato per includere i femori distali e le tibie prossimali per le ginocchia.
    4. Applicare una trazione aggiuntiva (chiedere a un membro del team di ricerca di tirare sulla caviglia mentre un altro stringe la cinghia della stecca di trazione della lepre) per garantire la separazione dello spazio articolare. Acquisisci immagini a 120 kVp, spessore fetta 1,0 mm, 200 - 400 mAs per l'anca e 120 kVp, spessore fetta 3,0 mm e 150 mAs per le ginocchia. Utilizzare CARE Dose, un controllo automatico dell'esposizione che modula la corrente del tubo in base alla qualità dell'immagine, per ridurre al minimo il carico di radiazioni per il partecipante.
    5. Rilasciare e rimuovere il dispositivo di stecca di trazione della lepre. Aiuta il partecipante in posizione eretta e assicurati che si senta a suo agio nel mettere peso ed essere mobile sull'arto prima di permettergli di andarsene.

2. Doppia fluoroscopia di imaging

  1. Configurazione del sistema
    1. Applicare l'antropometria19 per stimare l'altezza dell'articolazione dell'anca in base all'altezza riportata dal partecipante e utilizzare questa misurazione per stimare l'altezza desiderata del centro del campo visivo del sistema.
    2. Posizionare gli intensificatori di immagine a circa 50° l'uno dall'altro sul lato del tapis roulant strumentato corrispondente all'anca di interesse (Figura 1).
    3. Posizionare gli emettitori di raggi X in modo che siano puntati verso gli intensificatori di immagine. Assicurarsi che la distanza tra la sorgente dell'emettitore e la faccia degli intensificatori di immagine sia di circa 100-110 cm.
      NOTA: la distanza consigliata tra la sorgente dell'emettitore e la faccia degli intensificatori di immagine varia in base alle specifiche del sistema e al collimatore nell'emettitore a raggi X.
    4. Collegare il centro della faccia dell'intensificatore di immagine e il corrispondente emettitore di raggi X di ciascuna coppia di fluoroscopi utilizzando stringhe o nastri di misurazione. Verificare che le corde (o i nastri) si incrocino nella posizione desiderata (ad esempio, nella posizione prevista dell'articolazione dell'anca).
    5. Apporre la piastra con tre laser all'emettitore e lo specchio all'intensificatore di immagine. Accendere i laser e perfezionare l'allineamento di ciascun emettitore e intensificatore di immagine in base alla riflessione dei laser alla sorgente laser.
  2. Immagini di calibrazione
    1. Prepararsi per l'uso delle radiazioni indossando piombo e posizionando la segnaletica sugli ingressi della stanza. Riduci al minimo l'esposizione facendo indossare al personale una protezione che include un giubbotto, una gonna, guanti e occhiali con piombo. Accendere i fluoroscopi e consentire ai sistemi di riscaldarsi, se necessario.
    2. Per tutte le immagini di calibrazione, impostare i fluoroscopi su 64 kVp e 1,4-1,6 mAo come altrimenti desiderato.
    3. Aprire il software di controllo della fotocamera sul computer e selezionare le telecamere appropriate come slave e master. Utilizzare la sincronizzazione esterna con la fotocamera master dalla fotocamera slave per sincronizzare le due telecamere.
      NOTA: per tutte le attività registrate, salvare gli stessi fotogrammi da entrambe le telecamere a doppia fluoroscopia; i fotogrammi sono identificati con un numero che rappresenta il numero di fotogrammi prima del segnale di trigger elettronico.
    4. Verificare l'allineamento del sistema apponendo una rondella metallica circolare al centro dell'intensificatore di immagine e attaccando il mirino all'emettitore.
      NOTA: una volta verificato l'allineamento, è importante evitare di contattare il sistema.
    5. Fissare la griglia in plexiglass a uno degli intensificatori di immagine usando le viti; ridurre al minimo la forza applicata in questo processo per evitare di alterare l'allineamento. Acquisisci immagini di fluoroscopia e salva 100 fotogrammi di immagine da ogni doppia fotocamera fluoroscopica della griglia. Rimuovere la griglia e ripetere il processo per l'altro intensificatore di immagini.
    6. Posizionare il cubo di calibrazione 3D all'interno del campo visivo combinato dei due fluoroscopi. Per fare ciò, posiziona il cubo su uno sgabello o una piattaforma radiotraslucida e verifica visivamente che la maggior parte o tutto il cubo sia all'interno del campo visivo. Orientare il cubo in modo che le pere di calibrazione non si sovrappongano per la vista della telecamera a doppia fluoroscopia. Acquisisci immagini e salva 100 fotogrammi di immagine del cubo.
    7. Prima di spostare il cubo, misurare e registrare la posizione approssimativa dell'origine del cubo da ciascun emettitore utilizzando il sistema di coordinate del cubo. Rimuovere il cubo e qualsiasi piattaforma associata.
    8. Misurare e registrare la distanza tra la sorgente dell'emettitore e la faccia dell'intensificatore di immagine per ciascun fluoroscopio.
    9. Attaccare il plexiglass con perle a un'asta lunga o a un righello con un elastico e spostarlo in modo casuale per fornire movimenti che vanno dall'intero campo visivo del sistema. Assicurarsi che il personale di ricerca sia consapevole del percorso di protezione dalle radiazioni e dall'usura per ridurre al minimo l'esposizione (vedere il punto 2.2.1). Salvate 100 fotogrammi immagine del movimento.
    10. Reimpostare l'orologio di imaging utilizzato per tenere traccia del tempo di esposizione.
  3. Prova statica e regolazione dei parametri
    1. Misurare l'altezza del trocantere maggiore per assicurarsi che l'altezza del sistema sia appropriata per il partecipante.
      1. Palpare la coscia per trovare la prominenza ossea del trocantere maggiore e individuare il punto più superiore, come è possibile.
      2. Poiché il trocantere superiore maggiore si trova approssimativamente alla stessa altezza dell'articolazione dell'anca, misurare l'altezza dal pavimento fino a questo punto e confrontarla con la stima dell'altezza utilizzata per impostare il sistema a doppia fluoroscopia.
      3. Se necessario, regolare l'altezza del sistema e ricalibrare mentre il partecipante è in fase di preparazione per l'acquisizione dei dati.
    2. Familiarizzare il partecipante con il sistema di fluoroscopia e informarlo che deve informare il team di ricerca se entra in contatto con una qualsiasi delle apparecchiature durante la sessione di imaging, poiché il contatto con il sistema influisce negativamente sull'accuratezza dei suoi dati.
    3. Fai salire il partecipante sul tapis roulant e si trova all'interno del campo visivo del doppio sistema di fluoroscopia. Controlla l'allineamento dei partecipanti dal punto di vista di ciascun emettitore e prendi nota di questa posizione dal punto di vista di dove ogni membro del team di ricerca sarà in piedi o seduto durante l'imaging.
    4. Stimare i parametri di imaging (kVp e mA di ciascun emettitore e l'esposizione delle doppie telecamere fluoroscopiche) in base all'indice di massa corporea (BMI) del partecipante e impostare ciascun fluoroscopio di conseguenza.
      NOTA: per la coorte di riferimento, le impostazioni di fluoroscopia variavano da 78 a 104 kVp e 1,9-3,2 mA con esposizioni della fotocamera di 4,5-7,0 ms.
    5. Acquisire immagini del partecipante durante la posizione eretta e valutare le immagini per il contrasto e il campo visivo.
      NOTA: l'aumento del kVp è associato a una maggiore dispersione dei raggi X (aumenta il rumore e riduce il contrasto), a una risoluzione dell'immagine inferiore e a un contrasto inferiore.
    6. Regolare i parametri e/o l'allineamento dei partecipanti e ripetere l'acquisizione delle immagini, se necessario.
    7. Salva 100 fotogrammi delle immagini finali da utilizzare come prova statica.
  4. Prove dinamiche (Figura 2)
    1. Prima dell'inizio della doppia imaging fluoroscopico, fare in modo che il partecipante cammini per una distanza nota mentre viene cronometriato. Usalo per determinare la velocità di camminata auto-selezionata sia per la camminata in piano che in pendenza sul tapis roulant.
    2. Avere il partecipante indossa un collare tiroideo con piombo per proteggere la tiroide.
    3. Durante le acquisizioni dinamiche, fai in modo che il ricercatore gestisca il controllo della doppia telecamera per fluoroscopia presso la workstation a doppia fluoroscopia dietro lo scudo di piombo e osservi il partecipante attraverso la finestra di visualizzazione dello scudo (Figura 3).
    4. Per l'esecuzione di tutte le prove di camminata:
      1. Informare il partecipante prima di avviare la cintura del tapis roulant. Aumentare la velocità del tapis roulant fino alla velocità di camminata appropriata e lasciare che l'andatura del partecipante si normalizzi prima di raccogliere le immagini.
      2. Per ogni attività di camminata, acquisire e salvare almeno due cicli di andatura completa.
      3. Per l'attività di camminata inclinata, fai scendere il partecipante dal tapis roulant. Sblocca il tapis roulant, imposta l'inclinazione a 5 °e riblocca il tapis roulant prima che il partecipante faccia un passo indietro sul tapis roulant per eseguire l'attività.
      4. Ripetere l'imaging, in modo che l'attività venga registrata due volte.
      5. Ripetere lo stesso processo (punto 2.4.4.3) per abbassare il tapis roulant al termine dell'attività.
    5. Per le attività pivot:
      1. Fare in modo che il partecipante ruoti la posizione del corpo e i piedi di circa 45° dalla parte anteriore del tapis roulant opposto alla direzione del perno. Se lo si desidera, assicurarsi che ogni piede sia posizionato interamente su una singola cinghia del tapis roulant a doppia cinghia per consentire un'elaborazione semplice dei dati della piastra di forza.
      2. Chiedere al partecipante di eseguire diversi pivot da e verso la loro gamma finale di movimento mentre osserva l'allineamento del bacino alla gamma finale di movimento. Assicurarsi che il movimento venga eseguito senza intoppi poiché il perno non richiede accelerazione per raggiungere la posizione finale.
      3. In base alla posizione del bacino all'estremità del movimento, fai ruotare e / o tradurre i piedi in modo tale che il bacino sia rivolto in avanti sul tapis roulant e l'anca di interesse sia al centro del campo visivo combinato dei fluoroscopi all'estremità del perno.
      4. Una volta ottimizzata la posizione, fare in modo che il partecipante esegua il pivot durante l'imaging a doppia fluoroscopia e salvi tutti i fotogrammi in cui il femore e il bacino sono visibili in entrambe le viste della telecamera a doppia fluoroscopia (circa 200-400 fotogrammi) centrate sulla gamma finale di movimento, catturando il più possibile il pivot.
      5. Ripetere l'imaging, in modo che l'attività venga registrata due volte.
    6. Per l'attività di abduzione-adduzione:
      1. Avere il partecipante in piedi nel campo visivo dei fluoroscopi e sollevare la gamba di interesse di circa 45 ° su un fianco. Ricorda al partecipante di evitare il movimento del busto e di ridurre la gamma di movimento, se necessario.
      2. Acquisire e salvare tutti i fotogrammi in cui il femore e il bacino sono visibili in entrambe le viste della fotocamera a doppia fluoroscopia (circa 200-400 fotogrammi).
      3. Ripetere l'imaging, in modo che l'attività venga registrata due volte.
    7. Per il centro dinamico dell'articolazione dell'anca o l'attività dell'arco stellare20
      1. Avere il partecipante in piedi nel campo visivo del sistema a doppia fluoroscopia e alzare e abbassare la gamba anteriormente e con incrementi di 45 ° di 180 °, terminando con un sollevamento posteriore e inferiore della gamba. Prima di rimettere la gamba a terra, fare in modo che il partecipante circumdida la gamba e torni in posizione eretta.
    8. Una volta che il partecipante è a suo agio con il movimento e può completarlo in circa 6-8 s, acquisire e salvare le immagini dell'attività.
      NOTA: Solo un'attività viene catturata con doppia fluoroscopia a causa della durata dello studio.
  5. Immagini di calibrazione aggiuntive
    1. Se in qualsiasi momento durante la raccolta dei dati, il partecipante ritiene di essere entrato in contatto con qualsiasi parte dell'apparecchiatura fluoroscopica, immagine le griglie e il cubo e salva tutti i file per la calibrazione.
    2. Al termine della raccolta dei dati, creare un'immagine delle griglie e del cubo e salvare tutti i file per la calibrazione per fungere da backup in caso di problemi con la calibrazione iniziale.

3. Cattura del movimento del marcatore della pelle e tapis roulant strumentato

  1. Configurazione del sistema
    1. Focalizzare il sistema di motion capture ottico sul tapis roulant (Figura 3). A causa dei potenziali problemi con la visualizzazione del partecipante mentre si trova nel campo visivo del doppio sistema di fluoroscopia, essere pronti a posizionare con precisione le telecamere a infrarossi per garantire una visualizzazione accurata (Figura 2).
    2. Accendere il sistema e utilizzare una serie di marcatori per garantire che il sistema a doppia fluoroscopia non impedisca la visualizzazione del campo visivo desiderato.
    3. Verificare che i marcatori siano chiari e circolari e regolare la messa a fuoco delle telecamere a infrarossi, se necessario.
    4. Assicurarsi che i fluoroscopi siano coperti per ridurre eventuali superfici riflettenti. Rivedere ogni telecamera a infrarossi e mascherare la vista della fotocamera se gli oggetti riflettenti non possono essere coperti.
    5. Impostare il software di motion capture per leggere in un segnale esterno a 5 V dal trigger elettronico utilizzato per terminare l'acquisizione della telecamera del sistema a doppia fluoroscopia. Utilizzare questo trigger per sincronizzare temporalmente i dati dai due sistemi.
  2. Taratura
    1. Una volta che il sistema è acceso e pronto, utilizzare la bacchetta di calibrazione attiva per calibrare contemporaneamente le telecamere ottiche e di acquisizione del movimento a infrarossi. Assicurarsi che l'intera regione all'interno del sistema a doppia fluoroscopia venga accuratamente catturata durante la calibrazione evitando il contatto con qualsiasi apparecchiatura.
      NOTA: i movimenti della bacchetta che assomigliano al lancio del cibo in una padella hanno funzionato bene.
    2. A causa delle ostruzioni causate dal doppio sistema di fluoroscopia, i valori di calibrazione possono essere peggiori di quelli normalmente osservati per l'acquisizione ottica del movimento. Eseguire la calibrazione in modo che tutte le telecamere a infrarossi abbiano errori di immagine inferiori a 0.2.
      NOTA: l'errore di immagine per la videocamera sarà più alto, anche se ancora inferiore a 0,5. La videocamera non viene utilizzata specificamente per alcuna quantificazione del movimento, ma solo per la registrazione visiva del motion capture.
    3. Durante l'acquisizione della prova del cubo per la doppia fluoroscopia, cattura anche il cubo con le telecamere a infrarossi motion capture. Assicurarsi che il cubo abbia marcatori riflettenti apposti su di esso per la posizione da acquisire con le telecamere sia del sistema di motion capture che del doppio sistema di fluoroscopia.
  3. Set di marcatori e posizionamento
    1. Prima dell'arrivo del partecipante, tagliare e applicare del nastro biadesivo (toupee tape) sulla base di 21 marcatori sferici riflettenti. Per garantire la longevità dei marcatori, assicurarsi che il nastro o qualsiasi pelle non entri in contatto con i marcatori riflettenti.
    2. Per ciascuna delle cinque piastre marcatori (due sul gambo, due sulla coscia, una sul retro; Figura 4), applicare la colla spray sul lato della pelle del cinturino in tessuto e avvolgerla strettamente attorno al partecipante. Verificare con il partecipante che le cinghie si sentano strette (ma non siano scomode). Pulire le mani da qualsiasi colla spray in eccesso prima di aderire al resto del set di marcatori.
    3. Applicare cinque marcatori, utilizzati solo per la calibrazione, rispettivamente sulla clavicola, sulle ginocchia mediali e sui malleoli mediali.
    4. Applicare i restanti 16 marcatori alle spine iliache superiori anteriori (ASIS), alle spine iliache superiori posteriori (PSIS), al trocantere maggiore del femore che viene ripreso, alle spalle, allo sterno, alle ginocchia laterali, ai malleoli laterali e ai piedi (Figura 4).
    5. Chiedere al partecipante di informare il team di studio se eventuali marcatori o cinghie si allentano durante l'acquisizione dei dati.
  4. Prova statica
    1. In combinazione con la prova statica permanente della doppia fluoroscopia, acquisire una prova permanente per la cattura del movimento.
    2. Etichettare tutti i marcatori. Se alcuni marcatori non sono visibili da almeno tre telecamere a infrarossi durante l'attività statica acquisita, riacquisire un'immagine statica per assicurarsi che tutti i marcatori siano visibili.
    3. Rimuovere i marcatori di sola calibrazione e fare in modo che il partecipante asserti un collare tiroideo per fornire protezione dalle radiazioni durante il resto della raccolta dei dati.
  5. Prove dinamiche
    1. Per ciascuna delle prove dinamiche acquisite con il sistema a doppia fluoroscopia, acquisire video di motion capture, assicurando che l'intero video a doppia fluoroscopia rientri nei limiti dell'acquisizione di motion capture.
    2. Assicurarsi che l'interruzione del segnale a 5 V dal grilletto elettronico del sistema a doppia fluoroscopia venga catturata all'interno di ogni prova.

4. Pre-elaborazione delle immagini

  1. Modello basato sulla TC
    1. Segmentare il femore prossimale e distale del lato di interesse e l'intero bacino, poiché queste ossa vengono utilizzate per il monitoraggio e / o la generazione del sistema di coordinate.
    2. Assicurarsi che le segmentazioni siano rappresentative della forma ossea in tutti e tre i piani di imaging e appaiano relativamente lisce.
      NOTA: La capacità di analizzare l'artrokinematica dipende dall'ottenimento di ricostruzioni di alta qualità attraverso un'attenta segmentazione.
    3. Convertire i dati dell'immagine in caratteri non firmati (8 bit) e regolarli secondo necessità con offset e ridimensionamento per produrre un'immagine con un intervallo da 0 a 255.
    4. Isolare solo la regione ossea nell'immagine convertita e ritagliare attorno ai limiti dell'osso. Registrare le dimensioni delle immagini ritagliate.
    5. Salva come formato TIFF 2D.
    6. Aprire l'immagine, modificare il tipo in 16 bite salvarlo come singolo file TIFF 3D.
  2. Ricostruzione della superficie
    1. Genera superfici dalle etichette di segmentazione, leviga e decima le superfici in modo iterativo, assicurando che le facce non vengano mai ridotte di più della metà in ogni singola iterazione.
      NOTA: utilizzando il processo descritto, il numero target di facce è di circa 30.000 per ogni superficie prossimale e distale del femore e 70.000 per ogni superficie dell'emi-bacino.
    2. Esportate ogni superficie come mesh di superficie in formato *.vtk da utilizzare come file di modello per l'identificazione del punto di riferimento.
  3. Identificazione del punto di riferimento per il sistema di coordinate
    1. Identificare i punti di riferimento del femore per la generazione del sistema di coordinate femorali (Figura 5).
      NOTA: i parametri forniti di seguito sono specifici per il set di dati e i protocolli di imaging a cui si fa riferimento; potrebbe essere necessario modificare i valori per selezionare i punti di riferimento in modo appropriato.
      1. Aprire il femore prossimale come file modello. Aprite la barra degli strumenti Post e il pannello Dati per aggiungere un campo standard di Curvatura 1-Princ, selezionate una scorrevolezza di 10 e quindi visualizzate il risultato. Selezionate eccessivamente le facce della testa del femore e utilizzate l'opzione Seleziona intervallo dal pannello Modifica per includere solo la curvatura negativa. Deselezionate le facce selezionate che non appartengono alla testa del femore. Esportate questa superficie della testa del femore come mesh di superficie in formato *.k per una sfera adatta a determinare il centro della testa del femore.
      2. Utilizzando un processo simile, applicare la curvatura 1-Princ al femore distale con la levigatezza di 5 e selezionare nuovamente l'intervallo per includere solo le facce con curvatura negativa. Esportate questa superficie del condilo femorale per un adattamento del cilindro per determinare l'asse mediale-laterale.
      3. Applicare la curvatura 2-Princ sul femore distale, utilizzando una levigatezza di 3. Evidenzia le creste degli epicondili e seleziona l'intervallo utilizzando un cut-off superiore di -0,1. Esportate queste facce per generare un piano e utilizzatelo per isolare le facce dei condili posteriori per l'adattamento del cilindro.
    2. Identificare i punti di riferimento del bacino per la generazione del sistema di coordinate pelviche (Figura 5).
      NOTA: i parametri forniti di seguito sono specifici per il set di dati e i protocolli di imaging a cui si fa riferimento; potrebbe essere necessario modificare i valori per selezionare i punti di riferimento in modo appropriato.
      1. Per ogni emi-bacino, applicare 2-Princ Curvature con una levigatezza di 5 e selezionare l'intervallo per includere solo facce positive per isolare la superficie lunata dell'acetabolo. Esportare la superficie lunare e utilizzare una sfera adatta per determinare il centro dell'acetabolo.
      2. Riapplicazione della curvatura 2-Princ con una scorrevolezza di 2 e selezionare tutte le facce con curvatura inferiore a -0,15 per evidenziare le spine del bacino. Scegli i punti sul bordo di queste spine che meglio rappresentano ASIS e PSIS come punti di riferimento e registrali.

5. Tracciamento del movimento osseo

  1. Taratura
    1. Identificare 12 pere all'interno di ciascuna delle immagini cubiche dalle doppie telecamere fluoroscopiche (raccolte nel passaggio 2.2.6). Sulla base delle distanze calibrate tra ciascuna delle perle del cubo e le misurazioni della posizione del cubo all'interno del sistema a doppia fluoroscopia, determinare l'orientamento spaziale di ciascun fluoroscopio attraverso la minimizzazione dell'errore di proiezione della somma dei quadrati tra le posizioni delle perle proiettate e conosciute.
    2. Utilizzare le immagini della griglia per correggere la distorsione dell'immagine e applicare la correzione a tutte le immagini associate a tale immagine della griglia.
    3. Utilizza le immagini in movimento per quantificare l'accuratezza dinamica del sistema e utilizza il tracciamento basato su marcatori per tracciarlo.
  2. Tracciamento senza marcatori
    1. Aggiungere la posizione dei punti di riferimento selezionati al file dei parametri specifici dell'osso e raccogliere la posizione dinamica di questi punti di riferimento nel sistema a doppia fluoroscopia come output per tutti i fotogrammi tracciati.
    2. Determinare i fotogrammi che verranno tracciati (in base ai dati cinematici dell'acquisizione del movimento, vedere il passaggio 6.1.2) e aprire il software di tracciamento senza marcatori con il file dei parametri specifici dell'osso associato.
    3. Selezionare un fotogramma all'interno dell'intervallo desiderato con una buona visualizzazione dell'osso e orientare manualmente la radiografia ricostruita digitalmente (DRR) basata su TC dell'osso di interesse (femore prossimale o emi-bacino) utilizzando i sei gradi di libertà disponibili nel software (Figura 6).
      NOTA: poiché la maggior parte delle prove inizia in una posizione simile a quella in piedi, questa posizione iniziale può probabilmente essere utilizzata come punto di partenza iniziale per tutte le prove.
    4. Una volta che il DRR dell'osso appare ben allineato in entrambe le viste, salvate la soluzione facendo clic sul pulsante Manuale nel pannello Soluzioni.
      NOTA: ogni volta che una soluzione viene salvata, i parametri di orientamento e il coefficiente di correlazione incrociata normalizzato vengono tracciati come riferimento. Il coefficiente di correlazione incrociata normalizzato viene calcolato in base a tutti i pixel con valori diversi da zero sia per il fluoroscopio che per i DRR ossei.
    5. Applicare il passaggio di ottimizzazione della ricerca diagonale dell'Assia (DHS) facendo clic sul pulsante DHS all'interno del pannello Soluzioni ed esaminare il risultato. Se si preferisce il risultato ottimizzato, passare al fotogramma successivo; in caso contrario, apportate le modifiche necessarie e salvate nuovamente facendo clic sul pulsante Manuale all'interno del pannello Soluzioni. Ripetere questo passaggio fino a trovare una soluzione soddisfacente.
      NOTA: in caso di scarso contrasto dell'immagine, l'algoritmo di ottimizzazione potrebbe non sempre produrre un risultato soddisfacente.
    6. Per ogni quinto fotogramma, ripetete questo processo, utilizzando la soluzione per il fotogramma precedente come punto di partenza. Utilizzare l'ottimizzazione DHS per automatizzare il processo.
    7. Per completare il primo passaggio di tracciamento, utilizzate un altro strumento che interpola tramite proiezione lineare (LP) e ottimizza le soluzioni tra i fotogrammi tracciati facendo clic sul pulsante Intervallo di LP + DHS all'interno del pannello Soluzioni. Nella finestra, immettete l'insieme di fotogrammi da tenere traccia e i due fotogrammi da utilizzare come riferimento.
      NOTA: i due fotogrammi di riferimento possono essere qualsiasi fotogramma all'interno dell'insieme di fotogrammi identificato. Tuttavia, l'uso del primo e dell'ultimo fotogramma fornisce limiti per l'orientamento delle ossa all'interno dell'intervallo di fotogrammi, il che può essere utile quando il contrasto è basso.
    8. Esamina e perfeziona ogni frame della prova, utilizzando soluzioni manuali e basate su DHS. Utilizzare il grafico dei parametri per garantire che il coefficiente di correlazione sia sufficientemente alto e che l'orientamento dell'osso non abbia salti improvvisi in nessun parametro.
    9. Per garantire un monitoraggio accurato, chiedere a un altro ricercatore di rivedere la soluzione per ogni frame e apportare le modifiche necessarie alle soluzioni.
    10. Ripetere i passaggi 5.2.1-5.2.9 per ciascun osso.
  3. Visualizzazione del movimento
    1. Aprire le superfici del femore e del bacino nel software per la visualizzazione cinematica. Se necessario, convertite le superfici in mesh utilizzando la funzione converti in mesh. Selezionate entrambe le superfici ed esportate come mesh di superficie in formato *.k.
    2. Utilizzando l'output del tracciamento, generare un file di testo con le trasformazioni di coordinate per ogni osso e fotogramma.
      NOTA: l'ordine delle superfici deve corrispondere all'ordine delle trasformazioni.
    3. Per la visualizzazione della cinematica, utilizzare lo strumento kinemat e i due file precedenti dei passaggi 5.3.1 e 5.3.2 per animare la cinematica. Verificate che la cinematica animata sia ragionevole e che le superfici abbiano una distanza appropriata tra loro utilizzando una superficie semitrasparente o lo strumento di distanza della superficie. Se necessario, tornare al passaggio 5.2.8.

6. Analisi dei dati

  1. Cinematica dei marcatori cutanei
    1. All'interno del software di motion capture, elabora in batch tutti i file per applicare il modello statico e i marcatori di etichette. Una volta completata la prova, rimuovete tutte le traiettorie senza etichetta.
      NOTA: A causa delle ostruzioni del sistema a doppia fluoroscopia, potrebbe essere necessario un riempimento manuale più manuale del solito.
    2. Utilizza i dati cinematici e della piastra di forza per identificare eventi dinamici, come il puntale o il tallone durante l'andatura o la massima gamma di movimento per le attività di rotazione. Determinare i frame di interesse per il tracciamento dei dati della doppia fluoroscopia.
    3. Esporta tutti i dati di prova per l'elaborazione cinematica in formato *.c3d, inclusi sia i dati analogici (ad es. dati trigger e force plate) che le traiettorie del marcatore.
    4. Applicate il file modello di modello desiderato (salvato nel formato di file *.mdh) alla prova statica, quindi assegnatelo ai file di movimento.
      NOTA: Per l'analisi, è stato utilizzato un modello di arto inferiore con un segmento generalizzato testa-addome-torace (HAT) della International Society of Biomechanics (ISB) e il bacino CODA, un modello di segmento del bacino definito dai due ASIS e dal centro dei punti di riferimento PSIS.
  2. Doppia cinematica fluoroscopica
    1. Isolare i fotogrammi di interesse, assicurando che siano inclusi solo i fotogrammi contigui tracciati sia per il femore che per il bacino.
    2. Filtra le posizioni di riferimento utilizzando un filtro Butterworth passa-basso (frequenza di taglio normalizzata di 0,12 dall'analisi residua e filtro del4 ° ordine).
    3. Utilizzare le posizioni filtrate dei punti di riferimento durante ogni prova di movimento per tenere traccia della posizione dinamica del sistema di coordinate femorali (Figura 5).
      1. Definite l'origine del femore come il centro di adattamento della sfera della testa del femore.
      2. Definisci l'asse z del femore (asse inferiore-superiore) tra il centro del ginocchio e l'origine, puntando in modo superiore.
      3. Definire l'asse x del femore (asse mediale-laterale) come l'asse lungo di un cilindro montato sui condili femorali, puntando a sinistra. Per isolare la regione dei condili da rappresentare con un cilindro, montare un piano sulle superfici dell'epicondilo e isolare la porzione posteriore dei condili femorali.
      4. Definite l'asse y del femore (anteriore-posteriore) come il prodotto incrociato degli assi z e x definiti, puntando posteriormente. Correggete l'orientamento dell'asse x per creare un sistema di coordinate ortogonali.
    4. Utilizzare le posizioni filtrate dei punti di riferimento durante ogni prova di movimento per tracciare la posizione dinamica del sistema di coordinate pelviche (Figura 5).
      1. Definire l'origine del bacino come centro dei due punti di riferimento ASIS.
      2. Definire l'asse y del bacino (asse anteriore-posteriore) tra il centro dei due punti di riferimento PSIS e l'origine, puntando anteriormente.
      3. Definite l'asse x del bacino (asse mediale-laterale) tra l'origine e il punto di riferimento ASIS sul lato destro, puntando a destra.
      4. Definite l'asse z del bacino (asse inferiore-superiore) come prodotto incrociato degli assi x e y definiti, puntando in modo superiore. Correggete l'orientamento dell'asse x per creare un sistema di coordinate ortogonali.
    5. Generare la matrice di rotazione tra i sistemi di coordinate e calcolare la cinematica dell'articolazione per MacWilliams e colleghi' Equazione 11 (Figura 7)21.
    6. Calcola le traslazioni articolari trasformando la distanza vettoriale tra i centri di adattamento della sfera della testa del femore e la superficie lunatica dell'acetabolo nel sistema di coordinate del bacino.
      NOTA: questo fornisce un singolo vettore per rappresentare la traslazione congiunta per ogni fotogramma dell'immagine.
  3. Artrokinematics
    1. Visualizzare la cinematica come descritto nel passaggio 5.3 per animare l'artrokinematica specifica del soggetto (Figura 8).
    2. Applicare il campo dati sulla distanza superficiale per misurare le distanze tra le superfici del femore e del bacino durante ogni attività dinamica (Figura 8).
      NOTA: Questi dati forniscono anche la quantificazione della distanza relativa tra le superfici articolari, ma richiedono un'interpretazione per quantificare la traslazione congiunta.
    3. Esporta le distanze superficie-superficie utilizzando lo strumento distanza di superficie per quantificare i dati tra tutti i partecipanti.
  4. Confronto con il motion capture dei marcatori cutanei
    1. Utilizzando le immagini cubiche e il trigger di ogni prova di movimento, sincronizzare spazialmente e temporalmente i sistemi di doppia fluoroscopia e motion capture.
    2. Trasforma le posizioni di riferimento utilizzate per l'acquisizione del movimento dei marcatori skin (ad esempio, ASIS, PSIS, condili) dal sistema di coordinate di tracciamento senza marcatori al sistema di coordinate di acquisizione del movimento.
    3. Combina questi dati con le posizioni dei marcatori dall'acquisizione e dall'importazione del movimento del marcatore cutaneo per l'analisi e la reportistica cinematica e cinetica. Regolare l'analisi per utilizzare la doppia fluoroscopia o le posizioni dei marcatori cutanei per ciascun punto di riferimento e confrontare le posizioni e la cinematica dei punti di riferimento tra i due sistemi.

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Risultati

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

Utilizzando la doppia fluoroscopia come standard di riferimento, l'accuratezza delle stime basate sui marcatori cutanei del centro dell'articolazione dell'anca e l'effetto dell'artefatto dei tessuti molli sulle misurazioni cinematiche e cinetiche sono state quantificate22,23,24. La precisione superiore della doppia fluoroscopia è stata quindi utilizzata per identificare sottili differenze nella cinematica dell'articolazione pelv...

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Discussione

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

La doppia fluoroscopia è un potente strumento per lo studio della cinematica in vivo, in particolare per l'anca, che è difficile da misurare con precisione utilizzando la tradizionale cattura ottica del movimento. Tuttavia, l'apparecchiatura per fluoroscopia è specializzata, in cui può essere necessaria una configurazione di sistema unica quando si visualizzano altre articolazioni del corpo umano. Ad esempio, sono state apportate diverse modifiche al montaggio degli intensificatori di immagine, al posizionamento...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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

Questa ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health (NIH) con i numeri di sovvenzione S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del NIH.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Amira SoftwareThermoFisher ScientificVersione 6.0
Cubo di calibrazionePersonalizzato36 perline d'acciaio (diametro 3 mm, distanza 6,35 cm, incertezza 0,0036 mm)
Bacchetta di calibrazioneViconBacchetta
Scanner CTSiemens AGSOMATOM Definizione 128 CT
Griglia di correzione della distorsione personalizzataPiastra acrilica con una griglia di perle di acciaio distanziate di 10 mm e 31 perle di diametro (2 mm di diametro)
PiastraPiastra acrilica personalizzata con 3 perle di acciaio distanziate di 30 mm (diametro 2 mm, incertezza 0,0013 mm)
Emettitore (2)Varian Interay; rigenerata da Radiological Imaging ServicesHousing B-100/Tubo A-142
EpinefrinaHospiraInjection, USP 10 mg/mL
Software FEBioStudioFEBio.orgversione 1.3Elaborazione mesh e visualizzazione cinematica
Unità di elaborazione graficaNvidiaTesla
Hare Stecca di trazioneDynaMedTrac-III, modello n. 95201
Telecamera ad alta velocità (2)Vision Research, Inc.Phantom Micro 3
Image Intensifier (2)Dunlee, Inc.; rigenerato da Radiological Imaging ServicesT12964P/S
Iniezione di ioesoloGE HealthcareOmnipaque 240 mgI/mL517,7 mg di ioesolo, 1,21 mg di trometamina, 0,1 mg di calcio disodico edetato per mL
ImageJNational Institutes of Health e Laboratorio per la strumentazione
Iniezione di lidocaina HClHospira, USP 10 mg/mL
Laser e sistemaPersonalizzatoTre laser aderiscono alla lastra acrilica che si attacca all'emettitore, lo specchio si attacca alla faccia dell'intensificatore di immagine
Markless Tracking WorkbenchHenry Ford Hospital, Software personalizzato
Mathworks, Inc.Versione R2017b
Telecamera Motion Capture (10)ViconVantage
Nexus SoftwareViconVersione 2.8Motion capture
Phantom Camera Control (PCC) SoftwareVision Research, Inc.Versione 1.3
Colla spray pre-nastroMueller Sport CareTuffner
Marcatori14 mm
Tapis roulant completamente strumentatoBertec Corporationpersonalizzato
Visual3DC-Motion Inc.Versione 6.01Elaborazione cinematica
attiva di calibrazione dinamica ottica e computazionale di allineamento dello specchio Software MATLAB personalizzato cutanei sferici retroriflettenti Nastro diviso da Software

Riferimenti

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