方法論記事

イン・ヴィヴォ 二重蛍光法による動的体重負荷活動における股関節運動学の定量化

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DOI：

10.3791/62792

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2021年7月2日

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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

この記事について

サマリー

二重蛍光法は、再構築された解剖学(例えば、関節運動学)に対して可視化することができるヒト関節の 生体内 の動的運動を正確に捉える。本明細書において、日常生活の体重負荷活動中に股関節関節運動学を定量化するための詳細なプロトコルが提示され、従来の皮膚マーカーモーションキャプチャとの二重透視の統合を含む。

要約

いくつかの股関節病理は異常なバイオメカニクスの根本的な仮定と異常な形態に起因している。しかし、関節レベルでの構造機能関係は、動的関節運動を正確に測定するのが困難なため、定量化が困難です。光学的皮膚マーカーの動きの捕獲に内在する軟部組織のアーティファクトエラーは、体内の股関節の深さと関節を取り巻く軟部組織の大きな塊によって悪化する。したがって、骨形状と股関節運動学の複雑な関係は、他の関節よりも正確に研究することが困難である。本明細書において、コンピュータ断層撮影(CT)関節造影、3次元(3D)再構成の容積画像、二重蛍光法、および光学的運動キャプチャを組み込んだプロトコルが、股関節の動的運動を正確に測定する。.このプロトコルを用いて股関節のフォーム機能関係を研究するために二重蛍光法を応用した技術研究および臨床研究を要約し、データ取得、処理、および分析のための具体的なステップと今後の考慮事項について説明する。

概要

股関節変形性関節症(OA)に罹患した45〜64歳の成人に対して行われた総股関節関節形成術(THA)処置の数は、2000年から2010年の間に2倍以上に増加した。2000年から2014年までのTHA手続きの増加に基づいて、最近の研究では、年間手順の全体の数は、今後20年間で3倍になるかもしれないと予測しました 2.THA手続きのこれらの大幅な増加は、現在の治療費が米国だけで年間180億ドルを超えていることを考えると驚くべきことです3.

股関節の発達異形成(DDH)およびフェモロアセスタ症候群(FAIS)は、それぞれ、過小または過剰に制約された股関節を記述し、股関節OA4の主要な病因であると考えられている。THAを受けている個体におけるこれらの構造的な股関節の変形の高い有病率は、当初30年以上前に5.それでも、異常な股関節解剖学と変形性関節症との関係はよく理解されていない。股関節OAの発達における変形の役割の作業理解を改善するための課題の1つは、異常な股関節形態が無症候性成人の間で非常に一般的であるということです。特に、一般集団の約35%でカム型FAISに関連する形態が観察され、シニアアスリートの83%が7人、大学男性アスリートの95%以上が8人である。女性大学アスリートの別の研究では、参加者の60%がカムFAISの放射線証拠を持ち、30%がDDH9の証拠を持っていました。

股関節の痛みのない個体の間で変形の高い有病率を示す研究は、一般的にFAISおよびDDHに関連する形態が特定の条件下でのみ症状になる自然な変異体である可能性を指摘している。しかし、股関節解剖学と股関節バイオメカニクスの相互作用は十分に理解されていない。特に、従来の光学モーションキャプチャ技術を用いて股関節運動を測定することは既知の困難です。まず、関節は身体内に比較的深く、股関節の中心の位置が光学的なスキンマーカーモーションキャプチャを用いて動的に識別および追跡することが困難となるように、大腿骨頭部10,11の半径と同じ桁の誤差を有する。第2に、股関節は、皮下脂肪および筋肉を含む大きな軟部組織塊に囲まれ、下の骨に対して移動し、軟部組織アーチファクト12、13、14をもたらす。最後に、皮膚マーカーの光学的追跡を用いて、キネマティクスは一般化された解剖学に対して評価され、微妙な形態学的差異が関節のバイオメカニクスにどのような影響を与えるかについての洞察を提供しない。

被験者固有の骨形態と組み合わせた正確な運動学の欠如に対処するために、単一および二重の蛍視法システムは、他の自然な関節システム15、16、17を分析するために開発されている。しかし、この技術は、股関節を取り巻く軟部組織を通じて高品質の画像を取得するのが難しい可能性があるため、最近ネイティブの股関節に適用されました。生体内股関節関節運動を正確に測定し、被検体特異的骨解剖に対してこの運動を表示する方法論について、本明細書に記載されている。結果として生じる関節運動学は、骨形態とバイオメカニクスの微妙な相互作用を調査する比類のない能力を提供する。

本明細書において、日常生活の活動中に股関節の二重透視画像を取得および処理する手順が説明されている。二重の蛍光コピー画像と同時に光学マーカー追跡と全身運動学をキャプチャする欲求のために、データ収集プロトコルは、データの複数のソース間の調整を必要とします。二重蛍光法システムの較正は直接識別され、マーカーとして追跡することができる金属ビーズと植え付けられたプレキシガラス構造を利用する。これに対し、動的なボーンモーションはマーカーレス トラッキングを使用して追跡され、方向を定義するためにボーンの CT ベースの放射密度のみを利用します。動的モーションは、空間的および時間的に同期されたデュアルフルオロコピーとモーション キャプチャ データを使用して同時に追跡されます。

システムは、反射マーカーと埋め込み金属ビーズと共通の座標系の生成の両方を備えた立方体の同時イメージングを通じて、キャリブレーション中に空間的に同期されます。システムは、二重蛍光視カメラの記録を終了する信号を送信し、モーションキャプチャシステムに一定の5 V入力を中断するスプリット電子トリガを使用して、各活動またはキャプチャごとに時間的に同期されます。この協調プロトコルにより、二重蛍光法システムの複合視野外に落ちる身体セグメントの位置の定量化、歩行正規化イベントに対する運動学的結果の発現、大腿骨および骨盤の周りの軟部組織変形の特徴化が可能になる。

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プロトコル

この議定書で概説された手順は、ユタ大学機関審査委員会によって承認されました。

1. CT関節形成イメージング

  1. アルスログラム18
    1. 訓練を受けた筋骨格系放射線科医が、定期CTイメージングの直前に関節グラムを実行するようにスケジュールします。
    2. 臨床蛍光鏡の視野に関心のあるヒップで、参加者をテーブルの上に置きます。脚と股関節の回転を防ぐために、足首の両側にサンドバッグを置きます。
    3. 無菌環境を作るために皮膚を準備します。針が挿入される場所(大腿骨頭頸部接合部)をマークし、注射部位の軟組織を1%リドカインの 2〜5 mL で麻酔します。
    4. 20 mLの溶液を調製し、1%リドカイン、10 mLのイオヘキソール注射、0.1 mLの1 mg/mL (1:1000)エピネフリンを30 mLルアーロックシリンジで調製します。
    5. リドカイン注射の2~5分後、大腿骨の首に接触するまで脊髄針を挿入する。透視検査によって針の位置を確認する。少量の調製溶液(<5 mL)を注入し、注入された流体が、蛍光検査の画像と共に関節カプセル内に含まれていることを確認します。
    6. 20~30mLのコントラスト混合物を注入します。注射に対するさらなる抵抗が観察された場合、研究チームのメンバーは、参加者が上半身の動きに抵抗するためにテーブルのヘッドボードをつかんで、参加者の足首を引っ張って股関節に手動でトラクションを適用してもらいます。残りのコントラスト混合物を適宜注入する。
    7. 透視検査によって、造影剤が関節空間を満たし、牽引が適用される場合に大腿骨の頭部を覆っていることを確認します。
    8. 患者を車椅子またはベッドのCTスキャナーに移して、関節カプセル内のコントラストの損失を最小限に抑えます。
  2. トラクションとCTイメージング
    1. CTガントリーの上のsupineの位置に参加者を助ける。
    2. 関心の脚の下にヘアトラクション副木装置を置き、近位パッド入りのバーがイスキウムにちょうど遠位を置くことを確認します。参加者の太ももと足首の周りにフックとループストラップを取り付け、光のトラクションを適用します。
    3. スカウト画像を取得し、腰のためのより小さなトロシャンターのすぐ下に骨盤全体と近位大腿骨を含むように視野を設定します。遠位大腿骨と膝の近位脛骨を含むように別の視野を設定します。
    4. 追加のトラクションを適用します(研究チームの1人のメンバーが足首を引っ張り、別のメンバーがヘアトラクション副木のストラップを締めます)、関節スペースの分離を確実にします。 120 kVp、1.0 mmのスライス厚さ、ヒップ 用の200~400mA、120kVp、3.0mm スライス厚さ、膝用の150mA で画像を取得します。CARE線量、画像品質に応じてチューブ電流を調節する自動暴露制御を使用して、参加者への放射線負担を最小限に抑えます。
    5. ヘアトラクション副木装置を解放して取り外します。参加者を立ち位置に支援し、彼らが去ることを許可する前に、彼らが体重を入れて、手足に移動して快適に感じることを確認してください。

2. 二重透視イメージング

  1. システムのセットアップ
    1. 参加者の報告された高さに基づいて股関節の高さを推定するために人類学的な19 を適用し、この測定を使用してシステムの視野の中心の所望の高さを推定する。
    2. 目的のヒップに対応する計測トレッドミルの側面に、画像インテンシファイアを約50°互いに配置します(図1)。
    3. X線エミッタを画像増強器に向ける位置に置きます。エミッタソースとイメージインテンシファイアの面間の距離が約100〜110cmであることを確認します。
      注: エミッタソースとイメージインテンシファイアの面間の推奨距離は、システム仕様とX線エミッタのコリメータによって異なります。
    4. 画像インテンシファイアの面の中心と、各フッ素鏡ペアの対応するX線エミッタを、文字列または測定テープを使用して接続します。文字列(またはテープ)が目的の場所(すなわち、股関節の予想位置)で交差することを確認します。
    5. プレートに3つのレーザーをエミッタに貼り付け、鏡をイメージエンテンシに貼り付けます。レーザーをオンにし、レーザーソースに戻ってレーザーの反射に基づいて、各エミッタと画像増強剤の位置合わせを調整します。
  2. キャリブレーション画像
    1. 鉛を寄付し、部屋の入り口に看板を置くことによって放射線の使用に備えます。有鉛ベスト、スカート、手袋、眼鏡を含む保護具をスタッフに着用させることで、露出を最小限に抑えます。必要に応じて、フッ素スコープをオンにし、システムをウォームアップします。
    2. すべてのキャリブレーション画像に対して、フルオロスコープを 64 kVp および 1.4-1.6 mAに設定するか、または必要に応じて設定します。
    3. コンピュータでカメラコントロールソフトウェアを開き、適切なカメラを スレーブ と マスターとして選択します。スレーブカメラからマスターカメラへの 外部同期を 使用して、2つのカメラを同期します。
      注:記録されたすべてのアクティビティについては、両方のデュアルフルオロコピーカメラから同じフレームを保存します。フレームは、電子トリガ信号の前のフレーム数を表す数値で識別されます。
    4. 円形の金属ワッシャーをイメージ インテンシファイアの中央に貼り付け、十字線のフィクスチャをエミッタに取り付けることで、システムの位置合わせを確認します。
      メモ:アライメントが確認されたら、システムに連絡しないようにすることが重要です。
    5. ネジを使用してイメージインテンチャの1つにプレキシガラスグリッドを取り付けます。線形の変更を避けるために、このプロセスで適用される力を最小限に抑えます。透視画像を取得し、グリッドの各二重透視カメラから100の画像フレームを保存します。グリッドを削除し、他のイメージ増強のためのプロセスを繰り返します。
    6. 3Dキャリブレーションキューブを2つの蛍光スコープの複合視野内に配置します。これを行うには、横半透明のスツールまたはプラットフォーム上に立方体を配置し、キューブの大部分またはすべてが視野の中にあるかどうかを視覚的に確認します。キャリブレーションビーズがデュアルフルオロコピーカメラビューで重ならないように立方体の向きを指定します。画像を取得し、キューブの100のイメージフレームを保存します。
    7. キューブを移動する前に、キューブの座標系を使用して、各エミッタからキューブの原点のおおよその位置を測定および記録します。キューブと関連付けられたプラットフォームを削除します。
    8. 各蛍光スコープのエミッタソースと画像インテンシファイアの面との距離を測定し、記録します。
    9. ビーズのプレキシガラスをゴムバンドで長いロッドまたは定規に取り付け、ランダムに動かして、システムの視野全体に及ぶ動きを提供します。放射線の経路を意識し、被ばくを最小限に抑えるために、研究スタッフが保護を着用していることを確認してください(ステップ2.2.1を参照)。モーションの100 個のイメージ フレームを保存します。
    10. 露出時間の追跡に使用するイメージングクロックをリセットします。
  3. 静的試行とパラメータの調整
    1. より大きなトロチャンターの高さを測定して、システムの高さが参加者に適していることを確認します。
      1. 太ももを触診して、より大きなトロシャンターの骨の目立ちを見つけ、可能な限り最も優れた点を見つけます。
      2. 上の大きなトロシャンターは、股関節とほぼ同じ高さであるため、床からこの点までの高さを測定し、二重透視検査システムを設定するために使用される高さの推定と比較します。
      3. 必要に応じて、システムの高さを調整し、参加者がデータキャプチャの準備をしている間に再調整します。
    2. 蛍光検査システムに慣れ、イメージングセッション中に機器に接触した場合は、システムとの接触がデータの精度に悪影響を及ぼすため、研究チームに通知する必要があることを知らせます。
    3. 参加者にトレッドミルに足を踏み入れ、二重透視検査システムの視野内に立たします。各エミッタの視点から参加者の位置合わせを確認し、イメージング中に研究チームの各メンバーがどこに立つか座っているかという観点から、この位置に注意してください。
    4. 参加者のボディマス指数(BMI)に基づいて、各エミッタのkVpとmAと二重蛍光カメラの露出を推定し、それに応じて各蛍光スコープを設定します。
      注: 参照コホートの場合、蛍光検査の設定は 78 ~ 104 kVp、カメラ露出が4.5 ~ 7.0 ms の 1.9~3.2 mAです。
    5. 立っている間に参加者の画像を取得し、コントラストと視野の画像を評価します。
      注:kVpが増加すると、X線散乱の増加(ノイズが増加し、コントラストが低下)、低い画像解像度、低コントラストに関連付けられます。
    6. 必要に応じて、パラメータや参加者の位置合わせを調整し、画像取得を繰り返します。
    7. 静止試用として使用する最終画像の100フレームを保存します。
  4. 動的試行 (図 2)
    1. 二重透視イメージングの開始前に、参加者は時間を計りながら既知の距離を歩いさせる。この機能を使用して、トレッドミル上を歩くレベルと傾斜の両方に対して、自ら選択した歩行速度を決定します。
    2. 参加者に甲状腺を保護するためにリード甲状腺首輪を与えさせる。
    3. 動的取得の際、研究者はリードシールドの後ろの二重蛍光法ワークステーションステップで二重蛍光法カメラ制御を管理し、シールドの表示ウィンドウを通して参加者を見てください(図3)。
    4. すべてのウォーキングトライアルのパフォーマンス:
      1. トレッドミルのベルトを始める前に参加者に知らせてください。トレッドミルの速度を適切な歩行速度まで上げ、画像を収集する前に参加者の歩行を正常化させます。
      2. 各ウォーキング活動のために、少なくとも2つの完全な足取りサイクルを取得し、保存します。
      3. 傾斜した歩行活動のために、参加者にトレッドミルを降りしてもらいます。トレッドミルのロックを解除し、傾斜を 5°に設定し、トレッドミルを再ロックしてから、参加者がトレッドミルに戻ってアクティビティを実行します。
      4. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
      5. 同じプロセス(ステップ2.4.4.3)を繰り返して、アクティビティの完了時にトレッドミルを下げます。
    5. ピボットアクティビティの場合:
      1. 参加者は、ピボットの方向と反対のトレッドミルの前部から約45°の位置と足を回転させます。必要に応じて、各足が完全にデュアルベルトトレッドミルの単一のベルト上に配置されていることを確認して、フォースプレートデータを簡単に処理できるようにします。
      2. 運動の終わりの範囲で骨盤の整列を見ながら、参加者に動きの終わりの範囲との間でいくつかのピボットを実行させます。ピボットは最終的な位置を達成するために加速を必要としないので、動きがスムーズに実行されることを確認します。
      3. 動きの終わりの範囲で骨盤の位置に基づいて、参加者は骨盤がトレッドミルで前方に向き、目的のヒップがピボットの端にあるフルオロスコープの組み合わせ視野の真ん中にあるような足を回転させたり、または移動させたりします。
      4. 位置が最適化されたら、参加者に二重透視イメージング中にピボットを実行させ、大腿骨と骨盤が両方のデュアルフルオロコピーカメラビュー(約200〜400フレーム)で見えるすべてのフレームを、動きの終わりの範囲を中心にして、可能な限りピボットをキャプチャします。
      5. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
    6. 拉致・中毒活動の場合:
      1. 参加者は、フッ素スコープの視野に立って、関心の脚を約45°の側に上げます。参加者に対して、胴動きを避け、必要に応じて運動範囲を縮小するよう思い出させてください。
      2. 大腿骨と骨盤が両方の二重透視カメラビュー(約200〜400フレーム)で見えるすべてのフレームを取得して保存します。
      3. 活動が2回記録されるようなイメージングを繰り返す。
    7. 動的な股関節の中心または星アーク活動20
      1. 参加者は二重透視システムの視野に立ち、足を前に、そして180°の45°刻みで上げ下げさせ、後部の上げと下の脚で終わる。足を地面に戻す前に、参加者に足を外回し、立った位置に戻してもらいます。
    8. 参加者が動きに慣れ、約6-8 sでそれを完了したら、取得し、活動の画像を保存します。
      注:試験の長さのために二重透視検査で1つの活動のみがキャプチャされます。
  5. 追加のキャリブレーション画像
    1. データ収集中の任意の時点で、参加者は、蛍光視機器の任意の部分に接触し、グリッドとキューブを画像化し、キャリブレーションのためにすべてのファイルを保存した可能性があると考える場合。
    2. データ収集が完了したら、グリッドとキューブを画像化し、初期キャリブレーションで問題が発生した場合にバックアップとして使用するために、キャリブレーション用のすべてのファイルを保存します。

3. スキンマーカーモーションキャプチャと計測トレッドミル

  1. システムのセットアップ
    1. 光学式モーションキャプチャシステムをトレッドミルに焦点を当てます(図3)。二重透視検査システムの視野で参加者を視覚化する際の潜在的な問題のために、正確な可視化を確実にするために赤外線カメラを正確に配置する準備をしてください(図2)。
    2. システムの電源を入れ、マーカーのセットを使用して、二重透視検査システムが目的の視野の可視化を妨げないようにします。
    3. マーカーがクリアで円形であることを確認し、必要に応じて赤外線カメラの焦点を調整します。
    4. 反射面を減らすために、フッ素鏡が覆われていることを確認してください。反射オブジェクトを覆うことができない場合は、各赤外線カメラを確認し、カメラビューを マスク します。
    5. 二重蛍光法システムのカメラ獲得を終了するために使用される電子トリガから外部5 V信号を読み取るようにモーションキャプチャソフトウェアを設定します。このトリガーを使用して、2 つのシステムのデータを一時的に同期します。
  2. キャリブレーション
    1. システムがオンになり、準備が整ったら、アクティブなキャリブレーションワンドを使用して、光学式と赤外線モーションキャプチャカメラを同時にキャリブレーションします。機器との接触を避けながら、二重透視検査システム内の領域全体をキャリブレーション中に完全にキャプチャするようにします。
      注:フライパンに食べ物を投げるに似た杖の動きはうまくいきました。
    2. 二重蛍光法システムによって引き起こされる障害物のために、較正値は光学的な動きの捕獲のために通常観察されるより悪いかもしれない。すべての赤外線カメラの 画像エラーが 0.2 未満になるように、キャリブレーションを実行します。
      メモ:ビデオカメラの画像エラーは、0.5未満ですが、高くなります。ビデオカメラは、モーションキャプチャの視覚的な記録のためだけに、動きの定量化のために特別に使用されるものではありません。
    3. 二重透視のための 立方体 試験の獲得中に、また、モーションキャプチャ赤外線カメラで立方体をキャプチャします。立方体に反射マーカーが貼り付けられ、モーションキャプチャシステムとデュアル透視法システムの両方のカメラで画像を撮るようにします。
  3. マーカーセットと配置
    1. 参加者が到着する前に、両面テープ(トウピーテープ)を21個の球状反射皮膚マーカーの基部にカットして塗布します。マーカーの寿命を確実にするために、テープまたは皮膚が反射マーカーに接触していないことを確認してください。
    2. 5つのマーカープレート(シャンクに2つ、太ももに2つ、背中に1つ、または1つ)のそれぞれに対して。 図4)、布革の皮膚側にスプレー接着剤を塗布し、参加者の周りにしっかりと巻き付けます。ストラップがきつい感じであることを参加者に確認してください(しかし、不快ではありません)。マーカーセットの残りの部分を付着する前に、余分なスプレー接着剤の手をきれいにします。
    3. 口径測定にのみ使用される5つのマーカーを鎖骨、内側膝、および内側のmalleoliにそれぞれ塗布します。
    4. 残りの16個のマーカーを前部腸骨棘(ASIS)、後方の腸骨棘(PSIS)、大腿骨の大トロシャンター、肩、胸骨、側面膝、横筋、足に塗布する(図4)。
    5. データキャプチャ中にマーカーやストラップが緩んでしまう場合は、調査チームに知らせるように参加者に依頼します。
  4. 静的トライアル
    1. 二重透視からの静的な立ちの試験と共に、動きの捕獲のための立っている試験を捕獲する。
    2. すべてのマーカーにラベルを付けます。取得した静止アクティビティ中に少なくとも 3 つの赤外線カメラでマーカーが表示されない場合は、静的な画像を再取得して、すべてのマーカーが表示されるようにします。
    3. キャリブレーション専用マーカーを取り外し、参加者に甲状腺首輪を付けて、データ収集の残りの部分で放射線を防ぐことができます。
  5. 動的トライアル
    1. 二重蛍光法システムで撮影された動的試験のそれぞれについて、モーションキャプチャビデオを取得し、各二重蛍光顕微鏡ビデオの全体がモーションキャプチャ取得の範囲内であることを確認します。
    2. 二重蛍光法システムの電子トリガからの5V信号のブレークが各試験内で捕捉されていることを確認してください。

4. 画像前処理

  1. CTベースモデル
    1. これらのボーンは追跡や座標系の生成に使用されるため、対象側と骨盤全体の近位および遠位大腿骨をセグメント化します。
    2. セグメンテーションが 3 つのイメージング平面すべてでボーン形状を表し、比較的滑らかに見えるようにします。
      注:関節運動学を分析する能力は、慎重なセグメンテーションを通じて高品質の再構築を得るに依存しています。
    3. イメージ データを 符号なし char (8 ビット) に変換し、オフセットとスケーリングで必要に応じて調整して 、0 ~ 255の範囲のイメージを生成します。
    4. 変換された画像内のボーン領域のみを分離し、ボーンの境界の周りをトリミングします。トリミングしたイメージのサイズを記録します。
    5. 2D TIFF形式で保存します。
    6. イメージを開き、種類を 16 ビットに変更し、1 つの 3D TIFF ファイルとして保存します。
  2. 表面再建
    1. セグメンテーション ラベルからサーフェスを生成し、サーフェスを繰り返し滑らかにデシメーションし、1 回の反復で面が半分以上減らされないようにします。
      注: 説明したプロセスを使用すると、面の目標数は、近位および遠位大腿骨の各サーフェスに対して約 30,000、ヘミ骨盤サーフェスごとに約 70,000 です。
    2. ランドマークの識別用のモデル ファイルとして使用するために、各サーフェスをサーフェス メッシュとして *.vtk 形式でエクスポートします。
  3. 座標系のランドマーク識別
    1. 大腿骨座標系の生成のための大腿骨のランドマークを特定する (図 5)。
      注: 以下に示すパラメーターは、参照先のデータセットとイメージング プロトコルに固有です。ランドマークを適切に選択するには、値を変更する必要があります。
      1. 近位大腿骨をモデル ファイルとして開きます。[ポスト] ツールバーと[データ]パネルを開いて、標準フィールドに1-Princ 曲率を追加し、滑らかさを 10に選択して結果を視覚化します。大腿骨頭の面をオーバー選択し、[編集]パネルの選択範囲オプションを使用して、負の曲率のみを含めます。大腿骨の頭部に属さない選択した面の選択を解除します。この大腿骨のヘッド サーフェスをサーフェス メッシュとして *.k 形式でエクスポートし、球体フィットが大腿骨頭の中心を決定します。
      2. 同様のプロセスを使用して、5の滑らかさで遠位大腿骨に1-Princ曲率を適用し、負の曲率を持つ面のみを含むように範囲を再度選択します。円柱フィットのためにこの大腿骨顆サーフェスをエクスポートして、内側側面軸を決定します。
      3. 3の滑らかさを使用して、遠位大腿骨に2-Princ曲率を適用します。エピコンダイルの尾根をハイライト表示し、-0.1の上限カットオフを使用して範囲を選択します。これらの面を書き出して平面を生成し、それを使用して円柱フィットの後部コンディエールの面を分離します。
    2. 骨盤座標系の生成に使用する骨盤のランドマークを特定します (図 5)。
      注: 以下に示すパラメーターは、参照先のデータセットとイメージング プロトコルに固有です。ランドマークを適切に選択するには、値を変更する必要があります。
      1. 各ヘミ骨盤に対して、滑らかさが 5の2-Princ Curvatureを適用し、選択範囲を選択して、アセタブラムの潤滑面を分離する正の顔のみを含めます。ルーナ表面をエクスポートし、球体フィットを使用して、アセタブラムの中心を決定します。
      2. 2-Princ Curvatureを 2の滑らかさで再適用し、-0.15 未満の曲率を持つ面をすべて選択して、骨盤の棘をハイライトします。これらの脊椎のエッジ上のポイントを選択して、ASISとPSISをランドマークとして最もよく表し、記録します。

5. 骨の動きの追跡

  1. キャリブレーション
    1. 二重透視カメラから立方体画像のそれぞれ内の12個のビーズを識別します(ステップ2.2.6で収集)。立方体のビーズの各ビーズと二重蛍光法システム内の立方体の位置の測定値との間の較正された距離に基づいて、投影されたビーズ位置と既知のビーズ位置の間の平方和投影誤差を最小化して、各フルオロスコープの空間的方向を決定する。
    2. グリッドイメージを使用して画像の歪みを補正し、そのグリッドイメージに関連付けられているすべての画像に補正を適用します。
    3. モーションイメージを使用してシステムの動的精度を定量化し、マーカーベースのトラッキングを使用してトラッキングします。
  2. マーカーレストラッキング
    1. 選択したランドマークの位置をボーン固有の パラメータ ファイルに追加し、これらのランドマークの動的位置を二重透視検査システムですべての追跡フレームの出力として収集します。
    2. トラックするフレームを決定し(モーション キャプチャのキネマティック データに基づいて、ステップ 6.1.2 を参照)、関連するボーン固有 のパラメータ ファイルでマーカーなしのトラッキング ソフトウェアを開きます。
    3. 望ましい範囲内のフレームを選択し、ソフトウェアで利用可能な6つの自由度を使用して、対象の骨(近位大腿骨またはヘミ骨盤のいずれか)のCTベースのデジタル再構成されたX線写真(DRR)を手動で向けます(図6)。
      注: ほとんどの試行は立ち位置と同様の位置で始まるので、この初期位置は、すべての試行の初期の開始点として使用される可能性があります。
    4. ボーンの DRR が両方のビューで適切に整列表示されたら、[ソリューション] パネルの [ 手動] ボタンをクリックして ソリューション を保存します。
      注: 解が保存されるたびに、方向パラメータと正規化された相互相関係数が参照用にプロットされます。正規化された相互相関係数は、フルオロスコープとボーン Drdrrs の両方に対してゼロ以外の値を持つすべてのピクセルに基づいて計算されます。
    5. [ソリューション] パネル内の DHS ボタンをクリックして、対角ヘッセン検索(DHS)最適化ステップを適用し、結果を確認します。最適化された結果が優先される場合は、次のフレームに移動します。それ以外の場合は、必要に応じて調整を行い、[ソリューション]パネルの[手動]ボタンをクリックして再保存します。満足できるソリューションが見つかるまで、この手順を繰り返します。
      注: イメージのコントラストが悪い場合、最適化アルゴリズムは必ずしも満足のいく結果を得られない場合があります。
    6. 5 フレームごとに、前のフレームの解決を開始点として使用して、このプロセスを繰り返します。 DHS 最適化を使用して、プロセスを自動化します。
    7. トラッキングの最初のパスを完了するには、リニアプロジェクション(LP)を介して補間し、ソリューションパネル内のLP + DHSボタンをクリックして、追跡されたフレーム間のソリューションを最適化する別のツールを使用します。ウィンドウで、追跡するフレームのセットと参照に使用する 2 つのフレームを入力します。
      注: 2 つの参照フレームは、特定されたフレームセット内の任意のフレームにすることができます。ただし、最初のフレームと最後のフレームを使用すると、フレーム範囲内のボーンの方向に対する境界が提供され、コントラストが低い場合に有効です。
    8. 手動とDHSベースのソリューションの両方を使用して、試用版の各フレームを確認し、調整します。パラメータのプロットを使用して、相関係数が十分に高く、ボーンの方向がパラメータに突然ジャンプしないようにします。
    9. 正確な追跡を確実に行うために、別の研究者に各フレームのソリューションを確認してもらい、必要な変更を行います。
    10. 各ボーンについて、ステップ 5.2.1 ~ 5.2.9 を繰り返します。
  3. 動きの可視化
    1. 運動学的可視化のためにソフトウェアで大腿骨および骨盤の表面を開きます。必要に応じて、メッシュ変換機能を使用してサーフェス をメッシュに変換 します。両方のサーフェスを選択し、*.k 形式でサーフェス メッシュとして 書き出 します。
    2. トラッキングからの出力を使用して、各ボーンとフレームの座標変換を含むテキスト ファイルを生成します。
      注: サーフェスの順序は、変換の順序と一致する必要があります。
    3. キネマティックの視覚化には、 キネマティック ツールと、手順 5.3.1 および 5.3.2 の上記の 2 つのファイルを使用して、キネマティックをアニメートします。アニメーションされたキネマティクスが適切に見え、半透明のサーフェスまたはサーフェス距離ツールを使用して、サーフェス間に適切な 距離 があることを確認します。必要に応じて、ステップ 5.2.8 に戻ります。

6. データ分析

  1. スキンマーカーキネマティクス
    1. モーション キャプチャ ソフトウェア内で、すべてのファイルをバッチ処理して、静的モデルとラベル マーカーを適用します。トライアルが完了したら、ラベルのない軌道を削除します。
      注:二重透視検査システムの障害のために、通常より多くの手動ギャップ充填が必要な場合があります。
    2. 運動および力プレートデータを使用して、歩行中のつま先やかかとのストライキ、またはピボットアクティビティの最大モーション範囲などの動的イベントを識別します。二重透視データの追跡に関する対象フレームを決定します。
    3. *c3d形式でのキネマティック処理のすべての試行データをエクスポートします。(例えば、トリガとフォースプレートデータ)とマーカー軌道の両方を含む。
    4. 目的のモデル テンプレート ファイル(*.mdh ファイル形式として保存)を静的トライアルに適用し、このモデルをモーション ファイルに割り当てます。
      注:分析のために、一般化された国際バイオメカニクス学会(ISB)頭腹部胸郭(HAT)セグメントとCODA骨盤(2つのASISとPSISランドマークの中心によって定義された骨盤セグメントモデル)を持つ下肢モデルが使用されました。
  2. 二重透視運動学
    1. 目的のフレームを分離して、大腿骨と骨盤の両方で追跡される連続したフレームのみが含まれることを確認します。
    2. ローパスバターワースフィルタ(残留分析と4番目のオーダーフィルタから0.12正規化カットオフ周波数)を使用してランドマークの位置をフィルタリングします。
    3. 各モーショントライアル全体でランドマークのフィルタされた位置を使用して、大腿骨座標系の動的位置を追跡します (図 5)。
      1. 大腿骨の原点を 、大腿骨頭の球フィット中心として定義します。
      2. 膝の中心と原点の間の大腿骨z軸(劣った上方軸)を、優れた方向を向いて定義します。
      3. 大腿骨のx軸(内側横軸)を 、大腿骨顆にフィットする円柱の長軸として定義し、左を指します。円柱で表現されるコンディレの領域を分離するには、 飛行機を エピコンダイル表面にフィットさせ、大腿骨顆の後部を分離します。
      4. 大腿骨y軸(前-後部)を、定義されたz軸とX軸のクロス積として定義し、後方向を指します。X 軸の方向を修正して直交座標系を作成します。
    4. 各モーショントライアル全体でランドマークのフィルタされた位置を使用して、骨盤座標系の動的位置を追跡します(図5)。
      1. 骨盤の原点を 2 つの ASIS ランドマークの中心として定義します。
      2. 2 つの PSIS ランドマークの中心と原点の間の骨盤 y 軸(前後軸)を定義し、前向きにします。
      3. 原点と右方向の ASIS ランドマークとの間の骨盤 x 軸(内側横軸)を右向きに定義します。
      4. 骨盤の z 軸 (劣った上位軸) を、定義された x 軸と y 軸の交差積として定義し、優れた方向を向きます。X 軸の方向を修正して直交座標系を作成します。
    5. 座標系間の回転行列を生成し、MacWilliamsおよび同僚の方程式11(図7)21に従って関節運動学を計算する。
    6. 大腿骨頭の球フィット中心と、骨盤座標系にアセツサブラムのルーナ表面の間のベクトル距離を変換して、ジョイント変換を計算します。
      注: これは、各イメージ フレームのジョイント変換を表す単一のベクトルを提供します。
  3. 関節運動学
    1. ステップ 5.3 で説明したキネマティクスを視覚化して、被験者固有の関節運動学をアニメーション化する (図 8)。
    2. サーフェス距離データ フィールドを適用して、各動的アクティビティの間に大腿骨と骨盤サーフェスの間の距離を測定します(図 8)。
      注: これらのデータは、関節表面間の相対的な距離の定量も提供しますが、ジョイントの変換を定量化するために解釈が必要です。
    3. サーフェス 距離ツールを 使用してサーフェス間距離を書き出し、すべての参加者のデータを定量化します。
  4. スキンマーカーモーションキャプチャとの比較
    1. 立方体画像と各モーショントライアルのトリガを使用して、二重透視とモーションキャプチャシステムを空間的および時間的に同期させます。
    2. マーカーなしのトラッキング座標系からモーション キャプチャ座標系にスキン マーカー モーション キャプチャキャプチャ(ASIS、PSIS、コンディレスなど)に使用されるランドマークの位置を変換します。
    3. これらのデータをスキン マーカー モーション キャプチャのマーカー位置と組み合わせて、キネマティックおよびキネティック解析とレポート作成用にインポートします。各ランドマークの二重透視または皮膚マーカーの位置を利用し、2つのシステム間のランドマークの位置と運動学を比較するように分析を調整します。

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結果

二重蛍光法を基準として使用して、股関節の中心の皮膚マーカーベースの推定値の精度と、運動学的および運動学的測定に対する軟部組織アーティファクトの効果を定量22、23、24とした。次に、二重透視の優れた精度を使用して、FAIS患者と無症候性対照参加者25の間の骨盤および股関節運動学の微妙な違いを同定した。二重透視法ベースの関節運動学を分析し、股関節被覆、形態と運動学の関係、および動的運動26、27、28、29の間の骨間距離を定量化した。

体重を持つ股関節運動学を調査するプロトコルを開発する前に、このシ...

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ディスカッション

二重蛍光法は、生体内運動学、特に従来の光学的モーションキャプチャを使用して正確に測定することが困難な股関節の調査のための強力なツールです。しかし、透視検査装置は専門化され、人体の他の関節を撮像する際に独自のシステム設定が必要になる場合がある。例えば、画像増強器の取り付け、システムの位置決め、および二重蛍光法の適用におけるビームエネルギーの設定を足首キネマティクス32、33、34、35の研究にいくつか変更した。二重蛍光法は、かなりの研究準備を必要とすることに加えて、3D医療画像処理や、全身運動学を追跡するための伝統的な皮膚マーカーモーションキャプチャを含む追加のデータの取得、ならびにCT画像セグメンテーションや取得した画像のマーカーレス追跡を含む長い後処理を必要とする。幸いなことに、二重蛍光法からの完全に処理されたデータは、従来のモーションキャプチャで利用可能なものを...

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開示事項

著者には利益相反はありません。

謝辞

この研究は、米国国立衛生研究所(NIH)の助成金番号S10 RR026565、R21 AR063844、F32 AR067075、R01 R0777636、R56 AR074416、R01 GM083925の下で支援されました。コンテンツは著者の責任であり、必ずしもNIHの公式見解を表すものではありません。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Amira ソフトウェアThermoFisher ScientificVersion 6.0
キャリブレーションキューブカスタム36 スチールビーズ (直径 3 mm、間隔 6.35 cm、不確かさ 0.0036 mm)
キャリブレーションワンドViconアクティブワンド
CT スキャナーSiemens AGSOMATOM Definition 128 CT
歪み補正グリッドカスタム直径 (直径 2 mm) を横切る 10 mm と 31 個のビーズを間隔で配置したスチール ビーズのグリッド付きアクリル板 (直径 2 mm)
2 mm、不確かさ 0.0013 mm) の間隔を空けた 3 個のスチール ビーズを備えたカスタム アクリル板
2)エミッタ (2)Varian Interay; Radiological Imaging Services HousingB-100/Tube A-142
EpinephrineHospiraInjection, USP 10 mg/mL
FEBioStudio SoftwareFEBio.orgVersion 1.3メッシュ処理と運動可視化
グラフィカルプロセッシングユニットNvidiaTesla
Hare Traction SplintDynaMedTrac-III, Model No. 95201
High-speed Camera (2)Vision Research, Inc.Phantom Micro 3
Image Intensifier (2)Dunlee, Inc.; Radiological Imaging ServicesT12964P/S
Iohexol injectionGE HealthcareOmnipaque 240 mgI/mL517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate Calcium disodium per mL
ImageJ国立衛生研究所および光学および計算機器
リドカイン HClホスピーラ注射液、USP 10 mg/mL
レーザーおよびミラーアライメントシステムカスタム3つのレーザーをアクリル板に接着し、エミッターに取り付け、ミラーをイメージインテンシファイアの面に取り付け
マークレストラッキングワークベンチHenry Ford Hospital, Custom Software
MATLAB SoftwareMathworks, Inc.バージョン R2017b
モーションキャプチャカメラ (10)ViconVantage
Nexus SoftwareViconVersion 2.8Motion capture
Phantom Camera Control (PCC) SoftwareVision Research, Inc.バージョン1.3
プレテープ スプレー 接着剤ミューラー スポーツケアタフナー
再帰反射型球面 スキンマーカー14 mm
スプリットベルト フルインスツルメンテッド トレッドミルBertec Corporationカスタム
Visual3D ソフトウェアC-Motion Inc.バージョン 6.01キネマティック処理
(直径 ( によって再製造研究所ます カスタム

参考文献

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