Name: ビプラナービデオラジオグラフィーを用いた3Dインビボショルダーキネマティクスの測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00.000+00:00
Duration: 6 min 9 s
Description: 学ぶ ビプラナービデオラジオグラフィーを用いた肩関節運動の高精度3D計測法。肩甲骨、上腕骨、肋骨の動きを追跡し、生体内運動学データを正確に取得する手法を解説します。

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この出版物で報告された研究は、賞番号R01AR051912の下で国立関節炎および筋骨格および皮膚疾患研究所によってサポートされました。コンテンツは著者の責任であり、必ずしも国立衛生研究所(NIH)の公式見解を表すものではありません。

著者には利益相反はありません。

ここで説明する技術は、動的活動中の3D関節運動の正確な測定を提供することにより、肩の動き(すなわち、キャダベリシミュレーション、2D画像、静的3Dイメージング、ビデオベースのモーションキャプチャシステム、ウェアラブルセンサーなど)を評価するための従来の手法に関連するいくつかの欠点を克服します。本明細書に記載されたプロトコルの精度は、放射体型分析(RSA)のゴールドスタンダードに対するグレノヒューマー関節が±0.5°および±0.4 mm67,68となるように確立された。同様のプロトコルは、knee69、spine70、および足/足首71などの他の関節のために開発されています。重要なのは、十分に正確なシステムがなければ、関節運動における統計的に有意かつ臨床的に有意な差を検出するために必要なサンプルサイズは非常に高い可能性がある。さらに、このレベルの精度は、関節位置および/または翻訳な...

肩は人体の最も複雑な関節システムの1つで、4つの個々の関節、複数の靭帯、約20の筋肉の協調的な作用によって動きが起こります。肩はまた、身体の主要な関節の動きの最大の範囲を有し、しばしば移動性と安定性の間の妥協として記述される。残念ながら、肩の病理は一般的であり、実質的な痛み、障害、および生活の質の低下をもたらす。例えば、ローテーターカフ涙は601,2,3歳以上の人口の約40%に影響を及ぼし、年間約25万個のローテーターカフ修理が行われ、米国では年間3~50億ドルの経済的負担が見込まれる。さらに、肩の転位は一般的であり、しばしば慢性機能不全に関連する6。最後に、グレノフメラル関節変形性関節症(OA)は、65歳以上の成人のおよそ15%〜20%がグレノフメラルOA7,8の放射線証拠を有することを示す人口研究で、肩を含むもう一つの重大な臨床的問題である。これらの条件は、痛みを伴う活動レベルを損なう、生活の質を低下させる。
これらの病態の病因は完全には理解されていないが、変化した肩の動きは多くの肩の病理に関連していると一般に受け入れられている9,10,11。具体的には、異常な関節運動が病理9,12に寄与し得るか、または病理が異常な関節運動につながる可能性がある13,14。関節運動と病理の関係は複雑である可能性が高く、肩の関節運動の微妙な変化が重要である可能性があります。例えば、角度運動はグレノヒューマー関節で起こる主要な運動ですが、肩の動きの間にも関節の翻訳が起こります。通常の条件下では、これらの翻訳は、おそらく数ミリメートル15、16、17、18、19を超えないため、いくつかの測定技術のインビボ精度のレベルを下回る可能性があります。関節運動の小さな偏差は臨床的影響がほとんどないかもしれないと考えたいかもしれませんが、長年にわたる肩活動にわたる微妙な偏差の累積的な影響が組織の治癒と修復のための個人の閾値を超える可能性があることを認識することも重要です。さらに、グリーノヒューマー関節のインビボ力は重要ではありません。カスタム計装されたグリーノフメラル関節インプラントを使用して、以前の研究では、伸ばした腕で2kgの体重を頭の高さに上げることは、体重の70%から238%の範囲の輝く関節力をもたらすことが示されています。その結果、関節運動の微妙な変化とグレノイドの小さな耐荷重表面積に集中した高い力の組み合わせは、変性肩の病理の発達に寄与する可能性がある。
歴史的に、肩の動きの測定は、様々な実験的アプローチを通じて達成されてきました。これらのアプローチには、肩の動きをシミュレートするために設計された複雑なカダビリック試験システムの使用が含まれています23,24,25,26,27、表面マーカーを備えたビデオベースのモーションキャプチャシステム28,29,31、表面取り付け電磁センサー32,33,34,35、反射マーカーまたは他のセンサーが付いている骨ピン36,37,38、静的2次元医学画像(すなわち、蛍光コピー39、40、41およびX線写真17、42、43、44、45)、MRI46、47を用いた静的(3D)医学画像投射、コンピュータ断層撮影48、および動的な3D単一面透視イメージング49,50,51。最近では、ウェアラブルセンサー(慣性測定ユニットなど)が、実験室外の肩の動きを測定し、自由な生活環境で人気を集めています52,53,54,55,56,57。
近年、ショルダ58,59,60,61,62の動的3Dインビボ運動を正確に測定するように設計された複葉機の放射線または蛍光顕微鏡システムが普及しています。この記事の目的は、カスタムバイプラナービデオラジオグラフィーシステムを使用して肩の動きを測定するための著者のアプローチを説明することです。この記事の具体的な目的は、肩複合体のバイプラナービデオ放射画像を取得し、CTスキャンを取得し、3D骨モデルを開発し、解剖学的ランドマークを見つけ、双平面放射画像から上腕骨、肩甲骨、胴体の位置と向きを追跡し、運動学的結果測定を計算するためのプロトコルを記述することです。

<table><tbody><tr><td>キャリブレーションキューブ</td><td></td><td>N/A</td><td>10 cm Luciteボックスを自社で構築し、各コーナーにタンタルビーズを1つ、ボックスの途中に4つのビーズを追加の垂直エッジ(合計12個のビーズ)。各ビーズの位置は、実験室の座標系の原点として機能するボックスの角に対して正確に知られています。</td></tr><tr><td>歪み補正グリッド</td><td>16インチのイメージインテンシファイアの顔全体を覆い、1cm間隔でタンタルビーズの直交配列を含む</td><td>社内のN / A</td> Luciteシートを<td>構築</td>。</tr><tr><td>ImageJ</td><td>National Institutes of Health</td><td>N/A</td><td>骨ボリュームのTIFFスタックを準備するために使用される画像処理ソフトウェア。</td></tr><tr><td>マーカーレス・トラッキング・ワークベンチ</td><td>カスタム、自社製ソフトウェア</td><td>N/A</td><td>3D骨モデル上の解剖学的ランドマークをデジタル化し、解剖学的座標系を構築し、強度ベースの画像レジストレーションを使用してマーカーレストラッキングを行い、運動学的結果測定を計算して視覚化するためのカスタムソフトウェアのワークベンチです。</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Mathworks, Inc</td><td>N/A</td><td>コンピュータプログラミングソフトウェア。データ処理および分析を行うために使用されます。</td></tr><tr><td>Mimics (version 20)</td><td>Materialise, Inc</td><td>N/A</td><td>CTスキャンから上腕骨、肩甲骨、肋骨をセグメンテーションするために使用される画像処理ソフトウェアです。</td></tr><tr><td>Open Inventor</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>N/A</td><td>骨の視覚化に使用される3Dグラフィックスプログラム</td></tr><tr><td>Phantom Camera Control(PCC)ソフトウェア(バージョン3.4)</td><td></td><td>N/A</td><td>カメラパラメータの指定とX線画像の取得と保存のためのソフトウェア</td></tr><tr><td>パルス発生器(Model 9514)</td><td>Quantum Composers, Inc.</td><td>N/A</td><td>X線とカメラシステムを同期させ、露光時間を指定します</td></tr><tr><td>100kWパルスX線発生器2台(モデルCPX 3100CV)</td><td>EMDテクノロジー</td><td>N/A</td><td>X線画像の生成に使用するX線を生成</td></tr><tr><td>40cmイメージインテンシファイア2台(モデルP9447H110)</td><td>北米イメージング</td><td>N/A</td><td>X線を光子に変換し、可視画像を生成します</td></tr><tr><td>ファントムVEO 340カメラ2</td>台 <td>ビジョンリサーチ</td><td>N/A</td><td>X線装置で撮影した可視光像をハイスピードカメラで記録</td></tr></tbody></table>

ビプラナービデオラジオグラフィーを用いた3dインビボショルダーキネマティクスの測定

Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

肩は人体の最も複雑な関節システムの1つで、4つの個々の関節、複数の靭帯、約20の筋肉の協調的な作用によって動きが起こります。残念ながら、肩の病理(例えば、ローテーターカフ涙、関節脱臼、関節炎)が一般的であり、実質的な痛み、障害、および生活の質の低下をもたらす。これらの病態の多くについての具体的な病因は完全には理解されていないが、肩の病理学はしばしば変化した関節運動に関連していると一般的に受け入れられている。残念ながら、動きに基づく仮説を調査するために必要な精度のレベルで肩の動きを測定することは簡単ではありません。しかし、放射能ベースの運動測定技術は、動きに基づく仮説を調査し、肩機能の機械学的理解を提供するために必要な進歩を提供してきました。したがって、この記事の目的は、カスタムバイプラナービデオラジオグラフィーシステムを使用して肩の動きを測定するためのアプローチを説明することです。この記事の具体的な目的は、肩複合体のバイプラナービデオ放射画像を取得し、CTスキャンを取得し、3D骨モデルを開発し、解剖学的ランドマークを見つけ、双平面放射画像から上腕骨、肩甲骨、胴体の位置と向きを追跡し、運動学的結果測定を計算するためのプロトコルを記述することです。さらに、このアプローチを使用して関節運動学を測定する際の肩に特有の特別な考慮事項について説明します。

52歳の無症候性女性(BMI = 23.6 kg/m2)は、以前の調査の一環として募集され、彼女の支配的な(右)肩65で運動試験(コロナ・プレーン拉致)を受けた。データ収集の前に、参加者は書面によるインフォームド・コンセントを提供しました。調査はヘンリー・フォード・ヘルス・システムの制度審査委員会によって承認された。データ収集は、前述のプロトコルを使用して実行された(図3)。
参加者の集血球、肩甲骨、および上皮性運動学をそれぞれ 図7、 図8、 図9に示します。グリーノフメラルと肩胸運動学の目視検査は、参加者の肩の動きがコロナラプレーン拉致66の間に一般的に期待されるものと一致したことを示唆している。具体的には、仰角運動は標高とわ...

複葉機のビデオラジオグラフィーは、高い精度で肩の運動学を定量することができます。本明細書に記載されているプロトコルは、平面上腕立て上げの間に肩甲骨、上腕骨、および肋骨を追跡するように特別に設計され、データ収集、処理、および分析の手順を概説する。データ収集に関する固有の考慮事項についても説明します。

ビプラナービデオラジオグラフィーを用いた3Dインビボショルダーキネマティクスの測定

The shoulder is one of the human body's most complex joint systems, with motion occurring through the coordinated actions of four individual joints, ...

これらの研究の参加者は放射線にさらされているため、誤差のマージンは非常に小さいため、私たちのプロトコルとこの技術を使用して学んだことを共有することが重要であると考えています。この技術の主な利点は、関節運動を定量化できる精度であり、研究者はそうでなければ不可能な質問を追求することができます。解析を開始する前に、試験する肩が複葉線X線ビームが交差する位置に中央揃えになるように、二面イメージングボリュームに椅子を配置します。参加者に、両腕を両脇に持った快適で直立した姿勢で着席するように依頼する。参加者の人間学的指標、テストするモーション、追跡するボーンに基づいて、予備的な椅子の位置を調整します。そして腹部および反側の肩および胸を覆うために参加者の胴体を横切って鉛並べの保護ベストを固定する。システムの X 線源内のライトをオンにし、イメージ インテンシファイアにシャドウ が投げ込まれるまでシステムを上げます。テンシファイアの影を見ながら、複葉機の画像ボリューム内の椅子の上で参加者をそっと動かします。両方のシステムで光源をオンにしたままにして、参加者の位置を設定したら、手順中にテストされるモーションを実行するよう参加者に依頼します。参加者の肩は、放射線の分野内に留まる必要があります。コントロールルームでの参加者の位置を確認するには、X線コントロールパネルを低透視モードに、パルス発生器を0.25秒の取得に設定します。アシスタントに、イメージング中に聞こえる音について参加者に警告するなど、参加者にプロセスを説明してもらいます。画像処理を開始する前に、アシスタントは鉛裏打ち保護ベストを着用し、参加者との明確な視線とコミュニケーションを維持しながら、X線源から離れる必要があります。画像を取得するには、カメラを起動し、X線コントロールパネルをプライミングします。システムの準備ができたら、ハンドヘルドリモートトリガを使用して放射線画像の取得を開始するようにアシスタントに指示します。取得後の画像を検査して、必要なすべてのボーンを視覚化するのに参加者の位置が満足しているかどうかを判断します。静止画像取得では、予備画像撮影から決定されたX線コントロールパネルに最適化された無線技術を設定し、アシスタントは参加者に腕を横に置いて直立するように頼む。この位置で画像を取得した後、品質、関心のある骨の可視性、および技術的な状態の画像を検査します。最適な画像が取得されたら、各カメラから試用版を保存します。動的画像取得の場合、同じパラメータを使用して、パルス発生器を2秒露光に設定して、アシスタントに参加者と一緒に実行するモーションを練習させ、口頭での手掛かりを使用して、2秒で動きを行うようペースを合たします。参加者の準備ができたら、カメラを起動し、デモに示すようにコントロールパネルを設置し、システムの準備ができていることをアシスタントに通知します。参加者が X 線システムをトリガーして動的イメージを取得する時に、参加者が動きを実行するように、参加者が口頭での手掛かりを与える前に、参加者が準備ができているかどうかを尋ねてもらう。すべてのモーショントライアルの良質の画像が取得されたら、各カメラからトライアルを保存します。この代表的な分析では、52歳の無症候性女性が実証されているように彼女の支配的な肩の動きテストを受けた。肩関節のCTスキャン画像は、肩甲骨、肩甲骨および横面においても得られ、肩甲骨、ユーモラスおよび胸部全体を含む。これらの放射線画像は、肩の複葉写真を上腕骨の低い角度で取得する複雑さを示しており、側面アクロミオンと遠位鎖骨は緑色のビューで露出過多に見えますが、領域内の軟部組織の体積が低いため、赤いビューでよく視覚化されています。しかし、腕が上昇するにつれて、三角層の大部分が領域上に投影され、放射線照射が良くなる。この運動学解析で観察されたように、グレノヒューマラル運動は標高とわずかな外部回転で構成され、一般的に肩甲骨の後部であった。肩甲骨胸部運動は、後傾きとわずかな内外回転を伴う上向きの回転で構成されていました。モーショントライアルでは、最小サブアクロミック距離は体液性胸部標高約90度まで減少し、その時点で距離が増加し始めました。平均サブアクロミック距離も同様の軌道をたどった。最小のサブアクロミック距離は、表面積メトリックへの無料の軌道に従い、表面積が大きい場合に最小距離が小さくなる傾向がありました。参加者に運動を練習させることは、手順を理解し、正しいペースとタイミングで目的のモーションを実行できることを保証するために重要です。

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Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

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マルチビューステレオとIsogeometric運動学を用いた皮膚展開のブタモデルにおけるひずみの定量化

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軟骨と皮膚組織類縁ミキシング ユニット Bioink Precellularization の小説のパッシブ バイオプリンティング

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剛体の埋め込み固定し、ステンド グラス、全体、マイクロ コンピューター断層撮影によってセクション-無料の 3 D の組織学のためのミリ波スケール標本

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肩の接着剤の被膜のモデルラット

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