Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-07-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 43 s
Description: 学ぶ二重蛍光法による股関節運動学の定量化。体重負荷活動中の股関節バイオメカニクスを正確に測定し、股関節形状と運動パターンの関係を解明する手法です。整形外科学の研究に活用できます。

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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。

著者には利益相反はありません。

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...

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。

<table><tbody><tr><td>Amira ソフトウェア</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>Version 6.0</td><td></td></tr><tr><td>キャリブレーションキューブ</td><td></td><td>カスタム</td><td>36 スチールビーズ (直径 3 mm、間隔 6.35 cm、不確かさ 0.0036 mm)</td></tr><tr><td>キャリブレーションワンド</td><td>Vicon</td><td>アクティブワンド</td><td></td></tr><tr><td>CT スキャナー</td><td>Siemens AG</td><td>SOMATOM Definition 128 CT</td><td></td></tr><tr><td>歪み補正グリッド</td><td></td><td>カスタム</td><td>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)</td></tr><tr><td></td><td></td> (直径 <td></td><td>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</td></tr> (<tr><td>2)エミッタ (2)</td><td>Varian Interay; Radiological Imaging Services Housing</td><td>B-100/Tube A-142</td><td></td></tr><tr><td>Epinephrine</td><td>Hospira</td><td>Injection, USP 10 mg/mL</td><td></td> によって再製造</tr><tr><td>FEBioStudio Software</td><td>FEBio.org</td><td>Version 1.3</td><td>メッシュ処理と運動可視化</td></tr><tr><td>グラフィカルプロセッシングユニット</td><td>Nvidia</td><td>Tesla</td><td></td></tr><tr><td>Hare Traction Splint</td><td>DynaMed</td><td>Trac-III, Model No. 95201</td><td></td></tr><tr><td>High-speed Camera (2)</td><td>Vision Research, Inc.</td><td>Phantom Micro 3</td><td></td></tr><tr><td>Image Intensifier (2)</td><td>Dunlee, Inc.; Radiological Imaging Services</td><td>T12964P/S</td><td></td></tr><tr><td>Iohexol injection</td><td>GE Healthcare</td><td>Omnipaque 240 mgI/mL</td><td>517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate Calcium disodium per mL</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>国立衛生研究所および光学および計算機器</td><td></td><td></td>研究所</tr><tr><td>リドカイン HCl</td><td>ホスピーラ</td><td>注射液、USP 10 mg/mL</td><td></td></tr><tr><td>レーザーおよびミラーアライメントシステム</td><td></td><td>カスタム</td><td>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</td></tr>ます <tr><td>マークレストラッキングワークベンチ</td><td>Henry Ford Hospital, Custom Software</td><td></td><td></td></tr><tr>カスタム<td>MATLAB Software</td><td>Mathworks, Inc.</td><td>バージョン R2017b</td><td></td></tr><tr><td>モーションキャプチャカメラ (10)</td><td>Vicon</td><td>Vantage</td><td></td></tr><tr><td>Nexus Software</td><td>Vicon</td><td>Version 2.8</td><td>Motion capture</td></tr><tr><td>Phantom Camera Control (PCC) Software</td><td>Vision Research, Inc.</td><td>バージョン1.3</td><td></td></tr><tr><td>プレテープ スプレー 接着剤</td><td>ミューラー スポーツケア</td><td>タフナー</td><td></td></tr><tr><td>再帰反射型球面 スキンマーカー</td><td></td><td></td><td>14 mm</td></tr><tr><td>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</td><td>Bertec Corporation</td><td>カスタム</td><td></td></tr><tr><td>Visual3D ソフトウェア</td><td>C-Motion Inc.</td><td>バージョン 6.01</td><td>キネマティック処理</td></tr></tbody></table>

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

In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy

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。

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...

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。

Several hip pathologies have been attributed to abnormal morphology with an underlying assumption of aberrant biomechanics. However, structure-function ...

このプロトコルは、生体内股関節運動学の測定と全身運動キャプチャを組み合わせて、股関節変性におけるバイオメカニクスの役割を失います。従来の股関節運動追跡法と比較して、二重透視法は精度を向上させ、股関節形状と運動パターンの微妙な関係を調査することを可能にしました。ピボットアクティビティの場合、骨盤がトレッドミルで前方に向かうよう、参加者に足を回転させるか、または移動させます。そして、関心のヒップは、ピボットの端にある蛍光スコープ上の視野の組み合わせの真ん中にあります。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してもらいます。そして、大腿骨と骨盤が両方の透視カメラビューで見えるすべてのフレームを保存します。できるだけ多くのピボットをキャプチャします。歩行訓練では、トレッドミルベルトを開始する前に参加者に通知します。トレッドミルを適切な歩行速度まで速くランプアップします。そして、参加者が画像を収集する前に正規化を行います。傾斜した歩行活動のために、参加者にトレッドミルから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度に設定し、トレッドミルを再起動します。参加者がトレッドミルに戻ってアクティビティを実行する前に。拉致誘導活動については、参加者に蛍光スコープの視野に立たされる。そして、胴体を動かさずに、関心のある脚を約45度上下に上げます。動的な股関節の中心または星のアーチ活動のために、参加者は二重透視法の視野に立って上げ、そして180度まで45度刻みで足を前に下げる。足を地面に戻す前に、参加者に足を外に出させ、立った位置に戻してもらいます。マーカーの配置のために5つのマーカープレートの各生地ストラップの皮膚側にスプレー接着剤を適用します。そして、参加者の周りにそれらをしっかりと包みます。ストラップがきつい感じがするが、不快ではないことを参加者に確認してください。その後、マーカープレートをファブリックストリップに置きます。余分なスプレー接着剤を除去するために手を掃除し、マーカーを保護するために手袋を着用した後、鎖骨内側膝と内側マレオラーにキャリブレーションにのみ使用される5つのマーカーを適用します。次に、上腸骨棘、後方の上腸骨棘、大腿骨のより大きなトロシャンター、肩、胸骨、側面膝、側面マレオラーおよび足に追跡するための16マーカーを適用する。座標系のランドマークを識別するには、モデル ファイルとして近位大腿骨を開き、ポスト ツール バーとデータ パネルを開いて、第 1 原理曲率の標準フィールドを追加します。10 の滑らかさを選択し、[適用]をクリックします。次に、大腿骨頭の面を選択します。編集パネルで、負の曲率のみを含める範囲を選択をクリックします。測定ツールから、この球フィットツールを使用して、大腿骨頭の中心を決定します。この大腿骨のヘッド サーフェスを、k 形式のサーフェス メッシュとしてエクスポートします。同様に、第一原理曲率を5のスプーンで遠位大腿骨に適用する。負の曲率を持つ面のみを含めるには、範囲を再度選択します。円柱の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、内側の側面軸を決定します。次に、3の滑らかさを使用して遠位大腿骨に第2の原理曲率を適用する。エピコンダイルの尾根をハイライト表示し、範囲を選択します。マイナス 0.1 の上限カットオフを適用します。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レの面を分離します。マーカーレストラッキングの場合は、目的の範囲内のフレームを選択し、ボーンを良好に視覚化します。そして手動ソフトウェアで利用できる6自由度を使用して関心のある骨のCTベースのデジタル再構成されたレントゲン写真を向けます。両方のビューで、デジタル再構成された放射線写真がうまく配置されたら、ソリューションパネルから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。次に、ソリューションパネルから DHS ボタンをクリックして、対角線検索の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、必要な調整を行い、ソリューションパネル内の手動ボタンをクリックして再保存します。追跡の最初のパスを完了するには、ソリューションパネル内のLPプラスDHSボタンの範囲を使用します。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。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。モーションを視覚化するには、運動学的視覚化のためにソフトウェアで大腿骨と骨盤のサーフェスを開きます。メッシュ変換機能を使用して必要な場合は、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、サーフェス メッシュとして書き出す(k 形式)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。次に、キネマティック ツールを使用し、以前に生成されたサーフェス メッシュとテキスト ファイルを使用して、キネマティクスをアニメーション化します。半透明のサーフェスを使用して、アニメーションのキネマティックが適切に見えるかどうかを確認します。サーフェス距離ツールを使用して、アニメーションのキネマティクスを実行し、サーフェス間の適切な距離を確認します。代表参加者の外部および内部回転ピボットの最大回転を囲む 100 フレームのキネマティクスを次に示します。左ヘミ骨盤と大腿骨の表面距離の測定を示します。二重透視法を用いた骨モデルに関する外部および内部回転ピボットの最大回転で。関節運動学の正確な追跡には細部への注意が重要です。データの収集と処理の各ステップを意図して実行することが重要です。

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