바이플러나 비디오 방사선 촬영을 사용하여 3D 생체 내 어깨 운동학 측정

요약

복엽비행기 비디오 방사선 사진은 높은 정확도로 어깨 운동학을 정량화할 수 있습니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜은 평면 상완골 시 견갑골, 상완골 및 갈비뼈를 추적하도록 특별히 설계되었으며 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 절차를 간략하게 설명합니다. 데이터 수집에 대한 고유한 고려 사항도 설명되어 있습니다.

초록

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 불행히도, 어깨 병리 (예를 들어, 회전근 눈물, 관절 탈구, 관절염)는 상당한 통증, 장애 및 삶의 질 저하의 결과로 일반적입니다. 이러한 병리학 조건의 많은 특정 병인은 완전히 이해되지 않습니다, 그러나 일반적으로 어깨 병리는 수시로 변경한 합동 운동과 연관된다는 것을 받아 들여집니다. 불행히도 모션 기반 가설을 조사하는 데 필요한 수준의 정확도로 어깨 모션을 측정하는 것은 사소한 것이 아닙니다. 그러나 방사선 계 의 모션 측정 기술은 모션 기반 가설을 조사하고 어깨 기능에 대한 기계적 이해를 제공하는 데 필요한 발전을 제공했습니다. 따라서, 이 문서의 목적은 사용자 정의 바이플러니 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다. 또한 이 방법을 사용하여 관절 운동학을 측정할 때 어깨에 고유한 특별한 고려 사항을 설명합니다.

서론

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 어깨는 또한 신체의 주요 관절의 운동의 가장 큰 범위를 가지고 있으며 종종 이동성과 안정성 사이의 타협으로 설명됩니다. 불행히도, 어깨 병리는 상당한 고통, 장애 및 삶의 질을 감소시며 일반적입니다. 예를 들어, 회전근의 눈물은 ^601,2,3세 이상 인구의 약 40%에 영향을 미치며, 매년 약 250,000개의 회전근 수리가 매년 ⁴회 수행되며^{, 미국에서연간} 3~50억 달러의 경제적 부담이 예상됩니다. 추가적으로, 어깨 탈구는 일반적이고 수시로 만성 기능 장애와 연관됩니다^6. 마지막으로, 골누메랄 관절 관절염 (OA)은 어깨와 관련된 또 다른 중요한 임상 문제이며, 인구 연구에 따르면 65 세 이상의 성인의 약 15 %-20 %가 glenohumeral ^OA7,8의 방사선 학적 증거를 가지고 있음을 나타냅니다. 이러한 조건은 고통스럽고 활동 수준을 손상시키며 삶의 질을 감소시습니다.

이러한 조건의 병인은 완전히 이해되지 않지만, 일반적으로 변경 된 어깨 운동은 많은 어깨 병과 연관되어 받아 들여집니다^9,10,11. 구체적으로, 비정상적인 관절 운동은 병리학에 기여할 수 있다^9,12, 또는 병리학비정상적인 관절 운동으로 이어질 수 ^13,14. 관절 운동과 병리학 사이의 관계는 복잡할 수 있으며 관절 운동의 미묘한 변화는 어깨에 중요 할 수 있습니다. 예를 들어, 각진 운동은 골누네관절에서 발생하는 우세한 움직임이지만, 어깨 운동 중에 관절 번역도 발생한다. 정상적인 조건에서 이러한 번역은 여러 밀리미터15,16,17,18,19를 초과하지 않으므로 일부 측정 기술에 대한 생체 내 정확도 수준보다 낮을 수 있습니다. 관절 운동에 작은 편차가 거의 임상적 영향을 미치지 않을 수 있다고 가정하는 것이 유혹적일 수 있지만, 수년간의 어깨 활동 동안 미묘한 편차의 누적 효과가 조직 치유 및 수리를 위한 개인의 임계값을 초과할 수 있음을 인식하는 것이 중요합니다. 또한, 골국 관절의 생체 내 힘은 중요하지 않습니다. 사용자 지정 계측 된 광선 관절 임플란트를 사용하여, 이전 연구는 뻗은 팔로 머리 높이에 2kg 무게를 올리는 것은 체중의 70 %에서 238 %까지 범위 수있는 골뇌 관절 력을 초래할 수 있음을 보여 주었다20,21,22. 따라서, 글레노이드의 작은 하중 베어링 표면적 위에 집중된 조인트 모션과 높은 힘의 미묘한 변화의 조합은 퇴행성 어깨 병리의 발달에 기여할 수 있다.

역사적으로, 어깨 운동의 측정은 다양한 실험적 접근을 통해 달성되었습니다. 이러한 접근 방식에는 숄더 모션 23,24,25,26,27, 표면 마커가 장착된 비디오 기반 모션 캡처 시스템 ^32,33,34,35를 시뮬레이션하도록 설계된 복잡한 cadaveric 테스트 시스템의 사용이 포함^{되었습니다.} , 반사 마커 또는 기타 센서가 부착된 뼈 핀36,37,38, 정적 2차원 의료 영상(즉, 형광39,40,41 및 방사선 사진 17,42,43,44,45), ^MRI46,47을 이용한 정적 3차원(3D) 의료 영상, 컴퓨터 단층 촬영⁴⁸, 및 동적, 3D 단일 평면 형광 화상 진찰49,50,51. 최근에는 웨어러블 센서(예: 관성 측정 장치)가 실험실 환경 외부와 자유 생활 조건에서 어깨 움직임을 측정하는 데 인기를 얻고 있습니다52,53,54,55,56,57.

최근 몇 년 동안, 숄더^{58,59,60,61,62}의 동적, 3D 생체 내 움직임을 정확하게 측정하도록 설계된 복엽비행기 방사선 학적 또는 형광 시스템의 확산이 있었습니다. 이 문서의 목적은 사용자 정의 biplanar 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 저자의 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다.

프로토콜

데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다.

복엽 비행기 방사선 촬영 데이터 수집, 처리 및 분석을 위한 프로토콜은 이미징 시스템, 데이터 처리 소프트웨어 및 결과 이해 결과에 크게 의존합니다. 다음 프로토콜은 특히 견갑골 비행기 또는 관상 비행기 납치 중 견갑골, 상완골 및 세 번째 및 네 번째 갈비뼈를 추적하고 glenohumeral, scapulothoracic 및 humerothoracic 운동학을 정량화하도록 특별히 설계되었습니다.

1. CT 이미징 프로토콜

1. 참가자에게 자신의 옆구리에 팔을 들고 CT 검사 테이블에 누워 달라고 부탁한다. 참가자의 크기에 따라 전체 헤미 몸통을 이미징에 사용할 수 있도록 테이블에 중앙에 배치합니다.
2. 스카웃 이미지를 획득하기 위해, 기술자는 CT 시야에 쇄골(우수), 불경상골 서사시(열등), 전체 골노하네아 조인트(측면), 비용 오버테브랄 및 스테르노코스트 조인트(내측) (도 1)를 포함한다는 것을 확인합니다.
3. 스캔 모드 = 헬릭; 튜브 전압 = 120 kVp; 튜브 전류 : 200-400 mA (자동); 슬라이스 두께 = 0.66 mm; FOV = 34cm.
4. 스캔 품질과 시야 필드를 확인합니다.
5. 512 x 512 픽셀의 이미지 매트릭스 크기를 사용하여 인수를 다시 합니다. 슬라이스 두께와 FOV를 감안할 때, 획득은 약 0.66mm의 등위축복셀 간격을 초래한다.
6. 이미지를 DICOM 형식으로 내보냅니다.

2. 복엽비행기 X선 모션 캡처 프로토콜

참고: 이 프로토콜에 사용되는 사용자 지정 바이플러나 엑스레이 시스템은 재료 표에 설명되어 있습니다. 데이터 수집 절차는 시스템 구성 요소마다 다를 수 있습니다. X-ray 시스템은 절차와 결과 이미지 시퀀스를 구별하기 위해 임의로 "녹색"과 "빨간색"이라고 하며 약 50° 빔 간 각도와 약 183cm(그림 2)의 소스 대 이미지 거리(SID)로 배치됩니다. 데이터 수집에는 최소 2명의 연구 인력이 필요합니다. 하나는 엑스레이 시스템과 컴퓨터를 작동하고 다른 하나는 연구 참가자에게 지시합니다.

1. 카메라 소프트웨어 설정
   1. 카메라 조리개를 기본 설정(f/5.6)으로 설정합니다.
      참고: 이 값은 카메라, 노출 시간, ISO 및 참가자 인류측정을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다.
   2. 카메라 소프트웨어를 열고 각 카메라에 스터디 프로토콜을 로드합니다(샘플링 속도: 60Hz, 노출 시간: 1,100 μs).
      참고: 카메라 노출 시간은 카메라, 조리개 설정 및 방사선 노출을 포함한 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다.
2. 시스템 워밍업
   참고: 감기에 걸렸을 때 고성능 노출이 발생하면 X선 튜브의 양극이 손상될 수 있습니다. 따라서, 튜브는 제조업체의 권장 사항에 따라 일련의 저에너지 노출에 의해 예열되어야합니다.
   1. 두 x-ray 발전기 제어판에서 혈관 설정을 선택 합니다 . 미리 프로그래밍된 혈관 설정은 시스템 워밍업에 적합한 낮은 에너지 노출(시스템 제조업체당)을 생성합니다.
   2. 펄스 발생기의 노출 시간을 0.25로 설정합니다.
   3. 엑스레이 발전기 제어판에서 PREP 버튼을 누를 수 있습니다. 준비 지연 이 화면에 나타납니다.
   4. 두 화면이 노출 준비된 내용을 읽으면 동시에 노출 버튼을 누르고 누릅니다.
      참고: 이것은 엑스레이를 생성하지 않고 시스템을 무장시만 합니다. X선 생산은 발 페달이나 핸드헬드 트리거를 우울하게 만 발생합니다.
   5. 제어판의 PREP 및 노출 버튼을 누르고 동시에 발 페달(또는 핸드헬드)을 눌러 엑스레이 생성기를 트리거하여 엑스레이를 생성합니다.
      참고: 엑스레이는 펄스 발생기(2.3.2단계)에서 지정한 지속 시간 또는 페달이 방출될 때까지 생성되며, 어느 것이 먼저 발생합니다.
   6. 엑스레이 튜브의 열 단위(HU)가 제조업체가 이미지를 획득하는 데 필요한 레벨을 초과할 때까지 2.2.2-2.2.5 단계를 반복합니다(시스템의 경우 5% HU).
3. 카메라 동기화 및 이미지 포커스를 확인합니다.
   참고: 왜곡 보정 그리드의 테스트 이미지 집합을 획득하여 카메라 동기화 및 포커스를 확인 합니다(재료 표 참조). 각 이미지 강화기는 아래에 설명된 단계를 사용하여 개별적으로 테스트됩니다.
   1. 왜곡 보정 그리드를 이미지 강화에 배치합니다.
   2. 두 x-ray 생성기 제어판에서 기본 방사선 기술(70kVp, 320 mA, 2ms 및 초점 스팟 = 1.0 mm)으로 프로그래밍된 심장 설정을 선택합니다.
      참고: 카메라 설정은 변경되지 않은 상태로 유지됩니다(샘플링 속도: 60Hz, 노출 시간: 1,100 μs).
   3. 펄스 생성기를 0.25s로 설정합니다.
   4. 카메라 소프트웨어를 통해 카메라 수집을 시작하고 2.2.3-2.2.5 단계에서 설명한 바와 같이 엑스레이 이미지를 습득합니다.
   5. 결과 이미지를 미리 보고 각 시스템의 트리거 펄스에서 경과된 시간을 결정합니다. 카메라 간 경과 시간의 차이가 2μs 이상인 경우 늦게 발사되는 카메라를 결정하고 카메라 소프트웨어에서 프레임 지연을 지정하여 문제를 해결합니다.
   6. 이미지의 선명도를 시각적으로 검사하여 카메라 포커스를 확인합니다. 객관적인 평가를 위해 이미지 처리 소프트웨어(예: ImageJ)를 사용하여 왜곡 보정 그리드 내에서 비드에 그려진 프로파일 라인을 분석합니다. 특히 이 프로파일 라인을 따라 픽셀 회색 값의 경사를 검사합니다. 더 부정적인 경사면은 선명한 이미지를 보장합니다(비드가 어둡도록 방사선 이미지가 반전된 것으로 가정). 필요한 경우 카메라를 다시 초점을 맞추고 2.3.3-2.3.6 단계를 반복합니다.
4. 연구 참가자 설정 및 위치 지정
   참고: 연구 참가자의 포지셔닝은 추적중인 뼈와 테스트 중인 모션에 크게 의존합니다. 시험은 일반적으로 3D 이미징 볼륨 외부로 이동하는 어깨를 일으킬 수있는 위치의 변화에 대한 가능성을 최소화하기 위해 고정 의자에 앉아 연구 참가자와 함께 수행됩니다 (즉, 회전또는 바퀴가 아닌).
   1. 테스트할 숄더가 복엽비행기 엑스레이 빔이 교차하는 위치를 중심으로 할 수 있도록 복엽비행기 이미징 볼륨에 의자를 배치합니다. 이것은 예비 위치입니다. 참가자의 인류측정, 테스트할 모션 및 추적할 골격에 따라 조정합니다.
   2. 참가자에게 편안한 직립 자세로 팔을 들고 앉도록 부탁한다.
   3. 참가자의 몸통에 납이 늘어선 보호 조끼를 고정하여 복부와 어깨와 가슴을 덮습니다.
   4. 이미지 강화자의 예비 높이를 설정합니다. 이 절차를 알리기 위해 시스템의 X-ray 소스 내의 라이트를 켭니다. 참가자의 그림자가 이미지 강화에 투사될 때까지 시스템을 들어 올립니다.
      참고: 각 시스템 내의 소스 및 이미지 강화가 결합되어 함께 이동합니다. 결합되지 않은 시스템에는 여기에 설명되지 않은 추가 정렬 단계가 필요합니다.
   5. 이미지 강화자의 예비 높이를 설정합니다. 각 이미지 강화에 그림자가 투사되는 것을 보면서 복엽비행기 이미지 볼륨 내에서 의자에서 참가자를 부드럽게 움직입니다.
      참고: 좋은 초기 추측은 참가자가 아로마오플라비큘러 조인트가 두 이미지 강화제의 중심에 대략 위치하도록 하는 것입니다. 이 위치는 어깨 고도 동안 상완골, 견갑골 및 두 갈비뼈의 시각화 및 추적을 필요로하는 현재 프로토콜에 대한 합리적인 초기 추측이다.
   6. 참가자의 입장이 두 시스템에서 모두 합리적으로 보이는 경우 광원을 켜고 참가자에게 테스트할 모션을 수행하도록 요청합니다. 전체 모션 시험 중에 참가자의 어깨가 방사선 시야 내에 남아 있는지 확인합니다. 가능하면 X선 빔을 콜리메이트하여 노출을 줄입니다.
   7. 이미지 볼륨 내에서 참가자의 설정이 적절하다고 나타날 때까지 2.4.5-2.4.6 단계를 반복합니다.
   8. 연구원 #1: 제어실로 돌아가 엑스레이 제어판과 카메라를 실행합니다. X선 제어판을 저전력 형광법 모드(60kVp, 3-4mA)와 펄스 발생기로 0.25s 획득하도록 설정합니다.
   9. 연구원 #2: 이미지에서 자신의 위치를 확인할 수 있도록 이미지가 촬영될 것이라고 참가자에게 설명하고 일련의 이벤트가 발생할 수 있도록 설명합니다. 참가자에게 시스템이 만드는 소리(예: 클릭, 윙윙림)에 대해 경고하여 불안감을 방지합니다. 납이 늘어선 보호 조끼를 입고 핸드 헬드 트리거를 검색하고 가능한 한 X-ray 소스에서 멀리 이동하여 노출을 최소화하면서 참가자와의 명확한 시야 및 통신을 유지합니다. 가능하다면 창문이 있는 납이 늘어선 방패 뒤에 서 있습니다.
   10. 연구원 #1 (엑스레이 제어실에서): 카메라를 시작하고 이전에 설명한 바와 같이 엑스레이 제어판을 프라임 (단계 2.2.3-2.2.5). 시스템이 노출될 준비가 되면 연구원에게 #2를 알립니다.
   11. 연구원 #2 (실험실) : 이미지 수집에 대해 참가자에게 표시합니다. 핸드헬드 리모컨 트리거를 사용하여 방사선 이미지 수집을 트리거합니다. 참가자에게 이미지가 찍되었다는 사실을 알리고 상황실에 자신을 변명하십시오.
   12. 연구원 #1 및 #2 (엑스레이 제어실에서): 이미지를 검사합니다. 참가자의 위치와 추적할 모든 골격의 가시성에만 초점을 맞춥니다. 필요한 경우 참가자의 입장이 만족할 때까지 2.4.5-2.4.12 단계를 반복하십시오.
   13. X-ray 시스템의 설정 및 위치 지정이 설정된 후에는 각 구성에 대해 새 교정 및 왜곡 보정 이미지가 수집되지 않는 한 데이터 수집 세션 중에 x-ray 시스템을 이동하지 마십시오. 또한 참가자에게 데이터 수집 세션 의 기간 동안 가능한 한 적게 이동하여 설치 절차를 반복하지 않도록 지시합니다.
5. 데이터 수집: 정적 이미지 수집
   1. 연구원 #1 (엑스레이 제어실에서): X 선 제어판에 최적화된 방사선 촬영 기술을 설정합니다(예비 테스트 기준). 여기서 사용되는 방사선 프로토콜은 70 kVp, 320 mA, 2 ms 및 초점 지점 = 1.0mm이며 카메라는 60 Hz에서 수집되고 1,100 μs의 노출 시간이 있습니다. 펄스 생성기를 0.25s로 설정합니다.
      참고: 참가자에게 다음 이미지가 공식 이미지 수집이 될 것임을 알립니다.
   2. 연구원 #2 (실험실에서): 참가자에게 팔이 옆으로 쉬고 똑바로 앉도록 알립니다.
   3. 이전에 설명한 대로 이미지를 획득합니다(단계 2.4.8-2.4.11).
   4. 연구원 #1 및 #2 (엑스레이 제어실에서): 이미지를 검사합니다. 이미지 품질(예: 밝기 및 대비)과 필요한 모든 골격의 가시성에 중점을 둡니다. 이미지 품질을 조정해야 하는 경우 수정할 매개변수(예: f-stop, 카메라 노출 시간, kVp, mA)를 결정하고 정적 이미지를 다시 획득합니다.
      참고: 복용량이 방사선 매개 변수에 의해 어떻게 영향을 받는지 항상 염두에 두는 것이 중요합니다.
   5. IRB가 승인한 용량 추정치 내에서 이미지 품질이 허용될 때까지 2.5.1-2.5.4단계를 반복합니다.
   6. 이미지 품질이 허용되면 이미지품질(예: 손상된 프레임)을 검사합니다.
   7. 허용 가능한 정적 평가판 이미지 수집 후 각 카메라(예: "green_still.cine", "red_still.cine")에서 평가판을 저장합니다.
6. 데이터 수집: 동적 이미지 수집
   1. 연구원 #1 (엑스레이 제어실에서): 정적 평가판 이미지에서 동일한 방사선 매개 변수를 유지합니다. 펄스 생성기를 2.0s 노출로 설정합니다.
   2. 연구원 #2 (실험실에서): 참가자에게 동작의 평면과 타이밍을 포함하여 수행 할 움직임을 가르칩니다. 의자와 참가자의 의류 및/또는 납 이늘어선 조끼가 어깨 움직임을 방해하지 않는지 확인합니다. 참가자와 모션 트라이얼을 연습합니다. 구두 큐를 사용 "준비 ... 그리고... 이동"은 참가자가 모션의 개시 및 완료 속도를 높이기 위해 2 s (즉, 모션 평가판의 지속 시간)가 걸리도록 진행되었습니다.
      참고: 참가자가 절차를 이해하고 실패한 평가판과 관련된 불필요한 노출을 피하기 위해 모션 시험을 일관되게 수행할 수 있는 것이 중요합니다.
   3. 연구원 #2 (실험실에서): 충분한 연습 후, 휴대용 원격 트리거를 검색합니다. 연구 참가자와의 명확한 시야와 의사 소통을 통해 실험실에서 안전한 곳으로 이동하십시오.
   4. 연구원 #1 (엑스레이 제어실에서): 펄스 생성기를 2.0 초로 재설정하고, 카메라를 시작하고, 이전에 설명한 바와 같이 엑스레이 제어판을 프라임합니다(단계 2.3.4-2.3.5). 시스템이 노출될 준비가 되면 연구원에게 #2를 알립니다.
   5. 연구원 #2 (실험실에서): 연구 참가자에게 물어보십시오. [긍정적 인 응답을 기다립니다] "준비... 그리고... 가만해." (이전과 같이 2가 걸리기 때문에 진행되었습니다).
   6. 연구원 #2 (실험실) : 참가자가 팔 운동을 시작할 때 수동으로 X 선 시스템을 트리거합니다.
      참고: 모션 시험의 발병을 생략하는 시각적 모션 위험에 따라 수동으로 트리거되지만 오해또는 시작이 지연되는 경우 연구 참가자가 과도하게 노출되는 것을 방지합니다. 평가판이 완료되면 참가자에게 이미지가 찍되었다는 사실을 알리고 상황실에 자신을 변명하여 이미지를 검사합니다.
   7. 연구원 #1 및 #2 (엑스레이 제어실에서): 품질(즉, 밝기 및 대비) 및 기술적 상태(즉, 손상된 프레임)에 대한 시험 이미지를 검사합니다(그림 3). 각 카메라(예: "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine")에서 모션 레시험을 저장합니다.
   8. 2.6.1-2.6.7 단계를 반복하여 승인된 방사선 안전 프로토콜 내에서 모든 모션 시험을 수집합니다.
7. 교정 이미지 수집
   참고: 방사선 학적 이미지 보정은 실험실 기반 좌표 시스템의 정의, 실험실 좌표 시스템에 비해 각 X선 방사선 촬영 시스템의 위치 및 방향, 그리고 마커없는 추적 과정에서 사용되는 디지털 재구성 된 방사선 사진 (DRR)의 생성을 허용하는 본질적인 매개 변수를 초래합니다. 교정 계산은 3.4.1 단계에서 설명됩니다.
   1. 데이터 수집 중에 사용되는 동일한 카메라 설정 및 방사 기술 설정을 유지 관리합니다.
   2. 펄스 생성기를 0.5s 노출로 설정합니다.
   3. 교정 큐브( 재료 표 참조)를 이미징 볼륨 중간에 배치합니다.
   4. 큐브 이미지를 획득하고 저장합니다(예: "green_cube.cine", "red_cube.cine").
8. 왜곡 보정 및 비균일 보정을 위해 이미지를 수집합니다.
   참고: 이미지 강화를 사용하여 수집된 방사선 학적 이미지는 강도, 부균일⁶³ 및 왜곡의 영향을 받습니다. 따라서 각 방사선 계에서 백색 필드 및 왜곡 보정 그리드의 이미지를 획득하여 필요한 수정을 결정합니다. 왜곡 그리드가 배치되는 동안 이미지 강화가 충돌하는 경우 왜곡 및 비균일 보정 이미지 전에 교정 이미지를 수집하는 것이 일반적으로 신중합니다.
   1. 방사능 시야에서 모든 오브젝트를 제거합니다.
   2. 데이터 수집 중에 사용되는 동일한 카메라 설정 및 방사 기술 설정을 유지 관리합니다. 펄스 생성기를 0.5s 노출로 설정합니다.
   3. 녹색 이미지 강화기의 표면에 왜곡 보정 그리드( 재료 표 참조)를 부착합니다.
   4. 그리드 및 화이트 필드 이미지를 획득합니다.
   5. 이미지를 저장합니다(예: "green_grid.cine", "red_white.cine").
   6. 그리드를 빨간색 이미지 강화기로 이동하고 2.7.2-2.7.5 단계를 반복하여 이미지 파일 이름을 적절하게 수정합니다.

3. 데이터 처리 프로토콜

참고: 뼈 형상, 이미지 사전 처리(예: 왜곡 및 비 균일성 보정 및 이미지 보정)를 준비하기 위한 절차및 마커리스 트래킹은 매우 가변적이며 사용되는 소프트웨어에 따라 다릅니다. 본 명세서에 기재된 절차는 독점 소프트웨어에 만전을 기한다. 그러나 주요 데이터 처리 단계는 모든 x-ray 모션 캡처 소프트웨어 패키지와 변환될 수 있습니다.

1. CT 스캔 처리
   참고: 저자의 실험실에서 사용하는 독점 마커리스 추적 소프트웨어는 DRR의 위치와 방향을 최적화합니다. 따라서 CT 스캔을 처리하는 프로시저는 16비트 TIFF 이미지 스택을 생성합니다. 다른 소프트웨어 패키지는 뼈 형상이 다른 형식이나 사양으로 표현되어야 할 수 있습니다.
   1. 이미지 처리 프로그램(예: 모방, 피지)을 열고 CT 이미지를 가져옵니다.
   2. 주변 연조직에서 상완골을 분류합니다. 갈비뼈의 경우, 3.2.6 단계에서 나중에 sternocostal 관절을 디지털화하기 위해 갈비뼈의 전방 측면을 주브리움에 연결하는 확장을 만듭니다.
   3. 검은 마스크(즉, 모든 픽셀이 검은색으로 칠해) (조작: 검은색 마이너스 골격)로 완성된 마스크에서 부울 작업을 수행합니다. 이렇게 하면 CT 그레이스케일에 남아 있는 골격에 해당하는 픽셀을 제외한 모든 픽셀이 검은색인 골격의 반전 된 마스크가 생성됩니다.
   4. 세 축을 따라 이미지 스택을 자르면 검은색(예: 골격이 아닌) 픽셀을 제거합니다. 이 3D 경계 상자의 가장자리에 일부 검은색 픽셀을 둡니다.
   5. 수정된 이미지 스택을 TIFF 형식으로 저장합니다.
   6. 나머지 모든 골격에 대해 3.1.1-3.1.5 단계를 반복합니다.
2. 해부학 좌표 시스템 및 관심 영역(ROI) 정의
   참고: 이 프로토콜은 다음과 같이 해부학 적 좌표 시스템을 지향합니다. 오른쪽 어깨의 경우 +X 축은 측면 지향, +Y 축은 우월하게 지향되며 +Z 축은 후방으로 지향됩니다. 왼쪽 어깨의 경우 +X 축은 측면 지향, +Y 축은 우월하게 지향되며 +Z 축은 전방에서 지향됩니다.
   1. 처리할 골격에 대한 TIFF 이미지 스택을 가져옵니다. TIFF 스택을 로 변환합니다. RAW 파일 및 독점 소프트웨어를 사용하여 알려진 픽셀 치수 및 이미지 간격을 기반으로 3D 골격 모델을 렌더링합니다.
      참고: 모델의 해상도는 CT 볼륨(예: 복셀 간격)의 샘플링을 기반으로 합니다. 따라서 메쉬 삼각형의 평균 면적은 약 1.02mm2(±0.2 ^mm2)(1.3단계)입니다.
   2. 상완골의 해부학적 랜드마크를 다음과 같이 디지털화합니다(그림 4A).
      1. 상완골 헤드의 기하학적 중심: 최소 제곱 알고리즘을 사용하여 구표면과 상완성 관절 표면 사이의 거리를 최소화하는 구의 치수와 위치를 결정합니다. 상완골 헤드의 기하학적 중심을 최적화된 구 의 중심의 좌표로 정의합니다.
      2. 내측 및 측면 서사시: 탈모상완의 가장 넓은 구역에 위치하고 있습니다.
   3. 상완골 머리 ROI를 다음과 같이 정의합니다(그림 5A).
      1. 전체 상완관절 표면과 더 큰 튜브.
   4. 다음과 같이 견갑골의 해부학적 랜드마크를 디지털화합니다(그림 4B).
      1. 견갑골 척추의 뿌리 : 견갑골 척추를 따라 내측 테두리에 위치합니다.
      2. 후방 acromioclavicular 관절: 견갑골 곡예에 쇄골 면의 후방 측면에 위치.
      3. 열등한 각도: 견갑골의 열등한 지점에 위치합니다.
   5. 다음과 같이 견갑골 ROI를 정의합니다(그림 5B).
      1. 아크로미온: 견갑골의 척추에 곡예 측면의 밑면.
      2. 글레노이드: 글레노이드의 전체 관절 표면.
   6. 다음과 같이 갈비뼈에 해부학적 랜드 마크를 디지털화 (그림 4C).
      1. 전방 갈비뼈: 갈비뼈 확장의 내측 부분에 위치합니다.
      2. 후방 갈비뼈: 갈비뼈 의 머리에 면의 후방 측면의 우수 / 열등 한 지점에 위치.
      3. 측면 갈비뼈: 전방 및 후방 리브 포인트가 화면에 수직으로 정렬될 때 갈비뼈의 측면 대부분 측면에 위치합니다.
3. 이미지 사전 처리
   참고: 이미지 사전 처리는 독점 소프트웨어를 사용하여 수행되며 cine 이미지 파일을 TIFF 스택으로 변환하고 왜곡 부균일성을 위해 이미지를 수정하는 작업이 포함됩니다.
   1. 비균일 성 보정 수행: 소프트웨어는 단일 프레임에서 노이즈 효과를 최소화하기 위해 단일 고품질의 밝은 필드 이미지를 생성하기 위해 약 30 프레임(예: 0.5s의 데이터)을 평균합니다. 밝은 필드 이미지는 X선 소스에서 각 데이터 프레임의 각 픽셀에 광선을 따라 진정한 방사선 학적 밀도를 계산하는 데 사용됩니다. 각 픽셀의 광선에 의해 관통되는 모든 물질의 방사선 밀도의 합은 해당 픽셀에 대한 관측 이미지의 로가릿을 뺀 해당 픽셀에 대한 밝은 필드의 로가릿에 비례합니다(즉, 로그 서브 프로세싱).
   2. 왜곡 보정 수행: 소프트웨어는 단일 이미지를 생성하기 위해 약 30프레임(예: 0.5초 의 데이터)을 평균하고 개별 이미지에서 노이즈 효과를 줄입니다. 왜곡 보정 소프트웨어는 왜곡 그리드 이미지의 인접한 구슬 위치의 각 세 배에서 Lucite 왜곡 보정 그리드에서 해당 세 개의 구슬의 알려진(true) 위치에 대한 affine 맵을 생성합니다. 이러한 작은 affine 맵 컬렉션은 동작 평가판의 각 관찰된 프레임을 구슬의 직교 배열로 표시된 실제 좌표로 재샘플링하는 데 사용됩니다.
   3. 각 평가판의 모든 프레임에 왜곡 및 비 균일 성 보정을 적용합니다.
4. 복엽비행기 이미징 볼륨 보정.
   참고: 독점 소프트웨어를 사용하여 이미지 보정이 수행되었습니다. 이 소프트웨어는 비선형 최적화 알고리즘을 사용하여 관찰된 교정 오브젝트 비드 위치를 알려진 3D 위치로 조정합니다. 이 프로세스는 각 비플러니 교정 이미지 집합에 대해 수행됩니다. 그 결과 뼈 볼륨의 두 뷰를 디지털 방식으로 투영하고 데이터 수집 중에 수집된 동일한 골격의 방사선 이미지에 등록할 수 있는 시스템이 생성됩니다.
5. 마커리스 트래킹
   참고: 마커리스 트래킹은 독점 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. 오토스코프 및 C-모션과 같은 소프트웨어를 사용하여 이 프로세스를 완료할 수도 있습니다.
   1. 모션 평가판의 첫 번째 프레임에서 복엽비행기 엑스레이 이미지와 잘 어울리는 것처럼 보일 때까지 소프트웨어 컨트롤을 사용하여 DRR을 회전하고 변환합니다(그림 6).
   2. 수동 솔루션을 저장합니다.
   3. 최적화 알고리즘을 적용합니다.
   4. 초기 수동 솔루션을 기반으로 알고리즘에 의해 최적으로 결정된 솔루션을 시각적으로 검사합니다. 필요한 경우 솔루션을 조정하고 최적화된 솔루션에 만족할 때까지 3.5.2-3.5.3 단계를 반복합니다.
   5. 모션 평가판을 통해 10번째 프레임마다 3.5.1-3.5.4^단계를 반복합니다.
      참고: 이 간격은 프레임 속도, 동작 속도 및 이미지 품질을 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다. 간격이 작을 수 있습니다.
   6. 10^번째 프레임이 추적되면 최적화를 수행하여 이후에 최적화된 보간 된 예비 솔루션을 만듭니다.
   7. 모션 평가판의 모든 프레임이 잘 추적될 때까지 솔루션을 계속 구체화합니다.

4. 데이터 분석 프로토콜

참고: 이 프로토콜에 사용되는 독점 마커리스 추적 소프트웨어는 해부학 좌표 시스템을 구성하는 데 사용되는 해부학 적 랜드마크의 원시 및 필터링 궤적을 초래합니다. 이러한 좌표는 교정 절차 중에 교정 개체에 의해 정의된 실험실 좌표 시스템에 따라 표현된다. 다음 프로토콜은 일반적으로 이러한 획기적인 궤적에서 운동 결과 측정값을 계산하는 절차를 설명하므로 모든 프로그래밍 언어(예: MATLAB)로 계산할 수 있습니다. 두 번째 독점 소프트웨어는 운동학 및 근접 통계를 계산하는 데 사용됩니다.

1. 운동학 및 근접 통계 계산
   참고: 기본 운동 적 결과 측정값에는 관절 회전(즉, 오일러 각도) 및 위치가 포함됩니다. 기본 근접 통계에는 데이터의 모든 프레임에 대해 계산되는 최소 간격, 평균 간격 및 가중 평균 컨택 센터가 포함됩니다. 전체적으로 이러한 조치는 운동 중 관절 관절학 또는 표면 상호 작용을 설명합니다. 모션 시험을 통해 집계되는 해부학적 근접성은 평균 접촉 센터, 접촉 경로 및 접촉 경로 길이를 포함한다.
   1. 각 골격 및 모션 프레임에 대해 필터링된 해부학 적 랜드마크 좌표(즉, 마커리스 추적 소프트웨어의 출력)를 사용하여 실험실 좌표 시스템을 기준으로 뼈의 해부학 좌표 시스템을 나타내는 16요소 변환 행렬을 구성합니다.
   2. 소프트웨어를 사용하여 관련 골격 간의 해부학 좌표 시스템을 관련하여 상대 역학을 계산합니다.
   3. 종래의 방법을 사용하여 조인트 각도와 위치를 추출⁶⁴. 해부학 좌표 시스템의 방향을 감안할 때, Z-X'-Y'의 회전 순서를 사용하여 글리노후머 운동학을 추출하고 Y-Z'-X'의 회전 순서를 사용하여 스카푸로토라시 키메매틱을 추출하고 Y-Z-Y'-Y'회전 서열을 사용하여 humerothoracic 운동학을 추출합니다.
   4. 최소 간격: 소프트웨어를 사용하여 반대 골격에서 가장 가까운 이웃 삼각형의 중심 사이의 가장 작은 간격(즉, 거리)을 계산합니다.
   5. 평균 간격: 소프트웨어를 사용하여 지정된 측정 영역 내에서 가장 가까운 이웃과 가장 작은 간격을 가진 삼각형을 사용하여 최소 간격의 영역 가중 평균을 계산합니다. 측정 영역을 200mm2에 달하는 반대 골격에 가장 가까운 삼각형으로 정의합니다. 이 측정 영역을 계산에 통합하여 반대 골격에 합리적으로 가까운 표면만 평균 갭 계산에 포함되도록 합니다.
      참고: 측정 영역(즉, 200 ^mm2)의 크기는 원표면에서 지나치게 편향되지 않고 기복 공간과 골누아 조인트 근접성을 일관되게 반영하는 것으로 밝혀진 후 초기 알고리즘 개발 중에 선택되었다. 광범위한 표면 상호 작용(예: 경정)에 대한 이 측정값을 사용하면 더 큰 측정 영역이 필요할 수 있습니다.
   6. 가중 평균 접촉 센터(즉, 센트로이드): 소프트웨어를 사용하여 측정 영역 내의 다른 모든 삼각형에 대한 가중 거리를 최소화하는 ROI 표면의 점을 계산합니다(즉, 영역이 200mm2에 달하는 반대 뼈에 가장 가까운 삼각형). 측정 영역의 각 삼각형에 대한 가중치 계수는 가장 가까운 이웃 중심에 삼각형 영역/제곱 거리(즉, 역 사각형 가중치)로 계산됩니다. 이러한 방식으로 가중치가 더 큰 삼각형은 더 크고(1의 계수에 의해) 반대 골격에 더 가깝습니다(제곱된 최소 거리의 요인에 의해).
   7. 평균 컨택 센터: 소프트웨어를 사용하여 모션 평가판 에서 컨택 센터(즉, 센트로이드)의 평균 위치를 계산합니다. 접촉 센터가 관절 관절 역학을 나타내는 주어진, 평균 접촉 센터는 운동 중 표면 상호 작용의 중심을 나타냅니다.
   8. 연락처 경로: 소프트웨어를 사용하여 모션 평가판에 가중 평균 컨택 센터의 좌표를 연결하여 정의합니다.
   9. 접촉 경로 길이: 소프트웨어를 사용하여 모션 평가판을 가로질러 접촉 경로의 길이를 계산합니다.

결과

52 세의 무증상 여성 (BMI = 23.6 kg/ ^m2)은 이전 조사의 일환으로 채용되었으며 지배적 인 (오른쪽) 어깨⁶⁵에서 모션 테스트 (관상 비행기 납치)를 받았습니다. 데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다. 데이터 수집은 이전에 설명된 프로토콜을 사용하여 수행하였다(그림 3).

참가자의 글리노후머, 스카플로토라시치, 휴메로소라시치 운동학은 각각 그림 7, 그림 8 및 그림 9에 표시됩니다. 골누메랄 및 스카푸로포라시크 운동학에 대한 육안 검사는 참가자의 어깨 움직임이 관상 비행기 납치 기간 동안 일반적으로 예상되는...

토론

여기에 설명된 기술은 동적 활동 중에 3D 조인트 모션의 정확한 측정을 제공함으로써 어깨 모션(예: cadaveric 시뮬레이션, 2D 이미징, 정적 3D 이미징, 비디오 기반 모션 캡처 시스템, 웨어러블 센서 등)을 평가하기 위한 기존의 기술과 관련된 몇 가지 단점을 극복합니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜의 정확도는 ±0.5°와 ±0.4 ^mm67,68로 방사능 분석(RSA)의 금본위제에 대하여 골누머조인을 위해 확립되었다. 유사한 프로토콜은 무릎⁶⁹, 척추⁷⁰ 및 발 /발목⁷¹과 같은 다른 관절을 위해 개발되었습니다. 중요한 것은, 충분히 정확한 시스템이 없다면, 관절 운동에서 통계적으로 유의하고 임상적으로 잠재적인 의미 있는 차이를 검출하는 데 필요한 샘플 크기는 엄청을 지을 수 있다. 또한,...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
캘리브레이션 큐브	사내 내장	N/A	각 모서리에 탄탈륨 비드가 있는 10cm 루사이트 상자와 상자 중간에 4개의 추가 비드가 있습니다. s 수직 모서리(총 12개의 구슬). 각 비드의 위치는 실험실 좌표계의 원점 역할을 하는 상자의 모서리를 기준으로 정확하게 알려져 있습니다.
왜곡 보정 그리드	16인치 이미지 증폭기의 전체 면을 덮고 1cm 간격의 탄탈륨 비드의 직교 배열을 포함하는	사내	내장 N/A
ImageJ	National Institutes of Health	해당 없음 뼈	부피의 TIFF 스택을 준비하는 데 사용되는 이미지 처리 소프트웨어.
마커리스 트래킹 워크벤치	커스텀, 인하우스 소프트웨어	N/A	3D 뼈 모델의 해부학적 랜드마크를 디지털화하는 데 사용되는 맞춤형 소프트웨어 워크벤치로, 해부학적 좌표계를 구성하고, 강도 기반 이미지 정합을 사용하여 마커리스 추적을 수행하고, 운동학적 결과 측정을 계산 및 시각화합니다.
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	컴퓨터 프로그래밍 소프트웨어. 데이터 처리 및 분석을 수행하는 데 사용됩니다.
Mimics (버전 20)	Materialise, Inc	N/A	CT 스캔에서 상완골, 견갑골 및 갈비뼈를 분할하는 데 사용되는 이미지 처리 소프트웨어.
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	뼈	시각화하는 데 사용되는 3D 그래픽 프로그램
Phantom Camera Control (PCC) 소프트웨어 (버전 3.4)		N/A	카메라 매개변수 지정, 방사선 이미지 획득 및 저장을 위한 소프트웨어
펄스 발생기 (모델 9514)	Quantum Composers, Inc.	N/A	X-ray 및 카메라 시스템 동기화 및 노출 시간 지정
100kW 펄스 X-ray 발생기 2개(모델 CPX 3100CV)	EMD Technologies	N/A	방사선 이미지 생성에 사용되는 X-ray 생성
40cm 이미지 강화 장치 2개(모델 P9447H110)	North American Imaging	N/A	X-ray를 광자로 변환하여 가시 이미지 생성
Phantom VEO 340 카메라 2대	Vision Research	N/A	고속 카메라는 X-ray 시스템에서 생성된 가시 이미지를 기록합니다.