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방법 논문

인 비보 이중 불소시경을 이용한 동적 체중 베어링 활동 중 고관절 관절역학의 정량화

3.2K 조회수

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DOI:

10.3791/62792

⸱

2021년 7월 2일

 ,  , 
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

이 논문에서

요약

이중 형광법은 인간 관절의 생체 내 동적 모션에서 정확하게 캡처하며, 이는 재구성된 해부학(예를 들어, 관절역학)에 비해 시각화될 수 있다. 본 명세서에서는, 일상 생활의 체중 베어링 활동 중에 고관절 관절학을 정량화하는 상세한 프로토콜이 제시되고, 전통적인 피부 마커 모션 캡처와 이중 형광체의 통합을 포함한다.

초록

몇몇 고관절 병리학은 비정상적인 생체 역학의 근본적인 가정을 가진 이상한 형태에 기인했습니다. 그러나, 관절 수준의 구조 기능 관계는 동적 관절 움직임을 정확하게 측정하는 데 어려움으로 인해 정량화하기가 어렵다. 광학 피부 마커 모션 캡처에 내재된 연조직 유물 오류는 신체 내의 엉덩이 관절의 깊이와 관절을 둘러싼 연조직의 큰 질량에 의해 악화된다. 따라서, 뼈 모양과 엉덩이 관절 운동사이의 복잡한 관계는 다른 관절보다 정확하게 연구하기가 더 어렵다. 본 명세서에서, 고관절의 동적 움직임을 정확하게 측정하기 위해 컴퓨터 단층 촬영(CT) 관절 촬영, 체적 이미지의 3차원(3D) 재구성, 이중 형광체 및 광학 모션 캡처를 통합하는 프로토콜이 제시된다. 이 프로토콜을 사용하여 엉덩이의 형태 기능 관계를 연구하기 위해 이중 형광법을 적용한 기술 및 임상 연구가 요약되고 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 구체적인 단계 및 향후 고려 사항이 설명됩니다.

서론

고관절 관절염(OA)으로 고통받는 45~64세 성인을 대상으로 수행된 총 고관절 관절성형술(THA) 시술수는 2000년과 2010년1년사이에 두 배 이상 증가했다. 2000년부터 2014년까지 THA 절차가 증가함에 따라, 최근 연구에 따르면 향후20년동안 전체 연간 절차 수가 세 배가 될 수 있다고 예측했습니다. THA 절차의 이러한 큰 증가는 현재 처리 비용이 미국에서만 매년 180억 달러를 초과한다는 점을 고려하면놀랍습니다.

엉덩이의 발달 이형성증 (DDH) 및 femoacetabular 임파실 증후군 (FAIS), 각각 언더 또는 과도하게 제한 된 엉덩이를 기술, 엉덩이 OA4의주요 병인으로 추정 된다. THA를 겪고 있는 개별에 있는 이 구조적인 고관절 기형의 높은 보급은 처음에 3 년 전5이상 기술되었습니다. 여전히, 비정상적인 엉덩이 해부학과 골관절염 사이의 관계는 잘 이해되지 않습니다. 엉덩이 OA의 발달에 있는 기형의 역할의 작동 이해를 향상하기 위한 한 가지 도전은 비정상적인 엉덩이 형태가 무증상 성인 사이에서 아주 일반적이다는 것입니다. 특히, 연구는 일반 인구의 약 35 %에서 캠 형 FAIS와 관련된 형태를관찰했다 6,노인 선수의 83 %7,그리고 이상 95% 대학 남성 선수의8. 여성 대학 선수의 또 다른 연구에서, 참가자의 60%는 cam FAIS의 방사선 증거를 가지고, 30%는 DDH9의증거를 했다.

고관절 통증이없는 개인 들 사이에서 기형의 높은 보급을 보여주는 연구는 FAIS와 DDH와 일반적으로 관련되었던 형태학이 특정 조건하에서 만 증상이 되는 자연적인 이체일 지도 모르다는 가능성을 가리킵니다. 그러나, 고관절 해부학과 엉덩이 생체 역학 사이의 상호 작용은 잘 이해되지 않습니다. 특히 기존의 옵티컬 모션 캡처 기술을 사용하여 고관절 모션을 측정하는 데 어려움이 있습니다. 첫째, 관절은 신체 내에서 상대적으로 깊기 때문에 고관절 센터의 위치가 광학 피부 마커 모션 캡처를 사용하여 동적으로 식별 및 추적하기 어렵고, 대퇴골헤드(10)및11의반경과 동일한 크기의 오차가 있는 것을 식별및 추적하기가 어렵다. 둘째, 고관절은 피하 지방과 근육을 포함한 큰 연조직 벌크로 둘러싸여 있으며, 이는 기본 뼈에 비해 움직여 연조직 유물12,13,14의결과로 생긴다. 마지막으로, 피부 마커의 광학 추적을 사용하여, 운동학은 일반화 된 해부학에 비해 평가되므로 미묘한 형태적 차이가 관절의 생체 역학에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공하지 않습니다.

피사체별 뼈 형태와 함께 정확한 운동학의 부족을 해결하기 위해, 단일 및 이중 형광법 시스템은 다른 자연 관절시스템(15,16,17)을분석하기 위해 개발되었다. 그러나, 이 기술은 최근에 고관절을 둘러싼 연조직을 통해 고품질의 이미지를 획득하는 데 어려움이 있기 때문에, 토착 고관절에 만 적용되고 있다. 생체 내 고관절 운동을 정확하게 측정하고 피사체별 뼈 해부학에 비해 이러한 움직임을 표시하는 방법론은 본원에 기재되어 있다. 결과 관절 역학 뼈 형태와 생체 역학 사이의 미묘한 상호 작용을 조사하는 비교할 수없는 능력을 제공합니다.

본명, 일상생활의 활동 중 엉덩이의 이중 형광시경 영상을 획득 및 처리하는 절차가 설명되어 있다. 이중 형광법 이미지와 동시에 광학 마커 추적을 통해 전신 운동학을 캡처하려는 욕구 때문에 데이터 수집 프로토콜은 여러 데이터 소스 간의 조정이 필요합니다. 이중 형광체 시스템의 교정은 직접 식별하고 마커로 추적 할 수있는 금속 구슬로 이식 된 플렉시 유리 구조를 활용합니다. 반면 동적 골격 모션은 마커리스 트래킹을 사용하여 추적되며, 이는 골격의 CT 기반 방사선 밀도만 사용하여 방향을 정의합니다. 그런 다음 동적 모션은 공간적이고 시간적으로 동기화된 이중 형광검사 및 모션 캡처 데이터를 사용하여 동시에 추적됩니다.

시스템은 반사 마커와 이식된 금속 구슬과 공통 좌표 시스템의 생성을 모두 갖춘 큐브의 동시 이미징을 통해 교정 하는 동안 공간적으로 동기화됩니다. 시스템은 분할 전자 트리거를 사용하여 각 활동에 대해 일시적으로 동기화되거나 캡처되며, 이는 이중 형광검사 카메라의 레코딩을 종료하는 신호를 전송하고 모션 캡처 시스템에 상수 5V 입력을 방해합니다. 이러한 조정된 프로토콜은 이중 형광체 시스템의 결합된 시야 를 벗어난 신체 세그먼트의 위치, 걸음걸이 정규화 된 이벤트에 대한 운동 성 결과의 발현, 대퇴골과 골반 주위의 연조직 변형의 특성화를 가능하게합니다.

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프로토콜

이 프로토콜에 설명된 절차는 유타 대학교 기관 검토 위원회에 의해 승인되었습니다.

1. CT 관절 화상 진찰

  1. 아스트로그램18
    1. 훈련된 근골격계 방사선학자가 예정된 CT 이미징 직전에 관절장을 수행하도록 예약합니다.
    2. 임상 불소 스코프의 시야에 관심의 엉덩이와 테이블에 참가자를 배치합니다. 다리와 엉덩이의 회전을 방지하기 위해 발목의 양쪽에 모래 주머니를 놓습니다.
    3. 피부를 준비하여 멸균 환경을 조성합니다. 바늘이 삽입 될 위치를 표시 (대퇴 두목 접합) 주사 부위에서 연조직을 마취 2-5 mL의 1 % 리도카인.
    4. 30mL 루어 락 주사기로 1% 리도카인 20mL, 요오헥솔 주입 10mL, 1 mg/mL(1:1000) 에피네프린의 0.1mL의 용액을 준비한다.
    5. 리도카인 주입 후 2~5분 후에 대퇴목에 닿을 때까지 척추 바늘을 삽입합니다. 불소 시경법에 의해 바늘의 위치를 확인합니다. 소량의 준비된 용액(<5mL)을 주입하고 주입된 유체가 형광체로부터의 이미지와 함께 조인트 캡슐 내에 포함되어 있는지 확인합니다.
    6. 콘트라스트 혼합물의 20-30 mL를 주입하십시오. 주사에 대한 추가 저항이 관찰되면, 참가자가 상체 운동에 저항하기 위해 테이블의 헤드 보드를 잡는 동안 참가자의 발목을 당겨 서 수동으로 엉덩이에 견인을 적용 연구 팀 구성원이. 나머지 콘트라스트 혼합물을 적절히 주입합니다.
    7. 형광법으로 콘트라스트에이전트가 조인트 공간을 채우고 견인력이 적용될 때 대퇴골 머리를 덮는지 확인합니다.
    8. 관절 캡슐 내의 대비 상실을 최소화하기 위해 환자를 휠체어 또는 침대에서 CT 스캐너로 이송합니다.
  2. 견인력 및 CT 이미징
    1. 참가자가 CT 갠트리의 척추 위치에 들어갈 수 있도록 도와주세요.
    2. 토끼 견인 부목 장치를 관심의 다리 아래에 놓고 근위 패딩 바가 이시움에 단정하게 놓여 있는지 확인합니다. 참가자의 허벅지와 발목 주위에 후크와 루프 스트랩을 부착하고 가벼운 견인을 적용합니다.
    3. 스카웃 이미지를 획득하고 전체 골반과 근위 대퇴골을 엉덩이의 작은 트로챈터 바로 아래에 포함하도록 시야를 설정합니다. 무릎에 대한 불경한 대퇴골과 근위 적 정정을 포함하도록 별도의 시야를 설정합니다.
    4. 추가 견인을 적용 (연구 팀의 한 구성원이 발목에 당겨 다른 토끼 견인 부목의 스트랩을 조여) 관절 공간의 분리를 보장하기 위해. 120kVp, 1.0mm 슬라이스 두께, 엉덩이용 200~400m, 엉덩이 120kVp, 3.0mm 슬라이스 두께, 무릎 150MA로 이미지를 획득한다. 이미지 품질에 따라 튜브 전류를 조절하는 자동화된 노출 제어인 CARE Dose를 사용하여 참가자의 방사선 부담을 최소화합니다.
    5. 토끼 견인력 부목 장치를 해제하고 제거합니다. 참가자가 서있는 자세를 돕고 체중을 부담하고 팔다리에 움직이지 않도록 하십시오.

2. 이중 형광검사 이미징

  1. 시스템 설정
    1. 참가자의 보고된 높이에 기초하여 고관절의 높이를 추정하고 이 측정을 사용하여 시스템의 시야 중심의 중심의 원하는 높이를 추정하기 위해인류측정(19)을 적용한다.
    2. 이미지 강화를 관심의 엉덩이에 대응하는 계측 러닝머신의 측면에 서로 약 50° 배치(도 1).
    3. X선 방출기를 이미지 강화기를 가리키도록 배치합니다. 방사제 소스와 이미지 강화기의 얼굴 사이의 거리가 약 100-110cm인지확인합니다.
      참고: 방출기 소스와 이미지 강화기의 얼굴 사이의 권장 거리는 시스템 사양과 X 선 방출기의 콜리메이터에 따라 달라집니다.
    4. 이미지 강화기의 얼굴 의 중심과 문자열 또는 측정 테이프를 사용하여 각 불소 쌍의 해당 X 선 방출기를 연결합니다. 문자열(또는 테이프)이 원하는 위치(예: 엉덩이 조인트의 예상 위치)에서 교차되는지 확인합니다.
    5. 방사체와 거울에 세 개의 레이저로 플레이트를 부착하여 이미지 강화에 부착합니다. 레이저를 켜고 레이저를 레이저 소스로 반사하여 각 방출기와 이미지 강화기의 정렬을 구체화합니다.
  2. 교정 이미지
    1. 납을 착용하고 방 입구에 간판을 배치하여 방사선의 사용을 준비하십시오. 리드 조끼, 스커트, 장갑 및 안경이 포함된 직원의 마모 보호 기능을 통해 노출을 최소화하십시오. 불소 스코프를 켜고 필요에 따라 시스템이 예열되도록 합니다.
    2. 모든 교정 이미지의 경우 불소 스코프를 64kVp 및 1.4-1.6 mA또는그렇지 않으면 원하는 대로 설정합니다.
    3. 컴퓨터에서 카메라 제어 소프트웨어를 열고 적절한 카메라를 슬레이브 및 마스터로 선택합니다. 슬레이브 카메라의 마스터 카메라에 외부 동기화를 사용하여 두 대의 카메라를 동기화합니다.
      참고: 기록된 모든 활동의 경우 이중 형광검사 카메라 모두에서 동일한 프레임을 저장합니다. 프레임은 전자 트리거 신호 이전의 프레임 수를 나타내는 숫자로 식별됩니다.
    4. 원형 금속 와셔를 이미지 강화기의 중앙에 부착하고 십자선 설비를 방사체에 부착하여 시스템의 정렬을 확인합니다.
      참고: 정렬이 확인되면 시스템에 연락하지 않는 것이 중요합니다.
    5. 나사를 사용하여 이미지 강화기 중 하나에 플렉시 유리 그리드를 부착합니다. 정렬을 변경하지 않도록 이 프로세스에 적용된 힘을 최소화합니다. 불소 시경 이미지를 획득하고 그리드의각 듀얼 불소 카메라에서 100 개의 이미지 프레임을 저장합니다. 그리드를 제거하고 다른 이미지 강화기의 프로세스를 반복합니다.
    6. 두 불소 스코프의 결합 된 시야 내에 3D 교정 큐브를 배치합니다. 이렇게 하려면 전파반투명한 의자 또는 플랫폼에 큐브를 배치하고 대부분의 또는 전부가 시야 내에 있는지 시각적으로 확인합니다. 이중 형광법 카메라 뷰에 대해 교정 구슬이 겹치지 않도록 큐브를 방향을 지정합니다. 이미지를 획득하고 큐브의 이미지 프레임 100개를 저장합니다.
    7. 큐브를 이동하기 전에 큐브의 좌표 시스템을 사용하여 각 방사체에서 큐브 의 원점의 대략적인 위치를 측정하고 기록합니다. 큐브및 연결된 플랫폼을 제거합니다.
    8. 각 불소에 대해 방사체 소스와 이미지 강화기의 얼굴 사이의 거리를 측정하고 기록합니다.
    9. 구슬이 달린 플렉시글라스를 고무 대역의 긴 막대 또는 눈금자에 부착하고 무작위로 이동하여 시스템의 전체 시야에 이르는 움직임을 제공합니다. 연구 직원이 노출을 최소화하기 위해 방사선 및 마모 보호 경로를 염두에 두도록 하십시오(2.2.1 단계 참조). 모션의 이미지 프레임 100프레임을 저장합니다.
    10. 노출 시간을 추적하는 데 사용되는 이미징 시계를 재설정합니다.
  3. 정적 평가판 및 매개 변수 조정
    1. 더 큰 트로챈터의 높이를 측정하여 시스템 높이가 참가자에게 적합한지 확인합니다.
      1. 허벅지를 팔파테하여 더 큰 트로챈터의 뼈를 발견하고 가능한 한 가장 우수한 지점을 찾습니다.
      2. 우수한 큰 트로챈터는 엉덩이 관절과 거의 동일한 높이이기 때문에 바닥에서이 시점까지 높이를 측정하고 이중 형광계를 설정하는 데 사용되는 높이 추정과 비교합니다.
      3. 필요한 경우 참가자가 데이터 캡처를 준비하는 동안 시스템 높이를 조정하고 다시 보정합니다.
    2. 참가자에게 불소 시경 시스템을 숙지하고 시스템과의 접촉이 데이터의 정확성에 부정적인 영향을 미치기 때문에 이미징 세션 중에 장비와 접촉하는 경우 연구 팀에 통보해야 한다고 알려야 합니다.
    3. 참가자가 러닝머신으로 단계별로 단계별로 이동형 형광체 시스템의 시야 내에 서게 하십시오. 각 방출기의 관점에서 참가자 정렬을 확인하고 연구 팀의 각 구성원이 이미징 중에 서 있거나 앉아있는 곳의 관점에서이 위치를 기록하십시오.
    4. 참가자의 체질량 지수(BMI)를 기반으로 각 방출자의 이미징 파라미터(kVp 및 mA 및 이중 형광시검사 카메라의 노출)를 추정하고 각 불소스코프를 그에 따라 설정한다.
      참고: 참조된 코호트의 경우, 불소 검사 설정은 78에서 104kVp 및 4.5-7.0 ms의카메라 노출로 1.9-3.2 mA범위.
    5. 서있는 동안 참가자의 이미지를 획득하고 대비 및 시야를 위해 이미지를 평가합니다.
      참고: 증가된 kVp는 증가된 X선 분산(노이즈 증가 및 대비 감소), 낮은 이미지 해상도 및 낮은 대비와 관련이 있습니다.
    6. 필요에 따라 매개 변수 및/또는 참가자 정렬을 조정하고 이미지 수집을 반복합니다.
    7. 정적 평가판으로 사용할 최종 이미지의 100 프레임을 저장합니다.
  4. 동적 시험 (그림 2)
    1. 이중 형광법 이미징이 시작되기 전에 참가자가 시간 지정하는 동안 알려진 거리를 걸어보도록 하십시오. 이 것을 사용하여 러닝머신에서 걷는 수준과 경사 모두에 대해 스스로 선택한 보행 속도를 결정합니다.
    2. 참가자가 갑상선을 보호하기 위해 납갑상선 목걸이를 마시도록 하십시오.
    3. 동적 습득 하는 동안, 연구원은 납 방패 뒤에 이중 형광소 워크스테이션 단계에서 듀얼 형광시법 카메라 제어를 매닝하고 방패의 보기 창을 통해 참가자를 볼 수 있습니다(도 3).
    4. 모든 걷기 시험의 성능을 위해:
      1. 러닝머신의 벨트를 시작하기 전에 참가자에게 알립니다. 러닝머신의 속도를 적절한 보행 속도까지 늘리고 참가자의 걸음걸이가 이미지를 수집하기 전에 정상화하도록 합니다.
      2. 각 걷기 활동에 대해 적어도 두 번의 전체 걸음걸이 주기를 획득하고 저장하십시오.
      3. 기울어진 걷기 활동을 위해 참가자가 러닝머신에서 벗어나게 하십시오. 러닝머신의 잠금을 해제하고 경사를 5°로설정하고 참가자가 러닝머신으로 돌아와 활동을 수행하도록 하기 전에 러닝머신을 다시 잠급구합니다.
      4. 활동이 두 번 기록되는 것과 같은 이미징을 반복합니다.
      5. 활동이 완료되면 러닝머신을 낮추기 위해 동일한 프로세스(단계 2.4.4.3)를 반복합니다.
    5. 피벗 활동의 경우:
      1. 참가자가 피벗 방향 반대의 러닝머신 전면에서 몸 위치와 발을 약 45° 회전시도록 합니다. 원하는 경우 각 발이 듀얼 벨트 러닝머신의 단일 벨트에 완전히 배치되어 힘 판 데이터를 간단하게 처리할 수 있도록 하십시오.
      2. 참가자가 모션 의 끝 범위에서 골반의 정렬을 보면서 운동의 끝 범위에서 여러 피벗을 수행하도록 합니다. 피벗이 최종 위치를 달성하기 위해 가속을 필요로하지 않으므로 모션이 원활하게 수행되는지 확인합니다.
      3. 운동 의 끝 범위에서 골반의 위치에 따라, 참가자가 회전 및 / 또는 골반이 러닝 머신에 앞으로 직면하고 관심의 엉덩이가 피벗의 끝에 불소 스코프의 결합 된 필드의 중간에 있도록 자신의 발을 변환해야합니다.
      4. 위치가 최적화되면 참가자가 이중 형광검사 영상 중에 피벗을 수행하고 대퇴골과 골반이 모션의 최종 범위를 중심으로 이중 형광카메라 뷰(약 200-400프레임)에서 보이는 모든 프레임을 저장하여 가능한 한 많은 피벗을 캡처하도록 합니다.
      5. 활동이 두 번 기록되는 것과 같은 이미징을 반복합니다.
    6. 납치 첨가 제 활동의 경우:
      1. 참가자가 불소 스코프의 시야에 서서 약 45 ° 관심의 다리를 자신의 측면에 올립니다. 참가자에게 몸통 움직임을 피하고 필요한 경우 운동 범위를 줄이도록 상기시킵니다.
      2. 이중 형광카메라 뷰(약 200-400프레임)에서 대퇴골과 골반이 보이는 모든 프레임을 획득하고 저장합니다.
      3. 활동이 두 번 기록되는 것과 같은 이미징을 반복합니다.
    7. 동적 엉덩이 조인트 센터 또는 스타 아크액티비티(20)용
      1. 참가자가 이중 형광법 시스템의 시야에 서서 다리를 앞쪽으로 올리고 180° 단위로 낮추고 다리의 후방 인상과 하부로 끝납니다. 다리를 다시 땅에 내려놓기 전에 참가자가 다리를 돌례하고 서있는 자세로 돌아갑니다.
    8. 참가자가 모션에 익숙해지고 약 6-8s로 완료하면 활동의 이미지를 획득하고 저장할 수 있습니다.
      참고: 시험 기간으로 인해 이중 형광법으로 하나의 활동만 캡처됩니다.
  5. 추가 교정 이미지
    1. 데이터 수집 중에 어느 시점에서든 참가자는 형광 장비의 일부와 접촉하고 그리드와 큐브를 이미지화하고 교정을 위해 모든 파일을 저장했을 수 있다고 믿습니다.
    2. 데이터 수집이 완료되면 그리드와 큐브를 이미지하고 초기 교정에 문제가 발생하는 경우 교정을 위해 모든 파일을 저장하여 백업역할을 합니다.

3. 피부 마커 모션 캡처 및 계측 러닝머신

  1. 시스템 설정
    1. 러닝머신에 광학 모션 캡처 시스템을집중(그림 3). 이중 형광체 시스템의 시야에 있는 동안 참가자를 시각화하는 잠재적 인 문제로 인해 적외선 카메라를 정밀하게 배치하여 정확한 시각화(그림 2)를보장하십시오.
    2. 시스템을 켜고 마커 세트를 사용하여 이중 형광체 시스템이 원하는 시야의 시각화를 방지하지 못하도록 합니다.
    3. 마커가 명확하고 원형인지 확인하고 필요에 따라 적외선 카메라의 초점을 조정합니다.
    4. 반사 표면을 줄이기 위해 불소 스코프가 덮여 있는지 확인합니다. 반사 물체를 덮을 수 없는 경우 각 적외선 카메라를 검토하고 카메라 보기를 마스크합니다.
    5. 이중 형광체 시스템의 카메라 수집을 종료하는 데 사용되는 전자 트리거에서 외부 5 V 신호로 읽을 모션 캡처 소프트웨어를 설정합니다. 이 트리거를 사용하여 두 시스템의 데이터를 시간적으로 동기화합니다.
  2. 교정
    1. 시스템이 켜져 있고 준비되면 활성 교정 지팡이를 사용하여 광학 및 적외선 모션 캡처 카메라를 동시에 보정합니다. 이중 형광법 시스템 내의 전체 영역이 교정 중에 철저히 캡처되었는지 확인하면서 장비와의 접촉을 피하십시오.
      참고: 프라이팬에 음식을 던지며 음식을 던지며 즐기는 지팡이 동작이 잘 작동했습니다.
    2. 이중 형광법 시스템에 의한 장애물로 인해 교정 값은 광학 모션 캡처에 대해 일반적으로 관찰된 것보다 더 나쁠 수 있습니다. 모든 적외선 카메라에 0.2 미만의 이미지 오류가있도록 교정을 수행합니다.
      참고: 비디오 카메라의 이미지 오류는 0.5 미만이지만 더 높습니다. 비디오 카메라는 모션 캡처의 시각적 녹화에만 사용되는 모션의 정량화에만 사용되지 않습니다.
    3. 이중 형광검사용 큐브 시험을 획득하는 동안 모션 캡처 적외선 카메라로 큐브를 캡처합니다. 큐브에 모션 캡처 및 이중 형광체 시스템의 카메라로 이미지를 지정할 수 있도록 반사 마커가 부착되어 있는지 확인합니다.
  3. 마커 세트 및 배치
    1. 참가자가 도착하기 전에 양면 테이프(toupee 테이프)를 21개의 구형 반사 피부 마커의 베이스에 잘라서 바른다. 마커의 수명을 보장하기 위해 테이프 또는 피부가 반사 마커와 접촉하지 않도록하십시오.
    2. 다섯 마커 플레이트의 각각에 대한 (생크에 두, 허벅지에 두, 뒷면에 하나; 도 4)직물 스트랩의 피부 측면에 스프레이 접착제를 바르고 참가자 를 단단히 감싸는 다. 스트랩이 꽉 느끼는 것을 참가자에게 확인하십시오 (불편하지 는 않습니다). 마커 세트의 나머지 부분을 준수하기 전에 여분의 스프레이 접착제의 손을 청소하십시오.
    3. 교정에만 사용되는 5개의 마커를 쇄골, 내측 무릎 및 내측 말레올리에 각각 적용합니다.
    4. 나머지 16개의 마커를 전방 우수 일강 척추(ASIS), 후방 우수한 일강 척추(PSIS), 대퇴골의 더 큰 트로챈터를 이미지, 어깨, 흉골, 측면 무릎, 측면 말레올리 및발(그림 4)에적용한다.
    5. 데이터 캡처 중에 마커 나 스트랩이 느슨해지면 연구 팀에 알려달라고 참가자에게 알립니다.
  4. 정적 평가판
    1. 이중 형광법에서 정적 서 시험과 함께 모션 캡처를 위한 스탠딩 트라이얼을 캡처합니다.
    2. 모든 마커에 레이블을 지정합니다. 획득한 정적 활동 중에 최소 3대의 적외선 카메라로 마커가 표시되지 않으면 정적 이미지를 다시 수집하여 모든 마커가 표시되도록 합니다.
    3. 교정 전용 마커를 제거하고 참가자가 데이터 수집의 나머지 기간 동안 방사선 보호를 제공하기 위해 갑상선 칼라를 don도록 합니다.
  5. 동적 시험
    1. 이중 형광법 시스템으로 캡처된 각 동적 시험의 경우 모션 캡처 비디오를 획득하여 각 이중 형광검사 비디오 전체가 모션 캡처 획득의 범위 내에 있는지 확인합니다.
    2. 이중 형광소 시스템의 전자 트리거에서 5 V 신호의 파손이 각 시험 내에서 캡처되었는지 확인합니다.

4. 이미지 전처리

  1. CT 기반 모델
    1. 이러한 뼈는 추적 및/또는 조정 시스템 생성에 사용되기 때문에 관심 쪽과 골반 전체의 근위 및 단열 대퇴골을 분할합니다.
    2. 세분화가 세 가지 이미징 평면 의 뼈 모양을 대표하고 상대적으로 매끄러운 것처럼 보이는지 확인합니다.
      참고: 관절역학을 분석하는 능력은 신중한 세분화를 통해 고품질의 재건을 얻는 데 달려 있습니다.
    3. 이미지 데이터를 서명되지 않은 char(8비트)로 변환하고 필요에 따라 간격띄우기 및 배율 조정을 조정하여 0~255의범위로 이미지를 생성합니다.
    4. 변환된 이미지의 뼈 영역만 격리하고 골격의 경계 주위에 자르기. 자른 이미지의 치수를 기록합니다.
    5. 2D TIFF 형식으로 저장합니다.
    6. 이미지를 열고 형식을 16비트로변경하고 단일 3D TIFF 파일로 저장합니다.
  2. 표면 재구성
    1. 세분화 레이블에서 서피스를 생성하고 표면을 매끄럽게 하고 시동을 반복하여 단일 반복에서 면이 절반 이상 감소하지 않도록 합니다.
      참고: 설명된 공정을 사용하여, 표적 면 수는 각 근접 및 단두골 표면에 대해 약 30,000개, 각 헤미골반 표면에 대해 70,000개이다.
    2. 각 표면을 *.vtk 형식으로 표면 메시로 내보내 랜드마크 식별을 위한 모델 파일로 사용합니다.
  3. 좌표 계통의 랜드마크 식별
    1. 대퇴골 좌표 계열(도5)의생성을 위한 대퇴골의 랜드마크를 식별합니다.
      참고: 아래에 제공된 매개 변수는 참조된 데이터 집합 및 이미징 프로토콜에 만성됩니다. 랜드마크를 적절히 선택하려면 값을 변경해야 할 수 있습니다.
      1. 모델 파일로 근위 대퇴골을 엽니다. 포스트 툴바 및 데이터 패널을 열어 1-Princ 곡선의 표준 필드를 추가하고 10의 부드러움을 선택한 다음 결과를 시각화합니다. 대퇴 머리의 면을 과도하게 선택하고 편집 패널에서 선택 범위 옵션을 사용하여 음수 곡률만 포함합니다. 대퇴골 머리에 속하지 않는 선택한 면을 선택 취소합니다. 이 대퇴머리 표면을 *.k 형식으로 표면 메시로 내보내면 구가 맞는 구가 대퇴머리의 중심을 결정합니다.
      2. 유사한 과정을 사용하여, 5의 부드러움과 탈구 대퇴골에 1-Princ 곡률을 적용하고 다시 선택 범위는 음의 곡률을 가진 얼굴만 포함. 이 대퇴 동변 표면을 원통 핏에 대 고 내측 축을 결정 합니다.
      3. 3의 부드러움을 사용하여, 탈장 대퇴골에 2-Princ 곡률을 적용합니다. -0.1의 상부 컷오프를 사용하여 서피톤딜레의 능선을 강조하고 선택 범위를 선택합니다. 이러한 면을 내보내 평면을 생성하고 이 면을 사용하여 원통 핏을 위해 후방 콘딜레의 면을 분리합니다.
    2. 골반 좌표계의 생성을 위한 골반의 랜드마크를 식별한다(도5).
      참고: 아래에 제공된 매개 변수는 참조된 데이터 집합 및 이미징 프로토콜에 만성됩니다. 랜드마크를 적절히 선택하려면 값을 변경해야 할 수 있습니다.
      1. 각 헤미 골반에 대해, 5의 부드러움과 2-Princ 곡선을 적용하고 아세타불룸의 루산 표면을 분리하는 긍정적 인 면만 포함하도록 범위를 선택합니다. 루네이트 표면을 내보내고 피팅구를 사용하여 아세타룸의 중심을 결정합니다.
      2. 2-Princ 곡률을 2의 부드러움으로 다시 바르고 -0.15 미만의 곡률로 모든 면을 선택하여 골반의 척추를 강조합니다. ASIS와 PSIS를 랜드마크로 가장 잘 나타내는 이러한 가시 가장자리의 포인트를 선택하고 기록합니다.

5. 뼈 모션 추적

  1. 교정
    1. 이중 형광법 카메라(2.2.6단계에서 수집)에서 각 큐브 이미지 내에서 12개의 구슬을 식별합니다. 큐브의 각 구슬과 이중 형광체 시스템 내의 큐브 위치 측정 사이의 보정 된 거리에 기초하여, 투영 및 알려진 비드 위치 사이의 사각형 투영 오차의 최소화를 통해 각 불소의 공간 방향을 결정합니다.
    2. 그리드 이미지를 사용하여 이미지 왜곡을 수정하고 해당 그리드 이미지와 연결된 모든 이미지에 수정을 적용합니다.
    3. 모션 이미지를 사용하여 시스템의 동적 정확도를 정량화하고 마커 기반 추적을 사용하여 추적합니다.
  2. 마커리스 트래킹
    1. 선택한 랜드마크의 위치를 뼈별 매개 변수 파일에 추가하고 이중 형광소 시스템에서 이러한 랜드마크의 동적 위치를 추적된 모든 프레임에 대한 출력으로 수집합니다.
    2. 추적할 프레임을 결정하고(모션 캡처의 역학 데이터를 기반으로, 단계 6.1.2 참조) 관련 골격별 매개 변수 파일을 사용하여 마커없는 추적 소프트웨어를 엽니다.
    3. 뼈의 양산화가 좋은 원하는 범위 내에서 프레임을 선택하고, 소프트웨어에서 사용할 수 있는 6도의 자유도(도6)를사용하여 관심 있는 뼈(근위 대퇴골 또는 헤미골)의 CT 기반 디지털 재구성 방사선 사진(DRR)을 수동으로 방향을 지정한다.
      참고: 대부분의 시험이 서 있는 것과 유사한 위치에서 시작되면 이 초기 위치는 모든 시험의 초기 시작점으로 사용될 수 있습니다.
    4. 골격의 DRR이 두 뷰에 잘 정렬된 것처럼 나타나면 솔루션 패널의 수동 단추를 클릭하여 솔루션을 저장합니다.
      참고: 솔루션을 저장할 때마다 방향 매개 변수와 정규화된 상호 상관 관계 계수가 참조를 위해 플롯됩니다. 정규화된 상호 상관 관계 계수는 불소 와 뼈 DRR 모두에 대해 0이 아닌 값을 가진 모든 픽셀을 기반으로 계산됩니다.
    5. 솔루션 패널 내의 DHS 버튼을 클릭하여 대각선 헤시안 검색(DHS) 최적화 단계를 적용하고 결과를 검토합니다. 최적화된 결과가 바람직하면 다음 프레임으로 이동합니다. 그렇지 않으면 필요한 조정을 하고 솔루션 패널 내의 수동 단추를 클릭하여 다시 저장합니다. 만족스러운 솔루션이 발견될 때까지 이 단계를 반복합니다.
      참고: 이미지 대비가 좋지 않은 경우 최적화 알고리즘이 항상 만족스러운 결과를 생성하지는 않을 수 있습니다.
    6. 다섯 번째 프레임마다 이전 프레임에 대한 솔루션을 시작점으로 사용하여 이 프로세스를 반복합니다. DHS 최적화를 사용하여 프로세스를 자동화합니다.
    7. 첫 번째 추적 패스를 완료하려면 선형 프로젝션(LP)을 통해 보간하고 솔루션 패널 내의 LP + DHS 버튼 범위를 클릭하여 추적된 프레임 간의 솔루션을 최적화하는 다른 도구를 사용합니다. 창에서 추적할 프레임 집합과 참조에 사용할 두 프레임을 입력합니다.
      참고: 두 참조 프레임은 식별된 프레임 집합 내에 있는 모든 프레임일 수 있습니다. 그러나 첫 번째 및 마지막 프레임을 사용하면 프레임 범위 내에서 골격의 방향에 대한 경계를 제공하므로 콘트라스트가 낮을 때 유용할 수 있습니다.
    8. 수동 및 DHS기반 솔루션을 모두 사용하여 평가판의 각 프레임을 검토하고 구체화합니다. 매개 변수 플롯을 사용하여 상관 관계 계수가 충분히 높고 골격의 방향이 매개 변수에서 갑자기 점프하지 않도록 합니다.
    9. 정확한 추적을 보장하기 위해 다른 연구원이 각 프레임에 대한 솔루션을 검토하고 솔루션에 필요한 수정을 해야 합니다.
    10. 각 골격에 대해 5.2.1-5.2.9 단계를 반복합니다.
  3. 모션 시각화
    1. 운동 시각화를 위해 소프트웨어에서 대퇴골과 골반 표면을 엽니다. 필요한 경우 변환을 메시 함수로 변환하여 서피스를 메시로 변환합니다. *.k 형식으로 서피스 메시로 서피스와 내보내기를 모두 선택합니다.
    2. 추적에서 출력을 사용하여 각 골격및 프레임에 대한 좌표 변환이 있는 텍스트 파일을 생성합니다.
      참고: 서피스의 순서는 변환 순서와 일치해야 합니다.
    3. 운동학의 시각화를 위해 5.3.1 및 5.3.2 단계에서 키네마트 도구와 위의 두 파일을 사용하여 운동학을 애니메이션합니다. 애니메이션 된 운동학이 합리적으로 보이고 반투명 표면 또는 표면 거리 도구를 사용하여 서피스 사이에 적절한 거리가 있는지 확인합니다. 필요한 경우 5.2.8 단계로 돌아갑니다.

6. 데이터 분석

  1. 피부 마커 운동학
    1. 모션 캡처 소프트웨어 내에서 모든 파일을 일괄 처리하여 정적 모델 및 레이블 마커를 적용합니다. 평가판이 완료되면 레이블이 지정되지 않은 궤적을 제거합니다.
      참고: 이중 형광법 시스템의 방해로 인해 평소보다 더 많은 수동 갭 채우기가 필요할 수 있습니다.
    2. 운동 및 강제 판 데이터를 사용하여 걸음걸이 중 발가락 오프 또는 발 뒤꿈치 스트라이크 또는 피벗 활동을 위한 최대 모션 범위와 같은 동적 이벤트를 식별합니다. 이중 형광검사 데이터 추적에 대한 관심 프레임을 결정합니다.
    3. 아날로그 데이터(예: 트리거 및 강제 판 데이터)와 마커 궤적을 모두 포함하여 kinematic 처리를 위한 모든 평가판 데이터를 *.c3d 형식으로 내보냅니다.
    4. 원하는 모델 템플릿 파일(*.mdh 파일 형식으로 저장)을 정적 평가판에 적용한 다음 이 모델을 모션 파일에 할당합니다.
      참고: 분석을 위해, 일반화된 국제 생체역학 협회(ISB) 헤드 복부 흉부(HAT) 세그먼트와 CODA 골반, 두 ASIS및 PSIS 랜드마크의 중심에 의해 정의된 골반 세그먼트 모형을 가진 하반신 모형이 사용되었다.
  2. 이중 형광검사 운동학
    1. 관심 있는 프레임을 분리하여 대퇴골과 골반 모두에 대해 추적되는 인접 한 프레임만 포함되도록 합니다.
    2. 로우패스 버터워스 필터(잔여 분석및 4차 필터에서정규화된 컷오프 주파수 0.12)를 사용하여 랜드마크 위치를 필터링합니다.
    3. 각 모션 시험 전반에 걸쳐 랜드마크의 필터링된 위치를 사용하여 대퇴좌계의 동적 위치를 추적한다(도5).
      1. 대퇴골 원점은 대퇴머리의 구체에 맞는 중심으로 정의한다.
      2. 무릎 의 중심과 원점 사이의 대퇴골 z 축 (열등한 우수한 축)을 정의하여 우월하게 가리킵니다.
      3. 대퇴엽(내측 측축)을 대퇴동체에 장착된 실린더의긴 축으로 정의하고 왼쪽을 가리킵니다. 원통으로 표현될 콘딜레 의 영역을 격리하려면 비행기를 서피콘딜 표면에 맞추고 대퇴엽의 후방 부분을 분리한다.
      4. 대퇴골 y축(전방 후방)을 정의된 z 축과 x축의 교차 제품으로 정의하여 후방을 가리킵니다. x축의 방향을 수정하여 직교 좌표 시스템을 만듭니다.
    4. 각 모션 평가판 전체의 랜드마크의 필터링된 위치를 사용하여 골반 좌표 계의 동적 위치를 추적한다(도5).
      1. 골반 원점은 두 개의 ASIS 랜드마크의 중심으로 정의합니다.
      2. 두 PSIS 랜드마크의 중심과 원점 사이의 골반 y축(전방 후방 축)을 미리 가리키며 정의합니다.
      3. 원점에서 오른쪽 ASIS 랜드마크 사이의 골반 x축(내측 측축)을 정의하고 오른쪽을 가리킵니다.
      4. 골반 z축(열등수 축)을 정의된 x 축과 y축의 교차 제품으로 정의하여 우월하게 가리킵니다. x축의 방향을 수정하여 직교 좌표 시스템을 만듭니다.
    5. 좌표 계열 사이의 회전 매트릭스를 생성하고 맥윌리엄스와 동료의 방정식 당 조인트 운동학을 계산합니다(그림7)21.
    6. 대퇴골 헤드의 구 체트 센터와 아세타불룸의 루네이트 표면 사이의 벡터 거리를 골반 좌표 시스템으로 변환하여 조인트 번역을 계산합니다.
      참고: 각 이미지 프레임에 대한 조인트 번역을 나타내는 단일 벡터를 제공합니다.
  3. 관절 역학
    1. 5.3 단계에서 설명된 바와 같이 역학을 시각화하여 피사체별 관절역학(그림8)을애니메이션한다.
    2. 각 동적활성(그림 8)에서대퇴골과 골반 표면 사이의 거리를 측정하기 위해 표면 거리 데이터 필드를 적용합니다.
      참고: 이러한 데이터는 또한 관절 표면 사이의 상대적 거리의 정량화를 제공하지만 관절 번역을 정량화하기 위해 해석이 필요합니다.
    3. 표면 거리 도구를 사용하여 표면 간 거리를 내보내 모든 참가자에 걸쳐 데이터를 정량화합니다.
  4. 피부 마커 모션 캡처와의 비교
    1. 각 모션 평가판에서 큐브 이미지와 트리거를 사용하여 이중 형광검사 및 모션 캡처 시스템을 공간적으로 세면적으로 동기화합니다.
    2. 마커리스 트래킹 좌표 시스템에서 모션 캡처 좌표 시스템에 이르기까지 피부 마커 모션 캡처(예: ASIS, PSIS, condyles)에 사용되는 랜드마크 위치를 변환합니다.
    3. 이러한 데이터를 피부 마커 모션 캡처의 마커 위치와 결합하고 가져오기하여 운동 및 운동 분석 및 보고를 합니다. 분석을 조정하여 각 랜드마크에 대해 이중 형광검사 또는 피부 마커 위치를 활용하고 두 시스템 간의 랜드마크 위치와 운동학을 비교합니다.

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결과

이중 형광법을 기준표준으로 사용하여, 고관절 중심의 피부 마커 계 추정치의 정확도와 연조직 유물이 운동 및 운동 측정에 미치는 영향은22,23,24를정량화하였다. 이중 형광법의 우수한 정확도는 FAIS와 무증상 대조군참가자(25)를가진 환자 들 사이에서 골반과 고관절 운동학의 미묘한 차이를 식별하는 데 사용되었다. 이중 형광체계 관절역학은 고관절 커버리지, 형태학과 운동학 간의 관계, 및 동적 운동 동안 뼈 대 뼈거리(26,27,28,29)를정량화하기 위해 분석되었다.

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토론

이중 형광법은 생체 내 운동학, 특히 엉덩이의 경우 기존의 광학 모션 캡처를 사용하여 정확하게 측정하기 어려운 강력한 도구입니다. 그러나, 형광체 장비는 전문적이며, 인체의 다른 관절을 이미징할 때 고유한 시스템 설정이 필요할 수 있다. 예를 들어, 발목 운동학32,33,34,35의연구에 이중 형광도검사를 적용하여 영상 강화제의 장착, 시스템의 위치, 빔 에너지의 설정에 대한 여러 가지 수정이 이루어졌다. 상당한 연구 준비를 요구하는 것 외에도 이중 형광검사는 3D 의료 영상 및 잠재적으로 전통적인 피부 마커 모션 캡처를 포함한 추가 데이터를 수집하여 전신 운동학을 추적할 뿐만 아니라 CT 이미지 세분화 및 획득된 이미지의 마커리스 추적을 포함한 긴 후처리가 필요합니다. 다행히 이중 형...

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공개 사항

저자는 이해상충이 없습니다.

감사의 글

이 연구는 보조금 번호 S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925에 따라 국립 보건 원 (NIH)에 의해 지원되었다. 콘텐츠는 전적으로 저자의 책임이며 반드시 NIH의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Amira 소프트웨어ThermoFisher Scientific버전 6.0
캘리브레이션 큐브커스텀36 스틸 비드 (직경 3mm, 간격 6.35cm, 불확도 0.0036mm)
캘리브레이션 완드Vicon액티브 완드
CT 스캐너Siemens AGSOMATOM Definition 128 CT
왜곡 보정 그리드커스텀직경 (직경 2mm)에 걸쳐 10mm 간격의 강철 구슬 격자와 31 개의 구슬이있는 아크릴 플레이트동적
보정 플레이트30mm 간격의 3 개의 강철 구슬이있는 맞춤형 아크릴 판 (직경 2mm, 불확도 0.0013mm)
이미터 (2)Varian Interay; Radiological Imaging Services에서 재제조하우징 B-100 / 튜브 A-142
에피네프린호스피라주사, USP 10 mg / mL
FEBioStudio 소프트웨어FEBio.org 버전 1.3메시 처리 및 운동학 시각화
그래픽 처리 장치NvidiaTesla
Hare Traction SplintDynaMedTrac-III, 모델 번호 95201
고속 카메라 (2)Vision Research, Inc.Phantom Micro 3
Image Intensifier (2)Dunlee, Inc.; Radiological Imaging Services에서 재제조T12964P/S
Iohexol 주사GE HealthcareOmnipaque 240 mgI/mL517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL
ImageJNational Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation
리도카인 HCl호스피라주사, USP 10 mg/mL
레이저 및 미러 정렬 시스템맞춤형이미터에 부착되는 아크릴 플레이트에 부착된 3개의 레이저, 이미지 증압기 면에 부착된 거울
Markless Tracking WorkbenchHenry Ford Hospital, 맞춤형 소프트웨어맞춤형
MATLAB 소프트웨어Mathworks, Inc.버전 R2017b
모션 캡처 카메라 (10)ViconVantage
Nexus 소프트웨어Vicon버전 2.8모션 캡처
팬텀 카메라 제어 (PCC) 소프트웨어Vision Research, Inc.버전 1.3
프리 테이프 스프레이 접착제Mueller Sport CareTuffner
재귀반사 구형 스킨 마커14mm
분할 벨트 완전 계측 트레드밀Bertec CorporationCustom
Visual3D 소프트웨어C-Motion, Inc.버전 6.01Kinematic Processing

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