Artigo de método

Medindo kinemática de ombro 3D in vivo usando videoradiografia biplanar

DOI:

10.3791/62210

⸱

12 de março de 2021

 ,  , 
1Bone and Joint Center, Department of Orthopaedic Surgery, Henry Ford Health System

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A videoradiografia biplano pode quantificar a cinemática do ombro com um alto grau de precisão. O protocolo aqui descrito foi especificamente projetado para rastrear a escápula, o úmero e as costelas durante a elevação do úmero planar, e descreve os procedimentos para coleta, processamento e análise de dados. Também são descritas considerações únicas para a coleta de dados.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O ombro é um dos sistemas articulares mais complexos do corpo humano, com o movimento ocorrendo através das ações coordenadas de quatro articulações individuais, múltiplos ligamentos e aproximadamente 20 músculos. Infelizmente, patologias do ombro (por exemplo, lágrimas de manguito rotador, luxações articulares, artrite) são comuns, resultando em dor substancial, incapacidade e diminuição da qualidade de vida. A etiologia específica para muitas dessas condições patológicas não é totalmente compreendida, mas é geralmente aceito que a patologia do ombro está frequentemente associada ao movimento articular alterado. Infelizmente, medir o movimento do ombro com o nível necessário de precisão para investigar hipóteses baseadas em movimento não é trivial. No entanto, as técnicas de medição de movimento baseadas em radiográficas forneceram o avanço necessário para investigar hipóteses baseadas em movimento e fornecer uma compreensão mecanicista da função do ombro. Assim, o objetivo deste artigo é descrever as abordagens para medir o movimento do ombro usando um sistema de videoradiografia biplanar personalizado. Os objetivos específicos deste artigo são descrever os protocolos para adquirir imagens videoradiográficas biplanar do complexo do ombro, adquirir tomografias computadorizadas, desenvolver modelos ósseos 3D, localizar marcos anatômicos, rastrear a posição e orientação do úmero, escápula e tronco a partir das imagens radiográficas biplanares e calcular as medidas de desfecho cinemático. Além disso, o artigo descreverá considerações especiais exclusivas do ombro ao medir a cinemática articular usando essa abordagem.

Introdução

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O ombro é um dos sistemas articulares mais complexos do corpo humano, com o movimento ocorrendo através das ações coordenadas de quatro articulações individuais, múltiplos ligamentos e aproximadamente 20 músculos. O ombro também tem a maior amplitude de movimento das principais articulações do corpo e é frequentemente descrito como um compromisso entre mobilidade e estabilidade. Infelizmente, patologias do ombro são comuns, resultando em dor substancial, incapacidade e diminuição da qualidade de vida. Por exemplo, as lágrimas do manguito rotador afetam cerca de 40% da população com mais de 601,2,3 anos, com aproximadamente 250.000 reparos no manguito rotador realizados anualmente4, e uma carga econômica estimada de US $ 3-5 bilhões por ano nos Estados Unidos5. Além disso, as luxações do ombro são comuns e muitas vezes estão associadas à disfunção crônica6. Por fim, a osteoartrite articular glenohumeral (OA) é outro problema clínico significativo envolvendo o ombro, com estudos populacionais indicando que cerca de 15%-20% dos adultos com mais de 65 anos têm evidências radiográficas de glenohumeral OA7,8. Essas condições são dolorosas, prejudicam os níveis de atividade e diminuem a qualidade de vida.

Embora as patologias dessas condições não sejam totalmente compreendidas, é geralmente aceito que o movimento alterado do ombro esteja associado a muitas patologias do ombro9,10,11. Especificamente, o movimento articular anormal pode contribuir para a patologia9,12, ou que a patologia pode levar a um movimento articular anormal13,14. As relações entre movimento articular e patologia são provavelmente complexas, e alterações sutis no movimento articular podem ser importantes no ombro. Por exemplo, embora o movimento angular seja o movimento predominante que ocorre na articulação glenohumeral, traduções articulares também ocorrem durante o movimento do ombro. Em condições normais, essas traduções provavelmente não excedem vários milímetros15,16,17,18,19 e, portanto, podem estar abaixo do nível de precisão in vivo para algumas técnicas de medição. Embora possa ser tentador assumir que pequenos desvios no movimento articular podem ter pouco impacto clínico, é importante também reconhecer que o efeito cumulativo de desvios sutis ao longo de anos de atividade do ombro pode exceder o limiar do indivíduo para cicatrização e reparação de tecidos. Além disso, as forças in-vivo na articulação glenohumeral não são inconsequentes. Usando implantes articulares glenohumeral personalizados instrumentados, estudos anteriores mostraram que elevar um peso de 2 kg para a altura da cabeça com um braço estendido pode resultar em forças articulares glenohumeral que podem variar de 70% a 238% do peso corporal20,21,22. Consequentemente, a combinação de mudanças sutis no movimento articular e forças altas concentradas sobre a pequena área de superfície de suporte de carga do glenóide pode contribuir para o desenvolvimento de patologias degenerativas do ombro.

Historicamente, a medição do movimento do ombro tem sido realizada através de uma variedade de abordagens experimentais. Essas abordagens incluíram o uso de complexos sistemas de teste cadavérico projetados para simular o movimento do ombro23,24,25,26,27, sistemas de captura de movimento baseados em vídeo com marcadores de superfície28,29,31, sensores eletromagnéticos montados na superfície32,33,34,35 , pinos ósseos com marcadores reflexivos ou outros sensores ligados36,37,38, imagem médica bidimensional estática (ou seja, fluoroscopia39,40,41 e radiografia17,42,43,44,45), imagem médica trif dimensional estática (3D) usando ressonância magnética46,47, tomografia computadorizada48, e imagem fluoroscópica de plano único 3D 49,50,51. Mais recentemente, os sensores vestíveis (por exemplo, unidades de medição inercial) ganharam popularidade para medir o movimento do ombro fora do ambiente de laboratório e em condições de vida livre52,53,54,55,56,57.

Nos últimos anos, houve uma proliferação de sistemas radiográficos ou fluoroscópicos biplanos projetados para medir com precisão movimentos dinâmicos e in vivo do ombro58,59,60,61,62. O objetivo deste artigo é descrever a abordagem dos autores para medir o movimento do ombro usando um sistema de videoradiografia biplanar personalizado. Os objetivos específicos deste artigo são descrever os protocolos para adquirir imagens videoradiográficas biplanar do complexo do ombro, adquirir tomografias computadorizadas, desenvolver modelos ósseos 3D, localizar marcos anatômicos, rastrear a posição e orientação do úmero, escápula e tronco a partir das imagens radiográficas biplanares e calcular medidas de desfecho cinemático.

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Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Antes da coleta de dados, o participante forneceu consentimento por escrito. A investigação foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional do Sistema de Saúde Henry Ford.

Os protocolos para aquisição, processamento e análise de dados de movimento radiográfico biplano são altamente dependentes dos sistemas de imagem, software de processamento de dados e medidas de interesse de resultados. O protocolo a seguir foi especificamente projetado para rastrear a escápula, úmero, e a terceira e a quarta costelas durante o sequestro de plano scapular ou coronal-avião e quantificar a cinemática glenohumeral, scapulothoracic e humerothoracic.

1. Protocolo de imagem ct

  1. Peça ao participante para deitar na mesa de exame do CT com os braços ao lado. Dependendo do tamanho do participante, posicione-os fora do centro da mesa de modo que todo o hemi-torso esteja disponível para imagem.
  2. Para adquirir as imagens do batedor, o tecnólogo garante que o campo de visão do CT inclui a clavícula (superiormente), os epicondyles do úmero distal (inferiormente), toda a articulação glenohumeral (lateralmente) e as juntas costovertebral e sternocostal (medialmente) (Figura 1).
  3. Adquirir a tomografia computadorizada com os seguintes parâmetros: modo de varredura = helicoidal; tensão do tubo = 120 kVp; corrente de tubo: 200-400 mA (auto); espessura da fatia = 0,66 mm; FOV = 34 cm.
  4. Verifique a qualidade da varredura e o campo de visão.
  5. Reforme a aquisição usando uma matriz de imagem tamanho de 512 x 512 pixels. Dada a espessura da fatia e fov, a aquisição resulta em um espaçamento de voxel isotrópica de aproximadamente 0,66 mm.
  6. Exporte as imagens em formato DICOM.

2. Protocolo de captura de movimento de raios-X biplano

NOTA: O sistema de raio-x biplanar personalizado utilizado neste protocolo está descrito na Tabela de Materiais. Os procedimentos de coleta de dados provavelmente variam com diferentes componentes do sistema. Os sistemas de raios-X são arbitrariamente denominados de "verde" e "vermelho" para distinguir procedimentos e sequências de imagem resultantes e são posicionados com um ângulo inter-feixe de aproximadamente 50° e uma distância fonte-a-imagem (SID) de aproximadamente 183 cm (Figura 2). São necessários, no mínimo, dois funcionários da pesquisa para a coleta de dados; um para operar o sistema de raio-x e computador, e o outro para instruir o participante da pesquisa.

  1. Configuração do software da câmera
    1. Defina a abertura da câmera para a configuração padrão (f/5.6).
      NOTA: Esse valor depende de vários fatores, incluindo câmera, tempo de exposição, ISO e antropometria participante.
    2. Abra o software da câmera e carregue o protocolo de estudo para cada câmera (taxa de amostragem: 60 Hz, tempo de exposição: 1.100 μs).
      NOTA: O tempo de exposição da câmera pode variar dependendo de vários fatores, incluindo câmera, configuração de abertura e exposição radiográfica.
  2. Aquecimento do sistema
    NOTA: O ânodo do tubo de raio-x pode ficar danificado se exposições de alta potência forem produzidas quando estiver frio. Portanto, os tubos devem ser aquecidos por uma série de exposições de baixa energia com base nas recomendações do fabricante.
    1. Em ambos os painéis de controle do gerador de raios-X, selecione a configuração vascular . As configurações vasculares pré-programadas produzem baixas exposições energéticas apropriadas para o aquecimento do sistema (por fabricante do sistema).
    2. Ajuste o tempo de exposição no gerador de pulso para 0,25 s.
    3. Nos painéis de controle do gerador de raios-X, segure os botões PREP . Preparação O atraso aparece na tela.
    4. Uma vez que ambas as telas lia Pronto para Expor, pressione simultaneamente e segure os botões EXPOSE .
      NOTA: Isso não produzirá raios-x, mas apenas armará o sistema. A produção de raios-X só ocorre deprimindo o pedal do pé ou os gatilhos de mão.
    5. Deprimir os botões PREP e EXPOSE em ambos os painéis de controle e, simultaneamente, deprimir e segurar o pedal do pé (ou portátil) para acionar o gerador de raios-X para produzir raios-x.
      NOTA: Os raios-x são produzidos durante a duração especificada pelo gerador de pulso (etapa 2.3.2) ou até que o pedal seja liberado, o que ocorrer primeiro.
    6. Repita as etapas 2.2.2-2.2.5 até que a unidade de calor (HU) do tubo de raio-x exceda o nível exigido pelo fabricante para adquirir imagens (5% de HU para o nosso sistema).
  3. Verifique a sincronização da câmera e o foco da imagem.
    NOTA: Verifique a sincronização e o foco da câmera adquirindo um conjunto de imagens de teste da grade de correção de distorção (ver Tabela de Materiais). Cada intensificador de imagem será testado individualmente usando as etapas descritas abaixo.
    1. Coloque a grade de correção de distorção no intensificador da imagem.
    2. Em ambos os painéis de controle do gerador de raios-X, selecione a configuração cardíaca , que é programada para a técnica radiográfica padrão (70 kVp, 320 mA, 2 ms e ponto focal = 1,0 mm).
      NOTA: As configurações da câmera permanecem inalteradas (taxa de amostragem: 60 Hz, tempo de exposição: 1.100 μs).
    3. Coloque o gerador de pulso em 0,25 s.
    4. Inicie a aquisição da câmera através do software da câmera e adquira imagens de raio-x como descrito anteriormente nas etapas 2.2.3-2.2.5.
    5. Visualize as imagens resultantes e determine o tempo decorrido do pulso do gatilho para cada sistema. Se a diferença no tempo decorrido entre as câmeras for superior a 2 μs, determine qual câmera está disparando tarde e especifique um atraso de quadro no software da câmera para resolver o problema.
    6. Inspecione visualmente a nitidez da imagem para verificar o foco da câmera. Para avaliação objetiva, analise uma linha de perfil desenhada em uma conta dentro da grade de correção de distorção usando software de processamento de imagem (por exemplo, ImageJ). Especificamente, inspecione a inclinação dos valores cinza pixel ao longo desta linha de perfil. Uma inclinação mais negativa garante uma imagem mais nítida (assumindo que a imagem radiográfica seja invertida de modo que a conta seja escura). Se necessário, refoque as câmeras e repita as etapas 2.3.3-2.3.6.
  4. Configuração e posicionamento dos participantes da pesquisa
    NOTA: O posicionamento do participante da pesquisa é altamente dependente dos ossos sendo rastreados e do movimento que está sendo testado. Os testes são normalmente realizados com o participante da pesquisa sentado em uma cadeira fixa (ou seja, não giralvel ou rodas) para minimizar o potencial de mudanças em sua posição que podem fazer com que o ombro se mova fora do volume de imagem 3D.
    1. Posicione a cadeira no volume de imagem do biplano para que o ombro a ser testado esteja centrado aproximadamente onde os feixes de raio-x biplano se cruzam. Esta é uma posição preliminar. Ajuste-o com base na antropometria do participante, no movimento a ser testado e nos ossos a serem rastreados.
    2. Peça ao participante para se sentar em uma postura confortável e vertical com os braços apoiados ao seu lado.
    3. Fixar um colete de proteção forrado de chumbo no tronco do participante para cobrir seu abdômen e o ombro e peito contralaterais.
    4. Ajuste a altura preliminar dos intensificadores de imagem. Para ajudar a informar este procedimento, acenda a luz dentro da fonte de raio-x do sistema. Levante o sistema até que a sombra do participante lançada sobre o intensificador de imagem esteja no nível de sua axila.
      NOTA: A fonte e o intensificador de imagem dentro de cada sistema estão acoplados para se moverem juntos. Sistemas desacoplados exigirão etapas adicionais de alinhamento não descritas aqui.
    5. Estabeleça a altura preliminar dos intensificadores da imagem. Mova suavemente o participante em sua cadeira dentro do volume de imagem biplano enquanto observa sua sombra lançada em cada intensificador de imagem.
      NOTA: Um bom palpite inicial é que o participante se posicione de tal forma que a articulação acromioclavicular esteja aproximadamente no centro de ambos os intensificadores de imagem. Esta posição é um palpite inicial razoável para o protocolo atual, que requer a visualização e rastreamento do úmero, escápula e duas costelas durante a elevação do ombro.
    6. Uma vez que a posição do participante pareça ser razoável em ambos os sistemas, mantenha a fonte de luz acesa e peça ao participante para realizar o movimento a ser testado. Certifique-se de que o ombro do participante permaneça dentro do campo de visão radiográfica durante todo o ensaio de movimento. Se possível, os feixes de raios-X do cotoma para reduzir a exposição.
    7. Repetição de passos 2.4.5-2.4.6 até que pareça que a configuração do participante dentro do volume de imagem é apropriada.
    8. Pesquisador #1: Retorne à sala de controle para executar os painéis de controle de raios-X e câmeras. Ajuste o painel de controle de raios-X para o modo fluoroscopia de baixa potência (60 kVp, 3-4 mA) e o gerador de pulso para uma aquisição de 0,25 s.
    9. Pesquisador #2: Explique ao participante que uma imagem será tirada para que sua posição possa ser verificada nas imagens e descreva a série de eventos que acontecerão. Avise o participante sobre os sons que o sistema faz (por exemplo, cliques, zumbidos) para evitar qualquer apreensão. Faça um colete de proteção forrado com chumbo, recupere o gatilho portátil e se mova o mais longe possível das fontes de raio-x para minimizar a exposição, mantendo uma linha clara de visão e comunicação com o participante. Se possível, fique atrás de um escudo forrado com uma janela.
    10. Pesquisador #1 (na sala de controle de raios-X): Inicie as câmeras e prime o painel de controle de raios-X como descrito anteriormente (etapas 2.2.3-2.2.5). Quando o sistema estiver pronto para expor, notifique o pesquisador nº 2.
    11. Pesquisador #2 (em laboratório): Indicar ao participante sobre aquisição de imagens. Acione a aquisição de imagens radiográficas usando o gatilho remoto portátil. Informe o participante que uma imagem foi tirada e se desculpe na sala de controle.
    12. Pesquisador #1 e #2 (na sala de controle de raios-X): Inspecione as imagens. Concentre-se apenas na posição do participante e na visibilidade de todos os ossos a serem rastreados. Se necessário, repita as etapas 2.4.5-2.4.12 até que a posição do participante seja satisfatória.
    13. Uma vez estabelecida a configuração e posicionamento do sistema de raios-X, não mova o sistema de raios-X durante a sessão de coleta de dados, a menos que novas imagens de calibração e correção de distorção sejam coletadas para cada configuração. Além disso, instrua o participante a se deslocar o mínimo possível durante a sessão de coleta de dados para evitar ter que repetir os procedimentos de configuração.
  5. Coleta de dados: Aquisição de imagem estática
    1. Pesquisador #1 (na sala de controle de raios-X): Defina a técnica radiográfica otimizada no painel de controle de raios-X (com base em testes preliminares). O protocolo radiográfico utilizado aqui é de 70 kVp, 320 mA, 2 ms e ponto focal = 1,0 mm, com a câmera coletando a 60 Hz e um tempo de exposição de 1.100 μs. Coloque o gerador de pulso em 0,25 s.
      NOTA: Informe o participante que a próxima imagem será uma aquisição formal de imagem.
    2. Pesquisador #2 (no laboratório): Informe o participante a sentar-se ereto com o braço descansando ao seu lado.
    3. Adquirir uma imagem como descrito anteriormente (etapas 2.4.8-2.4.11).
    4. Pesquisadores #1 e #2 (na sala de controle de raios-X): Inspecione as imagens. Concentre-se na qualidade da imagem (ou seja, brilho e contraste) e na visibilidade de todos os ossos necessários. Se forem necessários ajustes na qualidade da imagem, determine o parâmetro a ser modificado (ou seja, f-stop, tempo de exposição da câmera, kVp, mA) e readquire a imagem estática.
      NOTA: É fundamental estar sempre atento à forma como a dose é afetada pelos parâmetros radiográficos.
    5. Repetição de passos 2.5.1-2.5.4 até que a qualidade da imagem seja aceitável, dentro das estimativas de dose aprovadas pelo IRB.
    6. Uma vez que a qualidade da imagem seja aceitável, inspecione as imagens em busca de qualidade técnica (por exemplo, quadros corrompidos).
    7. Após uma aquisição de imagem de teste estático aceitável, salve o teste de cada câmera (por exemplo, "green_still.cine", "red_still.cine").
  6. Coleta de Dados: Aquisição dinâmica de imagens
    1. Pesquisador nº 1 (na sala de controle de raios-X): Mantenha os mesmos parâmetros radiográficos da imagem estática. Ajuste o gerador de pulso para uma exposição de 2.0 s.
    2. Pesquisador #2 (no laboratório): Ensine ao participante o movimento a ser realizado, incluindo o plano e o tempo do movimento. Verifique se a cadeira e a roupa do participante e/ou colete forrado de chumbo não interferem no movimento do ombro. Pratique o ensaio de moção com o participante. Use a deixa verbal "Pronto... e... ir" acelerado para que seja preciso 2 s (ou seja, a duração do ensaio de movimento) para ajudar o participante a acelerar a iniciação e a conclusão do movimento.
      NOTA: É fundamental que o participante entenda os procedimentos e possa realizar consistentemente o ensaio de movimento para evitar a exposição desnecessária associada a um ensaio falho.
    3. Pesquisador #2 (no laboratório): Após prática suficiente, recupere o gatilho remoto portátil. Mude-se para um lugar seguro no laboratório com uma linha clara de visão e comunicação com o participante da pesquisa.
    4. Pesquisador #1 (na sala de controle de raios-X): Redefinir o gerador de pulso para 2.0 s, iniciar as câmeras e prime o painel de controle de raios-X como descrito anteriormente (etapas 2.3.4-2.3.5). Quando o sistema estiver pronto para expor, notifique o pesquisador nº 2.
    5. Pesquisador #2 (em laboratório): Pergunte ao participante da pesquisa: "Você está pronto?" [aguarde a resposta afirmativa] "Pronto... e... ir. " (ritmo, como antes, de modo que leva 2 s).
    6. Pesquisador nº 2 (em laboratório): Acionar manualmente o sistema de raio-x quando o participante inicia o movimento do braço.
      NOTA: Embora acionamento manual com base em riscos de movimento visual omisso o início do ensaio de movimento, ele evita expor excessivamente o participante da pesquisa no caso de uma falha de comunicação ou um início atrasado.). Uma vez concluída a prova, informe o participante que uma imagem foi tirada e se desculpe na sala de controle para inspecionar as imagens.
    7. Pesquisadores #1 e #2 (na sala de controle de raios-X): Inspecione as imagens de ensaio para qualidade (ou seja, brilho e contraste) e condição técnica (ou seja, quaisquer quadros corrompidos) (Figura 3). Salve os ensaios de movimento de cada câmera (por exemplo, "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
    8. Repita as etapas 2.6.1-2.6.7 para coletar todos os ensaios de movimento dentro do protocolo de segurança de radiação aprovado.
  7. Coletar imagens de calibração
    NOTA: A calibração radiográfica da imagem resulta na definição do sistema de coordenadas baseado em laboratório, na posição e orientação de cada sistema radiográfico de raios-X em relação ao sistema de coordenadas laboratorial e parâmetros intrínsecos que permitem a geração de radiografias (DRRs) digitalmente reconstruídas, que são utilizadas no processo de rastreamento sem marcadores. Os cálculos de calibração estão descritos na etapa 3.4.1.
    1. Mantenha as mesmas configurações de câmera e técnica radiográfica utilizadas durante a coleta de dados.
    2. Ajuste o gerador de pulso para uma exposição de 0,5 s.
    3. Posicione o cubo de calibração (ver Tabela de Materiais) no meio do volume de imagem.
    4. Adquira e salve as imagens do cubo (por exemplo, "green_cube.cine", "red_cube.cine").
  8. Colete as imagens para correção de distorção e correção de não-conformidade.
    NOTA: A imagem radiográfica coletada usando um intensificador de imagem é afetada pela intensidade, não-uniformidade63 e distorção. Consequentemente, imagens de uma grade de correção de campo branco e distorção são adquiridas em cada sistema radiográfico para determinar as correções necessárias. É geralmente prudente coletar imagens de calibração antes de imagens de distorção e correção de não-uniformidade no caso de os intensificadores de imagem serem colididos enquanto a grade de distorção está sendo posicionada.
    1. Remova todos os objetos do campo de visão radiográfico.
    2. Mantenha as mesmas configurações de câmera e técnica radiográfica utilizadas durante a coleta de dados. Ajuste o gerador de pulso para uma exposição de 0,5 s.
    3. Anexar a grade de correção de distorção (ver Tabela de Materiais) à superfície do intensificador de imagem verde.
    4. Adquira a grade e as imagens de campo branco.
    5. Salve as imagens (por exemplo, "green_grid.cine", "red_white.cine").
    6. Mova a grade para o intensificador de imagem vermelho e repita as etapas 2.7.2-2.7.5, modificando os nomes dos arquivos de imagem, conforme apropriado.

3. Protocolo de processamento de dados

NOTA: Os procedimentos para a preparação da geometria óssea, pré-processamento de imagem (ou seja, correção de distorção e não uniformidade e calibração de imagem), e rastreamento sem marcador são altamente variáveis e dependem do software utilizado. Os procedimentos aqui descritos são específicos para o software proprietário. No entanto, as principais etapas de processamento de dados são provavelmente traduzíveis para qualquer pacote de software de captura de movimento de raios-X.

  1. Tomografia computadorizada de processamento
    NOTA: O software de rastreamento sem marcador proprietário utilizado pelo laboratório dos autores otimiza a posição e orientação de um DRR. Portanto, os procedimentos para o processamento da tomografia computadorizada resultam na criação de uma pilha de imagens TIFF de 16 bits. Outros pacotes de software podem exigir que a geometria óssea seja representada em diferentes formatos ou especificações.
    1. Abra um programa de processamento de imagens (por exemplo, Imita, FIJI) e importe as imagens CT.
    2. Segmentar o úmero dos tecidos moles circundantes. Para as costelas, crie uma extensão que conecte o aspecto anterior da costela ao manúbrio para digitalizar a articulação esternocostal mais tarde na etapa 3.2.6.
    3. Realize uma operação booleana na máscara acabada com uma máscara preta (ou seja, todos os pixels são pretos coloridos) (operação: preto menos osso). Isso resulta em uma máscara invertida do osso em que todos os pixels são pretos, exceto aqueles correspondentes ao osso, que permanecem em escala de cinza CT.
    4. Corte a pilha de imagens ao longo dos três eixos para eliminar os pixels pretos (ou seja, não-ósseos). Deixe alguns pixels pretos nas bordas desta caixa delimitamento 3D.
    5. Salve a pilha de imagens modificadas no formato TIFF.
    6. Repita as etapas 3.1.1-3.1.5 para todos os ossos restantes.
  2. Definição de sistemas de coordenadas anatômicas e regiões de interesse (ROIs)
    NOTA: Este protocolo orienta os sistemas de coordenadas anatômicas da seguinte forma. Para um ombro direito, o eixo +X é orientado lateralmente, o eixo +Y é orientado superiormente, e o eixo +Z é orientado posteriormente. Para um ombro esquerdo, o eixo +X é orientado lateralmente, o eixo +Y é orientado superiormente, e o eixo +Z é orientado anteriormente.
    1. Importe a pilha de imagens TIFF para que o osso seja processado. Converta a pilha TIFF em um . Arquivo RAW e renderizar um modelo ósseo 3D baseado nas dimensões de pixel conhecidas e espaçamento de imagem usando o software proprietário.
      NOTA: A resolução do modelo baseia-se na amostragem do volume de tomografia computadorizada (ou seja, espaçamento de voxel). Consequentemente, a área média dos triângulos de malha é de aproximadamente 1,02 mm2 (±0,2 mm2) (etapa 1.3).
    2. Digitalize os marcos anatômicos no úmero da seguinte forma (Figura 4A).
      1. Centro geométrico da cabeça erúra: Determine as dimensões e a posição de uma esfera que minimize a distância entre a superfície da esfera e a superfície articular úmeral usando um algoritmo de menor quadrado. Defina o centro geométrico da cabeça úmerca como as coordenadas do centro da esfera otimizada.
      2. Epicôndyles medial e lateral: Localizado na seção mais larga do úmero distal.
    3. Defina o ROI da cabeça do erúrmetro da seguinte forma (Figura 5A).
      1. Toda a superfície articular úmeral e maior tuberosidade.
    4. Digitalize os marcos anatômicos na escápula da seguinte forma (Figura 4B).
      1. Raiz da coluna escapular: Localizada na borda medial ao longo da coluna escapular.
      2. Articulação acromioclavicular posterior: Localizada no aspecto posterior da faceta clavicular no acromão escárculo.
      3. Ângulo inferior: Localizado no ponto inferior mais baixo da escápula.
    5. Defina ROIs scapulares da seguinte forma (Figura 5B).
      1. Acromion: A subsuperfície do acromion lateral à coluna vertebral da escápula.
      2. Glenoid: Toda a superfície articuladora do glenóide.
    6. Digitalize marcos anatômicos nas costelas da seguinte forma (Figura 4C).
      1. Costela anterior: Localizada na parte medial-maioria da extensão da costela.
      2. Costela posterior: Localizada no ponto médio superior/inferior do aspecto posterior da faceta na cabeça da costela.
      3. Costela lateral: Localizada no aspecto lateral-mais da costela quando os pontos da costela anterior e posterior estão alinhados verticalmente na tela.
  3. Pré-processamento de imagem
    NOTA: O pré-processamento de imagem é realizado usando software proprietário e envolve a conversão dos arquivos de imagem cine em pilhas TIFF e a correção das imagens para não conformidade de distorção.
    1. Execute a correção de não uniformidade: O software tem uma média de aproximadamente 30 quadros (ou seja, 0,5 s de dados) para produzir uma única imagem de campo brilhante de alta qualidade para minimizar o efeito do ruído em qualquer quadro. A imagem de campo brilhante é usada para calcular a verdadeira densidade radiográfica ao longo do raio da fonte de raios-X para cada pixel de cada quadro de dados. A soma da densidade radiográfica de toda a matéria penetrada pelo raio de cada pixel é proporcional ao logaritmo do campo brilhante para esse pixel menos o logaritmo da imagem de observação para esse pixel (ou seja, processamento de log-sub).
    2. Executar correção de distorção: O software tem uma média de aproximadamente 30 quadros (ou seja, 0,5 segundo de dados) para produzir uma única imagem e reduz o efeito do ruído em qualquer imagem individual. O software de correção de distorção cria um mapa afim de cada triplo de posições de contas adjacentes na imagem da grade de distorção para a posição (verdadeira) conhecida dessas três contas na grade de correção de distorção Lucite. Esta coleção de pequenos mapas de afinidade é então usada para resampar cada quadro observado do ensaio de movimento nas coordenadas verdadeiras representadas pela matriz ortogonal de contas.
    3. Aplique correções de distorção e não uniformidade em todos os quadros de cada ensaio.
  4. Calibração do volume de imagem biplano.
    NOTA: A calibração da imagem foi realizada utilizando-se software proprietário. O software usa um algoritmo de otimização não linear para ajustar os locais de contas de objeto de calibração observados para seus locais 3D conhecidos. Este processo é conduzido para cada conjunto de imagens de calibração biplanar. O resultado é um sistema que pode projetar digitalmente duas visões de um volume ósseo e registrá-las contra imagens radiográficas do mesmo osso coletado durante a coleta de dados.
  5. Rastreamento sem marcador
    NOTA: O rastreamento sem marcador é realizado usando software proprietário. Softwares como Autoscoper e C-Motion também podem ser usados para completar esse processo.
    1. No primeiro quadro do ensaio de movimento, gire e traduza o DRR usando os controles de software até que pareça combinar bem com as imagens de raio-x biplano (Figura 6).
    2. Salve a solução manual.
    3. Aplique o algoritmo de otimização.
    4. Inspecione visualmente a solução determinada como ótima pelo algoritmo com base na solução manual inicial. Se necessário, ajuste a solução e repita as etapas 3.5.2-3.5.3 até que esteja satisfeito com a solução otimizada.
    5. Repetir as etapas 3.5.1-3.5.4 para cada 10º quadro em todo o ensaio de movimento.
      NOTA: Este intervalo depende de vários fatores, incluindo taxa de quadros, velocidade de movimento e qualidade de imagem. Podem ser necessários intervalos menores.
    6. Uma vez que cada 10º quadro seja rastreado, realize uma otimização para criar soluções preliminares interpoladas que são posteriormente otimizadas.
    7. Continue refinando as soluções até que todos os quadros do ensaio de movimento sejam bem rastreados.

4. Protocolo de análise de dados

NOTA: O software de rastreamento sem marcador proprietário usado neste protocolo resulta nas trajetórias brutas e filtradas dos marcos anatômicos que serão usados para construir sistemas de coordenadas anatômicas. Estas coordenadas são expressas em relação ao sistema de coordenadas laboratorial definido pelo objeto de calibração durante o procedimento de calibração. O protocolo a seguir descreve, em termos gerais, os procedimentos de cálculo de medidas de desfecho cinemática a partir dessas trajetórias de referência, de modo que possam ser computados em qualquer linguagem de programação (por exemplo, MATLAB). Um segundo software proprietário é usado para calcular estatísticas de cinemática e proximidade.

  1. Calcular estatísticas de cinemática e proximidade
    NOTA: As medidas primárias de desfecho cinemático incluem rotações articulares (ou seja, ângulos euler) e posições. As estatísticas primárias de proximidade incluem a diferença mínima, diferença média e centro de contato médio ponderado, que são calculados para cada quadro de dados. Coletivamente, essas medidas descrevem artrokinematics articulares, ou interações superficiais durante um movimento. As proximidades anatômicas que são agregadas ao longo do teste de movimento incluem o centro de contato médio, o caminho de contato e o comprimento do caminho de contato.
    1. Para cada osso e quadro de movimento, use as coordenadas de referência anatômicas filtradas (ou seja, saída do software de rastreamento sem marcador) para construir uma matriz de transformação de 16 elementos representando o sistema de coordenadas anatômicas do osso em relação ao sistema de coordenadas laboratorial.
    2. Calcule a cinemática relativa relacionando os sistemas de coordenadas anatômicas entre ossos relevantes usando o software.
    3. Extrair os ângulos e posições articulares usando métodos convencionais64. Dada a orientação dos sistemas de coordenadas anatômicas, extraia a cinemática glenohumeral usando uma sequência de rotação Z-X'-Y'' extrair a cinemática escárcula usando uma sequência de rotação Y-Z'-X'' e extrair a cinemática humerothoracica usando uma sequência de rotação Y-Z'-Y''
    4. Lacuna mínima: Calcular a menor lacuna (ou seja, distância) entre os centroides do triângulo vizinho mais próximo no osso oposto usando o software.
    5. Lacuna média: Calcule a média ponderada da área da lacuna mínima usando os triângulos que têm a menor lacuna para seu vizinho mais próximo dentro de uma área de medição especificada usando o software. Defina a área de medição como os triângulos mais próximos do osso oposto cujas áreas somam 200 mm2. Incorpore esta área de medição no cálculo para garantir que apenas a superfície que está razoavelmente próxima ao osso oposto esteja incluída no cálculo da lacuna média.
      NOTA: Os tamanhos da área de medição (ou seja, 200 mm2) foram selecionados durante o desenvolvimento inicial do algoritmo depois que foi encontrado para refletir consistentemente o espaço subacromial e as proximidades das articulações glenohumeral sem serem excessivamente tendenciosos de superfícies distantes. O uso desta medida para interações superficiais mais amplas (por exemplo, tibiofemoral) pode exigir uma área de medição maior.
    6. Centro de contato médio ponderado (ou seja, centroid): Calcule o ponto na superfície do ROI que minimiza a distância ponderada para todos os outros triângulos dentro da área de medição (ou seja, triângulos mais próximos do osso oposto cujas áreas somam 200 mm2) utilizando o software. O fator de ponderação para cada triângulo na área de medição é calculado como: área de triângulo / distância quadrada ao centroide vizinho mais próximo (ou seja, ponderação quadrada inversa). Dessa forma, os triângulos que são ponderados mais fortemente são maiores (por um fator de 1) e mais próximos do osso oposto (por um fator da distância mínima quadrada).
    7. Centro de contato médio: Calcule a posição média da central de contato (ou seja, centroid) durante o teste de movimento usando o software. Dado que os centros de contato representam artrocráticas conjuntas, o centro de contato médio representa o centro das interações superficiais durante um movimento.
    8. Caminho de contato: Defina conectando as coordenadas do contact center médio ponderado através do teste de movimento usando o software.
    9. Comprimento do caminho de contato: Calcule o comprimento do caminho de contato através do teste de movimento usando o software.

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Resultados

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Uma mulher assintomática de 52 anos (IMC = 23,6 kg/m2) foi recrutada como parte de uma investigação anterior e submetida a testes de movimento (abdução de avião coronal) em seu ombro dominante (direita)65. Antes da coleta de dados, o participante forneceu consentimento por escrito. A investigação foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional do Sistema de Saúde Henry Ford. A coleta de dados foi realizada utilizando-se o protocolo descrito anteriormente (Figura...

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Discussão

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A técnica descrita aqui supera várias desvantagens associadas às técnicas convencionais de avaliação do movimento do ombro (ou seja, simulações cadavéricas, imagens 2D, imagem 3D estática, sistemas de captura de movimento baseados em vídeo, sensores vestíveis, etc.) fornecendo medidas precisas de movimento articular 3D durante atividades dinâmicas. A precisão do protocolo aqui descrito foi estabelecida para que a articulação glenohumeral contra o padrão ouro de análise radiotereométrica (RSA) seja ±0,5° e ±0,4

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Divulgações

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Os autores não têm conflitos de interesse.

Agradecimentos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

A pesquisa relatada nesta publicação contou com o apoio do Instituto Nacional de Artrite e Doenças Musculoesqueléticos e de Pele sob o prêmio número R01AR051912. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais dos Institutos Nacionais de Saúde (NIH).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Cubo de calibraçãoCaixa de/ Acom uma conta de tântalo em cada canto e quatro contas adicionais no meio da caixa ' s bordas verticais (12 contas no total). As posições de cada conta são conhecidas com precisão em relação a um canto da caixa que serve como origem do sistema de coordenadas do laboratório.
Grade de correção de distorçãoFolha deN / Acobre toda a face do intensificador de imagem de 16 polegadas e contém uma matriz ortogonal de contas de tântalo espaçadas em 1 cm.
ImageJNational Institutes of HealthN/ASoftware de processamento de imagem usado para preparar a pilha TIFF de volumes ósseos.
Bancada de trabalho de rastreamento sem marcadorespersonalizada, software internoN/AUma bancada de software personalizado usada para digitalizar marcos anatômicos em modelos ósseos 3D, constrói sistemas de coordenadas anatômicas, usa registro de imagem baseado em intensidade para realizar rastreamento sem marcadores e calcula e visualiza medidas de resultados cinemáticos.
MATLABMathworks, IncN/ASoftware de programação de computadores. Para usado para realizar processamento e análise de dados.
Mimics (versão 20)Materialise, IncN/ASoftware de processamento de imagem usado para segmentar úmero, escápula e costelas a partir de tomografia computadorizada.
Abra o InventorThermo Fisher ScientificN/APrograma gráfico 3D usado para visualizar ossos
Software Phantom Camera Control (PCC) (versão 3.4)N/ASoftware para especificar parâmetros da câmera e adquirir e salvar imagens radiográficas
Gerador de pulso (Modelo 9514)Quantum Composers, Inc.N/ASincroniza os sistemas de raios X e câmeras e especifica o tempo de exposição
Dois geradores de raios X pulsados de 100 kW (Modelo CPX 3100CV)EMD TechnologiesN/AGera os raios X usados para produzir imagens radiográficas
Dois intensificadores de imagem de 40 cm (Modelo P9447H110)North American ImagingN/AConverte raios X em fótons para produzir imagem visível
Duas câmeras Phantom VEO 340Vision ResearchN/AAs câmeras de alta velocidade registram a imagem visível criada pelo sistema de raios-x
Lucite de 10 cm N interna Lucite interna construída que

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