Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

قياس 3D في الجسم الحي الكتف الحركية باستخدام ثنائية الكواكب فيديو راديوجرافي

Published: March 12, 2021 doi: 10.3791/62210
Automatic Translation
1, 1, 1
1Bone and Joint Center, Department of Orthopaedic Surgery, Henry Ford Health System

Summary

يمكن التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي السطح تحديد حركة الكتف بدرجة عالية من الدقة. تم تصميم البروتوكول الموصوف هنا خصيصا لتتبع الكتف وعظم العضد والأضلاع أثناء ارتفاع عظم العضد المخطط ، ويحدد إجراءات جمع البيانات ومعالجتها وتحليلها. كما يتم وصف الاعتبارات الفريدة لجمع البيانات.

Abstract

الكتف هو واحد من أنظمة المفاصل الأكثر تعقيدا في جسم الإنسان، مع الحركة التي تحدث من خلال الإجراءات المنسقة من أربعة مفاصل فردية، أربطة متعددة، وحوالي 20 عضلة. لسوء الحظ ، أمراض الكتف (على سبيل المثال ، دموع الكفة الدوارة ، خلع المفاصل ، التهاب المفاصل) شائعة ، مما يؤدي إلى ألم كبير ، وإعاقة ، وانخفاض نوعية الحياة. لم يتم فهم المسببات المحددة للعديد من هذه الحالات المرضية بشكل كامل ، ولكن من المقبول بشكل عام أن أمراض الكتف غالبا ما ترتبط بالحركة المشتركة المتغيرة. لسوء الحظ، قياس حركة الكتف مع المستوى اللازم من الدقة للتحقيق في الفرضيات القائمة على الحركة ليست تافهة. ومع ذلك، وفرت تقنيات قياس الحركة القائمة على التصوير الإشعاعي التقدم اللازم للتحقيق في الفرضيات القائمة على الحركة وتوفير فهم ميكانيكي لوظيفة الكتف. وبالتالي ، فإن الغرض من هذه المقالة هو وصف النهج لقياس حركة الكتف باستخدام نظام فيديو راديوجرافي ثنائي الكواكب مخصص. الأهداف المحددة لهذه المادة هي لوصف بروتوكولات للحصول على صور ثنائية الكواكب videoradiographic من مجمع الكتف، والحصول على الأشعة المقطعية، وتطوير نماذج العظام 3D، وتحديد المعالم التشريحية، وتتبع موقف واتجاه عظم العضد، الكتف، والجذع من الصور الشعاعية ثنائية الكواكب، وحساب مقاييس النتيجة الحركية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المادة تصف اعتبارات خاصة فريدة من نوعها على الكتف عند قياس الحركية المشتركة باستخدام هذا النهج.

Introduction

الكتف هو واحد من أنظمة المفاصل الأكثر تعقيدا في جسم الإنسان، مع الحركة التي تحدث من خلال الإجراءات المنسقة من أربعة مفاصل فردية، أربطة متعددة، وحوالي 20 عضلة. الكتف لديه أيضا أكبر مجموعة من الحركة من المفاصل الرئيسية في الجسم وغالبا ما يوصف بأنه حل وسط بين التنقل والاستقرار. لسوء الحظ ، أمراض الكتف شائعة ، مما يؤدي إلى ألم كبير ، وإعاقة ، وانخفاض نوعية الحياة. على سبيل المثال، تؤثر دموع الكفة الدوارة على حوالي 40٪ من السكان فوق سن 601،2،3 ، مع إجراء حوالي 250،000 إصلاح الكفة الدوارة سنويا4 ، ويقدر العبء الاقتصادي من 3-5 مليارات دولار سنويا في الولايات المتحدة5. بالإضافة إلى ذلك، خلع الكتف شائعة وغالبا ما ترتبط مع الخلل الوظيفي المزمن6. وأخيرا، جلينوهوميرال هشاشة العظام المشتركة (OA) هو مشكلة سريرية كبيرة أخرى تنطوي على الكتف، مع الدراسات السكانية تشير إلى أن ما يقرب من 15٪ -20٪ من البالغين فوق سن 65 لديهم أدلة إشعاعية من جلينوهوميلال OA7،8. هذه الشروط مؤلمة، تضعف مستويات النشاط، وتقلل من جودة الحياة.

على الرغم من أن مسببات الأمراض في هذه الحالات غير مفهومة تماما ، إلا أنه من المقبول عموما أن حركة الكتف المتغيرة ترتبط بالعديد من أمراض الكتف9،10،11. على وجه التحديد ، قد تساهم حركة المفاصل غير الطبيعية في علم الأمراض9،12 ، أو أن علم الأمراض قد يؤدي إلى حركة مشتركة غير طبيعية13،14. العلاقات بين الحركة المشتركة وعلم الأمراض معقدة على الأرجح ، وقد تكون التعديلات الدقيقة في حركة المفاصل مهمة في الكتف. على سبيل المثال ، على الرغم من أن الحركة الزاوي هو الحركة السائدة التي تحدث في المفصل جلينوهوميرال ، تحدث أيضا ترجمات مشتركة أثناء حركة الكتف. وفي الظروف العادية، لا تتجاوز هذه الترجمات على الأرجح عدة ملليمترات15,16,17,18,19، وبالتالي قد تكون أقل من مستوى الدقة في الجسم الحي لبعض تقنيات القياس. في حين أنه قد يكون من المغري أن نفترض أن الانحرافات الصغيرة في حركة المفاصل قد يكون لها تأثير سريري ضئيل، من المهم أيضا أن ندرك أن التأثير التراكمي للانحرافات خفية على مدى سنوات من نشاط الكتف قد تتجاوز عتبة الفرد لشفاء الأنسجة وإصلاحها. وعلاوة على ذلك، فإن القوات الحية في المفصل الغلينوموري ليست غير ذات أهمية. باستخدام مخصص يزرع المفاصل glenohumeral، وقد أظهرت الدراسات السابقة أن رفع وزن 2 كجم إلى طول الرأس مع ذراع ممدودة يمكن أن يؤدي إلى قوات مشتركة glenohumeral التي يمكن أن تتراوح بين 70٪ إلى 238٪ من وزن الجسم20،21،22. وبالتالي ، فإن الجمع بين التغيرات الطفيفة في الحركة المشتركة والقوى العالية المركزة على مساحة السطح الصغيرة الحاملة للجلينويد قد يساهم في تطوير أمراض الكتف التنكسية.

تاريخيا، تم إنجاز قياس حركة الكتف من خلال مجموعة متنوعة من النهج التجريبية. وشملت هذه النهج استخدام نظم اختبار الجثث المعقدة المصممة لمحاكاة حركة الكتف23,24,25,26,27, نظم التقاط الحركة القائمة على الفيديو مع علامات سطحية28,29,31, أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية المثبتة على السطح32,33,34,35 ، دبابيس العظام مع علامات عاكسة أو غيرها من أجهزة الاستشعار المرفقة36,37,38, ثابت التصوير الطبي ثنائي الأبعاد (أي التنظير الفلوري39,40,41 والتصوير الإشعاعي17,42,43,44,45), ثابت ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير الطبي باستخدام MRI46,47, التصوير المقطعي المحوسب48، ودينامية، 3D طائرة واحدة التصوير بالمنظار 49،50،51. وفي الآونة الأخيرة، اكتسبت أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء (مثل وحدات قياس القصور الذاتي) شعبية لقياس حركة الكتف خارج إطار المختبر وفي ظروف العيش الحر52,53,54,55,56,57.

في السنوات الأخيرة، كان هناك انتشار للأنظمة الإشعاعية ثنائية السطح أو الفلوروسكوبية المصممة لقياس الحركات الديناميكية ثلاثية الأبعاد في الجسم الحي بدقة للكتف58,59,60,61,62. الغرض من هذه المقالة هو وصف نهج المؤلفين لقياس حركة الكتف باستخدام نظام فيديو راديوجرافي ثنائي الكواكب مخصص. الأهداف المحددة لهذه المادة هي لوصف بروتوكولات للحصول على صور ثنائية الكواكب videoradiographic من مجمع الكتف، والحصول على الأشعة المقطعية، وتطوير نماذج العظام 3D، وتحديد المعالم التشريحية، وتتبع موقف واتجاه عظم العضد، الكتف، والجذع من الصور الشعاعية ثنائية الكواكب، وحساب مقاييس النتائج الحركية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

وقبل جمع البيانات، قدم المشارك موافقة خطية مستنيرة. تمت الموافقة على التحقيق من قبل مجلس المراجعة المؤسسية للنظام الصحي هنري فورد.

تعتمد بروتوكولات الحصول على بيانات الحركة الإشعاعية ثنائية السطح ومعالجتها وتحليلها اعتمادا كبيرا على أنظمة التصوير وبرامج معالجة البيانات ومقاييس النتائج ذات الاهتمام. تم تصميم البروتوكول التالي خصيصا لتتبع الكتف ، عظم العضد ، والأضلاع الثالثة والرابعة أثناء اختطاف الطائرة الكتفية أو التاجية الطائرة وتحديد glenohumeral ، scapulothoracic ، والحركية humerothoracic.

1. بروتوكول التصوير المقطعي

  1. اطلب من المشارك أن يرقد على طاولة الفحص المقطعي وذراعيه على جانبيه. اعتمادا على حجم المشارك، ضعهم خارج المركز على الطاولة بحيث يتوفر الجذع الهيمي بأكمله للتصوير.
  2. للحصول على الصور الكشفية ، يضمن التقني أن مجال الرؤية المقطعي يتضمن الترقوة (بشكل متفوق) ، و epicondyles العضدية البعيدة (بشكل أدنى) ، والمفصل الكلنيوهوميرالي بأكمله (أفقيا) ، والمفاصل costovertebral والعظمية (medially) (الشكل 1).
  3. الحصول على التصوير المقطعي المحوسب مع المعلمات التالية: وضع المسح الضوئي = helical; أنبوب الجهد = 120 كيلو فولت؛ أنبوب الحالية: 200-400 م أ (السيارات)؛ سمك الشريحة = 0.66 مم؛ FOV = 34 سم.
  4. تحقق من جودة المسح وحقل الرؤية.
  5. إعادة تهيئة اقتناء باستخدام حجم مصفوفة صورة من 512 × 512 بكسل. ونظرا لسمك شريحة وFOV, نتائج الاستحواذ في تباعد voxel متساوي الخواص من حوالي 0.66 مم.
  6. تصدير الصور في شكل DICOM.

2. بروتوكول التقاط الحركة بالأشعة السينية ثنائية السطح

ملاحظة: يتم وصف نظام الأشعة السينية ثنائية السطح المخصصة المستخدمة في هذا البروتوكول في جدول المواد. من المرجح أن تختلف إجراءات جمع البيانات باختلاف مكونات النظام. يطلق على أنظمة الأشعة السينية بشكل تعسفي "الأخضر" و"الأحمر" للتمييز بين الإجراءات وتسلسلات الصور الناتجة، ويتم وضعها بزاوية شعاعية بين 50 درجة تقريبا ومسافة من مصدر إلى صورة (SID) تبلغ حوالي 183 سم (الشكل 2). ويلزم وجود اثنين على الأقل من موظفي البحوث لجمع البيانات؛ واحد لتشغيل نظام الأشعة السينية والكمبيوتر، والآخر لإرشاد المشارك في البحث.

  1. إعداد برامج الكاميرا
    1. تعيين فتحة الكاميرا إلى الإعداد الافتراضي (f/5.6).
      ملاحظة: تعتمد هذه القيمة على عدة عوامل، بما في ذلك الكاميرا ووقت التعرض وISO وقياسات الإنسان للمشاركين.
    2. افتح برنامج الكاميرا وحمل بروتوكول الدراسة على كل كاميرا (معدل أخذ العينات: 60 هرتز، وقت التعرض: 1100 ميكروس).
      ملاحظة: قد يختلف وقت التعرض للكاميرا وفقا لعدة عوامل، بما في ذلك الكاميرا، وإعداد الفتحة، والتعرض الإشعاعي.
  2. نظام الاحماء
    ملاحظة: قد يتلف أنود أنبوب الأشعة السينية إذا تم إنتاج التعرضات عالية الطاقة عندما يكون الجو باردا. لذلك ، يجب تسخين الأنابيب من خلال سلسلة من التعرض منخفض الطاقة استنادا إلى توصيات الشركة المصنعة.
    1. على كل من لوحات التحكم في مولد الأشعة السينية، حدد إعداد الأوعية الدموية . تنتج إعدادات الأوعية الدموية المبرمجة مسبقا التعرض المنخفض للطاقة المناسب لإحماء النظام (لكل مصنع للنظام).
    2. تعيين وقت التعرض على مولد النبض إلى 0.25 s.
    3. على لوحات التحكم في مولد الأشعة السينية، اضغط باستمرار على أزرار PREP . يظهر تأخير التحضير على الشاشة.
    4. بمجرد قراءة كل من الشاشات جاهزة للكشف، اضغط مع الاستمرار على أزرار EXPO في وقت واحد.
      ملاحظة: هذا لن ينتج الأشعة السينية، ولكن الأسلحة فقط النظام. لا يحدث إنتاج الأشعة السينية إلا عن طريق خفض دواسة القدم أو المشغلات اليدوية.
    5. خفض الإعدادية وفضح أزرار على كل من لوحات التحكم، والاكتئاب في وقت واحد وعقد دواسة القدم (أو باليد) لتشغيل مولد الأشعة السينية لإنتاج الأشعة السينية.
      ملاحظة: يتم إنتاج الأشعة السينية للمدة المحددة بواسطة مولد النبض (الخطوة 2.3.2) أو حتى يتم تحرير الدواسة، أيهما يحدث أولا.
    6. كرر الخطوات 2.2.2-2.2.5 حتى تتجاوز وحدة الحرارة في أنبوب الأشعة السينية (HU) المستوى المطلوب من قبل الشركة المصنعة للحصول على الصور (5٪ HU لنظامنا).
  3. تحقق من مزامنة الكاميرا وتركيز الصورة.
    ملاحظة: تحقق من مزامنة الكاميرا وتركيزها من خلال الحصول على مجموعة من صور الاختبار لشبكة تصحيح التشوه (انظر جدول المواد). سيتم اختبار كل مكثف للصورة بشكل فردي باستخدام الخطوات الموضحة أدناه.
    1. ضع شبكة تصحيح التشويه على الصورة المكثفة.
    2. على كل من لوحات التحكم في مولد الأشعة السينية، حدد إعداد القلب ، الذي تتم برمجته على تقنية التصوير الشعاعي الافتراضية (70 كيلو في ب، 320 م أ، 2 مللي ثانية، وبقعة بؤرية = 1.0 مم).
      ملاحظة: تظل إعدادات الكاميرا دون تغيير (معدل أخذ العينات: 60 هرتز، وقت التعرض: 1100 ميكروس).
    3. تعيين مولد النبض إلى 0.25 s.
    4. بدء اقتناء الكاميرا من خلال برنامج الكاميرا والحصول على صور الأشعة السينية كما هو موضح سابقا في الخطوات 2.2.3-2.2.5.
    5. معاينة الصور الناتجة وتحديد الوقت المنقضي من نبض المشغل لكل نظام. إذا كان الفرق في الوقت المنقضي بين الكاميرات أكثر من 2 ميكروس، حدد الكاميرا التي يتم إطلاقها في وقت متأخر وحدد تأخير الإطار في برنامج الكاميرا لحل المشكلة.
    6. فحص بصريا حدة الصورة للتحقق من تركيز الكاميرا. للتقييم الموضوعي، قم بتحليل خط ملف تعريف مرسوم عبر حبة داخل شبكة تصحيح التشويه باستخدام برنامج معالجة الصور (على سبيل المثال، ImageJ). وبوجه خاص، فحص المنحدر من القيم الرمادية بكسل على طول خط التشكيل الجانبي هذا. يضمن الميل الأكثر سلبية صورة أكثر وضوحا (على افتراض أن الصورة الشعاعية مقلوبة بحيث تكون الخرزة داكنة). إذا لزم الأمر، أعد تركيز الكاميرات وكرر الخطوات 2.3.3-2.3.6.
  4. إعداد المشاركين في البحث وتحديد المواقع
    ملاحظة: يعتمد تحديد موضع المشارك البحثي بشكل كبير على العظام التي يتم تعقبها والحركة التي يتم اختبارها. عادة ما يتم إجراء الاختبار مع مشارك البحث الجالس على كرسي ثابت (أي ليس دوارا أو بعجلات) لتقليل احتمال حدوث تغييرات في موضعه قد تتسبب في تحرك الكتف خارج حجم التصوير ثلاثي الأبعاد.
    1. ضع الكرسي في حجم التصوير ثنائي السطح بحيث يتم توسيط الكتف الذي سيتم اختباره تقريبا حيث تتقاطع أشعة x-ray ذات السطحين. هذا موقف أولي. اضبطه استنادا إلى القياسات البشرية للمشارك والحركة التي سيتم اختبارها والعظام التي سيتم تعقبها.
    2. اطلب من المشارك أن يجلس في وضع مستقيم مريح مع وضع الذراعين إلى جانبه.
    3. تأمين سترة واقية مبطنة بالرصاص عبر جذع المشارك لتغطية بطنهم والكتف والصدر المقابلة.
    4. تعيين الارتفاع الأولي للمكثفات الصورة. للمساعدة في إبلاغ هذا الإجراء، قم بتشغيل الضوء داخل مصدر الأشعة السينية للنظام. رفع النظام حتى يلقي ظل المشارك على تكثيف الصورة هو على مستوى axilla بهم.
      ملاحظة: يتم اقتران مصدر الصورة المكثف داخل كل نظام للتحرك معا. تتطلب الأنظمة غير المتوازجة خطوات محاذاة إضافية غير موضحة هنا.
    5. إنشاء الارتفاع الأولي للمكثفات الصورة. نقل بلطف المشارك على كرسيهم داخل حجم الصورة ذات السطحين أثناء مشاهدة ظلهم يلقي على كل صورة مكثف.
      ملاحظة: تخمين أولي جيد هو أن يكون المشارك في وضع بحيث يكون المفصل البهلواني المحيطي تقريبا في مركز كل من المكثفات الصورة. هذا الموقف هو تخمين أولي معقول للبروتوكول الحالي ، والذي يتطلب تصور وتتبع عظم العضد ، الكتف ، وضلعين أثناء ارتفاع الكتف.
    6. بمجرد أن يبدو موقف المشارك معقولا في كلا النظامين ، احتفظ بمصدر الضوء واطلب من المشارك إجراء الحركة ليتم اختبارها. تأكد من بقاء كتف المشارك في مجال الرؤية الإشعاعية خلال محاكمة الطلب بأكملها. إذا كان ذلك ممكنا، collimate أشعة سينية الحزم للحد من التعرض.
    7. كرر الخطوات 2.4.5-2.4.6 حتى يظهر أن إعداد المشارك داخل وحدة تخزين الصورة مناسب.
    8. الباحث رقم 1: العودة إلى غرفة التحكم لتشغيل لوحات التحكم بالأشعة السينية والكاميرات. تعيين لوحة التحكم بالأشعة السينية إلى وضع تنظير الفلور منخفضة الطاقة (60 كيلو في ب، 3-4 مأ) ومولد النبض إلى اكتساب 0.25 ق.
    9. الباحث رقم 2: اشرح للمشارك أنه سيتم التقاط صورة حتى يمكن التحقق من موقعه في الصور ووصف سلسلة الأحداث التي ستحدث. تحذير المشارك من الأصوات التي يصدرها النظام (مثل النقرات والطنينات) لمنع أي مخاوف. دون سترة واقية مبطنة بالرصاص، واسترداد الزناد باليد، والتحرك بعيدا عن مصادر الأشعة السينية قدر الإمكان للحد من التعرض مع الحفاظ على خط واضح من البصر والاتصال مع المشارك. إذا كان ذلك ممكنا، والوقوف وراء درع الرصاص مبطنة مع نافذة.
    10. الباحث رقم 1 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): شغل الكاميرات واضبط لوحة التحكم بالأشعة السينية كما هو موضح سابقا (الخطوات 2.2.3-2.2.5). عندما يكون النظام جاهزا للكشف، قم بإخطار الباحث رقم 2.
    11. الباحث رقم 2 (في المختبر): الإشارة إلى المشارك حول الحصول على الصورة. قم بتشغيل الحصول على الصورة الشعاعية باستخدام المشغل البعيد باليد. أبلغ المشارك أنه تم التقاط صورة وعذر نفسك إلى غرفة التحكم.
    12. الباحث رقم 1 ورقم 2 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): تفقد الصور. التركيز فقط على موقف المشارك ورؤية جميع العظام التي سيتم تعقبها. كرر الخطوات 2.4.5-2.4.12 حتى يصبح موقف المشارك مرضيا إذا لزم الأمر.
    13. بمجرد إنشاء نظام الأشعة السينية وتحديد موقعه، لا تحرك نظام الأشعة السينية أثناء جلسة جمع البيانات ما لم يتم جمع صور جديدة للمعايرة وتصحيح التشويه لكل تكوين. أيضا، إرشاد المشارك إلى نقل أقل قدر ممكن لمدة جلسة عمل تجميع البيانات لتجنب الحاجة إلى تكرار إجراءات الإعداد.
  5. جمع البيانات: الحصول على صورة ثابتة
    1. الباحث رقم 1 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): تعيين تقنية التصوير الشعاعي الأمثل على لوحة التحكم بالأشعة السينية (استنادا إلى الاختبار الأولي). البروتوكول الإشعاعي المستخدم هنا هو 70 كيلو في ب و 320 ميجا و 2 مللي ثانية و نقطة محورية = 1.0 مم، مع الكاميرا التي تجمع في 60 هرتز ووقت التعرض 1100 ميكرومتر. تعيين مولد النبض إلى 0.25 s.
      ملاحظة: إعلام المشارك أن الصورة التالية ستكون الحصول على صورة رسمية.
    2. الباحث رقم 2 (في المختبر): أبلغ المشارك بالجلوس منتصبا وذراعه يستريح إلى جانبه.
    3. الحصول على صورة كما هو موضح سابقا (الخطوات 2.4.8-2.4.11).
    4. الباحثون رقم 1 ورقم 2 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): تفقد الصور. التركيز على جودة الصورة (أي السطوع والتباين) ورؤية جميع العظام اللازمة. إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات على جودة الصورة، حدد المعلمة التي سيتم تعديلها (أي وقف f، وقت التعرض للكاميرا، kVp، mA) وإعادة استحضار الصورة الثابتة.
      ملاحظة: من المهم أن تضع في اعتبارها دائما كيف تتأثر الجرعة بالمعلمات الإشعاعية.
    5. كرر الخطوات 2.5.1-2.5.4 حتى تكون جودة الصورة مقبولة، ضمن تقديرات الجرعة المعتمدة من قبل IRB.
    6. بمجرد أن تكون جودة الصورة مقبولة، قم بفحص الصور بحثا عن الجودة التقنية (على سبيل المثال، الإطارات الفاسدة).
    7. بعد الحصول على صورة تجريبية ثابتة مقبولة، احفظ التجربة من كل كاميرا (على سبيل المثال، "green_still.cine"، "red_still.cine").
  6. جمع البيانات: الحصول على صورة ديناميكية
    1. الباحث رقم 1 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): حافظ على نفس المعلمات الشعاعية من صورة التجربة الثابتة. تعيين مولد النبض إلى التعرض 2.0 s.
    2. الباحث رقم 2 (في المختبر): علم المشارك الحركة التي سيتم تنفيذها، بما في ذلك مستوى وتوقيت الحركة. تحقق من أن الكرسي وملابس المشارك و/أو السترة المبطنة بالرصاص لا تتداخل مع حركة الكتف. ممارسة محاكمة الطلب مع المشارك. استخدم الإشارة اللفظية "جاهز... و... الذهاب" يسير بخطى بحيث يستغرق 2 ق (أي مدة المحاكمة الاقتراح) لمساعدة المشارك وتيرة بدء واستكمال الاقتراح.
      ملاحظة: من المهم أن يفهم المشارك الإجراءات وأن يتمكن باستمرار من إجراء تجربة الطلب لتجنب التعرض غير الضروري المرتبط بتجربة فاشلة.
    3. الباحث رقم 2 (في المختبر): بعد ممارسة كافية، استرجع الزناد عن بعد باليد. الانتقال إلى مكان آمن في المختبر مع خط واضح من البصر والتواصل مع المشارك في البحث.
    4. الباحث رقم 1 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): أعد ضبط مولد النبض إلى 2.0 s، وابدأ تشغيل الكاميرات، واضبط لوحة التحكم بالأشعة السينية كما هو موضح سابقا (الخطوات 2.3.4-2.3.5). عندما يكون النظام جاهزا للكشف، قم بإخطار الباحث رقم 2.
    5. الباحث رقم 2 (في المختبر): اسأل المشارك في البحث، "هل أنت مستعد؟" [انتظر الرد الإيجابي] "جاهز... و... اذهب. (يسير بخطى، كما كان من قبل، بحيث يستغرق 2 ق).
    6. الباحث رقم 2 (في المختبر): تشغيل نظام الأشعة السينية يدويا عندما يبدأ المشارك حركة الذراع.
      ملاحظة: على الرغم من أن التشغيل اليدوي استنادا إلى مخاطر الحركة البصرية يغفل بداية تجربة الحركة ، إلا أنه يمنع الإفراط في تعريض المشارك البحثي في حالة سوء الاتصال أو تأخر البدء.). بمجرد الانتهاء من التجربة، أبلغ المشارك أنه تم التقاط صورة وأعذر نفسك إلى غرفة التحكم لفحص الصور.
    7. الباحثون رقم 1 و2 (في غرفة التحكم بالأشعة السينية): فحص الصور التجريبية للتأكد من جودتها (أي السطوع والتباين) والحالة الفنية (أي أي إطارات تالفة) (الشكل 3). حفظ المحاكمات الحركة من كل كاميرا (على سبيل المثال، "green_scapab1.cine"، "red_scapab1.cine").
    8. كرر الخطوات 2.6.1-2.6.7 لجمع جميع تجارب الحركة ضمن بروتوكول السلامة الإشعاعية المعتمد.
  7. جمع صور المعايرة
    ملاحظة: تؤدي معايرة الصور الإشعاعية إلى تعريف نظام الإحداثيات المختبرية، وموقع واتجاه كل نظام إشعاعي بالأشعة السينية بالنسبة لنظام الإحداثيات المختبرية، والمعلمات الجوهرية التي تسمح بتوليد الصور الإشعاعية المعاد بناؤها رقميا، والتي تستخدم في عملية التتبع بدون علامات. يتم وصف حسابات المعايرة في الخطوة 3.4.1.
    1. الاحتفاظ بنفس إعدادات الكاميرا وإعدادات التقنية الإشعاعية المستخدمة أثناء جمع البيانات.
    2. تعيين مولد النبض إلى التعرض 0.5 s.
    3. ضع مكعب المعايرة (انظر جدول المواد) في منتصف حجم التصوير.
    4. الحصول على وحفظ الصور المكعب (على سبيل المثال، "green_cube.cine"، "red_cube.cine").
  8. جمع الصور لتصحيح التشويه وتصحيح عدم الامتثال.
    ملاحظة: تتأثر الصورة الشعاعية التي يتم جمعها باستخدام مكثف الصورة بالكثافة وعدم التوافق63 والتشويه. ونتيجة لذلك، يتم الحصول على صور لحقل أبيض وشبكة تصحيح التشويه على كل نظام إشعاعي لتحديد التصحيحات اللازمة. من الحكمة عموما جمع صور المعايرة قبل التشويه وصور تصحيح عدم الامتثال في حالة ارتطام مكثفات الصور أثناء وضع شبكة التشويه.
    1. إزالة كافة الكائنات من حقل الرؤية الإشعاعية.
    2. الاحتفاظ بنفس إعدادات الكاميرا وإعدادات التقنية الإشعاعية المستخدمة أثناء جمع البيانات. تعيين مولد النبض إلى التعرض 0.5 s.
    3. إرفاق شبكة تصحيح التشويه (انظر جدول المواد) إلى سطح مكثف الصورة الخضراء.
    4. الحصول على الشبكة والصور الحقل الأبيض.
    5. حفظ الصور (على سبيل المثال، "green_grid.cine"، "red_white.cine").
    6. نقل الشبكة إلى الصورة الحمراء المكثفة وكرر الخطوات 2.7.2-2.7.5، تعديل أسماء ملفات الصور، حسب الاقتضاء.

3. بروتوكول معالجة البيانات

ملاحظة: إجراءات إعداد الهندسة العظمية، ومعالجة الصورة قبل (أي، التشويه وتصحيح غير التوحيد ومعايرة الصورة)، وتتبع بدون علامات متغيرة للغاية وتعتمد على البرامج المستخدمة. الإجراءات المذكورة هنا محددة للبرامج المسجلة الملكية. ومع ذلك، من المحتمل أن تكون خطوات معالجة البيانات الرئيسية قابلة للترجمة إلى أي حزمة برامج التقاط الحركة بالأشعة السينية.

  1. معالجة التصوير المقطعي المحوسب
    ملاحظة: يعمل برنامج التتبع بدون علامات الخاص المستخدم من قبل مختبر المؤلفين على تحسين موضع واتجاه DRR. لذلك، ينتج إجراءات معالجة الأشعة المقطعية في إنشاء مكدس صورة TIFF 16 بت. قد تتطلب حزم البرامج الأخرى تمثيل الهندسة العظمية في أشكال أو مواصفات مختلفة.
    1. افتح برنامج معالجة الصور (على سبيل المثال، Mimics, FIJI) واستورد الصور المقطعية.
    2. قطع عظم العضد من الأنسجة الرخوة المحيطة بها. للأضلاع، إنشاء ملحق يربط الجانب الأمامي من الضلع إلى manubrium لرقمنة المفصل sternocostal في وقت لاحق في الخطوة 3.2.6.
    3. قم بإجراء عملية منطقية على القناع النهائي باستخدام قناع أسود (أي أن جميع وحدات البكسل باللون الأسود) (العملية: أسود ناقص العظم). وهذا يؤدي إلى قناع مقلوب للعظم حيث تكون جميع وحدات البكسل سوداء باستثناء تلك المقابلة للعظم ، والتي تبقى في تدرج رمادي CT.
    4. قم بقص مكدس الصور على طول المحاور الثلاثة للقضاء على وحدات البكسل السوداء (أي غير العظمية). اترك بعض البيكسلات السوداء على حواف مربع الضم ثلاثي الأبعاد هذا.
    5. حفظ مكدس الصور المعدلة بتنسيق TIFF.
    6. كرر الخطوات 3.1.1-3.1.5 لجميع العظام المتبقية.
  2. تحديد نظم الإحداثيات التشريحية والمناطق ذات الاهتمام (ROIs)
    ملاحظة: يوجه هذا البروتوكول أنظمة الإحداثيات التشريحية كما يلي. بالنسبة للكتف الأيمن، يتم توجيه محور +X أفقيا، ويتم توجيه محور +Y بشكل فائق، ويتم توجيه محور +Z بشكل خلفي. بالنسبة إلى الكتف الأيسر، يتم توجيه محور +X أفقيا، ويتم توجيه محور +Y بشكل فائق، ويتم توجيه محور +Z بشكل مسبق.
    1. استيراد مكدس صورة TIFF العظام ليتم معالجتها. تحويل مكدس TIFF إلى . RAW وتقديم نموذج العظام 3D على أساس أبعاد بكسل المعروفة وتباعد الصور باستخدام البرمجيات الملكية.
      ملاحظة: تستند دقة النموذج إلى أخذ عينات وحدة تخزين CT (أي تباعد voxel). وبالتالي، فإن متوسط مساحة مثلثات الشبكة هو حوالي 1.02 مم2 (±0.2 مم2) (الخطوة 1.3).
    2. رقمنة المعالم التشريحية على عظم العضد على النحو التالي (الشكل 4A).
      1. المركز الهندسي لرأس العضد: حدد أبعاد وموضع الكرة التي تقلل من المسافة بين سطح الكرة وسطح المفصل العضدي باستخدام خوارزمية أقل مربعات. حدد المركز الهندسي لرأس العضد كإحداثيات مركز الكرة المحسنة.
      2. الأوساط و epicondyles الجانبية: تقع في أوسع قسم من عظم العضد البعيدة.
    3. تعريف العائد على الاستثمار الرأس العضدي على النحو التالي (الشكل 5A).
      1. كامل سطح المفصل العضدي ودرنة أكبر.
    4. رقمنة المعالم التشريحية على الكتف على النحو التالي (الشكل 4B).
      1. جذر العمود الفقري الكتفي: يقع على الحدود الوسيطة على طول العمود الفقري الكتفي.
      2. المفصل الخلفي للغلاف الأكرومي: يقع في الجانب الخلفي من الوجه السلافي على الacromion الكتفي.
      3. زاوية أدنى: تقع في أدنى نقطة على الكتف.
    5. تعريف ROIs الكتفي كما يلي (الشكل 5B).
      1. أكروميون: تحت سطح السطح من الجانبي أكروميون إلى العمود الفقري للكتف.
      2. جلينويد: السطح المفصلي بأكمله للجلينويد.
    6. رقمنة المعالم التشريحية على الأضلاع على النحو التالي (الشكل 4C).
      1. الضلع الأمامي: يقع في الجزء الأكثر توسطا من امتداد الضلع.
      2. الضلع الخلفي: يقع في نقطة الوسط العليا / السفلية للجانب الخلفي من الوجه على رأس الضلع.
      3. الضلع الجانبي: يقع في الجانب الجانبي للضلع عندما يتم محاذاة نقاط الضلع الأمامي والخلفي عموديا على الشاشة.
  3. معالجة الصور مسبقا
    ملاحظة: يتم تنفيذ معالجة الصور المسبقة باستخدام برامج خاصة وتنطوي على تحويل ملفات الصور السينية إلى مداخن TIFF وتصحيح الصور للتشويه غير المطابق.
    1. إجراء تصحيح غير موحد: يبلغ متوسط البرنامج حوالي 30 إطارا (أي 0.5 s من البيانات) لإنتاج صورة واحدة عالية الجودة ومشرقة المجال لتقليل تأثير الضوضاء في أي إطار واحد. يتم استخدام صورة المجال الساطع لحساب الكثافة الإشعاعية الحقيقية على طول الأشعة من مصدر الأشعة السينية إلى كل بكسل من كل إطار من البيانات. مجموع الكثافة الإشعاعية لجميع المسألة التي اخترقها كل بكسل راي يتناسب مع لوغاريتم الحقل الساطع لهذا بكسل ناقص لوغاريتم صورة المراقبة لهذا بكسل (أي معالجة سجل الفرعية).
    2. إجراء تصحيح التشويه: يقوم البرنامج بمتوسط 30 إطارا تقريبا (أي 0.5 ثانية من البيانات) لإنتاج صورة واحدة ويقلل من تأثير الضوضاء في أي صورة فردية. يقوم برنامج تصحيح التشويه بإنشاء خريطة affine من كل ثلاثة مواقع حبة متجاورة في صورة شبكة التشويه إلى الموضع المعروف (الحقيقي) لتلك الخرزات الثلاثة في شبكة تصحيح تشويه Lucite. ثم يتم استخدام هذه المجموعة من خرائط affine الصغيرة لإعادة دمج كل إطار ملاحظ من تجربة الحركة في الإحداثيات الحقيقية التي تمثلها مجموعة متعامدة من الخرز.
    3. تطبيق تصحيحات التشويه وعدم التوحيد على جميع إطارات كل تجربة.
  4. معايرة حجم التصوير ثنائي السطح.
    ملاحظة: تم إجراء معايرة الصورة باستخدام برامج خاصة. يستخدم البرنامج خوارزمية التحسين غير الخطية لضبط مواقع حبة كائن المعايرة الملاحظة إلى مواقعها ثلاثية الأبعاد المعروفة. يتم إجراء هذه العملية لكل مجموعة من صور المعايرة ثنائية السطح. والنتيجة هي نظام يمكنه عرض صورتين لحجم العظام رقميا وتسجيلهما مقابل الصور الشعاعية لنفس العظم التي تم جمعها أثناء جمع البيانات.
  5. تتبع بدون علامات
    ملاحظة: يتم تنفيذ تعقب بدون علامات باستخدام برامج خاصة. كما يمكن استخدام برامج مثل Autoscoper وC-Motion لإكمال هذه العملية.
    1. في الإطار الأول من تجربة الحركة، قم بتدوير وترجمة DRR باستخدام عناصر التحكم في البرامج حتى يبدو مطابقا جيدا لصور الأشعة السينية ذات السطحين (الشكل 6).
    2. حفظ الحل اليدوي.
    3. تطبيق خوارزمية التحسين.
    4. فحص بصريا الحل الذي يحدد أن يكون الأمثل من قبل الخوارزمية على أساس الحل اليدوي الأولي. إذا لزم الأمر، قم بضبط الحل وكرر الخطوات 3.5.2-3.5.3 حتى يتم الوفاء به مع الحل الأمثل.
    5. كرر الخطوات 3.5.1-3.5.4 لكل إطار 10 عبر محاكمة الطلب.
      ملاحظة: يعتمد هذا الفاصل الزمني على عدة عوامل، بما في ذلك معدل الإطار وسرعة الحركة وجودة الصورة. قد تكون هناك حاجة إلى فترات أصغر.
    6. بمجرد تعقب كل إطار 10، قم بإجراء تحسين لإنشاء حلول أولية مستوفاة تم تحسينها لاحقا.
    7. الاستمرار في تحسين الحلول حتى يتم تتبع جميع إطارات محاكمة الاقتراح بشكل جيد.

4. بروتوكول تحليل البيانات

ملاحظة: ينتج عن برنامج التتبع بدون علامات الخاص المستخدم في هذا البروتوكول المسارات الخام والمصفاة للمعالم التشريحية التي سيتم استخدامها لبناء أنظمة الإحداثيات التشريحية. يتم التعبير عن هذه الإحداثيات بالنسبة لنظام الإحداثيات المختبرية المحدد بواسطة كائن المعايرة أثناء إجراء المعايرة. يصف البروتوكول التالي، بشكل عام، إجراءات حساب مقاييس النتائج الحركية من هذه المسارات البارزة بحيث يمكن حسابها بأي لغة برمجة (مثل MATLAB). ويستخدم برنامج آخر مسجل الملكية لحساب الإحصاءات الحركية والقرب.

  1. حساب إحصائيات الحركية والقرب
    ملاحظة: تتضمن مقاييس النتائج الحركية الأولية دورانات المفاصل (أي زوايا أويلر) والمواقف. وتشمل إحصاءات القرب الأولية الحد الأدنى للفجوة، ومتوسط الفجوة، ومركز الاتصال المرجح المتوسط، والتي يتم حسابها لكل إطار من البيانات. بشكل جماعي، تصف هذه التدابير المفصليات المفصلية، أو التفاعلات السطحية أثناء الحركة. تتضمن القربات التشريحية التي يتم تجميعها عبر تجربة الحركة متوسط مركز الاتصال ومسار الاتصال وطول مسار الاتصال.
    1. لكل عظم وإطار حركة، استخدم إحداثيات المعلم التشريحي المصفاة (أي الإخراج من برنامج التتبع بدون علامات) لبناء مصفوفة تحويل من 16 عنصرا تمثل نظام التنسيق التشريحي للعظم بالنسبة لنظام تنسيق المختبر.
    2. حساب الحركية النسبية من خلال ربط نظم الإحداثيات التشريحية بين العظام ذات الصلة باستخدام البرنامج.
    3. استخراج زوايا مشتركة والمواقف باستخدام الطرق التقليدية64. ونظرا لتوجيه نظم الإحداثيات التشريحية، استخرج الحركية الغلينوهومية باستخدام تسلسل دوران Z-X'-Y'، واستخراج الحركيات الحركية الكدمية باستخدام تسلسل دوران Y-Z'X'، واستخراج الحركية humerothoracic باستخدام تسلسل دوران Y-Z'-Y'
    4. الحد الأدنى للفجوة: احسب أصغر فجوة (أي المسافة) بين القنطورات في مثلث أقرب جار على العظم المقابل باستخدام البرنامج.
    5. متوسط الفجوة: حساب المتوسط المرجح للمنطقة للحد الأدنى للفجوة باستخدام المثلثات التي لديها أصغر فجوة لأقرب جار لها داخل منطقة قياس محددة باستخدام البرنامج. حدد منطقة القياس على أنها المثلثات الأقرب إلى العظم المقابل والتي تبلغ مساحتها 200 مم2. أدرج منطقة القياس هذه في الحساب لضمان تضمين السطح القريب بشكل معقول من العظم المقابل فقط في حساب متوسط الفجوة.
      ملاحظة: تم اختيار أحجام منطقة القياس (أي 200 مم2) أثناء تطوير الخوارزمية الأولية بعد أن تبين أنها تعكس باستمرار الفضاء دون البروم وقرب المفاصل من غلينوهومير دون أن تكون متحيزة بشكل مفرط من الأسطح البعيدة. قد يتطلب استخدام هذا المقياس للتفاعلات السطحية الأوسع (مثل التيبيوفيمورال) منطقة قياس أكبر.
    6. مركز الاتصال المرجح المتوسط (أي السنترويد): احسب النقطة على سطح عائد الاستثمار التي تقلل المسافة المرجحة إلى جميع المثلثات الأخرى داخل منطقة القياس (أي المثلثات الأقرب إلى العظم المقابل والتي تبلغ مساحتها 200 مم2) باستخدام البرنامج. يحسب عامل الترجيح لكل مثلث في منطقة القياس على النحو التالي: منطقة المثلث / المسافة المربعة إلى أقرب جار سنترويد (أي الترجيح المربع العكسي). وبهذه الطريقة، تكون المثلثات المرجحة بشكل أكبر أكبر (بعامل 1) وأقرب إلى العظم المقابل (بعامل المسافة الدنيا المربعة).
    7. متوسط مركز الاتصال: حساب متوسط موضع مركز الاتصال (أي السنترويد) عبر تجربة الحركة باستخدام البرنامج. ونظرا لمراكز الاتصال تمثل المفصليات المشتركة، يمثل مركز الاتصال المتوسط مركز التفاعلات السطحية أثناء الحركة.
    8. مسار الاتصال: حدد عن طريق توصيل إحداثيات مركز الاتصال المرجح المتوسط عبر تجربة الحركة باستخدام البرنامج.
    9. طول مسار الاتصال: حساب طول مسار جهة الاتصال عبر تجربة الحركة باستخدام البرنامج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تجنيد أنثى بدون أعراض تبلغ من العمر 52 عاما (BMI = 23.6 كجم / م2) كجزء من تحقيق سابق وخضعت لاختبار الحركة (اختطاف الطائرة التاجية) على كتفها المهيمن (الأيمن)65. وقبل جمع البيانات، قدم المشارك موافقة خطية مستنيرة. تمت الموافقة على التحقيق من قبل مجلس المراجعة المؤسسية للنظام الصحي هنري فورد. تم تنفيذ جمع البيانات باستخدام البروتوكول الموصوف سابقا (الشكل 3).

يتم تقديم الكينماتيات الخاصة بالمشاركين في الشكل 7 والشكل 8 والشكل 9 على التوالي. يشير الفحص البصري للكينماتية الغلينوهومية والكابولوثوراتية إلى أن حركة كتف المشارك كانت متسقة مع ما هو متوقع بشكل عام أثناء اختطاف الطائرة التاجية66. وعلى وجه التحديد، تألفت حركة غلينوهوميرال من الارتفاع والدوران الخارجي الطفيف، وكانت عموما في مستوى خلفي إلى الكتف (الشكل 7)، في حين تألفت الحركة الكتفية من الدوران التصاعدي، والميل الخلفي، والدوران الداخلي/الخارجي الطفيف (الشكل 8).

وخلال تجربة الحركة، تراوحت المسافة الدنيا دون الكرومية (أي أضيق عرض للمأخذ تحت الكرومي لإطار معين) من 1.8 ملم عند ارتفاع 74.0 درجة من العضد الرحمي (الإطار 45) إلى 8.3 ملم عند ارتفاع 134.0 درجة من العضد (الإطار 89) (الشكل 10A، الشكل 11 ألف). ويميل متوسط المسافة دون الكرومية (أي متوسط عرض المنفذ دون الكرومي داخل منطقة القياس المحددة البالغة 200 مم2 ) إلى اتباع مسار مماثل لمقيس المسافة الأدنى. على سبيل المثال، تراوح متوسط المسافة دون الكرومية من 4.2 مم عند ارتفاع 75.4 درجة humerothoracic (الإطار 46) إلى 9.2 مم عند ارتفاع 134.0 درجة humerothoracic (الإطار 89). وأخيرا، تميل المسافة الدنيا دون المتنافرة إلى اتباع مسار تكميلي لمقياس مساحة السطح (الشكل 10B) بحيث تميل المسافة الدنيا إلى أن تكون أصغر عندما تكون مساحة السطح أكبر. يشير رسم موقع الحد الأدنى للمسافة على الرأس العضدي إلى أن الموقع الأقرب إلى تحولات الأكروميون أفقيا عبر بصمة الكفة الدوارة مع زيادة زاوية الارتفاع العضد (الشكل 11A). عبر تجربة الحركة، بلغ طول مسار الاتصال 40.5 مم على الرأس العضدي و28.8 ملم على الأكروميون.

وخلال تجربة الحركة، تراوحت المسافة الدنيا للغلينوهوميرال (أي أضيق عرض لمساحة المفصل الغلينوهوميرال) بين 1.0 مم عند ارتفاع 137.9 درجة من العضد (الإطار 92) إلى 2.1 ملم عند ارتفاع 34.2 درجة من العضد (الإطار 21) (الشكل 12A، الشكل 11ب). وكما هو الحال مع المسافات دون المتنافرة، يميل متوسط المسافة الغليونوهومية إلى اتباع مسار مماثل لمقبرة المسافة الدنيا، وتتبع هذه المسافات مسارا تكميليا مع مقياس مساحة السطح (الشكل 12B). فعلى سبيل المثال، تراوح متوسط المسافة بين غلينوهوميرال 1.4 ملم وارتفاع 137.9 درجة من العضد (الإطار 92) إلى 2.6 ملم عند ارتفاع 23.5 درجة من العضد (الإطار 12). يشير رسم موقع مركز الاتصال glenohumeral بالنسبة إلى ملامح حافة جلينويد إلى أن المفصليات المشارك شملت تفاعلات سطحية معتدلة. على وجه التحديد، بقي عظم العضد مركزة نسبيا في جلينويد في الاتجاه الأمامي / الخلفي ولكن تحولت بشكل متفوق ومن ثم أقل شأنا خلال المحاكمة الاقتراح (الشكل 11B). عبر تجربة الحركة، بلغ طول مسار الاتصال 30.0 مم على الغليناويد و45.4 ملم على الرأس العضدي.

Figure 1
الشكل 1: مجال الرؤية المقطعية. (أ) الطائرات الإكليلية، (B) القوسية، و (C) العرضية. أثناء الاستحواذ ، يضمن تقني CT أن مجال الرؤية يتضمن الترقوة (بشكل متفوق) ، و epicondyles العضدية البعيدة (بشكل أدنى) ، والمفصل الكلنيوهوميرالي بأكمله (أفقيا) ، والمفاصل كوستوفرتيبرال والعظمية (medially). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: تخطيطي للنظام الإشعاعي بالفيديو ثنائي السطح. يتم وضع أنظمة الأشعة السينية بزاوية 50 درجة بين الحزم ومسافة من مصدر إلى صورة (SID) يبلغ 183 سم. يتم وضع المشاركين في حجم السطحين بحيث يقع مفصل جلينوهوميرال تقريبا عند تقاطع أشعة x-ray. يطلق على الأنظمة اسم "أخضر" و"أحمر" لتمييز لوحات التحكم وأسماء الملفات للصور. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: صور إشعاعية ثنائية السطح من موضوع تمثيلي أثناء اختطاف طائرة إكليلية. على الرغم من أن الفك يظهر في صور النظام الأخضر، ينبغي توخي الحذر لتجنب إدراج الرأس في مجال الرؤية لتقليل الجرعة إلى هذه المنطقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تعريف نظم الإحداثيات التشريحية. (أ) نظام تنسيق هيومال المحدد برقمنة المركز الهندسي لرأس العضد، والإبيكوندل الوسطي، والإبيكوندال الجانبي. (ب) نظام تنسيق الكتف المحدد برقمنة العمود الفقري الوسيط، الزاوية السفلية، والجانب الخلفي من المفصل البهلواني. (ج) نظام تنسيق الضلع المحدد برقمنة الجانب الخلفي من الجانب كوستوفرتيبريال، والجانب الجانبي الأكثر من الضلع، والقص الجانبي على مستوى الضلع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تعريف المناطق ذات الأهمية لإحصاءات القرب. (أ) رأس العضد ROI، والذي يستخدم لحساب المسافة acromiohumeral وأنماط الاتصال المشترك glenohumeral، (B) acromial وgleoid ROIs، والتي تستخدم لحساب المسافة acromiohumeral وأنماط الاتصال المشترك glenohumeral، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: لقطات شاشة من برنامج تتبع العلامة الملكية. توضح لقطة الشاشة الحلول المثلى لعظم العضد والكتف من موضوع تمثيلي أثناء اختطاف الطائرة التاجية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: علم الحركة الغلينوهومية من موضوع تمثيلي أثناء محاكمة واحدة لاختطاف طائرة إكليلية. ملاحظة: تم تحويل الموضع الأمامي إلى قيمة موجبة. المختصرات: med. = وسيطة; lat. = الجانبي; sup. = متفوقة؛ inf. = أدنى; النملة= الأمامية. وظيفة. = الخلفي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: الحركية السكابولوثوراسيكية من موضوع تمثيلي خلال تجربة واحدة لاختطاف طائرة إكليلية. ملاحظة: تم تحويل الموضع الأمامي إلى قيمة موجبة. الاختصارات: IR = الدوران الداخلي؛ ER = دوران خارجي؛ UR = دوران تصاعدي; DR = دوران تنازلي; AT = إمالة الأمامي; PT = الميل الخلفي; med. = وسيطة; lat. = الجانبي; sup. = متفوقة؛ inf. = أدنى; النملة= الأمامية. وظيفة. = الخلفي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: الحركية العضد والثورية من شخص ممثل أثناء تجربة واحدة لاختطاف طائرة إكليلية. ملاحظة: تم تحويل الموضع الأمامي إلى قيمة موجبة. المختصرات: med. = وسيطة; lat. = الجانبي; sup. = متفوقة؛ inf. = أدنى; النملة= الأمامية. وظيفة. = الخلفي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10: يتم عرض تقييم المساحة دون الكرومية أثناء تجربة اختطاف الطائرة التاجية في موضوع تمثيلي. (أ) يتم عرض مقاييس المسافة الأكروميوهوميرية عبر الإطارات جنبا إلى جنب مع زوايا الارتفاع العضدية المقابلة. يتم حساب المسافة الدنيا كأصغر مسافة بين السنترويدات في مثلث أقرب جار بين الرأس العضدي و ROIs الأكروميال. يمثل متوسط المسافة المتوسط المرجح للمنطقة للحد الأدنى للمسافة، المحسوبة على المثلثات الموجودة في عائد الاستثمار الرأس العضدي التي لديها أصغر فجوة لأقرب جار لها على عائد الاستثمار الأكروميالي. (ب) يتم عرض مساحة سطح رأس العضد ROI التي تقع ضمن 10 مم من عائد الاستثمار الأكرومي عبر الإطارات جنبا إلى جنب مع زوايا الارتفاع العضدثروسي المقابلة. اختصار: HT = هيومروثوراسيك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11: رسم خرائط القرب. (أ) الفضاء دون الكرومي، (ب) الفضاء المشترك غلينوهوميرال. يتم تعيين القرب دون الكرومي على عائد الاستثمار الرأس العضدي باستخدام مقياس المسافة الأدنى لإطار البيانات التي كانت المسافة الدنيا أصغر (أي الإطار رقم 45). يمثل مسار الاتصال (أسود) الحد الأدنى لمسار المسافة بين الإطارات #1-45. يتم تعيين القرب المشترك glenohumeral باستخدام مركز الاتصال المرجح المتوسط لإطار البيانات التي كانت أصغر مساحة مشتركة (أي الإطار رقم 92). يمثل مسار الاتصال (أسود) مسار المائية بين الإطارات #1-92. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12: يتم عرض تقييم الفضاء المشترك glenohumeral خلال تجربة اختطاف الطائرة التاجية في موضوع تمثيلي. (أ) يتم عرض مقاييس الفضاء المشترك glenohumeral عبر الإطارات جنبا إلى جنب مع زوايا الارتفاع humerothoracic المقابلة. يتم حساب المسافة الدنيا كأصغر مسافة بين السنترويدات في مثلث أقرب جار بين مؤشرات الاستثمار على الرأس الغليونويد والعظمي. يمثل متوسط المسافة المتوسط المرجح للمنطقة للحد الأدنى للمسافة، المحسوبة على المثلثات الموجودة في عائد الاستثمار غلينويد التي لديها أصغر فجوة لأقرب جار لها على عائد الاستثمار الرأس العضدي. (ب) يتم عرض مساحة سطح عائد الاستثمار غلينويد التي تقع ضمن 10 ملم من العائد على الاستثمار الرأس العضدي عبر الإطارات جنبا إلى جنب مع زوايا الارتفاع humerothoracic المقابلة. اختصار: HT = هيومروثوراسيك. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

التقنية الموصوفة هنا تتغلب على العديد من العيوب المرتبطة بالتقنيات التقليدية لتقييم حركة الكتف (أي المحاكاة الجثثية والتصوير ثنائي الأبعاد والتصوير ثلاثي الأبعاد الثابت وأنظمة التقاط الحركة المستندة إلى الفيديو وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء وما إلى ذلك) من خلال توفير مقاييس دقيقة للحركة المشتركة ثلاثية الأبعاد أثناء الأنشطة الديناميكية. تم تحديد دقة البروتوكول الموصوف هنا للمفصل جلينوهوميرال مقابل المعيار الذهبي للتحليل الإشعاعي (RSA) لتكون ±0.5 درجة و ±0.4 مم6768. وقد وضعت بروتوكولات مماثلة لمفاصل أخرى مثل knee69, spine70, والقدم / ankle71. والأهم من ذلك، أنه بدون نظام دقيق بما فيه الكفاية، فإن حجم العينة اللازم للكشف عن الاختلافات ذات الأهمية الإحصائية والإمكانات السريرية المجدية في الحركة المشتركة يمكن أن يكون مانعا. وعلاوة على ذلك، فإن هذا المستوى من الدقة يتيح القدرة على وصف مقاييس النتائج الهامة المحتملة مثل المواقف المشتركة و/أو الترجمات62,72، المفصلية72,73,74,75، المسافات تحت البروم61,72,75، والمحاور الفورية للحركة76 . في نهاية المطاف ، يعد القياس الدقيق للحركة المشتركة في الجسم الحي أمرا ضروريا لتوفير فهم ميكانيكي لوظيفة الكتف في ظل الظروف الطبيعية والباثولوجية ، وتقييم آثار التدخلات السريرية غير الجراحية والجراحية.

الدقة التي يوفرها قياس الحركية الكتف باستخدام ثنائية السطح الفيديويأتي مع العديد من التحديات والقيود. ويتمثل القيد الرئيسي المرتبط بهذه التقنية في التعرض للإشعاع للمشارك نتيجة للتصوير المقطعي والتصوير بالأشعة السينية على السطحين. وبالتالي، فإن عدد المحاكمات التي يمكن الحصول عليها أو جلسات المتابعة مع مرور الوقت محدود. الجرعة الفعالة المقابلة للبروتوكول الموصوف هنا هي حوالي 10.5 mSv ، مع الغالبية (حوالي 10 mSv) قادمة من التصوير المقطعي ، والذي يتضمن تصوير عظم العضد البعيدة بحيث يمكن استخدام epicondyles لبناء نظام التنسيق التشريحي العضدي64. وبالنسبة للسياق، تقابل هذه الجرعة ما يقرب من 3 سنوات من التعرض لمصادر الإشعاع الطبيعية الخلفية. وتشير التوصيات الأخيرة للمجلس الوطني للحماية من الإشعاع والقياسات إلى أن هذه الجرعة يمكن تصنيفها على أنها "طفيفة" على افتراض فائدة معتدلة متوقعة للفرد أو المجتمع77. وبالتالي، من الضروري استخدام تحليل الحركة باستخدام الأشعة بالفيديو ثنائية السطح في دراسة مصممة تصميما جيدا تستند إلى فرضية علمية صلبة يمكن أن يكون لها تأثير كبير على الصحة العامة.

إن تقليل الجرعة المرتبطة بفيديو راديوجرافي ثنائي السطح أمر بالغ الأهمية لتسهيل الاستخدام الأوسع لهذه التكنولوجيا في الأبحاث والبيئات السريرية. لحسن الحظ، قد يقلل التقدم الأخير في التصوير المقطعي والتصوير بالرنين المغناطيسي الجرعة إلى حد كبير للمشارك. على سبيل المثال، تبين أن نماذج العظام العضدية والعظمية المشتقة باستخدام MRI78,79 أو الجرعة المنخفضة CT80 لديها دقة مقبولة للعديد من التطبيقات البحثية. وعلاوة على ذلك، فإن إعادة تعريف نظام التنسيق العضدي بطريقة لا تتطلب epicondyles humeral81 سوف يقلل الجرعة عن طريق تقليل حجم التصوير المقطعي. كما أن الممارسة الدقيقة لتجارب الحركة قبل الحصول على أي صور أمر بالغ الأهمية لضمان أن يكون لكل تجربة تم جمعها قيمة ولا تضيف دون داع إلى الجرعة الإجمالية للمشارك. في نهاية المطاف ، والنظر بعناية في هذه العوامل ، وغيرها الكثير ، أمر بالغ الأهمية عند استخدام مسؤولة ثنائية السطح الفيديو الشعاعي لقياس الحركية ثلاثية الأبعاد في المشاركين في البحوث البشرية.

عادة جسم المشارك والاختلافات في كثافة الأنسجة (وبالتالي سطوع الصورة) بين الجذع المركزي والجانب الجانبي للكتف يمثل تحديات إضافية عند قياس حركة الكتف باستخدام التصوير الشعاعي بالفيديو ثنائي السطح. على وجه الخصوص ، فإن التصور الواضح للكتف والأضلاع غالبا ما يكون تحديا باستخدام تقنية التصوير الشعاعي الموصوفة في هذا البروتوكول (أي ~ 70 كيلوفولت ، 320 مللي أ ، 2 مللي ثانية التعرض النبضي) في الأفراد الذين يعانون من ارتفاع مؤشر كتلة الجسم (>30 كجم / م2) والنساء ذوات أنسجة الثدي الكبيرة أو الكثيفة. من المرجح أن تتدهور دقة التتبع الحركي دون تصور واضح لحواف العظام. وبالتالي، فإن الاختيار الدقيق للمشاركين عن طريق تقييد مؤشر كتلة الجسم يمكن أن يخفف من العديد من اعتبارات التصوير الصعبة هذه. ومع ذلك ، "غسل" من acromion الجانبية في الزوايا السفلى من ارتفاع العضد شائع حتى في المشاركين من عادة الجسم السليم (الشكل 2A ، النظام الأخضر في الإطار 1). وذلك لأن هناك القليل من الأنسجة (وبالتالي الكثافة) حول acromion عندما عظم العضد هو في زوايا أقل من الارتفاع، ويتم التنازل عن رؤية هذه المنطقة من أجل تصور الكتف والأضلاع. ومع ذلك ، بمجرد أن يرفع عظم العضد والجزء الأكبر من الكتف في المتوقع على نفسه (وبالتالي زيادة الكثافة الإشعاعية) ، يصبح acromion تصورا جيدا. لذلك ، فإن التقنية الإشعاعية المثلى لتجربة الحركة لا تضمن بالضرورة تصور جميع العظام في جميع الأوقات ، ولكنها تسمح بالتصور الواضح لما يكفي من تشريح العظام لإجراء تتبع بدون علامات.

وثمة تحد آخر عند استخدام الأشعة الفيديوية ثنائية السطح هو حجم التصوير ثلاثي الأبعاد الصغير نسبيا، والذي يتم تعريفه في الغالب من خلال حجم مستقبلات الصورة، واتجاه نظامي التصوير، وS SID. على الرغم من أن الحد من حجم التصوير ثلاثي الأبعاد يساعد على التحكم في جرعة الإشعاع (أي من خلال الكوليم)، إلا أن حجم التصوير الصغير قد يحد من النطاق الذي يمكن الحصول على الحركة المشتركة و/أو أنواع المهام التي يتم تقييمها. على سبيل المثال، قد تكون المهام التي تتطلب حركة الجذع (مثل الرمي) غير متوافقة مع تحليل حركة التصوير بالفيديو ثنائي السطح لأن المشارك من المرجح أن يتحرك خارج وحدة تخزين التصوير ثلاثي الأبعاد أثناء أداء المهمة. حركة المريض خارج حجم التصوير شائعة حتى في المهام الأبسط مثل رفع الذراع ، خاصة في الأفراد الذين يضعف نطاق حركة ارتفاع العضد بشكل كبير (على سبيل المثال ، بسبب دموع الكفة الدوارة الضخمة ، التهاب الكابسول اللاصق ، OA) ، لأن هؤلاء الأفراد غالبا ما يعوضون عن طريق الميل إلى الجانب المقابل. وبالتالي، فإن تحديد موضع المشارك بعناية داخل حجم التصوير والإشارات اللفظية لتجنب الميل هي خطوات حاسمة في عملية جمع البيانات (القسم 2.4).

يحد حجم التصوير ثلاثي الأبعاد الصغير أيضا من تصور الشرائح الأخرى التي قد تكون ذات أهمية. على سبيل المثال، تتبع الجذع ضروري لقياس الحركية الكشمالية والعظمية. البروتوكول الموصوف في هذه المقالة يعالج هذا التحدي عن طريق تتبع الأضلاع الثالث والرابع. غير أن محققين آخرين تعقبوا الجذع باستخدام نظام تعقب خارجي قائم على السطح متزامن مع النظام الإشعاعي49,50,62. ولكل نهج من هذه النهج حدود فريدة. على سبيل المثال، تتبع الأضلاع يتطلب تصور جيد للجذع المركزي، وهو أمر صعب في الأفراد الذين لديهم عادة الجسم أكبر دون غسل الكتف الجانبي، كما هو موضح سابقا. وعلاوة على ذلك، قد يكون تتبع الأضلاع تحديا مع صورة أصغر مكثف (أي أقل من 40 سم). في المقابل ، تتبع حركة الجذع باستخدام أجهزة استشعار السطح يقدم قطعة أثرية حركة الجلد. بغض النظر عن النهج المستخدم، يبقى حجم التصوير ثلاثي الأبعاد المحدود تحديا عند تحديد الحركية الكتف باستخدام الأشعة الفيديوية ثنائية السطح.

وباختصار، يسمح التصوير الإشعاعي بالفيديو ثنائي السطح بتقدير دقيق للغاية لحركية الكتف. وقد استخدمت الاختلافات في البروتوكول الموصوف هنا للعديد من الدراسات داخل المختبر58,59,72,73,82, مع كل اختلاف بروتوكول شيدت بعناية على أساس أهداف البحوث المحددة من أجل تقليل الجرعة, تعظيم جودة الصورة, وتعظيم الرؤية الجزء. في نهاية المطاف ، يعد القياس الدقيق للحركة المشتركة في الجسم الحي أمرا مهما لتوفير فهم ميكانيكي لوظيفة الكتف في ظل الظروف الطبيعية والباثولوجية ، وتقييم آثار التدخلات السريرية غير الجراحية والجراحية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ولا يوجد بين أصحاب البلاغ تضارب في المصالح.

Acknowledgments

تم دعم الأبحاث التي تم الإبلاغ عنها في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني لالتهاب المفاصل والأمراض العضلية الهيكلية والجلدية تحت رقم الجائزة R01AR051912. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين فقط ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة (NIH).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Calibration cube Built in-house N/A 10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box’s vertical edges (12 beads total). The positions of each bead are precisely known relative to a corner of the box that serves as the origin of the laboratory coordinate system.
Distortion correction grid Built in-house N/A Lucite sheet that covers the entire face of the 16 inch image intensifier and contains an orthogonal array of tantalum beads spaced at 1 cm.
ImageJ National Institutes of Health N/A Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.
Markerless Tracking Workbench Custom, in house software N/A A workbench of custom software used to digitize anatomical landmarks on 3D bone models, constructs anatomical coordinate systems, uses intensity-based image registration to perform markerless tracking, and calculates and visualize kinematic outcomes measures.
MATLAB Mathworks, Inc N/A Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.
Mimics (version 20) Materialise, Inc N/A Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.
Open Inventor Thermo Fisher Scientific N/A 3D graphics program used to visualize bones
Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4) N/A Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images
Pulse generator (Model 9514) Quantum Composers, Inc. N/A Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time
Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV) EMD Technologies N/A Generates the x-rays used to produce radiographic images
Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110) North American Imaging N/A Converts x-rays into photons to produce visible image
Two Phantom VEO 340 cameras Vision Research N/A High speed cameras record the visible image created by the x-ray system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Milgrom, C., Schaffler, M., Gilbert, S., van Holsbeeck, M. Rotator-cuff changes in asymptomatic adults. The effect of age, hand dominance and gender. Journal of Bone and Joint Surgery (British volume). 77 (2), 296-298 (1995).
  2. Kim, H. M., et al. Location and initiation of degenerative rotator cuff tears: an analysis of three hundred and sixty shoulders. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 92 (5), 1088-1096 (2010).
  3. Yamamoto, A., et al. Prevalence and risk factors of a rotator cuff tear in the general population. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 19 (1), 116-120 (2010).
  4. Colvin, A. C., Egorova, N., Harrison, A. K., Moskowitz, A., Flatow, E. L. National trends in rotator cuff repair. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 94 (3), 227-233 (2012).
  5. Vitale, M. A., et al. Rotator cuff repair: an analysis of utility scores and cost-effectiveness. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 16 (2), 181-187 (2007).
  6. Zacchilli, M. A., Owens, B. D. Epidemiology of shoulder dislocations presenting to emergency departments in the United States. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 92 (3), 542-549 (2010).
  7. Oh, J. H., et al. The prevalence of shoulder osteoarthritis in the elderly Korean population: association with risk factors and function. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 20 (5), 756-763 (2011).
  8. Kobayashi, T., et al. Prevalence of and risk factors for shoulder osteoarthritis in Japanese middle-aged and elderly populations. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 23 (5), 613-619 (2014).
  9. Ludewig, P. M., Reynolds, J. F. The association of scapular kinematics and glenohumeral joint pathologies. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 39 (2), 90-104 (2009).
  10. Michener, L. A., McClure, P. W., Karduna, A. R. Anatomical and biomechanical mechanisms of subacromial impingement syndrome. Clinical Biomechanics. 18 (5), Bristol, Avon. 369-379 (2003).
  11. Seitz, A. L., McClure, P. W., Finucane, S., Boardman, N. D., Michener, L. A. Mechanisms of rotator cuff tendinopathy: intrinsic, extrinsic, or both. Clinical Biomechanics. 26 (1), Bristol, Avon. 1-12 (2011).
  12. Lawrence, R. L., Braman, J. P., Ludewig, P. M. Shoulder kinematics impact subacromial proximities: a review of the literature. Brazilian Journal of Physical Therapy. 24 (3), 219-230 (2019).
  13. McClure, P. W., Michener, L. A., Karduna, A. R. Shoulder function and 3-dimensional scapular kinematics in people with and without shoulder impingement syndrome. Physical Therapy. 86 (8), 1075-1090 (2006).
  14. Rundquist, P. J. Alterations in scapular kinematics in subjects with idiopathic loss of shoulder range of motion. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 37 (1), 19-25 (2007).
  15. Graichen, H., et al. Effect of abducting and adducting muscle activity on glenohumeral translation, scapular kinematics and subacromial space width in vivo. Journal of Biomechanics. 38 (4), 755-760 (2005).
  16. Bey, M. J., Kline, S. K., Zauel, R., Lock, T. R., Kolowich, P. A. Measuring dynamic in-vivo glenohumeral joint kinematics: technique and preliminary results. Journal of Biomechanics. 41 (3), 711-714 (2008).
  17. Poppen, N. K., Walker, P. S. Normal and abnormal motion of the shoulder. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 58 (2), 195-201 (1976).
  18. Graichen, H., et al. Magnetic resonance-based motion analysis of the shoulder during elevation. Clinical Orthopaedics and Related Research. 370 (370), 154-163 (2000).
  19. Howell, S. M., Galinat, B. J., Renzi, A. J., Marone, P. J. Normal and abnormal mechanics of the glenohumeral joint in the horizontal plane. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 70 (2), 227-232 (1988).
  20. Bergmann, G., et al. In vivo glenohumeral contact forces--measurements in the first patient 7 months postoperatively. Journal of Biomechanics. 40 (10), 2139-2149 (2007).
  21. Westerhoff, P., et al. In vivo measurement of shoulder joint loads during activities of daily living. Journal of Biomechanics. 42 (12), 1840-1849 (2009).
  22. Bergmann, G., et al. In vivo gleno-humeral joint loads during forward flexion and abduction. Journal of Biomechanics. 44 (8), 1543-1552 (2011).
  23. Halder, A. M., Zhao, K. D., Odriscoll, S. W., Morrey, B. F., An, K. N. Dynamic contributions to superior shoulder stability. Journal of Orthopaedic Research. 19 (2), 206-212 (2001).
  24. Debski, R. E., et al. A new dynamic testing apparatus to study glenohumeral joint motion. Journal of Biomechanics. 28 (7), 869-874 (1995).
  25. Malicky, D. M., Soslowsky, L. J., Blasier, R. B., Shyr, Y. Anterior glenohumeral stabilization factors: progressive effects in a biomechanical model. Journal of Orthopaedic Research. 14 (2), 282-288 (1996).
  26. Payne, L. Z., Deng, X. H., Craig, E. V., Torzilli, P. A., Warren, R. F. The combined dynamic and static contributions to subacromial impingement. A biomechanical analysis. American Journal of Sports Medicine. 25 (6), 801-808 (1997).
  27. Wuelker, N., Wirth, C. J., Plitz, W., Roetman, B. A dynamic shoulder model: reliability testing and muscle force study. Journal of Biomechanics. 28 (5), 489-499 (1995).
  28. Dillman, C. J., Fleisig, G. S., Andrews, J. R. Biomechanics of pitching with emphasis upon shoulder kinematics. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 18 (2), 402-408 (1993).
  29. Fleisig, G. S., Andrews, J. R., Dillman, C. J., Escamilla, R. F. Kinetics of baseball pitching with implications about injury mechanisms. American Journal of Sports Medicine. 23 (2), 233-239 (1995).
  30. Fleisig, G. S., Barrentine, S. W., Zheng, N., Escamilla, R. F., Andrews, J. R. Kinematic and kinetic comparison of baseball pitching among various levels of development. Journal of Biomechanics. 32 (12), 1371-1375 (1999).
  31. Werner, S. L., Gill, T. J., Murray, T. A., Cook, T. D., Hawkins, R. J. Relationships between throwing mechanics and shoulder distraction in professional baseball pitchers. American Journal of Sports Medicine. 29 (3), 354-358 (2001).
  32. An, K. N., Browne, A. O., Korinek, S., Tanaka, S., Morrey, B. F. Three-dimensional kinematics of glenohumeral elevation. Journal of Orthopaedic Research. 9 (1), 143-149 (1991).
  33. Johnson, M. P., McClure, P. W., Karduna, A. R. New method to assess scapular upward rotation in subjects with shoulder pathology. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 31 (2), 81-89 (2001).
  34. Borstad, J. D., Ludewig, P. M. Comparison of scapular kinematics between elevation and lowering of the arm in the scapular plane. Clinical Biomechanics. 17 (9-10), Bristol, Avon. 650-659 (2002).
  35. Meskers, C. G., vander Helm, F. C., Rozendaal, L. A., Rozing, P. M. In vivo estimation of the glenohumeral joint rotation center from scapular bony landmarks by linear regression. Journal of Biomechanics. 31 (1), 93-96 (1998).
  36. McClure, P. W., Michener, L. A., Sennett, B. J., Karduna, A. R. Direct 3-dimensional measurement of scapular kinematics during dynamic movements in vivo. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 10 (3), 269-277 (2001).
  37. Lawrence, R. L., Braman, J. P., LaPrade, R. F., Ludewig, P. M. Comparison of 3-dimensional shoulder complex kinematics in individuals with and without shoulder pain, part 1: sternoclavicular, acromioclavicular, and scapulothoracic joints. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 44 (9), 636-645 (2014).
  38. Lawrence, R. L., Braman, J. P., Staker, J. L., LaPrade, R. F., Ludewig, P. M. Comparison of 3-dimensional shoulder complex kinematics in individuals with and without shoulder pain, part 2: glenohumeral joint. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 44 (9), 646-655 (2014).
  39. Burkhart, S. S. Fluoroscopic comparison of kinematic patterns in massive rotator cuff tears. A suspension bridge model. Clinical Orthopaedics and Related Research. 284, 144-152 (1992).
  40. Mandalidis, D. G., Mc Glone, B. S., Quigley, R. F., McInerney, D., O'Brien, M. Digital fluoroscopic assessment of the scapulohumeral rhythm. Surgical and Radiologic Anatomy. 21 (4), 241-246 (1999).
  41. Pfirrmann, C. W., Huser, M., Szekely, G., Hodler, J., Gerber, C. Evaluation of complex joint motion with computer-based analysis of fluoroscopic sequences. Investigative Radiology. 37 (2), 73-76 (2002).
  42. Deutsch, A., Altchek, D. W., Schwartz, E., Otis, J. C., Warren, R. F. Radiologic measurement of superior displacement of the humeral head in the impingement syndrome. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 5 (3), 186-193 (1996).
  43. Hawkins, R. J., Schutte, J. P., Janda, D. H., Huckell, G. H. Translation of the glenohumeral joint with the patient under anesthesia. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 5 (4), 286-292 (1996).
  44. Yamaguchi, K., et al. Glenohumeral motion in patients with rotator cuff tears: a comparison of asymptomatic and symptomatic shoulders. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 9 (1), 6-11 (2000).
  45. Paletta, G. A. Jr, Warner, J. J., Warren, R. F., Deutsch, A., Altchek, D. W. Shoulder kinematics with two-plane x-ray evaluation in patients with anterior instability or rotator cuff tearing. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 6 (6), 516-527 (1997).
  46. Graichen, H., et al. Three-dimensional analysis of the width of the subacromial space in healthy subjects and patients with impingement syndrome. AJR: American Journal of Roentgenology. 172 (4), 1081-1086 (1999).
  47. Rhoad, R. C., et al. A new in vivo technique for three-dimensional shoulder kinematics analysis. Skeletal Radiology. 27 (2), 92-97 (1998).
  48. Baeyens, J. P., Van Roy, P., De Schepper, A., Declercq, G., Clarijs, J. P. Glenohumeral joint kinematics related to minor anterior instability of the shoulder at the end of the late preparatory phase of throwing. Clinical Biomechanics. 16 (9), Bristol, Avon. 752-757 (2001).
  49. Lawrence, R. L., Braman, J. P., Keefe, D. F., Ludewig, P. M. The Coupled Kinematics of Scapulothoracic Upward Rotation. Physical Therapy. 100 (2), 283-294 (2020).
  50. Lawrence, R. L., Braman, J. P., Ludewig, P. M. The impact of decreased scapulothoracic upward rotation on subacromial proximities. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 49 (3), 180-191 (2019).
  51. Matsuki, K., et al. Dynamic in vivo glenohumeral kinematics during scapular plane abduction in healthy shoulders. Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy. 42 (2), 96-104 (2012).
  52. Chapman, R. M., Torchia, M. T., Bell, J. E., Van Citters, D. W. Assessing shoulder biomechanics of healthy elderly individuals during activities of daily living using inertial measurement units: High maximum elevation Is achievable but rarely used. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (4), (2019).
  53. De Baets, L., vander Straaten, R., Matheve, T., Timmermans, A. Shoulder assessment according to the international classification of functioning by means of inertial sensor technologies: A systematic review. Gait and Posture. 57, 278-294 (2017).
  54. Dowling, B., McNally, M. P., Laughlin, W. A., Onate, J. A. Changes in throwing arm mechanics at increased throwing distances during structured long-toss. American Journal of Sports Medicine. 46 (12), 3002-3006 (2018).
  55. Kirking, B., El-Gohary, M., Kwon, Y. The feasibility of shoulder motion tracking during activities of daily living using inertial measurement units. Gait and Posture. 49, 47-53 (2016).
  56. Morrow, M. M. B., Lowndes, B., Fortune, E., Kaufman, K. R., Hallbeck, M. S. Validation of inertial measurement units for upper body kinematics. Journal of Applied Biomechanics. 33 (3), 227-232 (2017).
  57. Rawashdeh, S. A., Rafeldt, D. A., Uhl, T. L. Wearable IMU for shoulder injury prevention in overhead sports. Sensors (Basel). 16 (11), (2016).
  58. Baumer, T. G., et al. Effects of asymptomatic rotator cuff pathology on in vivo shoulder motion and clinical outcomes. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 26 (6), 1064-1072 (2017).
  59. Bey, M. J., et al. In vivo measurement of subacromial space width during shoulder elevation: technique and preliminary results in patients following unilateral rotator cuff repair. Clinical Biomechanics. 22 (7), Bristol, Avon. 767-773 (2007).
  60. Peltz, C. D., et al. Differences in glenohumeral joint morphology between patients with anterior shoulder instability and healthy, uninjured volunteers. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 24 (7), 1014-1020 (2015).
  61. Coats-Thomas, M. S., Massimini, D. F., Warner, J. J. P., Seitz, A. L. In vivo evaluation of subacromial and internal impingement risk in asymptomatic individuals. American Journal of Physical Medicine and Rehabilitation. 97 (9), 659-665 (2018).
  62. Millett, P. J., Giphart, J. E., Wilson, K. J., Kagnes, K., Greenspoon, J. A. Alterations in glenohumeral kinematics in patients with rotator cuff tears measured with biplane fluoroscopy. Arthroscopy. 32 (3), 446-451 (2016).
  63. Li, W., Hou, Q. Analysis and correction of the nonuniformity of light field in the high resolution X-ray digital radiography. Sixth International Conference on Natural Computation. 7, 3803-3807 (2010).
  64. Wu, G., et al. ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion--Part II: shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics. 38 (5), 981-992 (2005).
  65. Baumer, T. G., et al. Effects of rotator cuff pathology and physical therapy on in vivo shoulder motion and clinical outcomes in patients with a symptomatic full-thickness rotator cuff tear. Orthopaedic Journal of Sports Medicine. 4 (9), 2325967116666506 (2016).
  66. Ludewig, P. M., et al. Motion of the shoulder complex during multiplanar humeral elevation. Journal of Bone and Joint Surgery (American Volume). 91 (2), 378-389 (2009).
  67. Bey, M. J., Zauel, R., Brock, S. K., Tashman, S. Validation of a new model-based tracking technique for measuring three-dimensional, in vivo glenohumeral joint kinematics. Journal of Biomechanical Engineering. 128 (4), 604-609 (2006).
  68. Tashman, S., Anderst, W. In-vivo measurement of dynamic joint motion using high speed biplane radiography and CT: application to canine ACL deficiency. Journal of Biomechanical Engineering. 125 (2), 238-245 (2003).
  69. Anderst, W., Zauel, R., Bishop, J., Demps, E., Tashman, S. Validation of three-dimensional model-based tibio-femoral tracking during running. Medical Engineering and Physics. 31 (1), 10-16 (2009).
  70. Kage, C. C., et al. Validation of an automated shape-matching algorithm for biplane radiographic spine osteokinematics and radiostereometric analysis error quantification. PloS One. 15 (2), 0228594 (2020).
  71. Pitcairn, S., Kromka, J., Hogan, M., Anderst, W. Validation and application of dynamic biplane radiography to study in vivo ankle joint kinematics during high-demand activities. Journal of Biomechanics. 103, 109696 (2020).
  72. Bey, M. J., et al. In vivo shoulder function after surgical repair of a torn rotator cuff: glenohumeral joint mechanics, shoulder strength, clinical outcomes, and their interaction. American Journal of Sports Medicine. 39 (10), 2117-2129 (2011).
  73. Peltz, C. D., et al. Associations between in-vivo glenohumeral joint motion and morphology. Journal of Biomechanics. 48 (12), 3252-3257 (2015).
  74. Massimini, D. F., Warner, J. J., Li, G. Glenohumeral joint cartilage contact in the healthy adult during scapular plane elevation depression with external humeral rotation. Journal of Biomechanics. 47 (12), 3100-3106 (2014).
  75. Miller, R. M., et al. Effects of exercise therapy for the treatment of symptomatic full-thickness supraspinatus tears on in vivo glenohumeral kinematics. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 25 (4), 641-649 (2016).
  76. Lawrence, R. L., Ruder, M. C., Zauel, R., Bey, M. J. Instantaneous helical axis estimation of glenohumeral kinematics: The impact of rotator cuff pathology. Journal of Biomechanics. 109, 109924 (2020).
  77. National Council on Radiation Protection and Measurements. Evaluating and communicating radiation risks for studies involving human subjects: guidance for researchers and institutional review boards: recommendations of the National Council on Radiation Protection and Measurements. National Council on Radiation Protection and Measurements. , (2020).
  78. Akbari-Shandiz, M., et al. MRI vs CT-based 2D-3D auto-registration accuracy for quantifying shoulder motion using biplane video-radiography. Journal of Biomechanics. 82, 30385001 (2019).
  79. Breighner, R. E., et al. Technical developments: Zero echo time imaging of the shoulder: enhanced osseous detail by using MR imaging. Radiology. 286 (3), 960-966 (2018).
  80. Fox, A. M., et al. The effect of decreasing computed tomography dosage on radiostereometric analysis (RSA) accuracy at the glenohumeral joint. Journal of Biomechanics. 44 (16), 2847-2850 (2011).
  81. Lawrence, R. L., et al. Effect of glenohumeral elevation on subacromial supraspinatus compression risk during simulated reaching. Journal of Orthopaedic Research. 35 (10), 2329-2337 (2017).
  82. Peltz, C. D., et al. Associations among shoulder strength, glenohumeral joint motion, and clinical outcome after rotator cuff repair. American Journal of Orthopedics. 43 (5), Belle Mead, N.J. 220-226 (2014).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 169، التصوير الشعاعي ثنائي السطح، الحركية، الكتف، جلينوهوميرال، سكابولوثوراسيك، هيومروثوراسيك، مسافة أكروميوهوميرال، مركز الاتصال، تتبع بدون علامات
قياس 3D في الجسم الحي الكتف الحركية باستخدام ثنائية الكواكب فيديو راديوجرافي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lawrence, R. L., Zauel, R., Bey, M.… More

Lawrence, R. L., Zauel, R., Bey, M. J. Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography. J. Vis. Exp. (169), e62210, doi:10.3791/62210 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter