Summary
双平面视频放射成像可以高精度地量化肩部运动学。本文中描述的方案专门设计用于在平面肱骨抬高期间跟踪肩胛骨，肱骨和肋骨，并概述了数据收集，处理和分析的程序。还介绍了数据收集的独特注意事项。
Abstract
肩部是人体最复杂的关节系统之一，运动通过四个关节，多个韧带和大约20块肌肉的协调作用发生。不幸的是，肩部病变（例如肩袖撕裂、关节脱位、关节炎）很常见，导致剧烈疼痛、残疾和生活质量下降。许多这些病理状况的具体病因尚不完全清楚，但人们普遍认为肩部病理学通常与关节运动改变有关。不幸的是，以必要的精度水平测量肩部运动以研究基于运动的假设并非易事。然而，基于放射影像学的运动测量技术为研究基于运动的假设和提供肩部功能的机械理解提供了必要的进步。因此，本文的目的是描述使用自定义双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目的是描述获取肩部复合体的双平面视频放射成像图像，获取CT扫描，开发3D骨模型，定位解剖学标志，从双平面放射成像图像跟踪肱骨，肩胛骨和躯干的位置和方向，并计算运动学结果测量。此外，本文还将描述使用此方法测量关节运动学时肩部特有的特殊注意事项。
Introduction
肩部是人体最复杂的关节系统之一，运动通过四个关节，多个韧带和大约20块肌肉的协调作用发生。肩部也具有身体主要关节的最大活动范围，通常被描述为活动性和稳定性之间的折衷。不幸的是，肩部病变很常见，导致严重的疼痛，残疾和生活质量下降。例如，肩袖撕裂影响约 40% 的 601 岁以上人群，2，3，每年进行约 250，000 次肩袖修复手术4，估计美国每年的经济负担为 30-50 亿美元5。此外，肩关节脱位很常见，通常与慢性功能障碍有关6。最后，盂肱关节骨关节炎（OA）是另一个涉及肩部的重大临床问题，人群研究表明，大约15%-20%的65岁以上的成年人有盂肱肱OA7，8的影像学证据。这些情况是痛苦的，损害活动水平，并降低生活质量。
虽然这些疾病的发病机制尚不完全清楚，但人们普遍认为肩部运动改变与许多肩部病变有关9，10，11。具体而言，异常关节运动可能导致病理学9，12，或者病理学可能导致异常关节运动13，14。关节运动与病理学之间的关系可能很复杂，关节运动的细微改变在肩部可能很重要。例如，虽然角运动是发生在盂肱关节的主要运动，但在肩部运动期间也会发生关节平移。在正常情况下，这些翻译可能不超过几毫米15，16，17，18，19，因此可能低于某些测量技术的体内精度水平。虽然人们可能很容易认为关节运动中的小偏差可能几乎没有临床影响，但重要的是要认识到，多年肩部活动期间细微偏差的累积效应可能超过个体组织愈合和修复的阈值。此外，盂肱关节处的体内力并非无关紧要。使用定制的器械盂肱关节植入物，先前的研究表明，伸出手臂将2公斤的重量提高到头部高度可导致盂肱关节力，其范围为体重的70%至238%20，21，22。因此，关节运动的细微变化和集中在关节盂小承重表面积上的高力的组合可能有助于退行性肩部病变的发展。
从历史上看，肩部运动的测量是通过各种实验方法完成的。这些方法包括使用复杂的尸体测试系统，旨在模拟肩部运动23，24，25，26，27，基于视频的运动捕获系统，带有表面标记28，29，31，表面安装的电磁传感器32，33，34，35、附有反射标记物或其他传感器的骨针36、37、38、静态二维医学成像（即荧光透视39、40、41 和 X 线照片17、42、43、44、45）、使用 MRI46、47 的静态三维 （3D） 医学成像，计算机断层扫描48和动态3D单平面透视成像49，50，51。最近，可穿戴传感器（例如惯性测量单元）在实验室环境之外和自由生活条件下测量肩部运动方面越来越受欢迎52，53，54，55，56，57。
近年来，双翼射线照相或透视系统激增，旨在精确测量肩部的动态3D体内运动58，59，60，61，62。本文的目的是描述作者使用定制的双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目的是描述获取肩部复合体的双平面视频放射成像图像，获取CT扫描，开发3D骨模型，定位解剖学标志物，从双平面放射成像图像跟踪肱骨，肩胛骨和躯干的位置和方向以及计算运动学结果测量的方案。
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Protocol
在收集数据之前，参与者提供了书面知情同意书。该调查得到了亨利福特卫生系统机构审查委员会的批准。
用于获取、处理和分析双平面射线照相运动数据的协议高度依赖于成像系统、数据处理软件和感兴趣的结果度量。以下方案专门设计用于在肩胛骨平面或冠状面外展期间跟踪肩胛骨、肱骨以及第三和第四肋骨，并量化盂肱、肩胛胸和肱胸运动学。
1. CT成像方案
- 要求参与者仰卧在CT检查台上，双臂放在两侧。根据参与者的大小，将它们放置在桌子的中心，以便整个半躯干可用于成像。
- 为了获得侦察图像，技师确保CT视野包括锁骨（上部），肱骨远端上髁（下部），整个盂肱关节（横向）以及肋脊和胸骨骨关节（内侧）（图1）。
- 获取CT扫描，参数如下：扫描模式=螺旋;管电压 = 120 kVp;管电流：200-400毫安（自动）;切片厚度 = 0.66 mm;视场角 = 34 厘米。
- 验证扫描质量和视野。
- 使用 512 x 512 像素的图像矩阵大小重新格式化采集。给定切片厚度和 FOV，采集结果导致各向同性体素间距约为 0.66 mm。
- 以 DICOM 格式导出图像。
2. 双平面X射线动作捕捉协议
注：本实验方案中使用的定制双面 X 射线检测系统在 材料表中进行了描述。数据收集过程可能因不同的系统组件而异。X射线系统被任意称为"绿色"和"红色"，以区分程序和产生的图像序列，并以大约50°的光束间角和大约183厘米的源到图像距离（SID）定位（图2）。数据收集至少需要两名研究人员;一个用于操作X射线系统和计算机，另一个用于指导研究参与者。
- 相机软件设置
- 将相机光圈设定为默认设置（f/5.6）。
注意：此值取决于多个因素，包括相机、曝光时间、ISO 和参与者人体测量学。 - 打开相机软件并将研究协议加载到每个相机（采样率：60 Hz，曝光时间：1，100 μs）。
注：相机曝光时间可能因多种因素而异，包括相机、光圈设置和射线照相曝光。
- 将相机光圈设定为默认设置（f/5.6）。
- 系统预热
注意：如果在寒冷时产生高功率曝光，X射线管的阳极可能会损坏。因此，应根据制造商的建议，通过一系列低能耗暴露来预热管。- 在两个 X 射线发生器控制面板上，选择 血管 设置。预编程的血管设置产生适合系统预热的低能量暴露（根据系统制造商）。
- 将脉冲发生器上的曝光时间设置为0.25 s。
- 在 X 射线发生器控制面板上，按住 PREP 按钮。 准备延迟 出现在屏幕上。
- 两个屏幕都显示 为"准备曝光"后，同时按住 "曝光" 按钮。
注意：这不会产生X射线，而只会使系统臂。X射线的产生只能通过踩下脚踏板或手持扳机来实现。 - 按下两个控制面板上的 PREP 和 EXPOSE 按钮，同时按住并按住脚踏板（或手持）以触发 X 射线发生器以产生 X 射线。
注：X射线的产生时间为脉冲发生器指定的持续时间（步骤2.3.2）或直到踏板松开，以先发生者为准。 - 重复步骤2.2.2-2.2.5，直到X射线管的加热单元（HU）超过制造商获取图像所需的水平（我们的系统为5%HU）。
- 验证相机同步和图像焦点。
注：通过获取失真校正网格的一组测试图像来验证相机的同步和对焦（请参见 材料表）。每个图像增强器将使用下述步骤单独进行测试。- 将失真校正网格放在图像增强器上。
- 在两个 X 射线发生器控制面板上，选择 心脏 设置，该设置已编程为默认射线照相技术（70 kVp、320 mA、2 ms 和焦点 = 1.0 mm）。
注：相机设置保持不变（采样率：60 Hz，曝光时间：1，100 μs）。 - 将脉冲发生器设置为 0.25 s。
- 通过相机软件启动相机采集，并按照前面的步骤2.2.3-2.2.5中所述获取X射线图像。
- 预览生成的图像，并根据每个系统的触发脉冲确定经过的时间。如果相机之间的经过时间差超过2 μs，请确定哪个相机延迟点火，并在相机软件中指定帧延迟以解决问题。
- 目视检查图像的清晰度以验证相机焦点。为了进行客观评估，使用图像处理软件（例如，ImageJ）分析在失真校正网格内的珠子上绘制的轮廓线。具体而言，检查沿此轮廓线的像素灰度值的斜率。更负斜率可确保图像更清晰（假设射线照相图像反转，使得珠子变暗）。如有必要，请重新对焦相机并重复步骤2.3.3-2.3.6。
- 研究参与者设置和定位
注意：研究参与者的定位高度依赖于被跟踪的骨骼和被测试的运动。测试通常在研究参与者坐在固定椅子上（即不旋转或轮式）上进行，以尽量减少可能导致肩部移动到3D成像体积之外的位置变化的可能性。- 将椅子放置在双平面成像体积中，以便要测试的肩部在双平面X射线束相交处的大致位置居中。这是一个初步立场。根据参与者的人体测量学，要测试的运动和要跟踪的骨骼进行调整。
- 要求参与者以舒适的直立姿势坐下，双臂放在他/她的身边。
- 将铅衬里防护背心固定在参与者的躯干上，以覆盖他们的腹部和对侧肩部和胸部。
- 设置图像增强器的初始高度。为了帮助告知此过程，请打开系统 X 射线源中的灯。抬起系统，直到参与者投射到图像增强器上的阴影处于其腋窝的水平。
注：每个系统中的信号源和图像增强器耦合在一起移动。非耦合系统将需要此处未描述的其他对准步骤。 - 确定图像增强器的初始高度。在双平面图像体积内轻轻移动参与者的椅子，同时观察他们的阴影投射到每个图像增强器上。
注意：一个好的初始猜测是将参与者定位为使肩锁关节大致位于两个图像增强器的中心。对于当前方案，此位置是合理的初始猜测，这需要在肩部抬高期间对肱骨、肩胛骨和两根肋骨进行可视化和跟踪。 - 一旦参与者的位置在两个系统中看起来都是合理的，请保持光源打开并要求参与者执行要测试的运动。确保参与者的肩膀在整个运动试验期间保持在放射影像学视野内。如果可能，准直X射线束以减少暴露。
- 重复步骤 2.4.5-2.4.6，直到参与者在映像卷中的设置似乎合适。
- 研究人员#1：返回控制室运行X射线控制面板和摄像机。将 X 射线控制面板设置为低功耗透视模式（60 kVp，3-4 mA），并将脉冲发生器设置为 0.25 s 采集。
- 研究人员#2：向参与者解释将拍摄图像，以便可以在图像中验证他们的位置并描述将要发生的一系列事件。警告参与者系统发出的声音（例如，咔嗒声，嗡嗡声）以防止任何担忧。穿上铅衬里防护背心，取回手持扳机，并尽可能远离X射线源，以尽量减少暴露，同时仍然保持清晰的视线和与参与者的沟通。如果可能的话，站在带窗户的铅衬里盾牌后面。
- 研究人员#1（在X射线控制室）：启动相机并按照前面所述启动X射线控制面板（步骤2.2.3-2.2.5）。当系统准备好暴露时，通知研究人员#2。
- 研究员#2（在实验室中）：向参与者指出图像采集。使用手持式远程触发器触发射线照相图像采集。通知参与者拍摄了图像，并借口到控制室。
- 1 号和 2 号研究员（在 X 射线控制室）：检查图像。仅关注参与者的位置和要跟踪的所有骨骼的可见性。如有必要，重复步骤2.4.5-2.4.12，直到参与者的位置令人满意。
- 一旦建立了 X 射线系统的设置和定位，除非为每种配置收集了新的校准和失真校正图像，否则在数据收集会话期间不要移动 X 射线检测系统。此外，指示参与者在数据收集会话期间尽可能少地移动，以避免重复设置过程。
- 数据收集：静态图像采集
- 研究人员#1（在X射线控制室）：在X射线控制面板上设置优化的射线照相技术（基于初步测试）。这里使用的射线照相协议为70 kVp，320 mA，2 ms，焦点= 1.0 mm，相机以60 Hz收集，曝光时间为1，100 μs。将脉冲发生器设置为 0.25 s。
注意：通知参与者，下一个图像将是正式的图像采集。 - 研究人员#2（在实验室中）：通知参与者坐直，手臂放在身边。
- 如前所述获取映像（步骤 2.4.8-2.4.11）。
- 研究人员#1和#2（在X射线控制室）：检查图像。专注于所有必要骨骼的图像质量（即亮度和对比度）和可见性。如果需要调整图像质量，请确定要修改的参数（即光圈值、相机曝光时间、kVp、mA）并重新获取静态图像。
注意：始终注意剂量如何受到射线照相参数的影响至关重要。 - 重复步骤2.5.1-2.5.4，直到图像质量在IRB批准的剂量估计范围内可接受。
- 一旦图像质量可接受，请检查图像的技术质量（例如，损坏的帧）。
- 在可接受的静态试验图像采集后，保存每个相机的试验（例如，"green_still.cine"，"red_still.cine"）。
- 研究人员#1（在X射线控制室）：在X射线控制面板上设置优化的射线照相技术（基于初步测试）。这里使用的射线照相协议为70 kVp，320 mA，2 ms，焦点= 1.0 mm，相机以60 Hz收集，曝光时间为1，100 μs。将脉冲发生器设置为 0.25 s。
- 数据收集：动态图像采集
- 研究人员#1（在X射线控制室）：保持与静态试验图像相同的射线照相参数。将脉冲发生器设置为 2.0 秒曝光。
- 研究人员#2（在实验室中）：教参与者要执行的运动，包括运动的平面和时间。验证椅子和参与者的衣服和/或铅衬里背心不会干扰肩部运动。与参与者一起练习动议审判。使用口头提示"准备就绪...和。。。go"的节奏使得需要2秒（即运动试验的持续时间）来帮助参与者加快运动的开始和完成速度。
注意：至关重要的是，参与者了解程序并能够始终如一地进行动议试验，以避免与失败的试验相关的不必要暴露。 - 研究员#2（在实验室中）：经过充分的练习，取回手持式远程扳机。移动到实验室中安全的地方，与研究参与者有清晰的视线和沟通。
- 研究人员#1（在X射线控制室中）：将脉冲发生器重置为2.0秒，启动相机，并如前所述（步骤2.3.4-2.3.5）启动X射线控制面板。当系统准备好暴露时，通知研究人员#2。
- 研究员#2（在实验室）：问研究参与者，"你准备好了吗？[等待肯定的回应]"准备好了吗...和。。。去吧。（像以前一样有节奏，因此需要2秒）。
- 研究人员#2（在实验室中）：当参与者启动手臂运动时，手动触发X射线系统。
注意：虽然基于视觉运动风险手动触发忽略了运动试验的开始，但它可以防止在沟通不畅或延迟启动的情况下过度暴露研究参与者。试验完成后，通知参与者拍摄了图像，并借口到控制室检查图像。 - 研究人员#1和#2（在X射线控制室中）：检查试验图像的质量（即亮度和对比度）和技术条件（即任何损坏的帧）（图3）。保存每个摄像机的运动试验（例如，"green_scapab1.cine"、"red_scapab1.cine"）。
- 重复步骤2.6.1-2.6.7，收集批准的辐射安全协议中的所有运动试验。
- 收集校准图像
注：射线照相图像校准可定义基于实验室的坐标系、每个 X 射线射线照相系统相对于实验室坐标系的位置和方向，以及允许生成数字重建 X 线照片 （DRR） 的内在参数，这些射线图用于无标记跟踪过程。校准计算在步骤 3.4.1 中进行了说明。- 保持与数据收集期间相同的相机设置和射线照相技术设置。
- 将脉冲发生器设置为0.5 s曝光。
- 将校准立方体（参见 材料表）放置在成像体积的中间。
- 获取并保存立方体图像（例如，"green_cube.cine"、"red_cube.cine"）。
- 收集图像以进行失真校正和不均匀校正。
注：使用图像增强器采集的射线照相图像受强度、不均匀性63和失真的影响。因此，在每个射线照相系统上获取白场和失真校正网格的图像，以确定所需的校正。在失真和不均匀校正图像之前收集校准图像通常是谨慎的，以防在定位失真网格时图像增强器被撞击。- 从射线照相视野中移除所有对象。
- 保持与数据收集期间相同的相机设置和射线照相技术设置。将脉冲发生器设置为0.5 s曝光。
- 将失真校正格网（参见 材料表）连接到绿色图像增强器的表面。
- 获取网格和白场图像。
- 保存图像（例如，"green_grid.cine"、"red_white.cine"）。
- 将网格移动到红色图像增强器，并重复步骤 2.7.2-2.7.5，根据需要修改图像文件名。
3. 数据处理协议
注：准备骨几何形状、图像预处理（即失真和非均匀性校正和图像校准）以及无标记跟踪的程序变化很大，取决于所使用的软件。此处描述的过程特定于专有软件。但是，主要的数据处理步骤可能可转换为任何X射线动作捕捉软件包。
- 处理 CT 扫描
注：作者实验室使用的专有无标记跟踪软件优化了DRR的位置和方向。因此，处理 CT 扫描的过程会导致创建 16 位 TIFF 图像堆栈。其他软件包可能要求以不同的格式或规格表示骨几何形状。- 打开图像处理程序（例如，Mimics，FIJI）并导入CT图像。
- 将肱骨与周围的软组织分开。对于肋骨，创建一个延伸部分，将肋骨的前部连接到手镯，以便在步骤3.2.6的后面将胸骨骨关节数字化。
- 使用黑色蒙版（即，所有像素都涂成黑色）对完成的蒙版执行布尔运算（操作：黑色减去骨骼）。这会导致骨骼的倒置掩模，其中所有像素都是黑色的，除了与骨骼相对应的像素，这些像素仍保持在CT灰度中。
- 沿所有三个轴裁剪图像堆栈以消除黑色（即非骨骼）像素。在此 3D 边界框的边缘保留一些黑色像素。
- 以 TIFF 格式保存修改后的图像堆栈。
- 对所有剩余的骨骼重复步骤 3.1.1-3.1.5。
- 定义解剖坐标系和感兴趣区域 （ROI）
注：此协议定向解剖坐标系，如下所示。对于右肩，+X 轴朝向横向，+Y 轴定向优先，+Z 轴朝向后方。对于左肩，+X 轴朝向横向，+Y 轴定向优越，+Z 轴朝前方。- 导入要处理的骨骼的 TIFF 图像堆栈。将 TIFF 堆栈转换为 .使用专有软件将RAW文件并根据已知的像素尺寸和图像间距渲染3D骨骼模型。
注：模型的分辨率基于 CT 体积的采样（即体素间距）。因此，网格三角形的平均面积约为 1.02 mm2 （±0.2 mm2） （步骤 1.3）。 - 按如下方式数字化肱骨上的解剖标志（图4A）。
- 肱骨头的几何中心：确定球体的尺寸和位置，使用最小二乘算法最小化球体表面与肱骨关节表面之间的距离。将肱骨头的几何中心定义为优化球体中心的坐标。
- 内侧和外上髁：位于肱骨远端最宽的部分。
- 定义肱骨头ROI如下（图5A）。
- 整个肱骨关节表面和更大的结节。
- 按如下方式数字化肩胛骨上的解剖标志（图4B）。
- 肩胛骨脊柱根部：位于肩胛骨脊柱的内侧边缘。
- 肩锁后关节：位于肩胛骨肩峰上锁骨小平面的后侧。
- 下角：位于肩胛骨上最下角。
- 定义肩胛骨投资回报率如下（图5B）。
- 肩峰：肩峰的下表面，侧向肩胛骨脊柱。
- 盂：盂的整个关节面。
- 按如下方式数字化肋骨上的解剖标志物（图4C）。
- 前肋：位于肋骨延伸的内侧最大部分。
- 后肋骨：位于肋骨头部小平面后侧的上/下中点。
- 侧肋：当前肋和后肋点在屏幕上垂直对齐时，位于肋骨的最侧。
- 导入要处理的骨骼的 TIFF 图像堆栈。将 TIFF 堆栈转换为 .使用专有软件将RAW文件并根据已知的像素尺寸和图像间距渲染3D骨骼模型。
- 图像预处理
注：图像预处理是使用专有软件执行的，涉及将电影图像文件转换为TIFF堆栈并校正图像的失真不均匀性。- 执行非均匀性校正：软件平均约30帧（即0.5秒的数据）以产生单个高质量明场图像，以最大限度地减少任何单个帧中的噪声影响。明场图像用于计算从X射线源到每帧数据的每个像素的射线的真实射线照相密度。每个像素的光线穿透的所有物质的射线照相密度之和与该像素的明场对数减去该像素的观测图像的对数（即对数子处理）成正比。
- 执行失真校正：软件平均约30帧（即0.5秒的数据）以产生单个图像，并减少任何单个图像中的噪声影响。失真校正软件会创建一个仿射映射，从失真网格图像中相邻珠子位置的每个三个位置到Lucite失真校正格网中这三个珠子的已知（真实）位置。然后，这组小仿射映射用于将运动试验的每个观测帧重新采样为由正交珠阵列表示的真实坐标。
- 对每个试验的所有帧应用失真和非均匀性校正。
- 双平面成像体积校准。
注：图像校准是使用专有软件执行的。该软件使用非线性优化算法将观察到的校准对象微球位置调整为其已知的3D位置。此过程对每组双平面校准图像进行。结果是一个系统，可以数字方式投影骨体积的两个视图，并根据数据收集过程中收集的同一骨骼的射线照相图像进行注册。 - 无标记跟踪
注意：无标记跟踪是使用专有软件执行的。Autoscoper和C-Motion等软件也可用于完成此过程。- 在运动试验的第一帧上，使用软件控件旋转并平移DRR，直到它看起来与双平面X射线图像匹配良好（图6）。
- 保存手动解决方案。
- 应用优化算法。
- 目视检查由基于初始手动解的算法确定为最优的解决方案。如有必要，调整溶液并重复步骤3.5.2-3.5.3，直到对优化的解决方案感到满意。
- 在整个运动试验中，每 10 帧 重复步骤 3.5.1-3.5.4。
注意：此间隔取决于多个因素，包括帧速率、运动速度和图像质量。可能需要较小的间隔。 - 跟踪每 10 帧 后，执行优化以创建随后优化的插值初步解决方案。
- 继续完善解决方案，直到运动试验的所有帧都得到良好跟踪。
4. 数据分析协议
注：该协议中使用的专有无标记跟踪软件可生成解剖地标的原始轨迹和过滤轨迹，这些轨迹将用于构建解剖坐标系。这些坐标相对于校准过程中校准对象定义的实验室坐标系表示。以下协议概括性地描述了从这些标志性轨迹计算运动学结果度量的过程，以便可以用任何编程语言（例如，MATLAB）计算它们。第二个专有软件用于计算运动学和接近统计。
- 计算运动学和邻近系数统计
注：主要运动学结果测量包括关节旋转（即欧拉角）和位置。主要的接近度统计数据包括最小差距、平均差距和加权平均联络中心，它们是针对每一帧数据计算的。总的来说，这些测量描述了关节运动学或运动过程中的表面相互作用。在整个运动试验中汇总的解剖学接近度包括平均联络中心、接触路径和接触路径长度。- 对于每个骨骼和运动帧，使用过滤后的解剖学地标坐标（即无标记跟踪软件的输出）构建一个16元素变换矩阵，表示骨骼相对于实验室坐标系的解剖坐标系。
- 通过使用软件关联相关骨骼之间的解剖坐标系来计算相对运动学。
- 使用常规方法提取关节角度和位置64。给定解剖坐标系的方向，使用 Z-X'-Y'' 旋转序列提取盂肱肱运动学，使用 Y-Z'-X'' 旋转序列提取肩肱胸运动学，并使用 Y-Z'-Y'' 旋转序列提取肱胸运动学。
- 最小间隙：使用软件计算对立骨骼上最近邻三角形质心之间的最小间隙（即距离）。
- 平均间隙：使用软件使用与指定测量区域内最接近的相邻点具有最小间隙的三角形计算最小间隙的面积加权平均值。将测量区域定义为最接近相对骨骼的三角形，其面积总和为 200 mm2。在计算中纳入此测量面积，以确保平均间隙计算中仅包括合理接近相反骨骼的表面。
注意：测量区域的大小（即200 mm2）是在初始算法开发过程中选择的，因为发现它始终如一地反映了肩峰下空间和盂肱关节的接近，而不会与远处表面过度偏斜。将此测量用于更广泛的表面相互作用（例如，胫股骨）可能需要更大的测量区域。 - 加权平均联络中心（即质心）：使用软件计算 ROI 表面上的点，该点可最小化与测量区域内所有其他三角形（即最接近面积总和为 200 mm2 的相对骨骼的三角形）的加权距离。测量区域中每个三角形的加权系数计算为：三角形面积/到最近邻质心的平方距离（即平方反比加权）。通过这种方式，权重较大的三角形更大（系数为 1）并更接近相反的骨骼（按最小距离平方的系数）。
- 平均联络中心：使用软件计算联络中心在运动试验中的平均位置（即质心）。给定联络中心代表关节运动学，平均联络中心代表运动期间表面相互作用的中心。
- 联系路径：通过使用软件在整个运动试验中连接加权平均联络中心的坐标来定义。
- 接触路径长度：使用软件计算运动试验中接触路径的长度。
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Representative Results
一名 52 岁无症状女性（BMI = 23.6 kg/m2）被招募为既往调查的一部分，并在其显性（右）肩上接受了运动试验（冠状平面外展）65。在收集数据之前，参与者提供了书面知情同意书。该调查得到了亨利福特卫生系统机构审查委员会的批准。数据收集是使用前面描述的协议执行的（图3）。
参与者的盂肱、肩胛胸和肱胸运动学分别如图 7、 图8和 图9所示。对盂肱和肩胛胸运动学的目视检查表明，参与者的肩部运动与冠状平面外展期间的一般预期一致66。具体而言，盂肱运动包括抬高和轻微的外旋，通常位于肩胛骨后方的平面上（图7），而肩胛胸运动包括向上旋转、后倾和轻微的内/外旋转（图8）。
在运动试验期间，最小肩峰下距离（即给定框架的峰下出口最窄宽度）的范围从74.0°肱骨抬高时的1.8 mm（框架45）到134.0°肱胸抬高时的8.3 mm（框架89）（图10A， 图11A）。平均峰下距离（即，在指定的200 mm2 测量区域内，峰下出口的平均宽度）倾向于遵循与最小距离度量相似的轨迹。例如，平均肩峰下距离的范围从肱胸抬高75.4°时的4.2毫米（第46帧）到肱骨胸高程134.0°时的9.2毫米（第89帧）。最后，最小亚峰距倾向于遵循与表面积度量的互补轨迹（图10B），使得当表面积较大时，最小距离趋于较小。绘制肱骨头最小距离的位置表明，随着肱胸抬高角的增加，最接近肩峰的位置在肩袖足迹上横向移动（图11A）。在整个运动试验中，肱骨头上的接触路径长度为40.5 mm，肩峰上的接触路径长度为28.8 mm。
在运动试验期间，最小盂肱距离（即盂肱关节间隙最窄的宽度）从肱胸抬高137.9°时的1.0 mm（第92帧）到肱胸抬高34.2°时的2.1 mm（图12A， 图11B）。与峰下距离一样，平均盂肱肱距离倾向于遵循与最小距离度量相似的轨迹，并且这些距离遵循与表面积度量的互补轨迹（图12B）。例如，平均盂肱距离范围从肱胸抬高137.9°时的1.4毫米（第92帧）到肱胸抬高23.5°时的2.6毫米（第12帧）。绘制盂肱接触中心相对于关节盂边缘轮廓的位置表明，参与者的关节运动学包括适度的表面相互作用。具体而言，肱骨在前/后方向上保持相对中心在盂骨中，但在运动试验期间上移，然后下移（图11B）。在整个运动试验中，关节盂上的接触路径长度为30.0 mm，肱骨头上的接触路径长度为45.4 mm。
图 1：CT 视野。 （A） 日冕、（B） 矢状面和 （C） 横向平面。在采集过程中，CT 技师确保视野包括锁骨（上部）、肱骨远端上髁（下部）、整个盂骺关节（外侧）以及肋脊关节和胸骨骨关节（内侧）。 请点击此处查看此图的放大版本。
图2：双翼飞机视频射线照相系统的示意图。 X 射线检测系统的定位具有 50° 的光束间角和 183 cm 的源到图像距离 （SID）。参与者位于双平面体积中，使得他们的盂肱关节大约位于X射线束的交叉处。系统称为"绿色"和"红色"，以区分控制面板和图像的文件名。 请点击此处查看此图的放大版本。
图3：日冕平面外展期间代表性受试者的双平面射线照相图像。 虽然下颌出现在绿色系统的图像中，但应注意避免将头部包括在视野中，以尽量减少对该区域的剂量。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4：解剖坐标系的定义。 （A） 通过数字化肱骨头、内上髁和外上髁的几何中心来定义的肱骨坐标系。（B） 肩胛骨坐标系，通过数字化肩锁关节的内侧脊柱、下角和后侧来定义。（C） 肋骨坐标系，通过数字化肋骨小平面的后侧、肋骨的最外侧和肋骨水平的外侧胸骨来定义。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 5：邻近统计的感兴趣区域 （ROI） 定义。 （A）肱骨头ROI，用于计算肱骨距离和盂肱关节接触模式，（B）肩眦和盂ROIs，分别用于计算肱骨距离和盂肱关节接触模式。 请点击此处查看此图的放大版本。
图6：专有无标记跟踪软件的屏幕截图。 屏幕截图说明了在日冕平面外展期间来自代表性受试者的肱骨和肩胛骨的优化解决方案。 请点击此处查看此图的放大版本。
图7：在一次日冕平面绑架试验中，一个有代表性的受试者的胭肱运动学。 注意：前位置已转换为正值。缩写： med. = 内侧;纬度 = 横向;sup. = 优越;inf. = 劣等;蚂蚁 = 前部;后置。 = 后置。 请点击此处查看此图的放大版本。
图8：在一次冠状平面绑架试验中，一个有代表性的受试者的肩胛骨胸运动学表现。 注意：前位置已转换为正值。缩写：IR = 内部旋转;ER = 外部旋转;UR = 向上旋转;DR = 向下旋转;AT = 前倾;PT = 后倾;医学 = 内侧;纬度 = 横向;sup. = 优越;inf. = 劣等;蚂蚁 = 前部;后置。 = 后置。 请点击此处查看此图的放大版本。
图9：在一次日冕平面绑架试验中，代表性受试者的肱骨胸运动学。 注意：前位置已转换为正值。缩写： med. = 内侧;纬度 = 横向;sup. = 优越;inf. = 劣等;蚂蚁 = 前部;后置。 = 后置。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 10：在一个有代表性的受试者的日冕平面外展试验期间对肩峰下空间的评估。 （A） 在框架之间显示无峰肱间距离的测量以及相应的肱胸仰角。最小距离计算为肱骨头和肩峰 ROI 之间最近邻三角形质心之间的最小距离。平均距离表示最小距离的面积加权平均值，该平均值是根据肱骨头 ROI 中与其最近邻的最小间隙的三角形计算得出的。（B） 肱骨头ROI的表面积在肩峰ROI的10毫米以内，与相应的肱胸抬高角一起显示在帧中。缩写：HT = 肱胸。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 11：接近映射。 （A） 肩峰下空间，（B） 盂肱关节间隙。使用最小距离最小的数据帧（即帧 #45）的最小距离度量在肱骨头 ROI 上映射亚峰邻近度。接触路径（黑色）表示帧 #1-45 之间的最小距离轨迹。盂肱关节接近度使用关节空间最小的数据帧（即帧 #92）的加权平均接触中心进行映射。接触路径（黑色）表示帧 #1-92 之间的质心轨迹。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 12：在一名代表性受试者的冠状平面外展试验期间对盂肱关节间隙的评估。 （A） 跨框架显示盂肱关节间隙的测量以及相应的肱胸抬高角。最小距离计算为盂骨和肱骨头 ROI 之间最近邻三角形质心之间的最小距离。平均距离表示最小距离的面积加权平均值，根据盂骨ROI中与肱骨头ROI上最近邻居具有最小间隙的三角形计算得出。（B） 肱骨头ROI在肱骨头ROI的10 mm范围内的表面积与相应的肱胸抬高角一起显示在框架中。缩写：HT = 肱胸。请点击此处查看此图的放大版本。
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Discussion
这里描述的技术通过提供动态活动期间3D关节运动的精确测量，克服了与评估肩部运动的传统技术（即尸体模拟，2D成像，静态3D成像，基于视频的运动捕获系统，可穿戴传感器等）相关的几个缺点。本文描述的方案的准确性是为盂肱关节与放射立体分析（RSA）的金标准±0.5°和±0.4 mm67，68而建立的。类似的方案已经开发用于其他关节，如膝盖69，spine70和脚/脚踝71。重要的是，如果没有一个足够准确的系统，检测关节运动中具有统计学意义和临床上潜在意义的差异所需的样本量可能令人望而却步。此外，这种精度水平提供了描述潜在重要结果测量的能力，例如关节位置和/或平移62，72，关节运动学72，73，74，75，肩峰下距离61，72，75和瞬时运动轴76.最终，准确测量体内关节运动对于在正常和病理条件下提供肩部功能的机制理解以及评估非手术和手术临床干预的效果至关重要。
使用双平面显像仪对肩部运动学进行量化所提供的准确性带来了许多挑战和局限性。与该技术相关的主要限制是CT扫描和双平面X射线成像的结果对参与者的辐射暴露。因此，随着时间的推移，可以获得的动议审判或后续会议的数量是有限的。与此处描述的方案相对应的有效剂量约为10.5 mSv，其中大部分（约10 mSv）来自CT扫描，其中包括肱骨远端的成像，以便上髁可用于构建肱骨解剖坐标系64。就上下文而言，该剂量对应于暴露于自然背景辐射源的约3年。国家辐射防护和测量委员会最近的建议表明，假设对个人或社会有适度的预期益处，该剂量可归类为"次要"77。因此，在基于坚实的科学前提的精心设计的研究中，必须使用双平面视频放射成像进行运动分析，该研究有可能对公众健康产生重大影响。
减少与双翼视频放射成像相关的剂量对于促进该技术在研究和临床环境中的更广泛使用至关重要。幸运的是，CT和MR成像的最新进展可能会大大减少参与者的剂量。例如，使用MRI78，79 或更低剂量CT80 得出的肱骨和肩胛骨模型已被证明在许多研究应用中具有可接受的准确性。此外，以不需要肱骨上髁81 的方式重新定义肱骨坐标系将通过减少CT成像体积来减少剂量。在获取任何图像之前仔细练习运动试验对于确保收集的每个试验都具有价值并且不会不必要地增加参与者的总剂量也至关重要。最终，在负责任地使用双平面视频放射成像来量化人类研究参与者的3D运动学时，仔细考虑这些因素以及许多其他因素至关重要。
当使用双平面显像仪量化肩部运动时，参与者的身体习惯以及中央躯干和肩部外侧之间的组织密度（以及图像亮度）的差异带来了额外的挑战。特别是，在BMI高（>30 kg/m2）的个体和乳房组织较大或致密的女性中，使用本方案中描述的放射成像技术（即~70 kVp，320 mA，2 ms脉冲暴露）通常具有挑战性。如果没有清晰的骨骼边缘可视化，运动学跟踪精度可能会下降。因此，通过限制BMI仔细选择参与者可以改善许多这些具有挑战性的成像考虑因素。然而，即使在身体习惯健康的参与者中，肱骨抬高角度处侧肩峰的"冲刷"也很常见（图2A，第1帧的绿色系统）。这是因为当肱骨处于较低的仰角时，肩峰周围的组织（因此密度）很小，并且该区域的能见度被削弱以可视化肩胛骨和肋骨。然而，一旦肱骨抬高并且肩部的大部分投射到自身上（从而增加射线照射密度），肩峰就会变得清晰可见。因此，运动试验的最佳放射成像技术并不一定能保证始终显示所有骨骼，但可以清晰地显示足够的骨解剖结构以进行无标记跟踪。
使用双平面显像仪的另一个挑战是相对较小的3D成像体积，这主要由图像受体大小，两个成像系统的方向和SID定义。虽然限制3D成像体积有助于控制辐射剂量（即通过准直），但较小的成像体积可能会限制关节运动的获取范围和/或正在评估的任务类型。例如，需要躯干运动（例如，投掷）的任务可能与双平面视频放射成像运动分析不兼容，因为参与者在执行任务时可能会移动到3D成像体积之外。即使在较简单的任务（例如抬起手臂）中，患者在影像体积之外的运动也很常见，特别是在肱骨抬高活动范围明显受损的个体中（例如，由于大量肩袖撕裂，粘连性关节囊炎，OA），因为这些个体通常通过向对侧倾斜来补偿。因此，在成像体积内仔细定位参与者和口头提示以避免倾斜是数据收集过程中的关键步骤（第2.4节）。
较小的3D成像体积也限制了可能感兴趣的其他片段的可视化。例如，跟踪躯干对于量化肩胛骨胸和肱胸运动学是必要的。本文中描述的协议通过跟踪第三和第四肋来解决这一挑战。然而，其他研究人员使用与射线照相系统同步的外部表面跟踪系统跟踪躯干49，50，62。这些方法中的每一种都有其独特的局限性。例如，跟踪肋骨需要对中央躯干进行良好的可视化，这在具有较大身体习惯而不冲洗外侧肩的个体中具有挑战性，如前所述。此外，使用较小的图像增强器（即小于40厘米）跟踪肋骨可能具有挑战性。相比之下，使用表面传感器跟踪躯干运动会引入皮肤运动伪影。无论使用哪种方法，在使用双平面视频放射成像量化肩部运动学时，有限的3D成像量仍然是一个挑战。
总之，双平面视频放射成像可以高度准确地量化肩部运动学。本文中描述的方案的变异已被用于实验室内的大量研究58，59，72，73，82，每个方案变异都基于特定的研究目标精心构建，以最小化剂量，最大化图像质量，并最大化片段可见性。最终，准确测量体内关节运动对于在正常和病理条件下提供肩部功能的机制理解以及评估非手术和手术临床干预的效果非常重要。
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Disclosures
作者没有利益冲突。
Acknowledgments
本出版物中报告的研究得到了国家关节炎和肌肉骨骼和皮肤病研究所的支持，奖项编号为R01AR051912。内容完全由作者负责，并不一定代表美国国立卫生研究院（NIH）的官方观点。
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 |
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