Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Meten van 3D in-vivo schouderkinematica met behulp van biplanaire videoradiografie

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

Tweedekker videoradiografie kan schouderkinematica met een hoge mate van nauwkeurigheid kwantificeren. Het hierin beschreven protocol is speciaal ontworpen om de scapula, opperarmbeen en de ribben te volgen tijdens vlakke humerusverhoging en schetst de procedures voor het verzamelen, verwerken en analyseren van gegevens. Unieke overwegingen voor het verzamelen van gegevens worden ook beschreven.

Abstract

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. Helaas komen schouderpathologieën (bijv. Rotator cuff-scheuren, gewrichtsdislocaties, artritis) vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. De specifieke etiologie voor veel van deze pathologische aandoeningen is niet volledig begrepen, maar het is algemeen aanvaard dat schouderpathologie vaak wordt geassocieerd met veranderde gewrichtsbeweging. Helaas is het meten van schouderbeweging met de nodige nauwkeurigheid om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken niet triviaal. Radiografische bewegingsmeettechnieken hebben echter de vooruitgang opgeleverd die nodig is om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken en een mechanistisch begrip van de schouderfunctie te bieden. Het doel van dit artikel is dus om de benaderingen te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast dubbelplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van de kinematische uitkomstmaten. Bovendien zal het artikel speciale overwegingen beschrijven die uniek zijn voor de schouder bij het meten van gewrichtskinematica met behulp van deze aanpak.

Introduction

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. De schouder heeft ook het grootste bewegingsbereik van de belangrijkste gewrichten van het lichaam en wordt vaak beschreven als een compromis tussen mobiliteit en stabiliteit. Helaas komen schouderpathologieën vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. Rotator cuff-scheuren treffen bijvoorbeeld ongeveer 40% van de bevolking ouder dan 601,2,3, met ongeveer 250.000 rotator cuff-reparaties die jaarlijks worden uitgevoerd4, en een geschatte economische last van $ 3-5 miljard per jaar in de Verenigde Staten5. Bovendien komen schouderdislocaties vaak voor en worden ze vaak geassocieerd met chronische disfunctie6. Ten slotte is glenohumerale gewrichtsartrose (OA) een ander belangrijk klinisch probleem met betrekking tot de schouder, waarbij bevolkingsstudies aangeven dat ongeveer 15% -20% van de volwassenen ouder dan 65 jaar radiografisch bewijs van glenohumerale OA7,8 heeft. Deze aandoeningen zijn pijnlijk, tasten de activiteitsniveaus aan en verminderen de kwaliteit van leven.

Hoewel de pathogeneses van deze aandoeningen niet volledig worden begrepen, wordt algemeen aanvaard dat veranderde schouderbeweging geassocieerd is met veel schouderpathologieën9,10,11. In het bijzonder kan abnormale gewrichtsbeweging bijdragen aan de pathologie9,12, of dat de pathologie kan leiden tot abnormale gewrichtsbeweging13,14. Relaties tussen gewrichtsbeweging en pathologie zijn waarschijnlijk complex en subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging kunnen belangrijk zijn in de schouder. Hoewel hoekbeweging bijvoorbeeld de overheersende beweging is die optreedt bij het glenohumerale gewricht, treden gezamenlijke translaties ook op tijdens schouderbewegingen. Onder normale omstandigheden zijn deze translaties waarschijnlijk niet groter dan enkele millimeters15,16,17,18,19 en kunnen daarom lager zijn dan het niveau van in-vivo nauwkeurigheid voor sommige meettechnieken. Hoewel het verleidelijk kan zijn om aan te nemen dat kleine afwijkingen in gewrichtsbeweging weinig klinische impact kunnen hebben, is het belangrijk om ook te erkennen dat het cumulatieve effect van subtiele afwijkingen gedurende jaren van schouderactiviteit de drempel van het individu voor weefselgenezing en -herstel kan overschrijden. Bovendien zijn in-vivo krachten in het glenohumerale gewricht niet onbelangrijk. Met behulp van op maat gemaakte geïnstrumenteerde glenohumerale gewrichtsimplantaten hebben eerdere studies aangetoond dat het verhogen van een gewicht van 2 kg tot hoofdhoogte met een uitgestrekte arm kan resulteren in glenohumerale gewrichtskrachten die kunnen variëren van 70% tot 238% van het lichaamsgewicht20,21,22. Bijgevolg kan de combinatie van subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging en hoge krachten geconcentreerd over het kleine dragende oppervlak van de glenoïde bijdragen aan de ontwikkeling van degeneratieve schouderpathologieën.

Historisch gezien is de meting van schouderbeweging bereikt door middel van een verscheidenheid aan experimentele benaderingen. Deze benaderingen omvatten het gebruik van complexe cadaverische testsystemen die zijn ontworpen om schouderbeweging te simuleren23,24,25,26,27, videogebaseerde motion capture-systemen met oppervlaktemarkeringen28,29,31, opbouw elektromagnetische sensoren32,33,34,35 , botpennen met reflecterende markers of andere sensoren bevestigd36,37,38, statische tweedimensionale medische beeldvorming (d.w.z. fluoroscopie39,40,41 en röntgenfoto's17,42,43,44,45), statische driedimensionale (3D) medische beeldvorming met MRI46,47, computertomografie48 en dynamische, 3D single plane fluoroscopische beeldvorming49,50,51. Meer recent hebben draagbare sensoren (bijv. traagheidsmeeteenheden) aan populariteit gewonnen voor het meten van schouderbewegingen buiten de laboratoriumomgeving en in vrije leefomstandigheden52,53,54,55,56,57.

In de afgelopen jaren is er een proliferatie geweest van tweedekker radiografische of fluoroscopische systemen die zijn ontworpen om dynamische, 3D in-vivo bewegingen van de schouder nauwkeurig te meten58,59,60,61,62. Het doel van dit artikel is om de aanpak van de auteurs te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast biplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van kinematische uitkomstmaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System.

Protocollen voor het verkrijgen, verwerken en analyseren van tweedekker radiografische bewegingsgegevens zijn sterk afhankelijk van de beeldvormingssystemen, gegevensverwerkingssoftware en uitkomstmaten van belang. Het volgende protocol is specifiek ontworpen om de scapula, het opperarmbeen en de derde en de vierde rib te volgen tijdens scapulaire of coronale vlakontvoering en om glenohumerale, scapulothoracale en humerothoracale kinematica te kwantificeren.

1. CT-beeldvormingsprotocol

  1. Vraag de deelnemer om achterover op de CT-onderzoekstafel te liggen met zijn armen aan zijn zij. Afhankelijk van de grootte van de deelnemer, plaats je ze uit het midden op de tafel, zodat de hele hemi-romp beschikbaar is voor beeldvorming.
  2. Om de verkenningsbeelden te verkrijgen, zorgt de technoloog ervoor dat het CT-gezichtsveld het sleutelbeen (superieur), de distale humerale epicondyles (inferieur), het hele glenohumerale gewricht (zijdelings) en de costovertebrale en sternocostale gewrichten (mediaal) omvat (figuur 1).
  3. Verkrijg de CT-scan met de volgende parameters: scanmodus = spiraalvormig; buisspanning = 120 kVp; buisstroom: 200-400 mA (auto); plakdikte = 0,66 mm; FOV = 34 cm.
  4. Controleer de scankwaliteit en het gezichtsveld.
  5. Formatteer de acquisitie opnieuw met een afbeeldingsmatrixgrootte van 512 x 512 pixels. Gezien de plakdikte en FOV resulteert de verwerving in een isotrope voxelafstand van ongeveer 0,66 mm.
  6. Exporteer de afbeeldingen in DICOM-indeling.

2. Tweedekker X-ray motion capture protocol

OPMERKING: Het aangepaste tweeplanaire röntgensysteem dat in dit protocol wordt gebruikt, wordt beschreven in de Tabel met materialen. De procedures voor het verzamelen van gegevens zullen waarschijnlijk variëren met verschillende systeemcomponenten. De röntgensystemen worden willekeurig "groen" en "rood" genoemd om procedures en resulterende beeldsequenties te onderscheiden en zijn gepositioneerd met een tussenstraalhoek van ongeveer 50° en een bron-tot-beeldafstand (SID) van ongeveer 183 cm (figuur 2). Voor de gegevensverzameling zijn minimaal twee onderzoeksmedewerkers nodig; een om het röntgensysteem en de computer te bedienen, en de andere om de onderzoeksdeelnemer te instrueren.

  1. Camera software instellen
    1. Stel het diafragma van de camera in op de standaardinstelling (f/5.6).
      OPMERKING: Deze waarde is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder camera, belichtingstijd, ISO en antropometrie van deelnemers.
    2. Open de camerasoftware en laad het onderzoeksprotocol op elke camera (bemonsteringsfrequentie: 60 Hz, belichtingstijd: 1.100 μs).
      OPMERKING: De belichtingstijd van de camera kan variëren afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de camera, diafragma-instelling en radiografische belichting.
  2. Systeemopwarming
    OPMERKING: De anode van de röntgenbuis kan beschadigd raken als er krachtige blootstellingen worden geproduceerd wanneer het koud is. Daarom moeten de buizen worden opgewarmd door een reeks blootstellingen aan lage energie op basis van de aanbevelingen van de fabrikant.
    1. Selecteer op beide bedieningspanelen van de röntgengenerator de optie Vasculaire instelling. De voorgeprogrammeerde vasculaire instellingen produceren lage energieblootstellingen die geschikt zijn voor de opwarming van het systeem (per systeemfabrikant).
    2. Stel de belichtingstijd op de pulsgenerator in op 0,25 s.
    3. Houd op de bedieningspanelen van de röntgengenerator de PREP-knoppen ingedrukt. Voorbereidingsvertraging verschijnt op het scherm.
    4. Zodra beide schermen Ready to Expose lezen, houdt u tegelijkertijd de EXPOSE-knoppen ingedrukt .
      OPMERKING: Dit zal geen röntgenstralen produceren, maar alleen het systeem wapenen. Röntgenproductie vindt alleen plaats door het voetpedaal of de handtriggers in te drukken.
    5. Druk de PREP - en EXPOSE-knoppen op beide bedieningspanelen in en houd tegelijkertijd het voetpedaal (of in de hand) ingedrukt om de röntgengenerator te activeren om röntgenstralen te produceren.
      OPMERKING: De röntgenstralen worden geproduceerd voor de duur die is opgegeven door de pulsgenerator (stap 2.3.2) of totdat het pedaal wordt losgelaten, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet.
    6. Herhaal de stappen 2.2.2-2.2.5 totdat de warmte-eenheid (HU) van de röntgenbuis het niveau overschrijdt dat de fabrikant vereist om afbeeldingen te verkrijgen (5% HU voor ons systeem).
  3. Controleer de camerasynchronisatie en beeldfocus.
    OPMERKING: Controleer de camerasynchronisatie en focus door een set testbeelden van het vervormingscorrectieraster te verkrijgen (zie Materiaaltabel). Elke beeldversterker wordt afzonderlijk getest met behulp van de onderstaande stappen.
    1. Plaats het vervormingscorrectieraster op de beeldversterker.
    2. Selecteer op beide bedieningspanelen van de röntgengenerator de cardiale instelling, die is geprogrammeerd volgens de standaard radiografische techniek (70 kVp, 320 mA, 2 ms en focal spot = 1,0 mm).
      OPMERKING: De camera-instellingen blijven ongewijzigd (bemonsteringsfrequentie: 60 Hz, belichtingstijd: 1.100 μs).
    3. Stel de pulsgenerator in op 0,25 s.
    4. Start de camera-acquisitie via de camerasoftware en verkrijg röntgenfoto's zoals eerder beschreven in de stappen 2.2.3-2.2.5.
    5. Bekijk een voorbeeld van de resulterende afbeeldingen en bepaal de verstreken tijd van de triggerpuls voor elk systeem. Als het verschil in verstreken tijd tussen camera's meer dan 2 μs is, bepaalt u welke camera te laat afvuurt en geeft u een framevertraging op in de camerasoftware om het probleem op te lossen.
    6. Inspecteer de scherpte van het beeld visueel om de camerafocus te verifiëren. Analyseer voor een objectieve beoordeling een profiellijn die over een kraal is getrokken binnen het vervormingscorrectieraster met behulp van beeldverwerkingssoftware (bijvoorbeeld ImageJ). Controleer met name de helling van de pixelgrijze waarden langs deze profiellijn. Een negatievere helling zorgt voor een scherper beeld (ervan uitgaande dat het radiografische beeld zodanig is omgekeerd dat de kraal donker is). Stel indien nodig de camera's opnieuw scherp en herhaal de stappen 2.3.3-2.3.6.
  4. Onderzoek de opstelling en positionering van de deelnemers
    OPMERKING: De positionering van de onderzoeksdeelnemer is sterk afhankelijk van de botten die worden gevolgd en de beweging die wordt getest. Testen wordt meestal uitgevoerd met de onderzoeksdeelnemer zittend op een vaste stoel (d.w.z. niet draaiend of verwield) om de kans op veranderingen in hun positie te minimaliseren die ertoe kunnen leiden dat de schouder buiten het 3D-beeldvormingsvolume beweegt.
    1. Plaats de stoel in het tweedekkerbeeldvolume zodat de te testen schouder ongeveer gecentreerd is waar de tweedekker röntgenstralen elkaar kruisen. Dit is een voorlopig standpunt. Pas het aan op basis van de antropometrie van de deelnemer, de te testen beweging en de botten die moeten worden gevolgd.
    2. Vraag de deelnemer om in een comfortabele rechtopstaande houding te zitten met de armen die naast hem/haar rusten.
    3. Bevestig een met lood gevoerd beschermend vest over de romp van de deelnemer om hun buik en de contralaterale schouder en borst te bedekken.
    4. Stel de voorlopige hoogte van de beeldversterkers in. Om deze procedure te helpen informeren, schakelt u het lampje in de röntgenbron van het systeem in. Til het systeem op totdat de schaduw van de deelnemer die op de beeldversterker wordt geworpen zich ter hoogte van zijn oksel bevindt.
      OPMERKING: De bron- en beeldversterker binnen elk systeem zijn gekoppeld om samen te bewegen. Ontkoppelde systemen vereisen extra uitlijningsstappen die hier niet worden beschreven.
    5. Bepaal de voorlopige hoogte van de beeldversterkers. Beweeg de deelnemer voorzichtig op zijn stoel binnen het tweedekker beeldvolume terwijl hij kijkt naar hun schaduw die op elke beeldversterker wordt geworpen.
      OPMERKING: Een goede eerste gok is om de deelnemer zo te positioneren dat het acromioclaviculaire gewricht zich ongeveer in het midden van beide beeldversterkers bevindt. Deze positie is een redelijke eerste gok voor het huidige protocol, dat de visualisatie en tracking van het opperarmbeen, het schouderblad en twee ribben tijdens schouderverhoging vereist.
    6. Zodra de positie van de deelnemer in beide systemen redelijk lijkt te zijn, houdt u de lichtbron aan en vraagt u de deelnemer om de te testen beweging uit te voeren. Zorg ervoor dat de schouder van de deelnemer tijdens de gehele bewegingsproef binnen het radiografische gezichtsveld blijft. Indien mogelijk, collimeren röntgenstralen om de blootstelling te verminderen.
    7. Herhaal stap 2.4.5-2.4.6 totdat blijkt dat de installatie van de deelnemer binnen het afbeeldingsvolume geschikt is.
    8. Onderzoeker #1: Keer terug naar de controlekamer om de röntgenbesturingspanelen en camera's uit te voeren. Stel het röntgenbedieningspaneel in op de fluoroscopiemodus met laag vermogen (60 kVp, 3-4 mA) en de pulsgenerator op een acquisitie van 0,25 s.
    9. Onderzoeker #2: Leg de deelnemer uit dat er een foto zal worden gemaakt zodat zijn positie in de afbeeldingen kan worden geverifieerd en beschrijf de reeks gebeurtenissen die zullen plaatsvinden. Waarschuw de deelnemer voor de geluiden die het systeem maakt (bijv. Klikken, brommen) om angst te voorkomen. Trek een met lood bekleed beschermend vest aan, haal de handtrigger op en beweeg zo ver mogelijk weg van de röntgenbronnen om de blootstelling te minimaliseren terwijl u toch een duidelijke zichtlijn en communicatie met de deelnemer behoudt. Ga indien mogelijk achter een met lood bekleed schild met een raam staan.
    10. Onderzoeker #1 (in de röntgencontrolekamer): Start de camera's en bereid het röntgenbedieningspaneel voor zoals eerder beschreven (stappen 2.2.3-2.2.5). Wanneer het systeem klaar is om te worden blootgesteld, stelt u de onderzoeker # 2 op de hoogte.
    11. Onderzoeker #2 (in lab): Geef de deelnemer een indicatie over beeldverwerving. Activeer de radiografische beeldverwerving met behulp van de hand-held remote trigger. Informeer de deelnemer dat er een foto is gemaakt en verontschuldig je bij de meldkamer.
    12. Onderzoeker #1 en #2 (in de röntgencontrolekamer): Inspecteer de beelden. Focus alleen op de positie van de deelnemer en de zichtbaarheid van alle te volgen botten. Herhaal indien nodig de stappen 2.4.5-2.4.12 totdat de positie van de deelnemer bevredigend is.
    13. Zodra de installatie en positionering van het röntgensysteem is vastgesteld, mag u het röntgensysteem niet verplaatsen tijdens de gegevensverzamelingssessie, tenzij voor elke configuratie nieuwe kalibratie- en vervormingscorrectiebeelden worden verzameld. Instrueer de deelnemer ook om zo min mogelijk te bewegen voor de duur van de gegevensverzamelingssessie om te voorkomen dat de installatieprocedures moeten worden herhaald.
  5. Gegevensverzameling: Statische beeldacquisitie
    1. Onderzoeker #1 (in de röntgencontrolekamer): Stel de geoptimaliseerde radiografische techniek in op het röntgenbedieningspaneel (op basis van voorlopige tests). Het radiografische protocol dat hier wordt gebruikt is 70 kVp, 320 mA, 2 ms en focal spot = 1,0 mm, waarbij de camera verzamelt bij 60 Hz en een belichtingstijd van 1.100 μs. Stel de pulsgenerator in op 0,25 s.
      OPMERKING: Informeer de deelnemer dat de volgende afbeelding een formele afbeeldingsverwerving zal zijn.
    2. Onderzoeker #2 (in het lab): Informeer de deelnemer om rechtop te zitten met zijn arm rustend op zijn zij.
    3. Verkrijg een afbeelding zoals eerder beschreven (stappen 2.4.8-2.4.11).
    4. Onderzoekers #1 en #2 (in röntgencontrolekamer): Inspecteer de beelden. Focus op de beeldkwaliteit (d.w.z. helderheid en contrast) en zichtbaarheid van alle benodigde botten. Als aanpassingen in de beeldkwaliteit nodig zijn, bepaalt u de parameter die moet worden gewijzigd (d.w.z. f-stop, belichtingstijd van de camera, kVp, mA) en verkrijgt u het statische beeld opnieuw.
      OPMERKING: Het is van cruciaal belang om altijd in gedachten te houden hoe de dosis wordt beïnvloed door de radiografische parameters.
    5. Herhaal stap 2.5.1-2.5.4 totdat de beeldkwaliteit acceptabel is, binnen de door de IRB goedgekeurde dosisschattingen.
    6. Zodra de beeldkwaliteit acceptabel is, inspecteert u de afbeeldingen op technische kwaliteit (bijvoorbeeld beschadigde frames).
    7. Sla na een acceptabele statische proefbeeldacquisitie de proef op van elke camera (bijv. "green_still.cine", "red_still.cine").
  6. Gegevensverzameling: dynamische beeldacquisitie
    1. Onderzoeker #1 (in de röntgencontrolekamer): Behoud dezelfde radiografische parameters van het statische proefbeeld. Stel de pulsgenerator in op een belichting van 2,0 s.
    2. Onderzoeker #2 (in het lab): Leer de deelnemer de uit te voeren beweging, inclusief het vlak en de timing van de beweging. Controleer of de stoel en de kleding en/of het met lood beklede vest van de deelnemer de schouderbeweging niet verstoren. Oefen de bewegingsproef met de deelnemer. Gebruik de verbale cue "Klaar... en... ga" tempo zodat het 2 s duurt (d.w.z. de duur van de bewegingsproef) om de deelnemer te helpen de initiatie en voltooiing van de beweging te versnellen.
      OPMERKING: Het is van cruciaal belang dat de deelnemer de procedures begrijpt en de bewegingsproef consequent kan uitvoeren om de onnodige blootstelling in verband met een mislukte studie te voorkomen.
    3. Onderzoeker #2 (in het lab): Haal na voldoende oefening de hand-held remote trigger op. Ga naar een veilige plek in het lab met een duidelijke zichtlijn en communicatie met de onderzoeksdeelnemer.
    4. Onderzoeker #1 (in de röntgencontrolekamer): Reset de pulsgenerator op 2,0 s, start de camera's en bereid het röntgenbedieningspaneel voor zoals eerder beschreven (stappen 2.3.4-2.3.5). Wanneer het systeem klaar is om te worden blootgesteld, stelt u de onderzoeker # 2 op de hoogte.
    5. Onderzoeker #2 (in het lab): Vraag de onderzoeksdeelnemer: "Ben je er klaar voor?" [wacht op het bevestigende antwoord] "Klaar... en... gaan." (tempo, zoals voorheen, zodat het 2 s duurt).
    6. Onderzoeker #2 (in het lab): Activeer handmatig het röntgensysteem wanneer de deelnemer armbewegingen initieert.
      OPMERKING: Hoewel handmatig triggeren op basis van visuele beweging het begin van de bewegingsproef dreigt weg te laten, voorkomt het overbelichting van de onderzoeksdeelnemer in het geval van een miscommunicatie of een vertraagde start.). Zodra de proef is voltooid, informeert u de deelnemer dat er een foto is gemaakt en verontschuldigt u zich bij de controlekamer om de beelden te inspecteren.
    7. Onderzoekers #1 en #2 (in de röntgencontrolekamer): Inspecteer de proefbeelden op kwaliteit (d.w.z. helderheid en contrast) en technische staat (d.w.z. eventuele beschadigde frames) (figuur 3). Sla de bewegingsproeven van elke camera op (bijvoorbeeld "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
    8. Herhaal de stappen 2.6.1-2.6.7 om alle bewegingsproeven binnen het goedgekeurde stralingsveiligheidsprotocol te verzamelen.
  7. Kalibratiebeelden verzamelen
    OPMERKING: Radiografische beeldkalibratie resulteert in de definitie van het laboratoriumgebaseerde coördinatensysteem, de positie en oriëntatie van elk röntgenfotografisch radiografisch systeem ten opzichte van het laboratoriumcoördinatensysteem en intrinsieke parameters die het genereren van digitaal gereconstrueerde röntgenfoto's (DRR's) mogelijk maken, die worden gebruikt in het markerloze volgproces. De kalibratieberekeningen worden beschreven in stap 3.4.1.
    1. Behoud dezelfde camera-instellingen en radiografische techniekinstellingen die worden gebruikt tijdens het verzamelen van gegevens.
    2. Stel de pulsgenerator in op een belichting van 0,5 s.
    3. Plaats de kalibratiekubus (zie Tabel met materialen) in het midden van het beeldvolume.
    4. Verkrijg en bewaar de kubusafbeeldingen (bijv. "green_cube.cine", "red_cube.cine").
  8. Verzamel de afbeeldingen voor vervormingscorrectie en niet-uniformiteitscorrectie.
    OPMERKING: Radiografische beelden die worden verzameld met behulp van een beeldversterker worden beïnvloed door intensiteit, nonuniformiteit63 en vervorming. Bijgevolg worden op elk radiografisch systeem beelden van een witveld- en vervormingscorrectieraster verkregen om de benodigde correcties te bepalen. Het is over het algemeen verstandig om kalibratiebeelden te verzamelen vóór vervormings- en niet-uniformiteitscorrectiebeelden in het geval dat de beeldversterkers worden gestoten terwijl het vervormingsraster wordt gepositioneerd.
    1. Verwijder alle objecten uit het radiografische gezichtsveld.
    2. Behoud dezelfde camera-instellingen en radiografische techniekinstellingen die worden gebruikt tijdens het verzamelen van gegevens. Stel de pulsgenerator in op een belichting van 0,5 s.
    3. Bevestig het vervormingscorrectieraster (zie Materiaaltabel) aan het oppervlak van de groene beeldversterker.
    4. Verkrijg de raster- en witveldafbeeldingen.
    5. Sla de afbeeldingen op (bijv. "green_grid.cine", "red_white.cine").
    6. Verplaats het raster naar de rode afbeeldingsversterker en herhaal stap 2.7.2-2.7.5, waarbij u de bestandsnamen van de afbeelding indien nodig wijzigt.

3. Protocol gegevensverwerking

OPMERKING: Procedures voor het voorbereiden van de benige geometrie, beeldvoorbewerking (d.w.z. vervorming en niet-uniformiteitscorrectie en beeldkalibratie) en markerless tracking zijn zeer variabel en afhankelijk van de gebruikte software. De hierin beschreven procedures zijn specifiek voor de propriëtaire software. De belangrijkste gegevensverwerkingsstappen zijn echter waarschijnlijk vertaalbaar naar elk X-ray motion capture-softwarepakket.

  1. Ct-scan verwerken
    OPMERKING: De gepatenteerde markerless trackingsoftware die door het laboratorium van de auteurs wordt gebruikt, optimaliseert de positie en oriëntatie van een DRR. Daarom resulteren de procedures voor het verwerken van de CT-scan in het maken van een 16-bits TIFF-afbeeldingsstack. Andere softwarepakketten kunnen vereisen dat de benige geometrie in verschillende formaten of specificaties wordt weergegeven.
    1. Open een beeldverwerkingsprogramma (bijv. Mimics, FIJI) en importeer de CT-beelden.
    2. Segmenteer het opperarmbeen van de omliggende zachte weefsels. Maak voor de ribben een extensie die het voorste aspect van de rib verbindt met het manubrium om het sternocostale gewricht later in stap 3.2.6 te digitaliseren.
    3. Voer een Booleaanse bewerking uit op het voltooide masker met een zwart masker (d.w.z. alle pixels zijn zwart gekleurd) (bewerking: zwart minus bot). Dit resulteert in een omgekeerd masker van het bot waarin alle pixels zwart zijn, behalve die welke overeenkomen met het bot, die in CT-grijswaarden blijven.
    4. Snijd de afbeeldingsstapel langs alle drie de assen bij om de zwarte pixels (d.w.z. niet-bone) te verwijderen. Laat enkele zwarte pixels aan de randen van dit 3D-selectiekader staan.
    5. Sla de gewijzigde afbeeldingsstapel op in de TIFF-indeling.
    6. Herhaal de stappen 3.1.1-3.1.5 voor alle resterende botten.
  2. Definiëren van anatomische coördinatensystemen en interessante regio's (ROIs)
    OPMERKING: Dit protocol oriënteert anatomische coördinatensystemen als volgt. Voor een rechterschouder is de +X-as zijdelings georiënteerd, de +Y-as superieur georiënteerd en de +Z-as is posterieur georiënteerd. Voor een linkerschouder is de +X-as zijdelings georiënteerd, de +Y-as superieur georiënteerd en de +Z-as anterieur georiënteerd.
    1. Importeer de TIFF-afbeeldingsstapel voor de bone die moet worden verwerkt. Converteer de TIFF-stack naar een . RAW-bestand en render een 3D-botmodel op basis van de bekende pixelafmetingen en beeldafstand met behulp van de eigen software.
      OPMERKING: De resolutie van het model is gebaseerd op de bemonstering van het CT-volume (d.w.z. voxelafstand). Bijgevolg is de gemiddelde oppervlakte van de gaasdriehoeken ongeveer 1,02 mm2 (±0,2 mm2) (stap 1.3).
    2. Digitaliseer de anatomische oriëntatiepunten op het opperarmbeen als volgt (figuur 4A).
      1. Geometrisch midden van de humeruskop: Bepaal de afmetingen en positie van een bol die de afstand tussen het oppervlak van de bol en het humerusarticulaire oppervlak minimaliseert met behulp van een algoritme voor de kleinste kwadraten. Definieer het geometrische centrum van de humeruskop als de coördinaten van het centrum van de geoptimaliseerde bol.
      2. Mediale en laterale epicondyles: Gelegen op het breedste deel van het distale opperarmbeen.
    3. Definieer de ROI van de humeruskop als volgt (figuur 5A).
      1. Het gehele humerale gewrichtsoppervlak en grotere tuberositeit.
    4. Digitaliseer de anatomische oriëntatiepunten op het schouderblad als volgt (figuur 4B).
      1. Wortel van de scapulaire wervelkolom: Gelegen aan de mediale rand langs de scapulaire wervelkolom.
      2. Posterieur acromioclaviculaire gewricht: Gelegen aan het achterste aspect van het claviculaire facet op het scapulaire acromion.
      3. Inferieure hoek: Gelegen op het meest inferieure punt op de scapula.
    5. Definieer scapulaire ROI's als volgt (figuur 5B).
      1. Acromion: De onderzijde van het acromion lateraal naar de wervelkolom van de scapula.
      2. Glenoid: Het gehele scharnierende oppervlak van het glenoïde.
    6. Digitaliseer anatomische oriëntatiepunten op de ribben als volgt (figuur 4C).
      1. Voorste rib: Gelegen op het mediaalste deel van de ribverlenging.
      2. Achterste rib: Gelegen op het superieure / inferieure middelpunt van het achterste aspect van het facet op de kop van de rib.
      3. Laterale rib: Gelegen op het meest laterale aspect van de rib wanneer de voorste en achterste ribpunten verticaal op het scherm zijn uitgelijnd.
  3. Beeldvoorbewerking
    OPMERKING: Beeldvoorbewerking wordt uitgevoerd met behulp van propriëtaire software en omvat het converteren van de cine-afbeeldingsbestanden naar TIFF-stacks en het corrigeren van de afbeeldingen voor vervormingsvrije niet-uniformiteit.
    1. Voer niet-uniformiteitscorrectie uit: de software gemiddeld de ongeveer 30 frames (d.w.z. 0,5 s gegevens) om een enkele, hoogwaardige, heldere afbeelding te produceren om het effect van ruis in een enkel frame te minimaliseren. Het heldere veldbeeld wordt gebruikt om de werkelijke radiografische dichtheid langs de straal van de röntgenbron naar elke pixel van elk gegevensframe te berekenen. De som van de radiografische dichtheid van alle materie die door de straal van elke pixel wordt gepenetreerd, is evenredig met de logaritme van het heldere veld voor die pixel minus de logaritme van het waarnemingsbeeld voor die pixel (d.w.z. log-subverwerking).
    2. Vervormingscorrectie uitvoeren: de software gemiddeld de ongeveer 30 frames (d.w.z. 0,5 seconde aan gegevens) om een enkel beeld te produceren en vermindert het effect van ruis in een individuele afbeelding. De vervormingscorrectiesoftware maakt een affiene kaart van elk drievoudig van aangrenzende kraalposities in het vervormingsrasterbeeld naar de bekende (ware) positie van die drie kralen in het Lucite-vervormingscorrectieraster. Deze verzameling kleine affiene kaarten wordt vervolgens gebruikt om elk waargenomen frame van de bewegingsproef opnieuw te samplen in de ware coördinaten die worden weergegeven door de orthogonale reeks kralen.
    3. Pas vervormings- en niet-uniformiteitscorrecties toe op alle frames van elke proef.
  4. Dubbeldekker beeldvolumekalibratie.
    OPMERKING: Beeldkalibratie is uitgevoerd met behulp van eigen software. De software maakt gebruik van een niet-lineair optimalisatiealgoritme om de waargenomen kalibratieobjectkraallocaties aan te passen aan hun bekende 3D-locaties. Dit proces wordt uitgevoerd voor elke set biplanaire kalibratiebeelden. Het resultaat is een systeem dat twee weergaven van een botvolume digitaal kan projecteren en deze kan registreren tegen radiografische beelden van hetzelfde bot dat tijdens de gegevensverzameling is verzameld.
  5. Markerless tracking
    OPMERKING: Markerless tracking wordt uitgevoerd met behulp van propriëtaire software. Software zoals Autoscoper en C-Motion kunnen ook worden gebruikt om dit proces te voltooien.
    1. Draai en vertaal de DRR in het eerste frame van de bewegingsproef met behulp van de softwarebesturingen totdat deze goed lijkt overeen te komen met de tweedekker röntgenfoto's (figuur 6).
    2. Sla de handmatige oplossing op.
    3. Pas het optimalisatiealgoritme toe.
    4. Inspecteer visueel de oplossing die door het algoritme optimaal is bepaald op basis van de initiële handmatige oplossing. Pas indien nodig de oplossing aan en herhaal stap 3.5.2-3.5.3 totdat u tevreden bent met de geoptimaliseerde oplossing.
    5. Herhaal stap 3.5.1-3.5.4 voor elk 10e frame in de bewegingsproef.
      OPMERKING: Dit interval is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder framesnelheid, bewegingssnelheid en beeldkwaliteit. Kleinere intervallen kunnen nodig zijn.
    6. Zodra elk 10e frame is bijgehouden, voert u een optimalisatie uit om geïnterpoleerde voorlopige oplossingen te maken die vervolgens worden geoptimaliseerd.
    7. Blijf de oplossingen verfijnen totdat alle frames van de bewegingsproef goed zijn bijgehouden.

4. Protocol voor gegevensanalyse

OPMERKING: De gepatenteerde markerless trackingsoftware die in dit protocol wordt gebruikt, resulteert in de ruwe en gefilterde trajecten van de anatomische oriëntatiepunten die zullen worden gebruikt om anatomische coördinatensystemen te construeren. Deze coördinaten worden uitgedrukt ten opzichte van het laboratoriumcoördinatensysteem dat door het kalibratieobject tijdens de kalibratieprocedure is gedefinieerd. Het volgende protocol beschrijft in algemene termen de procedures voor het berekenen van kinematische uitkomstmaten van deze historische trajecten, zodat ze in elke programmeertaal (bijv. MATLAB) kunnen worden berekend. Een tweede propriëtaire software wordt gebruikt om kinematica en nabijheidsstatistieken te berekenen.

  1. Bereken kinematica en nabijheidsstatistieken
    OPMERKING: De primaire kinematische uitkomstmaten omvatten gewrichtsrotaties (d.w.z. Euler-hoeken) en posities. De primaire nabijheidsstatistieken omvatten de minimale kloof, gemiddelde kloof en gewogen gemiddelde contactcenter, die worden berekend voor elk gegevensframe. Gezamenlijk beschrijven deze maatregelen gezamenlijke artrokinematica, of oppervlakte-interacties tijdens een beweging. Anatomische proximiteiten die worden geaggregeerd over de bewegingsproef omvatten het gemiddelde contactcentrum, het contactpad en de lengte van het contactpad.
    1. Gebruik voor elk bot en bewegingsframe de gefilterde anatomische oriëntatiepuntcoördinaten (d.w.z. uitvoer van de markerloze trackingsoftware) om een transformatiematrix met 16 elementen te construeren die het anatomische coördinatensysteem van het bot vertegenwoordigt ten opzichte van het laboratoriumcoördinatensysteem.
    2. Bereken de relatieve kinematica door de anatomische coördinatensystemen tussen relevante botten te relateren met behulp van de software.
    3. Extraheer de gewrichtshoeken en -posities met behulp van conventionele methoden64. Gezien de oriëntatie van de anatomische coördinatensystemen, extraheer de glenohumerale kinematica met behulp van een Z-X'-Y'' rotatiesequentie, extraheer de scapulothoracale kinematica met behulp van een Y-Z'-X'' rotatiesequentie en extraheer de humerothoracale kinematica met behulp van een Y-Z'-Y'' rotatiesequentie.
    4. Minimale kloof: Bereken de kleinste opening (d.w.z. afstand) tussen de centroïden van de driehoek van de dichtstbijzijnde buur op het tegenoverliggende bot met behulp van de software.
    5. Gemiddelde tussenruimte: Bereken het gebiedsgewogen gemiddelde van de minimale tussenruimte met behulp van de driehoeken met de kleinste opening naar hun dichtstbijzijnde buur binnen een opgegeven meetgebied met behulp van de software. Definieer het meetgebied als de driehoeken die zich het dichtst bij het tegenoverliggende bot bevinden en waarvan de oppervlakten oplopen tot 200 mm2. Neem dit meetgebied op in de berekening om ervoor te zorgen dat alleen het oppervlak dat zich redelijk dicht bij het tegenovergestelde bot bevindt, wordt opgenomen in de berekening van de gemiddelde kloof.
      OPMERKING: De afmetingen van het meetgebied (d.w.z. 200 mm2) werden geselecteerd tijdens de initiële ontwikkeling van het algoritme nadat bleek dat het consistent subacromiale ruimte en glenohumerale gewrichtsproximiteiten weerspiegelde zonder overdreven bevooroordeeld te zijn van verre oppervlakken. Het gebruik van deze maat voor bredere oppervlakte-interacties (bijv. tibiofemoraal) kan een groter meetgebied vereisen.
    6. Gewogen gemiddeld contactcenter (d.w.z. centroïde): Bereken het punt op het ROI-oppervlak dat de gewogen afstand tot alle andere driehoeken binnen het meetgebied minimaliseert (d.w.z. driehoeken die zich het dichtst bij het tegenoverliggende bot bevinden waarvan de gebieden oplopen tot 200 mm2) met behulp van de software. De wegingsfactor voor elke driehoek in het meetgebied wordt berekend als: driehoeksoppervlak / kwadraatafstand tot dichtstbijzijnde buur centroïde (d.w.z. inverse vierkante weging). Op deze manier zijn de driehoeken die zwaarder worden gewogen groter (met een factor 1) en dichter bij het tegenovergestelde bot (met een factor van de kwadraat minimale afstand).
    7. Gemiddeld contactcenter: bereken de gemiddelde positie van het contactcenter (d.w.z. centroïde) over de bewegingsproef met behulp van de software. Gegeven contactcentra vertegenwoordigen gezamenlijke artrokinematica, het gemiddelde contactcentrum vertegenwoordigt het centrum van oppervlakte-interacties tijdens een beweging.
    8. Contactpad: definieer door de coördinaten van het gewogen gemiddelde contactcentrum in de bewegingsproef met behulp van de software met elkaar te verbinden.
    9. Lengte van het contactpad: bereken de lengte van het contactpad over de bewegingsproef met behulp van de software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Een 52-jarige asymptomatische vrouw (BMI = 23,6 kg/m2) werd gerekruteerd als onderdeel van een eerder onderzoek en onderging bewegingstesten (coronale vliegtuigontvoering) op haar dominante (rechters)schouder65. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System. De gegevensverzameling werd uitgevoerd met behulp van het eerder beschreven protocol (figuur 3).

De glenohumerale, scapulothoracale en humerothoracale kinematica van de deelnemer worden weergegeven in respectievelijk figuur 7, figuur 8 en figuur 9. Visuele inspectie van glenohumerale en scapulothoracale kinematica suggereert dat de schouderbeweging van de deelnemer consistent was met wat algemeen wordt verwacht tijdens coronale vliegtuigontvoering66. In het bijzonder bestond glenohumerale beweging uit elevatie en lichte externe rotatie, en bevond zich over het algemeen in een vlak achter de scapula (figuur 7), terwijl scapulothoracale beweging bestond uit opwaartse rotatie, posterieure kanteling en lichte interne / externe rotatie (figuur 8).

Tijdens de bewegingsproef varieerde de minimale subacromiale afstand (d.w.z. de smalste breedte van de subacromiale uitlaat voor een bepaald frame) van 1,8 mm bij 74,0° humerothoracale hoogte (frame 45) tot 8,3 mm bij 134,0° humerothoracale hoogte (frame 89) (figuur 10A, figuur 11A). De gemiddelde subacromiale afstand (d.w.z. de gemiddelde breedte van de subacromiale uitlaat binnen het gespecificeerde meetgebied van 200 mm2 ) had de neiging een vergelijkbaar traject te volgen als de minimumafstandsmaatstaf. Zo varieerde de gemiddelde subacromiale afstand van 4,2 mm bij 75,4° humerothoracale hoogte (frame 46) tot 9,2 mm bij 134,0° humerothoracale hoogte (frame 89). Ten slotte had de minimale subacromiale afstand de neiging om een complementair traject te volgen met de oppervlaktemetriek (figuur 10B), zodat de minimale afstand meestal kleiner was wanneer het oppervlak groter is. Het uitzetten van de locatie van de minimale afstand op de humeruskop suggereert dat de locatie die het dichtst bij het acromion ligt, zijdelings over de rotator cuff-voetafdruk verschuift naarmate de humerothoracale elevatiehoek toeneemt (figuur 11A). Over de bewegingsproef bedroeg de lengte van het contactpad 40,5 mm op de humeruskop en 28,8 mm op het acromion.

Tijdens de bewegingsproef varieerde de minimale glenohumerale afstand (d.w.z. de smalste breedte van de glenohumerale gewrichtsruimte) van 1,0 mm bij 137,9° humerothoracale hoogte (frame 92) tot 2,1 mm bij 34,2° humerothoracale elevatie (frame 21) (figuur 12A, figuur 11B). Net als bij de subacromiale afstanden had de gemiddelde glenohumerale afstand de neiging om een vergelijkbaar traject te volgen als de minimale afstandsmetriek, en deze afstanden volgden een complementair traject met de oppervlaktemetriek (figuur 12B). Zo varieerde de gemiddelde glenohumerale afstand van 1,4 mm bij 137,9° humerothoracale hoogte (frame 92) tot 2,6 mm bij 23,5° humerothoracale hoogte (frame 12). Het plotten van de locatie van het glenohumeral contactcentrum ten opzichte van de glenoïde randcontouren suggereert dat de artrokinematica van de deelnemer matige oppervlakte-interacties omvatte. In het bijzonder bleef het opperarmbeen relatief gecentreerd in het glenoïde in de voorste/achterste richting, maar verschoof superieur en vervolgens inferieur tijdens de bewegingsproef (figuur 11B). Over de bewegingsproef bedroeg de lengte van het contactpad 30,0 mm op het glenoïde en 45,4 mm op de humeruskop.

Figure 1
Figuur 1: Het CT-gezichtsveld. (A) coronale, (B) sagittale en (C) dwarsvlakken. Tijdens de acquisitie zorgt de CT-technoloog ervoor dat het gezichtsveld het sleutelbeen (superieur), de distale humerale epicondyles (inferieur), het hele glenohumerale gewricht (lateraal) en de costovertebrale en sternocostalverbindingen (mediaal) omvat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Schema van het tweedekker videoradiografische systeem. De röntgensystemen zijn gepositioneerd met een inter-beam hoek van 50° en een source-to-image afstand (SID) van 183 cm. Deelnemers bevinden zich in het tweedekkervolume zodanig dat hun glenohumerale gewricht zich ongeveer op het snijpunt van de röntgenstralen bevindt. Systemen worden "groen" en "rood" genoemd om de bedieningspanelen en de bestandsnamen van de afbeeldingen te onderscheiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Bidekker radiografische beelden van een representatief onderwerp tijdens de ontvoering van het coronale vliegtuig. Hoewel de kaak op de afbeeldingen van het groene systeem verschijnt, moet ervoor worden gezorgd dat het hoofd niet in het gezichtsveld wordt opgenomen om de dosis in dit gebied te minimaliseren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Definitie van anatomische coördinatenstelsels. (A) Humeruscoördinatensysteem gedefinieerd door het digitaliseren van het geometrische centrum van de humeruskop, mediale epicondyle en laterale epicondyle. (B) Scapulair coördinatenstelsel gedefinieerd door het digitaliseren van de mediale wervelkolom, inferieure hoek en achterste aspect van het acromioclaviculaire gewricht. (C) Ribcoördinatensysteem gedefinieerd door het digitaliseren van het achterste aspect van het costovertebrale facet, het meest laterale aspect van de rib en het laterale borstbeen ter hoogte van de rib. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Definitie van interessante regio's (ROI) voor nabijheidsstatistieken. (A) HUMERUSKOP ROI, die wordt gebruikt voor het berekenen van acromiohumerale afstand en glenohumerale gewrichtscontactpatronen, (B) acromiale en glenoïde ROIs, die worden gebruikt om respectievelijk acromiohumerale afstand en glenohumerale gewrichtscontactpatronen te berekenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Screenshots van de eigen markerless tracking software. De schermafbeelding illustreert de geoptimaliseerde oplossingen van het opperarmbeen en het schouderblad van een representatief onderwerp tijdens de ontvoering van het coronale vlak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: Glenohumerale kinematica van een representatieve proefpersoon tijdens een enkele proef met coronale vliegtuigontvoering. Opmerking: De voorste positie is getransformeerd naar een positieve waarde. Afkortingen: med. = mediaal; lat. = lateraal; sup. = superieur; inf. = inferieur; mier. = voorste; post. = achterste. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 8
Figuur 8: Scapulothoracale kinematica van een representatieve proefpersoon tijdens een enkele studie van coronale vliegtuigontvoering. Opmerking: De voorste positie is getransformeerd naar een positieve waarde. Afkortingen: IR = interne rotatie; ER = externe rotatie; UR = opwaartse rotatie; DR = neerwaartse rotatie; AT = voorste kanteling; PT = achterste kanteling; med. = mediaal; lat. = lateraal; sup. = superieur; inf. = inferieur; mier. = voorste; post. = achterste. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 9
Figuur 9: Humerothoracale kinematica van een representatieve proefpersoon tijdens een enkele proef met coronale vliegtuigontvoering. Opmerking: De voorste positie is getransformeerd naar een positieve waarde. Afkortingen: med. = mediaal; lat. = lateraal; sup. = superieur; inf. = inferieur; mier. = voorste; post. = achterste. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 10
Figuur 10: Beoordeling van de subacromiale ruimte tijdens een proef met ontvoering van het coronale vlak bij een representatief onderwerp. (A) Metingen van acromiohumerale afstand worden weergegeven over frames samen met de bijbehorende humerothoracale elevatiehoeken. De minimale afstand wordt berekend als de kleinste afstand tussen de centroïden van de driehoek van de dichtstbijzijnde buur tussen de humeruskop en acromiale ROM's. De gemiddelde afstand vertegenwoordigt het gebiedsgewogen gemiddelde van de minimale afstand, berekend over de driehoeken in de ROI van de humeruskop die de kleinste opening hebben naar hun dichtstbijzijnde buurman op de acromial ROI. (B) Het oppervlak van de ROI van de humeruskop dat zich binnen 10 mm van de acromial ROI bevindt, wordt weergegeven over frames, samen met de bijbehorende humerothoracale elevatiehoeken. Afkorting: HT = humerothoracaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 11
Figuur 11: Proximity mapping. (A) subacromiale ruimte, (B) glenohumerale gewrichtsruimte. De subacromiale nabijheid wordt in kaart gebracht op de ROI van de humeruskop met behulp van de minimale afstandsmetriek voor het gegevensframe waarin de minimale afstand het kleinst was (d.w.z. frame # 45). Het contactpad (zwart) vertegenwoordigt het minimale afstandstraject tussen frames #1-45. De nabijheid van de glenohumerale gewricht wordt in kaart gebracht met behulp van het gewogen gemiddelde contactcentrum voor het gegevensframe waarin de gewrichtsruimte het kleinst was (d.w.z. frame # 92). Het contactpad (zwart) vertegenwoordigt het centroïde traject tussen frames #1-92. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 12
Figuur 12: Beoordeling van de glenohumerale gewrichtsruimte tijdens een proef met coronale vlakontvoering bij een representatief onderwerp. (A) Metingen van glenohumerale gewrichtsruimte worden weergegeven over frames samen met de bijbehorende humerothoracale elevatiehoeken. De minimale afstand wordt berekend als de kleinste afstand tussen de centroïden van de dichtstbijzijnde buurdriehoek tussen de glenoïde en humeruskop-ROM's. De gemiddelde afstand vertegenwoordigt het gebiedsgewogen gemiddelde van de minimale afstand, berekend over de driehoeken in de glenoïde ROI die de kleinste opening hebben naar hun dichtstbijzijnde buurman op de ROI van de humeruskop. (B) Het oppervlak van de glenoïde ROI dat zich binnen 10 mm van de ROI van de humeruskop bevindt, wordt weergegeven over frames, samen met de overeenkomstige humerothoracale elevatiehoeken. Afkorting: HT = humerothoracaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De hier beschreven techniek overwint verschillende nadelen die verband houden met conventionele technieken voor het beoordelen van schouderbewegingen (d.w.z. cadaverische simulaties, 2D-beeldvorming, statische 3D-beeldvorming, op video gebaseerde motion capture-systemen, draagbare sensoren, enz.) door nauwkeurige metingen van 3D-gewrichtsbewegingen tijdens dynamische activiteiten te bieden. De nauwkeurigheid van het hierin beschreven protocol werd vastgesteld voor de glenohumerale verbinding tegen de gouden standaard van radiostereometrische analyse (RSA) om te worden ±0,5 ° en ±0,4 mm67,68. Soortgelijke protocollen zijn ontwikkeld voor andere gewrichten zoals de knie69, wervelkolom70 en voet/enkel71. Belangrijk is dat zonder een systeem dat voldoende nauwkeurig is, de steekproefomvang die nodig is om statistisch significante en klinisch potentieel betekenisvolle verschillen in gezamenlijke beweging te detecteren, onbetaalbaar kan zijn. Bovendien biedt dit nauwkeurigheidsniveau de mogelijkheid om potentieel belangrijke uitkomstmaten te beschrijven, zoals gezamenlijke posities en /of vertalingen62,72, artrokinematica72,73,74,75, subacromiale afstanden61,72,75 en momentane bewegingsassen76 . Uiteindelijk is het nauwkeurig meten van in-vivo gewrichtsbeweging essentieel voor het bieden van een mechanistisch begrip van de schouderfunctie onder normale en pathologische omstandigheden, en voor het beoordelen van de effecten van niet-chirurgische en chirurgische klinische ingrepen.

De nauwkeurigheid die wordt geboden door het kwantificeren van schouderkinematica met behulp van tweedekkervideoradiografie brengt veel uitdagingen en beperkingen met zich mee. De primaire beperking geassocieerd met deze techniek is de stralingsblootstelling aan de deelnemer als gevolg van de CT-scan en tweedekker röntgenfoto's. Bijgevolg is het aantal bewegingsproeven dat kan worden verkregen of vervolgsessies in de loop van de tijd beperkt. De effectieve dosis die overeenkomt met het hier beschreven protocol is ongeveer 10,5 mSv, waarbij de meerderheid (ongeveer 10 mSv) afkomstig is van de CT-scan, die beeldvorming van het distale opperarmbeen omvat, zodat de epicondyles kunnen worden gebruikt om het humerale anatomische coördinatensysteem te construeren64. Voor de context komt deze dosis overeen met ongeveer 3 jaar blootstelling aan natuurlijke achtergrondbronnen van straling. Recente aanbevelingen van de National Council on Radiation Protection and Measurements suggereren dat deze dosis als "klein" kan worden geclassificeerd, uitgaande van een gematigd verwacht voordeel voor het individu of de samenleving77. Daarom is het absoluut noodzakelijk dat bewegingsanalyse met behulp van tweedekker videoradiografie wordt gebruikt in een goed ontworpen studie op basis van een solide wetenschappelijk uitgangspunt dat het potentieel heeft om een aanzienlijke impact op de volksgezondheid te hebben.

Het verlagen van de dosis geassocieerd met tweedekker videoradiografie is cruciaal om het bredere gebruik van deze technologie in onderzoeks- en klinische omgevingen te vergemakkelijken. Gelukkig kunnen recente ontwikkelingen in CT- en MR-beeldvorming de dosis voor de deelnemer aanzienlijk verlagen. Bijvoorbeeld, humerale en scapulaire botmodellen afgeleid met BEHULP van MRI78,79 of lagere dosis CT80 hebben aangetoond dat ze een acceptabele nauwkeurigheid hebben voor veel onderzoekstoepassingen. Bovendien zal het herdefiniëren van het humeruscoördinatensysteem op een manier die niet vereist dat de humerus epicondyles81 de dosis verlagen door het CT-beeldvormingsvolume te verminderen. Zorgvuldige praktijk van bewegingsproeven voordat u beelden verkrijgt, is ook cruciaal om ervoor te zorgen dat elke verzamelde studie waarde heeft en niet onnodig bijdraagt aan de totale dosis van de deelnemer. Uiteindelijk is het zorgvuldig overwegen van deze factoren, en vele andere, van cruciaal belang bij het verantwoord gebruiken van tweedekker videoradiografie om 3D-kinematica bij menselijke onderzoeksdeelnemers te kwantificeren.

De lichaams habitus van de deelnemer en verschillen in weefseldichtheid (en dus beeldhelderheid) tussen de centrale romp en het laterale aspect van de schouder vormen extra uitdagingen bij het kwantificeren van schouderbeweging met behulp van tweedekker videoradiografie. In het bijzonder is een duidelijke visualisatie van de scapula en ribben vaak een uitdaging met behulp van de radiografische techniek die in dit protocol wordt beschreven (d.w.z. ~ 70 kVp, 320 mA, 2 ms gepulseerde blootstelling) bij personen met een hoge BMI (>30 kg / m2) en vrouwen met groot of dicht borstweefsel. Kinematische trackingnauwkeurigheid verslechtert waarschijnlijk zonder duidelijke visualisatie van botranden. Bijgevolg kan een zorgvuldige selectie van deelnemers door BMI te beperken veel van deze uitdagende beeldvormingsoverwegingen verbeteren. Echter, "uitwassen" van het laterale acromion onder lagere hoeken van humerale elevatie komt vaak voor, zelfs bij deelnemers van gezonde lichaams habitus (Figuur 2A, groen systeem bij Frame 1). Dit komt omdat er weinig weefsel (en dus dichtheid) rond het acromion is wanneer het opperarmbeen zich onder lagere elevatiehoeken bevindt en de zichtbaarheid van dit gebied wordt toegestaan om de scapula en ribben te visualiseren. Zodra het opperarmbeen echter verheft en het grootste deel van de schouder op zichzelf wordt geprojecteerd (waardoor de radiografische dichtheid toeneemt), wordt het acromion goed gevisualiseerd. Daarom garandeert de optimale radiografische techniek voor een bewegingsproef niet noodzakelijkerwijs te allen tijde visualisatie van alle botten, maar maakt het de duidelijke visualisatie van voldoende benige anatomie mogelijk om markerloze tracking uit te voeren.

Een andere uitdaging bij het gebruik van tweedekker videoradiografie is het relatief kleine 3D-beeldvolume, dat voornamelijk wordt bepaald door de grootte van de beeldreceptor, de oriëntatie van de twee beeldvormingssystemen en de SID. Hoewel het beperken van het 3D-beeldvormingsvolume helpt bij het regelen van de stralingsdosis (d.w.z. door collimatie), kan een klein beeldvolume het bereik beperken waarover gezamenlijke beweging kan worden verkregen en / of de soorten taken die worden beoordeeld. Taken die trunk-beweging vereisen (bijvoorbeeld gooien) kunnen bijvoorbeeld niet compatibel zijn met tweedekker videoradiografie bewegingsanalyse omdat de deelnemer waarschijnlijk buiten het 3D-beeldvolume zal bewegen tijdens het uitvoeren van de taak. Beweging van de patiënt buiten het beeldvormingsvolume is gebruikelijk, zelfs bij eenvoudigere taken zoals het opheffen van de arm, vooral bij personen van wie het bewegingsbereik van de humerale hoogte aanzienlijk is verminderd (bijvoorbeeld als gevolg van massieve rotator cuff-scheuren, kleefcapsulitis, OA), omdat deze personen vaak compenseren door naar de contralaterale kant te leunen. Daarom zijn een zorgvuldige positionering van de deelnemer binnen het beeldvormingsvolume en verbale signalen om leuning te voorkomen cruciale stappen in het proces van gegevensverzameling (paragraaf 2.4).

Het kleine 3D-beeldvolume beperkt ook de visualisatie van andere segmenten die van belang kunnen zijn. Het volgen van de romp is bijvoorbeeld nodig om scapulothoracale en humerothoracale kinematica te kwantificeren. Het protocol dat in dit artikel wordt beschreven, pakt deze uitdaging aan door de derde en vierde rib te volgen. Andere onderzoekers hebben de romp echter gevolgd met behulp van een extern op het oppervlak gebaseerd volgsysteem dat is gesynchroniseerd met het radiografische systeem49,50,62. Elk van deze benaderingen heeft unieke beperkingen. Het volgen van de ribben vereist bijvoorbeeld een goede visualisatie van de centrale romp, wat een uitdaging is bij personen met een grotere lichaams habitus zonder de laterale schouder uit te wassen, zoals eerder beschreven. Bovendien kan het volgen van de ribben een uitdaging zijn met een kleinere beeldversterker (d.w.z. minder dan 40 cm). Daarentegen introduceert het volgen van rompbewegingen met behulp van oppervlaktesensoren huidbewegingsartefacten. Ongeacht de gebruikte aanpak blijft het beperkte 3D-beeldvolume een uitdaging bij het kwantificeren van schouderkinematica met behulp van tweedekkervideoradiografie.

Kortom, tweedekker videoradiografie maakt een zeer nauwkeurige kwantificering van schouderkinematica mogelijk. Variaties in het hierin beschreven protocol zijn gebruikt voor talrijke studies binnen het lab58,59,72,73,82, waarbij elke protocolvariatie zorgvuldig is geconstrueerd op basis van de specifieke onderzoeksdoelen om de dosis te minimaliseren, de beeldkwaliteit te maximaliseren en de zichtbaarheid van het segment te maximaliseren. Uiteindelijk is het nauwkeurig meten van in-vivo gewrichtsbeweging belangrijk voor het bieden van een mechanistisch begrip van de schouderfunctie onder normale en pathologische omstandigheden, en voor het beoordelen van de effecten van niet-chirurgische en chirurgische klinische ingrepen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen belangenverstrengeling.

Acknowledgments

Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases onder toekenningsnummer R01AR051912. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health (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

Bio-engineering Nummer 169 tweedekker videoradiografie kinematica schouder glenohumeral scapulothoracaal humerothoracaal acromiohumeral afstand contact center markerless tracking
Meten van 3D in-vivo schouderkinematica met behulp van biplanaire videoradiografie
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