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JoVE Journal Bioengineering
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Bioengineering

Messung der 3D-In-vivo-Schulterkinematik mittels biplanarer Videoradiographie

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

Die Doppeldecker-Videoradiographie kann die Schulterkinematik mit hoher Genauigkeit quantifizieren. Das hierin beschriebene Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die Rippen während der planaren Humeruserhöhung zu verfolgen, und skizziert die Verfahren zur Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse. Einzigartige Überlegungen zur Datenerfassung werden ebenfalls beschrieben.

Abstract

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Leider sind Schulterpathologien (z. B. Rotatorenmanschettenrisse, Gelenkluxationen, Arthritis) häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Die spezifische Ätiologie für viele dieser pathologischen Zustände ist nicht vollständig verstanden, aber es ist allgemein anerkannt, dass die Schulterpathologie oft mit einer veränderten Gelenkbewegung verbunden ist. Leider ist die Messung der Schulterbewegung mit der notwendigen Genauigkeit, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen, nicht trivial. Röntgenbasierte Bewegungsmesstechniken haben jedoch den Fortschritt gebracht, der notwendig ist, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen und ein mechanistisches Verständnis der Schulterfunktion zu ermöglichen. Daher besteht der Zweck dieses Artikels darin, die Ansätze zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels sind die Beschreibung der Protokolle zur Erfassung biplanarer Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes, zur Erfassung von CT-Scans, zur Entwicklung von 3D-Knochenmodellen, zur Lokalisierung anatomischer Orientierungspunkte, zur Verfolgung der Position und Ausrichtung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern und zur Berechnung der kinematischen Ergebnismessungen. Darüber hinaus wird der Artikel spezielle Überlegungen beschreiben, die für die Schulter bei der Messung der Gelenkkinematik mit diesem Ansatz einzigartig sind.

Introduction

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Die Schulter hat auch den größten Bewegungsumfang der wichtigsten Gelenke des Körpers und wird oft als Kompromiss zwischen Beweglichkeit und Stabilität beschrieben. Leider sind Schulterpathologien häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Zum Beispiel betreffen Rotatorenmanschettenrisse etwa 40% der Bevölkerung über 601,2,3 Jahre, wobei jährlich etwa 250.000 Rotatorenmanschettenreparaturen durchgeführt werden4 und eine geschätzte wirtschaftliche Belastung von 3-5 Milliarden US-Dollar pro Jahr in den Vereinigten Staaten5. Darüber hinaus sind Schulterluxationen häufig und oft mit chronischen Funktionsstörungen verbunden6. Schließlich ist glenohumerale Gelenkarthrose (OA) ein weiteres bedeutendes klinisches Problem, das die Schulter betrifft, wobei Bevölkerungsstudien zeigen, dass etwa 15% -20% der Erwachsenen über 65 Jahre röntgenologische Beweise für glenohumerale OA haben7,8. Diese Zustände sind schmerzhaft, beeinträchtigen das Aktivitätsniveau und verringern die Lebensqualität.

Obwohl die Erreger dieser Erkrankungen nicht vollständig verstanden werden, ist allgemein anerkannt, dass eine veränderte Schulterbewegung mit vielen Schulterpathologien assoziiert ist9,10,11. Insbesondere kann eine abnormale Gelenkbewegung zur Pathologie beitragen9,12 oder dass die Pathologie zu einer abnormalen Gelenkbewegung führen kann13,14. Beziehungen zwischen Gelenkbewegung und Pathologie sind wahrscheinlich komplex, und subtile Veränderungen in der Gelenkbewegung können in der Schulter wichtig sein. Zum Beispiel, obwohl Winkelbewegung die vorherrschende Bewegung ist, die am Glenohumeralgelenk auftritt, treten Gelenkverschiebungen auch während der Schulterbewegung auf. Unter normalen Bedingungen überschreiten diese Translationen wahrscheinlich nicht mehrere Millimeter15,16,17,18,19 und können daher für einige Messtechniken unter dem Niveau der In-vivo-Genauigkeit liegen. Während es verlockend sein mag anzunehmen, dass kleine Abweichungen in der Gelenkbewegung wenig klinische Auswirkungen haben können, ist es auch wichtig zu erkennen, dass die kumulative Wirkung subtiler Abweichungen über Jahre der Schulteraktivität die Schwelle des Individuums für die Heilung und Reparatur von Gewebe überschreiten kann. Darüber hinaus sind In-vivo-Kräfte am Glenohumeralgelenk nicht belanglos. Unter Verwendung von kundenspezifisch instrumentierten Glenohumeralgelenkimplantaten haben frühere Studien gezeigt, dass das Anheben eines Gewichts von 2 kg auf Kopfhöhe mit einem ausgestreckten Arm zu glenohumeralen Gelenkkräften führen kann, die zwischen 70% und 238% des Körpergewichts liegen können20,21,22. Folglich kann die Kombination aus subtilen Veränderungen der Gelenkbewegung und hohen Kräften, die sich auf die kleine tragende Oberfläche des Glenoids konzentrieren, zur Entwicklung degenerativer Schulterpathologien beitragen.

In der Vergangenheit wurde die Messung der Schulterbewegung durch eine Vielzahl von experimentellen Ansätzen durchgeführt. Zu diesen Ansätzen gehörten der Einsatz komplexer Leichenprüfsysteme zur Simulation von Schulterbewegungen23,24,25,26,27, videobasierte Motion-Capture-Systeme mit Oberflächenmarkierungen28,29,31, oberflächenmontierte elektromagnetische Sensoren32,33,34,35 , Knochenstifte mit reflektierenden Markern oder anderen angebrachten Sensoren36,37,38, statische zweidimensionale medizinische Bildgebung (d.h. Fluoroskopie39,40,41 und Röntgenbilder17,42,43,44,45), statische dreidimensionale (3D) medizinische Bildgebung mit MRI46,47, Computertomographie48 und dynamische 3D-Durchleuchtung in einer Ebene49,50,51. In jüngster Zeit haben tragbare Sensoren (z. B. Trägheitsmesseinheiten) zur Messung der Schulterbewegung außerhalb des Labors und unter freien Lebensbedingungen an Popularität gewonnen52,53,54,55,56,57.

In den letzten Jahren gab es eine Vielzahl von Doppeldecker-Röntgen- oder Fluoroskopsystemen, die entwickelt wurden, um dynamische 3D-In-vivo-Bewegungen der Schulter genau zu messen58,59,60,61,62. Der Zweck dieses Artikels ist es, den Ansatz der Autoren zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels bestehen darin, die Protokolle zu beschreiben, um biplanare Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes zu erfassen, CT-Scans zu erfassen, 3D-Knochenmodelle zu entwickeln, anatomische Landmarken zu lokalisieren, die Position und Orientierung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern zu verfolgen und kinematische Ergebnismessungen zu berechnen.

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Protocol

Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt.

Protokolle zum Erfassen, Verarbeiten und Analysieren von Doppeldecker-Röntgenbewegungsdaten hängen stark von den Bildgebungssystemen, der Datenverarbeitungssoftware und den Ergebnismessungen von Interesse ab. Das folgende Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die dritte und vierte Rippe während der Abduktion der Schulterblattebene oder der Koronalebene zu verfolgen und die glenohumerale, scapulothorakale und humerothorakale Kinematik zu quantifizieren.

1. CT-Bildgebungsprotokoll

  1. Bitten Sie den Teilnehmer, sich mit den Armen an der Seite in Rückenlage auf den CT-Untersuchungstisch zu legen. Positionieren Sie sie je nach Größe des Teilnehmers außerhalb der Mitte auf dem Tisch, so dass der gesamte Hemi-Torso für die Bildgebung zur Verfügung steht.
  2. Um die Scout-Bilder zu erfassen, stellt der Technologe sicher, dass das CT-Sichtfeld das Schlüsselbein (überlegen), die distalen humeralen Epicondylen (inferior), das gesamte Glenohumeralgelenk (seitlich) und die Costovertebralen und Sternokostalgelenke (medial) umfasst (Abbildung 1).
  3. Erfassen Sie den CT-Scan mit den folgenden Parametern: Scan-Modus = helikal; Röhrenspannung = 120 kVp; Röhrenstrom: 200-400 mA (auto); Schichtdicke = 0,66 mm; Sichtfeld = 34 cm.
  4. Überprüfen Sie die Scanqualität und das Sichtfeld.
  5. Formatieren Sie die Aufnahme mit einer Bildmatrixgröße von 512 x 512 Pixeln neu. Angesichts der Schichtdicke und des Sichtfeldes ergibt die Erfassung einen isotropen Voxelabstand von ca. 0,66 mm.
  6. Exportieren Sie die Bilder im DICOM-Format.

2. Doppeldecker-Röntgen-Motion-Capture-Protokoll

HINWEIS: Das benutzerdefinierte biplanare Röntgensystem, das in diesem Protokoll verwendet wird, ist in der Tabelle der Materialien beschrieben. Die Datenerfassungsverfahren variieren wahrscheinlich mit den verschiedenen Systemkomponenten. Die Röntgensysteme werden zur Unterscheidung von Prozeduren und resultierenden Bildsequenzen beliebig als "grün" und "rot" bezeichnet und mit einem Ca. 50°-Abstrahlwinkel und einem Source-to-Image-Abstand (SID) von ca. 183 cm positioniert (Abbildung 2). Für die Datenerhebung sind mindestens zwei wissenschaftliche Mitarbeiter erforderlich; eine, um das Röntgensystem und den Computer zu bedienen, und die andere, um den Forschungsteilnehmer zu unterweisen.

  1. Einrichtung der Kamerasoftware
    1. Stellen Sie die Kamerablende auf die Standardeinstellung (f/5.6) ein.
      HINWEIS: Dieser Wert hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich Kamera, Belichtungszeit, ISO und Teilnehmeranthropometrie.
    2. Öffnen Sie die Kamerasoftware und laden Sie das Studienprotokoll auf jede Kamera (Abtastrate: 60 Hz, Belichtungszeit: 1.100 μs).
      HINWEIS: Die Belichtungszeit der Kamera kann in Abhängigkeit von mehreren Faktoren variieren, einschließlich Kamera, Blendeneinstellung und Röntgenbelichtung.
  2. Aufwärmen des Systems
    HINWEIS: Die Anode der Röntgenröhre kann beschädigt werden, wenn bei Kälte starke Belichtungen erzeugt werden. Daher sollten die Röhren durch eine Reihe von energiearmen Expositionen auf der Grundlage der Empfehlungen des Herstellers erwärmt werden.
    1. Wählen Sie auf beiden Bedienfeldern des Röntgengenerators die Option Gefäßeinstellung aus. Die vorprogrammierten Gefäßeinstellungen erzeugen niedrige Energiebelastungen, die für das Aufwärmen des Systems geeignet sind (pro Systemhersteller).
    2. Stellen Sie die Belichtungszeit am Impulsgeber auf 0,25 s ein.
    3. Halten Sie auf den Bedienfeldern des Röntgengenerators die PREP-Tasten gedrückt. Vorbereitungsverzögerung wird auf dem Bildschirm angezeigt.
    4. Sobald auf beiden Bildschirmen Ready to Expose (Bereit zum Verfügbar) angezeigt wird, halten Sie gleichzeitig die EXPOSE-Tasten gedrückt.
      HINWEIS: Dadurch werden keine Röntgenstrahlen erzeugt, sondern das System nur scharfgeschaltet. Die Röntgenproduktion erfolgt nur durch Drücken des Fußpedals oder der Handauslöser.
    5. Drücken Sie die Tasten PREP und EXPOSE auf beiden Bedienfeldern und drücken und halten Sie gleichzeitig das Fußpedal (oder die Hand), um den Röntgengenerator zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auszulösen.
      HINWEIS: Die Röntgenstrahlen werden für die vom Impulsgeber angegebene Dauer (Schritt 2.3.2) oder bis zum Loslassen des Pedals erzeugt, je nachdem, was zuerst eintritt.
    6. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.2-2.2.5, bis die Wärmeeinheit (HU) der Röntgenröhre das vom Hersteller für die Bildaufnahme geforderte Niveau überschreitet (5% HU für unser System).
  3. Überprüfen Sie die Kamerasynchronisierung und den Bildfokus.
    HINWEIS: Überprüfen Sie die Kamerasynchronisation und den Fokus, indem Sie eine Reihe von Testbildern des Verzerrungskorrekturrasters erfassen (siehe Materialtabelle). Jeder Bildverstärker wird einzeln mit den unten beschriebenen Schritten getestet.
    1. Platzieren Sie das Verzerrungskorrekturraster auf dem Bildverstärker.
    2. Wählen Sie auf beiden Bedienfeldern des Röntgengenerators die Einstellung Herz, die auf die Standard-Röntgentechnik (70 kVp, 320 mA, 2 ms und Brennpunkt = 1,0 mm) programmiert ist.
      HINWEIS: Die Kameraeinstellungen bleiben unverändert (Abtastrate: 60 Hz, Belichtungszeit: 1.100 μs).
    3. Stellen Sie den Impulsgenerator auf 0,25 s.
    4. Initiieren Sie die Kameraerfassung über die Kamerasoftware und erfassen Sie Röntgenbilder wie zuvor in den Schritten 2.2.3-2.2.5 beschrieben.
    5. Zeigen Sie eine Vorschau der resultierenden Bilder an und bestimmen Sie die verstrichene Zeit aus dem Triggerimpuls für jedes System. Wenn der Unterschied in der verstrichenen Zeit zwischen den Kameras mehr als 2 μs beträgt, bestimmen Sie, welche Kamera zu spät ausgelöst wird, und geben Sie eine Frameverzögerung in der Kamerasoftware an, um das Problem zu beheben.
    6. Überprüfen Sie die Schärfe des Bildes visuell, um den Kamerafokus zu überprüfen. Analysieren Sie zur objektiven Beurteilung eine Profillinie, die über eine Wulst innerhalb des Verzerrungskorrekturrasters gezeichnet ist, mit einer Bildverarbeitungssoftware (z. B. ImageJ). Untersuchen Sie insbesondere die Steigung der Pixelgrauwerte entlang dieser Profillinie. Eine negativere Steigung sorgt für ein schärferes Bild (vorausgesetzt, das Röntgenbild ist so invertiert, dass die Perle dunkel ist). Falls erforderlich, fokussieren Sie die Kameras neu und wiederholen Sie die Schritte 2.3.3-2.3.6.
  4. Aufbau und Positionierung der Forschungsteilnehmer
    HINWEIS: Die Positionierung des Forschungsteilnehmers hängt stark von den zu verfolgenden Knochen und der getesteten Bewegung ab. Die Tests werden in der Regel mit dem Forschungsteilnehmer durchgeführt, der auf einem festen Stuhl sitzt (d. H. Nicht geschwenkt oder auf Rädern), um das Potenzial für Änderungen seiner Position zu minimieren, die dazu führen können, dass sich die Schulter außerhalb des 3D-Bildgebungsvolumens bewegt.
    1. Positionieren Sie den Stuhl im Doppeldecker-Bildgebungsvolumen so, dass die zu testende Schulter ungefähr dort zentriert ist, wo sich die Doppeldecker-Röntgenstrahlen schneiden. Dies ist eine vorläufige Position. Passen Sie es basierend auf der Anthropometrie des Teilnehmers, der zu testenden Bewegung und den zu verfolgenden Knochen an.
    2. Bitten Sie den Teilnehmer, in einer bequemen aufrechten Haltung mit den Armen an seiner Seite zu sitzen.
    3. Befestigen Sie eine mit Blei ausgekleidete Schutzweste über dem Oberkörper des Teilnehmers, um den Bauch und die kontralaterale Schulter und Brust zu bedecken.
    4. Legen Sie die vorläufige Höhe der Bildverstärker fest. Um dieses Verfahren zu unterstützen, schalten Sie das Licht in der Röntgenquelle des Systems ein. Heben Sie das System an, bis sich der Schatten des Teilnehmers, der auf den Bildverstärker geworfen wird, auf Höhe seiner Achselhöhle befindet.
      HINWEIS: Die Quelle und der Bildverstärker innerhalb jedes Systems sind gekoppelt, um sich zusammen zu bewegen. Entkoppelte Systeme erfordern zusätzliche Ausrichtungsschritte, die hier nicht beschrieben sind.
    5. Legen Sie die vorläufige Höhe der Bildverstärker fest. Bewegen Sie den Teilnehmer vorsichtig auf seinem Stuhl innerhalb der Doppeldecker-Bildlautstärke, während Sie beobachten, wie sein Schatten auf jeden Bildverstärker geworfen wird.
      HINWEIS: Eine gute erste Vermutung ist, den Teilnehmer so zu positionieren, dass sich das Akromioklavikulargelenk ungefähr in der Mitte beider Bildverstärker befindet. Diese Position ist eine vernünftige erste Vermutung für das aktuelle Protokoll, das die Visualisierung und Verfolgung des Humerus, des Schulterblatts und zweier Rippen während der Schultererhöhung erfordert.
    6. Sobald die Position des Teilnehmers in beiden Systemen angemessen erscheint, lassen Sie die Lichtquelle eingeschaltet und bitten Sie den Teilnehmer, die zu testende Bewegung auszuführen. Stellen Sie sicher, dass die Schulter des Teilnehmers während des gesamten Bewegungsversuchs im röntgenologischen Sichtfeld bleibt. Wenn möglich, kollimieren Sie Röntgenstrahlen, um die Exposition zu reduzieren.
    7. Wiederholen Sie die Schritte 2.4.5-2.4.6, bis sich herausstellt, dass die Einrichtung des Teilnehmers innerhalb des Bildvolumes angemessen ist.
    8. Forscher #1: Kehren Sie in den Kontrollraum zurück, um die Röntgensteuertafeln und Kameras laufen zu lassen. Stellen Sie das Röntgenbedienfeld auf den Low-Power-Fluoroskopiemodus (60 kVp, 3-4 mA) und den Impulsgenerator auf eine 0,25-s-Erfassung.
    9. Forscher #2: Erklären Sie dem Teilnehmer, dass ein Bild aufgenommen wird, damit seine Position in den Bildern verifiziert werden kann, und beschreiben Sie die Reihe von Ereignissen, die passieren werden. Warnen Sie den Teilnehmer vor den Geräuschen, die das System macht (z. B. Klicks, Brummen), um Eine Festnahme zu verhindern. Ziehen Sie eine mit Blei ausgekleidete Schutzweste an, holen Sie den Handauslöser und entfernen Sie sich so weit wie möglich von den Röntgenquellen, um die Exposition zu minimieren und gleichzeitig eine klare Sichtlinie und Kommunikation mit dem Teilnehmer aufrechtzuerhalten. Wenn möglich, stellen Sie sich hinter ein mit Blei ausgekleidetes Schild mit einem Fenster.
    10. Forscher #1 (im Röntgenkontrollraum): Starten Sie die Kameras und bereiten Sie das Röntgenbedienfeld wie zuvor beschrieben an (Schritte 2.2.3-2.2.5). Wenn das System bereit ist, es verfügbar zu machen, benachrichtigen Sie den Forscher Nr. 2.
    11. Forscher #2 (im Labor): Weisen Sie den Teilnehmer auf die Bildaufnahme hin. Lösen Sie die Röntgenbildaufnahme mit dem Fernauslöser aus der Hand aus. Informieren Sie den Teilnehmer, dass ein Bild aufgenommen wurde und entschuldigen Sie sich im Kontrollraum.
    12. Forscher #1 und #2 (im Röntgenkontrollraum): Untersuchen Sie die Bilder. Konzentrieren Sie sich nur auf die Position des Teilnehmers und die Sichtbarkeit aller zu verfolgenden Knochen. Wiederholen Sie erforderlichenfalls die Schritte 2.4.5-2.4.12, bis die Position des Teilnehmers zufriedenstellend ist.
    13. Sobald die Einrichtung und Positionierung des Röntgensystems hergestellt ist, bewegen Sie das Röntgensystem während der Datenerfassungssitzung nicht, es sei denn, für jede Konfiguration werden neue Kalibrierungs- und Verzerrungskorrekturbilder gesammelt. Weisen Sie den Teilnehmer außerdem an, sich für die Dauer der Datenerfassungssitzung so wenig wie möglich zu bewegen, um zu vermeiden, dass die Einrichtungsvorgänge wiederholt werden müssen.
  5. Datenerfassung: Statische Bilderfassung
    1. Forscher #1 (im Röntgenkontrollraum): Stellen Sie die optimierte Röntgentechnik auf dem Röntgenbedienfeld ein (basierend auf Vortests). Das hier verwendete Röntgenprotokoll ist 70 kVp, 320 mA, 2 ms und Brennfleck = 1,0 mm, wobei sich die Kamera bei 60 Hz und einer Belichtungszeit von 1.100 μs sammelt. Stellen Sie den Impulsgenerator auf 0,25 s.
      HINWEIS: Informieren Sie den Teilnehmer, dass das nächste Bild eine formale Bildaufnahme sein wird.
    2. Forscher #2 (im Labor): Informieren Sie den Teilnehmer, aufrecht zu sitzen und den Arm an der Seite zu ruhen.
    3. Erfassen Sie ein Bild wie zuvor beschrieben (Schritte 2.4.8-2.4.11).
    4. Forscher #1 und #2 (im Röntgenkontrollraum): Untersuchen Sie die Bilder. Konzentrieren Sie sich auf die Bildqualität (d. H. Helligkeit und Kontrast) und die Sichtbarkeit aller notwendigen Knochen. Wenn Anpassungen an der Bildqualität erforderlich sind, bestimmen Sie den zu ändernden Parameter (z. B. Blendenzahl, Kamerabelichtungszeit, kVp, mA) und nehmen Sie das statische Bild erneut auf.
      HINWEIS: Es ist wichtig, immer darauf zu achten, wie die Dosis durch die röntgenologischen Parameter beeinflusst wird.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 2.5.1-2.5.4, bis die Bildqualität innerhalb der vom IRB genehmigten Dosisschätzungen akzeptabel ist.
    6. Sobald die Bildqualität akzeptabel ist, überprüfen Sie die Bilder auf technische Qualität (z. B. beschädigte Frames).
    7. Speichern Sie nach einer akzeptablen statischen Testbildaufnahme die Testversion von jeder Kamera (z. B. "green_still.cine", "red_still.cine").
  6. Datenerfassung: Dynamische Bilderfassung
    1. Forscher #1 (im Röntgenkontrollraum): Behalten Sie die gleichen röntgenologischen Parameter aus dem statischen Testbild bei. Stellen Sie den Impulsgenerator auf eine Belichtung von 2,0 s ein.
    2. Forscher Nr. 2 (im Labor): Bringen Sie dem Teilnehmer die auszuführende Bewegung bei, einschließlich der Ebene und des Timings der Bewegung. Stellen Sie sicher, dass der Stuhl und die Kleidung und/oder die mit Blei gefütterte Weste des Teilnehmers die Schulterbewegung nicht beeinträchtigen. Üben Sie den Bewegungsversuch mit dem Teilnehmer. Verwenden Sie den verbalen Hinweis "Bereit... und... go" so getaktet, dass es 2 s (dh die Dauer des Bewegungsversuchs) dauert, um dem Teilnehmer zu helfen, die Initiierung und den Abschluss der Bewegung zu beschleunigen.
      HINWEIS: Es ist wichtig, dass der Teilnehmer die Verfahren versteht und die Bewegungsstudie konsequent durchführen kann, um die unnötige Exposition im Zusammenhang mit einer fehlgeschlagenen Studie zu vermeiden.
    3. Forscher Nr. 2 (im Labor): Holen Sie nach ausreichender Übung den Tragbaren Fernauslöser ab. Begeben Sie sich an einen sicheren Ort im Labor mit einer klaren Sichtlinie und Kommunikation mit dem Forschungsteilnehmer.
    4. Forscher #1 (im Röntgenkontrollraum): Stellen Sie den Pulsgenerator auf 2,0 s zurück, starten Sie die Kameras und bereiten Sie das Röntgenbedienfeld wie zuvor beschrieben an (Schritte 2.3.4-2.3.5). Wenn das System bereit ist, es verfügbar zu machen, benachrichtigen Sie den Forscher Nr. 2.
    5. Forscher Nr. 2 (im Labor): Fragen Sie den Forschungsteilnehmer: "Sind Sie bereit?" [Warten Sie auf die bejahende Antwort] "Bereit... und... geh." (Tempo, wie zuvor, so dass es 2 s dauert).
    6. Forscher #2 (im Labor): Lösen Sie das Röntgensystem manuell aus, wenn der Teilnehmer eine Armbewegung einleitet.
      HINWEIS: Obwohl die manuelle Auslösung auf der Grundlage visueller Bewegungen das Risiko birgt, dass der Beginn der Bewegungsstudie ausbleibt, verhindert sie eine Überbelichtung des Forschungsteilnehmers im Falle eines Missverständnisses oder eines verzögerten Starts.). Sobald die Studie abgeschlossen ist, informieren Sie den Teilnehmer, dass ein Bild aufgenommen wurde, und entschuldigen Sie sich im Kontrollraum, um die Bilder zu inspizieren.
    7. Forscher #1 und #2 (im Röntgenkontrollraum): Untersuchen Sie die Testbilder auf Qualität (d. h. Helligkeit und Kontrast) und technischen Zustand (d. h. beschädigte Frames) (Abbildung 3). Speichern Sie die Bewegungsversuche von jeder Kamera (z. B. "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
    8. Wiederholen Sie die Schritte 2.6.1-2.6.7, um alle Bewegungsversuche innerhalb des genehmigten Strahlenschutzprotokolls zu erfassen.
  7. Kalibrierungsbilder sammeln
    HINWEIS: Die Röntgenbildkalibrierung führt zur Definition des laborbasierten Koordinatensystems, der Position und Ausrichtung jedes Röntgenradiographiesystems relativ zum Laborkoordinatensystem und intrinsischen Parametern, die die Erzeugung von digital rekonstruierten Röntgenbildern (DRRs) ermöglichen, die im markerlosen Tracking-Prozess verwendet werden. Die Kalibrierberechnungen sind in Schritt 3.4.1 beschrieben.
    1. Behalten Sie die gleichen Kameraeinstellungen und Einstellungen für die Röntgentechnik bei, die während der Datenerfassung verwendet wurden.
    2. Stellen Sie den Impulsgenerator auf eine Belichtung von 0,5 s ein.
    3. Positionieren Sie den Kalibrierungswürfel (siehe Materialtabelle) in der Mitte des Abbildungsvolumens.
    4. Erfassen und speichern Sie die Würfelbilder (z. B. "green_cube.cine", "red_cube.cine").
  8. Sammeln Sie die Bilder für die Verzerrungskorrektur und Die Ungleichmäßigkeitskorrektur.
    HINWEIS: Röntgenbilder, die mit einem Bildverstärker aufgenommen wurden, werden durch Intensität, Ungleichmäßigkeit63 und Verzerrung beeinflusst. Folglich werden Bilder eines Weißfeld- und Verzerrungskorrekturrasters auf jedem Röntgensystem aufgenommen, um die erforderlichen Korrekturen zu bestimmen. Es ist im Allgemeinen ratsam, Kalibrierungsbilder vor Verzerrungs- und Ungleichmäßigkeitskorrekturbildern zu sammeln, falls die Bildverstärker während der Positionierung des Verzerrungsgitters gestoßen werden.
    1. Entfernen Sie alle Objekte aus dem Röntgenbildfeld.
    2. Behalten Sie die gleichen Kameraeinstellungen und Einstellungen für die Röntgentechnik bei, die während der Datenerfassung verwendet wurden. Stellen Sie den Impulsgenerator auf eine Belichtung von 0,5 s ein.
    3. Befestigen Sie das Verzerrungskorrekturraster (siehe Materialtabelle) an der Oberfläche des grünen Bildverstärkers.
    4. Erfassen Sie die Raster- und Weißfeldbilder.
    5. Speichern Sie die Bilder (z.B. "green_grid.cine", "red_white.cine").
    6. Bewegen Sie das Raster in den roten Bildverstärker, und wiederholen Sie die Schritte 2.7.2-2.7.5, wobei Sie die Namen der Bilddatei entsprechend ändern.

3. Protokoll der Datenverarbeitung

HINWEIS: Verfahren zur Vorbereitung der knöchernen Geometrie, zur Bildvorverarbeitung (d. h. Verzerrungs- und Ungleichmäßigkeitskorrektur und Bildkalibrierung) und zur markerlosen Verfolgung sind sehr variabel und hängen von der verwendeten Software ab. Die hier beschriebenen Verfahren sind spezifisch für die proprietäre Software. Die wichtigsten Datenverarbeitungsschritte sind jedoch wahrscheinlich auf jedes Röntgen-Motion-Capture-Softwarepaket übertragbar.

  1. CT-Scan verarbeiten
    HINWEIS: Die proprietäre markerlose Tracking-Software, die vom Labor der Autoren verwendet wird, optimiert die Position und Ausrichtung eines DRR. Daher führen die Verfahren zur Verarbeitung des CT-Scans zur Erstellung eines 16-Bit-TIFF-Bildstapels. Andere Softwarepakete erfordern möglicherweise, dass die knöcherne Geometrie in verschiedenen Formaten oder Spezifikationen dargestellt wird.
    1. Öffnen Sie ein Bildverarbeitungsprogramm (z.B. Mimics, FIJI) und importieren Sie die CT-Bilder.
    2. Segmentieren Sie den Humerus aus den umgebenden Weichteilen. Erstellen Sie für die Rippen eine Erweiterung, die den vorderen Aspekt der Rippe mit dem Manubrium verbindet, um das Sternokostalgelenk später in Schritt 3.2.6 zu digitalisieren.
    3. Führen Sie eine boolesche Operation an der fertigen Maske mit einer schwarzen Maske durch (d. h. alle Pixel sind schwarz gefärbt) (Vorgang: schwarz minus Knochen). Dies führt zu einer umgekehrten Maske des Knochens, in der alle Pixel schwarz sind, mit Ausnahme derjenigen, die dem Knochen entsprechen, die in CT-Graustufen verbleiben.
    4. Schneiden Sie den Bildstapel entlang aller drei Achsen zu, um die schwarzen (d. h. Nicht-Knochen-) Pixel zu eliminieren. Lassen Sie einige schwarze Pixel an den Rändern dieses 3D-Begrenzungsrahmens.
    5. Speichern Sie den geänderten Bildstapel im TIFF-Format.
    6. Wiederholen Sie die Schritte 3.1.1-3.1.5 für alle verbleibenden Knochen.
  2. Definition anatomischer Koordinatensysteme und Regions of Interest (ROIs)
    HINWEIS: Dieses Protokoll orientiert anatomische Koordinatensysteme wie folgt. Bei einer rechten Schulter ist die +X-Achse seitlich, die +Y-Achse nach oben und die +Z-Achse nach hinten ausgerichtet. Bei einer linken Schulter ist die +X-Achse seitlich, die +Y-Achse nach oben und die +Z-Achse nach vorne ausgerichtet.
    1. Importieren Sie den TIFF-Bildstapel für den zu verarbeitenden Bone. Konvertieren Sie den TIFF-Stack in eine . RAW-Datei und Rendern eines 3D-Knochenmodells basierend auf den bekannten Pixelabmessungen und Bildabständen mit der proprietären Software.
      HINWEIS: Die Auflösung des Modells basiert auf der Abtastung des CT-Volumens (d. h. Voxelabstand). Folglich beträgt die mittlere Fläche der Maschendreiecke etwa 1,02 mm2 (±0,2 mm2) (Schritt 1.3).
    2. Digitalisieren Sie die anatomischen Landmarken auf dem Humerus wie folgt (Abbildung 4A).
      1. Geometrischer Mittelpunkt des Humeruskopfes: Bestimmen Sie die Abmessungen und die Position einer Kugel, die den Abstand zwischen der Kugeloberfläche und der humeralen Gelenkfläche mithilfe eines Algorithmus der kleinsten Quadrate minimiert. Definieren Sie den geometrischen Mittelpunkt des Oberarmkopfes als Koordinaten des Mittelpunkts der optimierten Kugel.
      2. Mediale und laterale Epicondylen: Befindet sich im breitesten Abschnitt des distalen Humerus.
    3. Definieren Sie den ROI des Oberarmkopfes wie folgt (Abbildung 5A).
      1. Die gesamte humerale Gelenkfläche und größere Tuberosität.
    4. Digitalisieren Sie die anatomischen Landmarken auf dem Schulterblatt wie folgt (Abbildung 4B).
      1. Wurzel der Schulterblattwirbelsäule: Befindet sich am medialen Rand entlang der Schulterblattwirbelsäule.
      2. Hinteres Akromioklavikulargelenk: Befindet sich am hinteren Aspekt der Schlüsselbeinfacette am Schulterblattakrom.
      3. Unterer Winkel: Befindet sich am untersten Punkt des Schulterblattes.
    5. Definieren Sie Skapulier-ROIs wie folgt (Abbildung 5B).
      1. Acromion: Die Unterseite des Acromions seitlich zur Wirbelsäule des Schulterblattes.
      2. Glenoid: Die gesamte Gelenkfläche des Glenoids.
    6. Digitalisieren Sie anatomische Landmarken auf den Rippen wie folgt (Abbildung 4C).
      1. Vorderrippe: Befindet sich am medialsten Teil der Rippenverlängerung.
      2. Hintere Rippe: Befindet sich am oberen/unteren Mittelpunkt des hinteren Aspekts der Facette auf dem Kopf der Rippe.
      3. Laterale Rippe: Befindet sich am lateralsten Aspekt der Rippe, wenn die vorderen und hinteren Rippenpunkte vertikal auf dem Bildschirm ausgerichtet sind.
  3. Bildvorverarbeitung
    HINWEIS: Die Bildvorverarbeitung erfolgt mit proprietärer Software und beinhaltet die Konvertierung der Cine-Bilddateien in TIFF-Stacks und die Korrektur der Bilder auf Verzerrungsuneinheitlichkeit.
    1. Korrektur der Uneinheitlichkeit durchführen: Die Software mittelt die etwa 30 Frames (d. h. 0,5 s Daten), um ein einzelnes, qualitativ hochwertiges Hellfeldbild zu erzeugen, um die Auswirkungen von Rauschen in einem einzelnen Frame zu minimieren. Das Hellfeldbild wird verwendet, um die wahre Röntgendichte entlang des Strahls von der Röntgenquelle zu jedem Pixel jedes Datenrahmens zu berechnen. Die Summe der röntgenographischen Dichte aller Materie, die vom Strahl jedes Pixels durchdrungen wird, ist proportional zum Logarithmus des hellen Feldes für dieses Pixel abzüglich des Logarithmus des Beobachtungsbildes für dieses Pixel (d. h. Log-Sub-Verarbeitung).
    2. Verzerrungskorrektur durchführen: Die Software mittelt die ca. 30 Frames (d. h. 0,5 Sekunden Daten), um ein einzelnes Bild zu erzeugen und den Rauscheffekt in jedem einzelnen Bild zu reduzieren. Die Verzerrungskorrektur-Software erstellt eine affine Karte von jedem Tripel benachbarter Perlenpositionen im Verzerrungsgitterbild zur bekannten (wahren) Position dieser drei Perlen im Lucite-Verzerrungskorrekturraster. Diese Sammlung kleiner affiner Karten wird dann verwendet, um jeden beobachteten Frame des Bewegungsversuchs in die wahren Koordinaten umzuwandeln, die durch die orthogonale Anordnung von Perlen dargestellt werden.
    3. Wenden Sie Verzerrungs- und Ungleichmäßigkeitskorrekturen auf alle Frames jedes Versuchs an.
  4. Kalibrierung des Doppeldecker-Bildgebungsvolumens.
    HINWEIS: Die Bildkalibrierung wurde mit proprietärer Software durchgeführt. Die Software verwendet einen nichtlinearen Optimierungsalgorithmus, um die beobachteten Applikationsobjekt-Perlenpositionen an ihre bekannten 3D-Positionen anzupassen. Dieser Prozess wird für jeden Satz biplanarer Kalibrierungsbilder durchgeführt. Das Ergebnis ist ein System, das zwei Ansichten eines Knochenvolumens digital projizieren und gegen Röntgenbilder desselben Knochens registrieren kann, die während der Datenerhebung gesammelt wurden.
  5. Markerloses Tracking
    HINWEIS: Markerless Tracking wird mit proprietärer Software durchgeführt. Software wie Autoscoper und C-Motion können ebenfalls verwendet werden, um diesen Prozess abzuschließen.
    1. Drehen und übersetzen Sie den DRR im ersten Frame des Bewegungsversuchs mithilfe der Softwaresteuerung, bis er gut mit den Doppeldecker-Röntgenbildern übereinstimmt (Abbildung 6).
    2. Speichern Sie die manuelle Lösung.
    3. Wenden Sie den Optimierungsalgorithmus an.
    4. Überprüfen Sie visuell die Lösung, die vom Algorithmus basierend auf der anfänglichen manuellen Lösung als optimal eingestuft wurde. Stellen Sie die Lösung erforderlichenfalls ein und wiederholen Sie die Schritte 3.5.2-3.5.3, bis Sie mit der optimierten Lösung zufrieden sind.
    5. Wiederholen Sie die Schritte 3.5.1-3.5.4 für jedes 10. Bild während der gesamten Bewegungsstudie.
      HINWEIS: Dieses Intervall hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich Bildrate, Bewegungsgeschwindigkeit und Bildqualität. Kleinere Intervalle können erforderlich sein.
    6. Sobald jeder 10. Frame verfolgt wird, führen Sie eine Optimierung durch, um interpolierte vorläufige Lösungen zu erstellen, die anschließend optimiert werden.
    7. Verfeinern Sie die Lösungen weiter, bis alle Frames des Bewegungsversuchs gut verfolgt sind.

4. Protokoll der Datenanalyse

HINWEIS: Die proprietäre markerlose Tracking-Software, die in diesem Protokoll verwendet wird, führt zu den rohen und gefilterten Trajektorien der anatomischen Landmarken, die zur Konstruktion anatomischer Koordinatensysteme verwendet werden. Diese Koordinaten werden relativ zu dem vom Kalibrierobjekt während des Kalibriervorgangs definierten Laborkoordinatensystem ausgedrückt. Das folgende Protokoll beschreibt allgemein die Verfahren zur Berechnung kinematischer Ergebnismaße aus diesen Landmark-Trajektorien, so dass sie in jeder Programmiersprache (z. B. MATLAB) berechnet werden können. Eine zweite proprietäre Software wird verwendet, um Kinematik- und Proximity-Statistiken zu berechnen.

  1. Kinematik- und Proximity-Statistiken berechnen
    HINWEIS: Die primären kinematischen Ergebnismaße umfassen gemeinsame Rotationen (d. h. Euler-Winkel) und Positionen. Die primären Proximity-Statistiken umfassen die minimale Lücke, die durchschnittliche Lücke und das gewichtete durchschnittliche Contact Center, die für jeden Datenrahmen berechnet werden. Zusammen beschreiben diese Messungen die gemeinsame Arthrokinematik oder Oberflächeninteraktionen während einer Bewegung. Zu den anatomischen Näherungen, die über den Bewegungsversuch aggregiert werden, gehören das durchschnittliche Contact Center, der Kontaktpfad und die Kontaktpfadlänge.
    1. Verwenden Sie für jeden Knochen und Bewegungsrahmen die gefilterten anatomischen Orientierungskoordinaten (d. h. die Ausgabe der markerlosen Tracking-Software), um eine Transformationsmatrix mit 16 Elementen zu erstellen, die das anatomische Koordinatensystem des Knochens relativ zum Laborkoordinatensystem darstellt.
    2. Berechnen Sie die relative Kinematik, indem Sie die anatomischen Koordinatensysteme zwischen relevanten Knochen mit der Software in Beziehung setzen.
    3. Extrahieren Sie die Fugenwinkel und -positionen mit herkömmlichen Methoden64. Extrahieren Sie angesichts der Orientierung der anatomischen Koordinatensysteme die glenohumerale Kinematik mit einer Z-X'-Y''-Rotationssequenz, extrahieren Sie die scapulothorakale Kinematik mit einer Y-Z'-X''-Rotationssequenz und extrahieren Sie die humerothorakale Kinematik mit einer Y-Z'-Y'' Rotationssequenz.
    4. Minimale Lücke: Berechnen Sie mit der Software den kleinsten Spalt (d. h. abstand) zwischen den Schwerpunkten des Dreiecks des nächsten Nachbarn auf dem gegenüberliegenden Knochen.
    5. Durchschnittliche Lücke: Berechnen Sie den flächengewichteten Mittelwert des minimalen Spalts unter Verwendung der Dreiecke, die den kleinsten Abstand zu ihrem nächsten Nachbarn innerhalb eines bestimmten Messbereichs mit der Software haben. Definieren Sie den Messbereich als die Dreiecke, die dem gegenüberliegenden Knochen am nächsten sind und deren Bereiche 200 mm2 betragen. Beziehen Sie diesen Messbereich in die Berechnung ein, um sicherzustellen, dass nur die Oberfläche, die sich in angemessener Nähe zum gegenüberliegenden Knochen befindet, in die Berechnung des durchschnittlichen Spalts einbezogen wird.
      HINWEIS: Die Größen des Messbereichs (d. h. 200 mm2) wurden während der anfänglichen Algorithmusentwicklung ausgewählt, nachdem festgestellt wurde, dass sie den subacromialen Raum und die Nähe der Glenohumeralgelenke konsistent widerspiegeln, ohne von entfernten Oberflächen übermäßig verzerrt zu sein. Die Verwendung dieses Maßes für breitere Oberflächeninteraktionen (z. B. tibiofemoral) kann eine größere Messfläche erfordern.
    6. Gewichtetes durchschnittliches Contact Center (d. h. Schwerpunkt): Berechnen Sie mithilfe der Software den Punkt auf der ROI-Oberfläche, der den gewichteten Abstand zu allen anderen Dreiecken innerhalb des Messbereichs minimiert (d. h. Dreiecke, die dem gegenüberliegenden Knochen am nächsten sind, deren Bereiche sich auf 200 mm2 summieren). Der Gewichtungsfaktor für jedes Dreieck im Messbereich wird wie folgt berechnet: Dreiecksfläche / quadratischer Abstand zum Mittelpunkt des nächsten Nachbarn (d. h. inverse quadratische Gewichtung). Auf diese Weise sind die Dreiecke, die stärker gewichtet werden, größer (um den Faktor 1) und näher am gegenüberliegenden Knochen (um einen Faktor des quadrierten Mindestabstands).
    7. Durchschnittliches Contact Center: Berechnen Sie die durchschnittliche Position des Contact Centers (d. h. den Schwerpunkt) über die Bewegungsstudie mithilfe der Software. Wenn Contact Center die Gelenkarthrokinematik darstellen, stellt das durchschnittliche Contact Center das Zentrum der Oberflächeninteraktionen während einer Bewegung dar.
    8. Kontaktpfad: Definieren Sie, indem Sie die Koordinaten des gewichtet-durchschnittlichen Contact Centers mithilfe der Software über die Bewegungsstudie hinweg verbinden.
    9. Kontaktweglänge: Berechnen Sie die Länge des Kontaktpfads über die Bewegungsversuche mit der Software.

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Representative Results

Eine 52-jährige asymptomatische Frau (BMI = 23,6 kg/m2) wurde im Rahmen einer früheren Untersuchung rekrutiert und an ihrer dominanten (rechten) Schulter einem Bewegungstest (koronale Flugzeugabduktion) unterzogen65. Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt. Die Datenerfassung wurde mit dem zuvor beschriebenen Protokoll durchgeführt (Abbildung 3).

Die glenohumerale, scapulothorakale und humerothorakale Kinematik des Teilnehmers sind in Abbildung 7, Abbildung 8 bzw. Abbildung 9 dargestellt. Die visuelle Inspektion der glenohumeralen und scapulothorakalen Kinematik deutet darauf hin, dass die Schulterbewegung des Teilnehmers mit dem übereinstimmte, was allgemein während der koronalen Flugzeugabduktion erwartet wird66. Insbesondere bestand die Glenohumeralbewegung aus Elevation und leichter Außenrotation und befand sich im Allgemeinen in einer Ebene nach dem Schulterblatt (Abbildung 7), während die scapulothorakale Bewegung aus Aufwärtsrotation, posteriorer Neigung und leichter interner / externer Rotation bestand (Abbildung 8).

Während des Bewegungsversuchs reichte der minimale subacromiale Abstand (d. h. die schmalste Breite des subacromialen Auslasses für einen bestimmten Frame) von 1,8 mm bei 74,0° humerothorakaler Elevation (Frame 45) bis 8,3 mm bei 134,0° humerothoracischer Elevation (Frame 89) (Abbildung 10A, Abbildung 11A). Der durchschnittliche subacromiale Abstand (d. h. die durchschnittliche Breite des subacromialen Auslasses innerhalb des angegebenen 200 mm2-Messbereichs ) tendierte dazu, einer ähnlichen Flugbahn wie die Minimalelabstandsmetrik zu folgen. Beispielsweise reichte der durchschnittliche subacromiale Abstand von 4,2 mm bei 75,4° humerothorakaler Elevation (Frame 46) bis 9,2 mm bei 134,0° humerothoracischer Elevation (Frame 89). Schließlich folgte der minimale subacromiale Abstand tendenziell einer komplementären Trajektorie zur Oberflächenmetrik (Abbildung 10B), so dass der Minimaleabstand tendenziell kleiner war, wenn die Oberfläche größer war. Die Darstellung der Position des Minimalabstands auf dem Oberarmkopf legt nahe, dass sich die Position, die dem Schulterdach am nächsten ist, seitlich über den Fußabdruck der Rotatorenmanschette verschiebt, wenn der humerothorakale Höhenwinkel zunimmt (Abbildung 11A). Über den Bewegungsversuch hinweg betrug die Kontaktweglänge 40,5 mm am Oberarmkopf und 28,8 mm am Schulterdach.

Während des Bewegungsversuchs reichte der minimale glenohumerale Abstand (d. h. die schmalste Breite des glenohumeralen Gelenkraums) von 1,0 mm bei 137,9° humerothorakaler Elevation (Frame 92) bis 2,1 mm bei 34,2° humerothoracischer Elevation (Frame 21) (Abbildung 12A, Abbildung 11B). Wie bei den subacromialen Entfernungen folgte die durchschnittliche glenohumerale Entfernung tendenziell einer ähnlichen Trajektorie wie die Minimalabstandsmetrik, und diese Entfernungen folgten einer komplementären Trajektorie mit der Oberflächenmetrik (Abbildung 12B). Beispielsweise reichte der durchschnittliche glenohumerale Abstand von 1,4 mm bei 137,9° humerothorakaler Elevation (Frame 92) bis 2,6 mm bei 23,5° humerothoracischer Elevation (Frame 12). Die Darstellung der Position des glenohumeralen Kontaktzentrums relativ zu den glenoiden Kantenkonturen deutet darauf hin, dass die Arthrokinematik des Teilnehmers moderate Oberflächeninteraktionen umfasste. Insbesondere blieb der Humerus relativ zentriert im Glenoid in der vorderen / hinteren Richtung, verschob sich aber während des Bewegungsversuchs überlegen und dann unterlegen (Abbildung 11B). Über den Bewegungsversuch hinweg betrug die Kontaktweglänge 30,0 mm am Glenoid und 45,4 mm am Oberarmkopf.

Figure 1
Abbildung 1: Das CT-Sichtfeld. (A) koronale, (B) sagittale und (C) transversale Ebenen. Während der Akquisition stellt der CT-Technologe sicher, dass das Sichtfeld das Schlüsselbein (überlegen), die distalen humeralen Epicondylen (minderwertig), das gesamte Glenohumeralgelenk (seitlich) und die costovertebralen und sternokostalen Gelenke (medial) umfasst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Doppeldecker-Videoradiographiesystems. Die Röntgensysteme werden mit einem 50° Abstrahlwinkel und einem Source-to-Image-Abstand (SID) von 183 cm positioniert. Die Teilnehmer werden im Doppeldeckervolumen so positioniert, dass sich ihr Glenohumeralgelenk ungefähr am Schnittpunkt der Röntgenstrahlen befindet. Systeme werden als "grün" und "rot" bezeichnet, um die Bedienfelder und die Dateinamen der Bilder zu unterscheiden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Doppeldecker-Röntgenbilder von einem repräsentativen Subjekt während der koronalen Flugzeugabduktion. Obwohl der Kiefer in den Bildern des grünen Systems erscheint, sollte darauf geachtet werden, dass der Kopf nicht in das Sichtfeld einbezogen wird, um die Dosis für diesen Bereich zu minimieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Definition anatomischer Koordinatensysteme. (A) Humerales Koordinatensystem definiert durch Digitalisierung des geometrischen Zentrums des Humeruskopfes, des medialen Epicondyles und des lateralen Epicondyles. (B) Skapululäres Koordinatensystem, definiert durch Digitalisierung der medialen Wirbelsäule, des unteren Winkels und des hinteren Aspekts des Akromioklavikulargelenks. (C) Rippenkoordinatensystem, definiert durch Digitalisierung des hinteren Aspekts der costovertebralen Facette, des lateralen Aspekts der Rippe und des lateralen Brustbeins auf Höhe der Rippe. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Definition von Regions of Interest (ROI) für Proximity-Statistiken. (A) Humeruskopf-ROI, der zur Berechnung des Akromiohumeralabstands und der Glenohumeralgelenk-Kontaktmuster verwendet wird, (B) Akromial- und Glenoid-ROIs, die zur Berechnung des Akromiohumeralabstands bzw. der Glenohumeral-Gelenkkontaktmuster verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Screenshots der proprietären markerlosen Tracking-Software. Der Screenshot veranschaulicht die optimierten Lösungen von Humerus und Schulterblatt von einem repräsentativen Subjekt während der koronalen Flugzeugabduktion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Glenohumerale Kinematik von einem repräsentativen Probanden während eines einzigen Versuchs der koronalen Flugzeugabduktion. Hinweis: Die vordere Position wurde in einen positiven Wert umgewandelt. Abkürzungen: med. = medial; lat. = lateral; sup. = überlegen; inf. = minderwertig; ant. = anterior; post. = posterior. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Scapulothorakale Kinematik von einem repräsentativen Probanden während eines einzigen Versuchs der koronalen Flugzeugabduktion. Hinweis: Die vordere Position wurde in einen positiven Wert umgewandelt. Abkürzungen: IR = Interne Rotation; ER = Außenrotation; UR = Aufwärtsrotation; DR = Abwärtsrotation; AT = vordere Neigung; PT = hintere Neigung; med. = medial; lat. = lateral; sup. = überlegen; inf. = minderwertig; ant. = anterior; post. = posterior. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9: Humerothorakale Kinematik von einem repräsentativen Probanden während eines einzigen Versuchs der koronalen Flugzeugabduktion. Hinweis: Die vordere Position wurde in einen positiven Wert umgewandelt. Abkürzungen: med. = medial; lat. = lateral; sup. = überlegen; inf. = minderwertig; ant. = anterior; post. = posterior. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 10
Abbildung 10: Beurteilung des subacromialen Raums während eines Versuchs der koronalen Ebenenabduktion bei einem repräsentativen Subjekt. (A) Messungen der akromiohumeralen Entfernung werden über Frames zusammen mit den entsprechenden humerothorakalen Höhenwinkeln angezeigt. Der Mindestabstand wird als kleinster Abstand zwischen den Schwerpunkten des Engnachbardreiecks zwischen humeralem Kopf und akromialen ROIs berechnet. Die durchschnittliche Entfernung stellt den flächengewichteten Mittelwert des Minimalabstands dar, berechnet über die Dreiecke im Humeralkopf-ROI, die den kleinsten Abstand zu ihrem nächsten Nachbarn auf dem acromialen ROI aufweisen. (B) Die Oberfläche des Humeruskopf-ROI, die innerhalb von 10 mm des acromialen ROI liegt, wird über Frames zusammen mit den entsprechenden humerothorakalen Elevationswinkeln angezeigt. Abkürzung: HT = humerothorakal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 11
Abbildung 11: Proximity Mapping. (A) subacromialer Raum, (B) glenohumeraler Gelenkraum. Die subakrome Nähe wird auf dem ROI des Oberarmkopfes unter Verwendung der Minimalabstandsmetrik für den Datenrahmen abgebildet, in dem der Mindestabstand am kleinsten war (d. h. Frame #45). Der Kontaktpfad (schwarz) stellt die minimale Abstandstrajektorie zwischen den Frames #1-45 dar. Die Glenohumeral-Gelenknähe wird mit dem gewichtet-durchschnittlichen Contact Center für den Datenrahmen abgebildet, in dem der Gelenkraum am kleinsten war (d. h. Frame #92). Der Kontaktpfad (schwarz) stellt die Schwerpunkttrajektorie zwischen den Frames #1-92 dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 12
Abbildung 12: Beurteilung des glenohumeralen Gelenkraums während eines Versuchs der koronalen Ebenenabduktion in einem repräsentativen Subjekt. (A) Messungen des glenohumeralen Gelenkraums werden über Frames zusammen mit den entsprechenden humerothorakalen Höhenwinkeln angezeigt. Der Mindestabstand wird berechnet als der kleinste Abstand zwischen den Schwerpunkten des nächsten Nachbardreiecks zwischen dem Glenoid- und humeralen Kopf-ROIs. Die durchschnittliche Entfernung stellt den flächengewichteten Mittelwert der Minimalentfernung dar, berechnet über die Dreiecke im Glenoid-ROI, die den kleinsten Abstand zu ihrem nächsten Nachbarn auf dem Humeruskopf-ROI aufweisen. (B) Die Oberfläche des Glenoid-ROI, die sich innerhalb von 10 mm des Humeruskopf-ROI befindet, wird über Frames zusammen mit den entsprechenden humerothorakalen Elevationswinkeln angezeigt. Abkürzung: HT = humerothorakal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Die hier beschriebene Technik überwindet mehrere Nachteile, die mit herkömmlichen Techniken zur Beurteilung der Schulterbewegung verbunden sind (z. B. Leichensimulationen, 2D-Bildgebung, statische 3D-Bildgebung, videobasierte Bewegungserfassungssysteme, tragbare Sensoren usw.), indem sie genaue Messungen der 3D-Gelenkbewegung während dynamischer Aktivitäten liefert. Die Genauigkeit des hierin beschriebenen Protokolls wurde für die Glenohumeralverbindung gegenüber dem Goldstandard der radiostereometrischen Analyse (RSA) auf ±0,5° und ±0,4 mm67,68 festgelegt. Ähnliche Protokolle wurden für andere Gelenke wie knee69, spine70 und foot/ankle71 entwickelt. Wichtig ist, dass ohne ein System, das ausreichend genau ist, die Stichprobengröße, die notwendig ist, um statistisch signifikante und klinisch potenziell signifikante Unterschiede in der Gelenkbewegung zu erkennen, unerschwinglich sein könnte. Darüber hinaus bietet diese Genauigkeit die Möglichkeit, potenziell wichtige Ergebnismaße wie Gelenkpositionen und/oder Translationen62,72, Arthrokinematik72,73,74,75, subacromiale Abstände61,72,75 und momentane Bewegungsachsen zu beschreiben76 . Letztendlich ist die genaue Messung der In-vivo-Gelenkbewegung unerlässlich, um ein mechanistisches Verständnis der Schulterfunktion unter normalen und pathologischen Bedingungen zu ermöglichen und die Auswirkungen nicht-chirurgischer und chirurgischer klinischer Eingriffe zu bewerten.

Die Genauigkeit, die durch die Quantifizierung der Schulterkinematik mit Hilfe der Doppeldecker-Videoradiographie geboten wird, bringt viele Herausforderungen und Einschränkungen mit sich. Die primäre Einschränkung, die mit dieser Technik verbunden ist, ist die Strahlenexposition des Teilnehmers als Folge des CT-Scans und der Doppeldecker-Röntgenbildgebung. Folglich ist die Anzahl der Bewegungsversuche, die im Laufe der Zeit erworben werden können, oder der Follow-up-Sitzungen begrenzt. Die effektive Dosis, die dem hier beschriebenen Protokoll entspricht, beträgt ungefähr 10,5 mSv, wobei der Großteil (ungefähr 10 mSv) aus dem CT-Scan stammt, der die Bildgebung des distalen Humerus umfasst, so dass die Epicondylen zur Konstruktion des humeralen anatomischen Koordinatensystems verwendet werden können64. Für den Kontext entspricht diese Dosis einer Exposition von etwa 3 Jahren gegenüber natürlichen Hintergrundstrahlungsquellen. Jüngste Empfehlungen des Nationalen Rates für Strahlenschutz und -messungen deuten darauf hin, dass diese Dosis als "gering" eingestuft werden kann, vorausgesetzt, es wird ein moderater erwarteter Nutzen für den Einzelnen oder die Gesellschaft77. Folglich ist es unerlässlich, dass die Bewegungsanalyse mit Hilfe der Doppeldecker-Videoradiographie in einer gut konzipierten Studie verwendet wird, die auf einer soliden wissenschaftlichen Prämisse beruht, die das Potenzial hat, erhebliche Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit zu haben.

Die Reduzierung der mit der Doppeldecker-Videoradiographie verbundenen Dosis ist von entscheidender Bedeutung, um den breiteren Einsatz dieser Technologie in Forschung und Klinik zu erleichtern. Glücklicherweise können die jüngsten Fortschritte in der CT- und MR-Bildgebung die Dosis für den Teilnehmer erheblich reduzieren. Zum Beispiel haben Humerus- und Schulterblattknochenmodelle, die mit MRT78,79 oder einer niedrigeren Dosis CT80 abgeleitet wurden, für viele Forschungsanwendungen eine akzeptable Genauigkeit gezeigt. Darüber hinaus wird die Neudefinition des Humeralkoordinatensystems in einer Weise, die das humerale Epicondyles81 nicht benötigt, die Dosis durch Verringerung des CT-Bildgebungsvolumens verringert. Die sorgfältige Durchführung von Bewegungsversuchen vor der Aufnahme von Bildern ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass jede gesammelte Studie einen Wert hat und die Gesamtdosis des Teilnehmers nicht unnötig erhöht. Letztendlich ist die sorgfältige Berücksichtigung dieser und vieler anderer Faktoren von entscheidender Bedeutung, wenn die Doppeldecker-Videoradiographie verantwortungsbewusst zur Quantifizierung der 3D-Kinematik bei menschlichen Forschungsteilnehmern eingesetzt wird.

Der Körper habitus des Teilnehmers und Unterschiede in der Gewebedichte (und damit der Bildhelligkeit) zwischen dem zentralen Rumpf und dem seitlichen Aspekt der Schulter stellen zusätzliche Herausforderungen bei der Quantifizierung der Schulterbewegung mittels Doppeldecker-Videoradiographie dar. Insbesondere die klare Visualisierung des Schulterblatts und der Rippen ist oft eine Herausforderung mit der in diesem Protokoll beschriebenen Röntgentechnik (d. H. ~ 70 kVp, 320 mA, 2 ms gepulste Exposition) bei Personen mit hohem BMI (>30 kg / m2) und Frauen mit großem oder dichtem Brustgewebe. Die kinematische Tracking-Genauigkeit verschlechtert sich wahrscheinlich ohne klare Visualisierung der Knochenränder. Folglich kann eine sorgfältige Auswahl der Teilnehmer durch die Einschränkung des BMI viele dieser herausfordernden Bildgebungsüberlegungen verbessern. Das "Auswaschen" des lateralen Schulterdachs bei niedrigeren Winkeln der Humerushöhe ist jedoch auch bei Teilnehmern eines gesunden Körperhabus üblich (Abbildung 2A, grünes System bei Bild 1). Dies liegt daran, dass es wenig Gewebe (und damit Dichte) um das Schulterdach gibt, wenn sich der Humerus in niedrigeren Höhenwinkeln befindet, und die Sichtbarkeit dieser Region ist gewährleistet, um das Schulterblatt und die Rippen zu visualisieren. Sobald sich der Humerus jedoch erhöht und der Großteil der Schulter auf sich selbst projiziert wird (wodurch die Röntgendichte erhöht wird), wird das Schulterdach gut sichtbar. Daher garantiert die optimale Röntgentechnik für einen Bewegungsversuch nicht unbedingt die Visualisierung aller Knochen zu jeder Zeit, sondern ermöglicht die klare Visualisierung von genügend knöcherner Anatomie, um ein markerloses Tracking durchzuführen.

Eine weitere Herausforderung beim Einsatz der Doppeldecker-Videoradiographie ist das relativ kleine 3D-Abbildungsvolumen, das überwiegend durch die Bildrezeptorgröße, die Ausrichtung der beiden Bildgebungssysteme und den SID definiert wird. Obwohl die Begrenzung des 3D-Bildgebungsvolumens dazu beiträgt, die Strahlendosis zu kontrollieren (d. H. Durch Kollimation), kann ein kleines Bildgebungsvolumen den Bereich einschränken, über den Gelenkbewegungen erfasst werden können, und / oder die Art der zu bewertenden Aufgaben. Beispielsweise können Aufgaben, die eine Rumpfbewegung erfordern (z. B. Werfen), mit der Bewegungsanalyse der Doppeldecker-Videoradiographie nicht kompatibel sein, da sich der Teilnehmer während der Ausführung der Aufgabe wahrscheinlich außerhalb des 3D-Bildgebungsvolumens bewegt. Patientenbewegungen außerhalb des Bildgebungsvolumens sind auch bei einfacheren Aufgaben wie dem Anheben des Arms üblich, insbesondere bei Personen, deren Humerus-Elevationsbereich erheblich beeinträchtigt ist (z. B. aufgrund massiver Rotatorenmanschettenrisse, adhäsiver Kapsulitis, OA), da diese Personen dies oft kompensieren, indem sie sich auf die kontralaterale Seite lehnen. Folglich sind eine sorgfältige Positionierung des Teilnehmers innerhalb des Bildgebungsvolumens und verbale Hinweise, um ein Anlehnen zu vermeiden, entscheidende Schritte im Datenerfassungsprozess (Abschnitt 2.4).

Das kleine 3D-Abbildungsvolumen schränkt auch die Visualisierung anderer Segmente ein, die von Interesse sein könnten. Zum Beispiel ist die Verfolgung des Rumpfes notwendig, um die scapulothorakale und humerothorakale Kinematik zu quantifizieren. Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll löst diese Herausforderung, indem es die dritte und vierte Rippe verfolgt. Andere Forscher haben den Rumpf jedoch mit einem externen oberflächenbasierten Tracking-System verfolgt, das mit dem Röntgensystem synchronisiert ist49,50,62. Jeder dieser Ansätze hat einzigartige Grenzen. Zum Beispiel erfordert die Verfolgung der Rippen eine gute Visualisierung des zentralen Rumpfes, was bei Personen mit größerem Körperhabus eine Herausforderung darstellt, ohne die seitliche Schulter auszuwaschen, wie zuvor beschrieben. Darüber hinaus kann die Verfolgung der Rippen mit einem kleineren Bildverstärker (d. H. Weniger als 40 cm) eine Herausforderung darstellen. Im Gegensatz dazu führt die Verfolgung der Torsobewegung mit Oberflächensensoren zu Hautbewegungsartefakten. Unabhängig vom verwendeten Ansatz bleibt das begrenzte 3D-Bildgebungsvolumen eine Herausforderung bei der Quantifizierung der Schulterkinematik mittels Doppeldecker-Videoradiographie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Doppeldecker-Videoradiographie eine hochgenaue Quantifizierung der Schulterkinematik ermöglicht. Variationen in dem hierin beschriebenen Protokoll wurden für zahlreiche Studien innerhalb des Labors58,59,72,73,82 verwendet, wobei jede Protokollvariation sorgfältig auf der Grundlage der spezifischen Forschungsziele konstruiert wurde, um die Dosis zu minimieren, die Bildqualität zu maximieren und die Segmentsichtbarkeit zu maximieren. Letztendlich ist die genaue Messung der In-vivo-Gelenkbewegung wichtig, um ein mechanistisches Verständnis der Schulterfunktion unter normalen und pathologischen Bedingungen zu ermöglichen und die Auswirkungen von nicht-chirurgischen und chirurgischen klinischen Eingriffen zu bewerten.

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Disclosures

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.

Acknowledgments

Die in dieser Publikation berichtete Forschung wurde vom National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases unter der Preisnummer R01AR051912 unterstützt. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der National Institutes of Health (NIH) dar.

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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References

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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).

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