Waiting
Login processing...

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

Medicine

In Vivo Kvantifisering av hip arthrokinematics under dynamiske vektbærende aktiviteter ved hjelp av dobbel fluoroskopi

Published: July 2, 2021 doi: 10.3791/62792
Automatic Translation
1,2, 1,3, 1,2,4,5
1Department of Orthopaedics, University of Utah, 2Scientific Computing and Imaging Institute, University of Utah, 3Department of Mechanical Engineering, University of Vermont, 4Department of Biomedical Engineering, University of Utah, 5Department of Physical Therapy, University of Utah

Summary

Dobbel fluoroskopi fanger nøyaktig opp in vivo dynamisk bevegelse av menneskelige ledd, som kan visualiseres i forhold til rekonstruert anatomi (f.eks. arthrokinematikk). Heri presenteres en detaljert protokoll for å kvantifisere hip arthrokinematics under vektbærende aktiviteter i dagliglivet, inkludert integrering av dobbel fluoroskopi med tradisjonell bevegelsesfangst av hudmarkører.

Abstract

Flere hoftepatologier har blitt tilskrevet unormal morfologi med en underliggende antagelse om avvikende biomekanikk. Strukturfunksjonsrelasjoner på fellesnivå er imidlertid fortsatt utfordrende å kvantifisere på grunn av vanskeligheter med å måle dynamisk felles bevegelse nøyaktig. Bløtvevsartefaktfeilene som er forbundet med optisk hudmarkørbevegelsesfangst, forverres av dybden på hofteleddet i kroppen og den store massen av bløtvev rundt leddet. Dermed er det komplekse forholdet mellom beinform og hofteledd kinematikk vanskeligere å studere nøyaktig enn i andre ledd. Heri presenteres en protokoll som omfatter beregnet tomografi (CT) artrografi, tredimensjonal (3D) rekonstruksjon av volumetriske bilder, dobbel fluoroskopi og optisk bevegelsesfangst for å nøyaktig måle den dynamiske bevegelsen til hofteleddet. De tekniske og kliniske studiene som har brukt dobbel fluoroskopi for å studere formfunksjonsrelasjoner i hoften ved hjelp av denne protokollen, oppsummeres, og de spesifikke trinnene og fremtidige hensyn for datainnsamling, behandling og analyse beskrives.

Introduction

Antall totale hofteartrosfroplastiske (THA) prosedyrer utført på voksne i alderen 45-64 år som lider av hofteartritt (OA) mer enn doblet seg mellom 2000 og 20101. Basert på økningen i THA-prosedyrer fra 2000 til 2014, spådde en nylig studie at det totale antallet årlige prosedyrer kan tredobles i løpet av de neste tjue årene2. Disse store økningene i THA-prosedyrer er alarmerende med tanke på at dagens behandlingskostnader overstiger $ 18 milliarder årlig i USA alene3.

Utviklingsdysplasi i hofte (DDH) og femoroacetabulær impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- eller overbegrenset hofte, antas å være den primære etiologien til hip OA4. Den høye forekomsten av disse strukturelle hoftedeformitetene hos personer som gjennomgår THA ble opprinnelig beskrevet for mer enn tre tiår siden5. Likevel er forholdet mellom unormal hofteanatomi og slitasjegikt ikke godt forstått. En utfordring for å forbedre arbeidsforståelsen av deformitetsrollen i utviklingen av hip OA er at unormal hoftemorfologi er svært vanlig blant asymptomatiske voksne. Spesielt har studier observert morfologi assosiert med cam-type FAIS hos omtrent 35% av den generelle befolkningen6, 83% av senior idrettsutøvere7, og mer enn 95% av collegiate mannlige idrettsutøvere8. I en annen studie av kvinnelige kollegiale idrettsutøvere hadde 60% av deltakerne radiografiske bevis på cam FAIS, og 30% hadde bevis på DDH9.

Studier som viser høy forekomst av deformiteter blant personer uten hoftesmerter peker på muligheten for at morfologi som vanligvis forbindes med FAIS og DDH, kan være en naturlig variant som bare blir symptomatisk under visse forhold. Samspillet mellom hofteanatomi og hipbiomekanikk er imidlertid ikke godt forstått. Spesielt er det kjente vanskeligheter med å måle hofteleddbevegelse ved hjelp av tradisjonell optisk bevegelsesfangstteknologi. For det første er leddet relativt dypt inne i kroppen, slik at plasseringen av hofteleddsenteret er vanskelig å både identifisere og spore dynamisk ved hjelp av optisk hudmarkørbevegelsesfangst, med feil i samme størrelsesorden som femoralhodets radius10,11. For det andre er hofteleddet omgitt av stor bløtvevsmasse, inkludert subkutant fett og muskler, som beveger seg i forhold til det underliggende beinet, noe som resulterer i bløtvevsartefakt12,13,14. Til slutt, ved hjelp av optisk sporing av hudmarkører, blir kinematikk evaluert i forhold til generalisert anatomi og gir dermed ikke innsikt i hvordan subtile morfologiske forskjeller kan påvirke leddets biomekanikk.

For å adressere mangelen på nøyaktig kinematikk i kombinasjon med subjektspesifikk beinmorfologi, er både enkle og doble fluoroskopisystemer utviklet for å analysere andre naturlige leddsystemer15,16,17. Imidlertid har denne teknologien bare nylig blitt brukt på den innfødte hofteleddet, sannsynligvis på grunn av vanskeligheten med å skaffe bilder av høy kvalitet gjennom det myke vevet rundt hoften. Metodikken for å nøyaktig måle in vivo hip joint bevegelse og vise denne bevegelsen i forhold til subjektiv benanatomi er beskrevet her. Den resulterende arthrokinematics gir en enestående evne til å undersøke det subtile samspillet mellom beinmorfologi og biomekanikk.

Heri har prosedyrene for å anskaffe og behandle doble fluoroskopibilder av hoften under dagliglivets aktiviteter blitt beskrevet. På grunn av ønsket om å fange slektematikk i hele kroppen med optisk markørsporing samtidig med doble fluoroskopibilder, krever datainnsamlingsprotokollen koordinering mellom flere datakilder. Kalibrering av det doble fluoroskopisystemet benytter plexiglassstrukturer implantert med metalliske perler som kan identifiseres direkte og spores som markører. I motsetning spores dynamisk beinbevegelse ved hjelp av markørløs sporing, som bare bruker den CT-baserte radiografiske tettheten av beinene for å definere orientering. Dynamisk bevegelse spores deretter samtidig ved hjelp av doble fluoroskopi- og bevegelsesfangstdata som er romlig og tidsmessig synkronisert.

Systemene synkroniseres romlig under kalibrering gjennom samtidig avbildning av en kube med både reflekterende markører og implanterte metallperler og generering av et felles koordinatsystem. Systemene synkroniseres timelig for hver aktivitet eller fanges opp ved hjelp av en delt elektronisk utløser, som sender et signal for å avslutte opptaket av de doble fluoroskopikameraene og avbryter en konstant 5 V-inngang til bevegelsesfangstsystemet. Denne koordinerte protokollen muliggjør kvantifisering av posisjonen til kroppssegmenter som faller utenfor det kombinerte synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet, uttrykk for kinematiske resultater i forhold til gang-normaliserte hendelser, og karakterisering av bløtvevsdeformasjonen rundt lårbenet og bekkenet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Prosedyrer skissert i denne protokollen ble godkjent av University of Utah Institutional Review Board.

1. CT artrogram avbildning

  1. Arthrogram18
    1. Planlegg en opplært muskuloskeletal radiolog for å utføre artrogrammet direkte før den planlagte CT-avbildningen.
    2. Plasser deltakeren på bordet med hoften av interesse for synsfeltet til et klinisk fluoroskop. Plasser sandsekker på hver side av ankelen for å forhindre rotasjon av benet og hoften.
    3. Forbered huden på å skape et sterilt miljø. Merk stedet der nålen skal settes inn (lårhode-nakkekryss) og bedøv det myke vevet på injeksjonsstedet med 2-5 ml 1% lidokain.
    4. Forbered en løsning på 20 ml 1% lidokain, 10 ml iohexol-injeksjon og 0,1 ml 1 mg/ml epinefrin i en 30 ml luerlåssprøyte.
    5. To til fem minutter etter lidokain injeksjon, sett inn en spinal nål bare til den kommer i kontakt med lårhalsen; kontrollere plasseringen av nålen ved fluoroskopi. Injiser en liten mengde av den tilberedte løsningen (<5 ml) og sørg for at den injiserte væsken er inneholdt i leddkapselen med et bilde fra fluoroskopi.
    6. Injiser 20-30 ml av kontrastblandingen. Når ytterligere motstand mot injeksjonen observeres, må du ha et studieteammedlem manuelt bruke trekkraft på hoften ved å trekke på deltakerens ankel mens deltakeren griper hodegjerden på bordet for å motstå bevegelse i overkroppen. Injiser den gjenværende kontrastblandingen etter behov.
    7. Kontroller ved fluoroskopi at kontrastmiddelet fyller skjøterommet og dekker lårhodet når trekkraft påføres.
    8. Overfør pasienten til CT-skanneren i rullestol eller seng for å minimere tap av kontrast i leddkapselen.
  2. Trekkraft og CT-avbildning
    1. Hjelp deltakeren inn i en liggende stilling på CT-gantryen.
    2. Plasser hare trekkraft splint enheten under beinet av interesse, og sørg for at den proksimale polstrede baren hviler bare distal til ischium. Fest krok- og sløyfestroppene rundt låret og ankelen til deltakeren og påfør lett trekkraft.
    3. Skaff deg et speiderbilde og sett synsfeltet til å inkludere hele bekkenet og proksimale lårben til like under den mindre trochanteren for hoftene. Sett et eget synsfelt for å inkludere distale lårben og proksimale tibias for knærne.
    4. Påfør ekstra trekkraft (få et medlem av forskerteamet til å trekke på ankelen mens en annen strammer stroppen på hare trekkraften) for å sikre separasjon av fellesrommet. Skaff bilder ved 120 kVp, 1,0 mm skivetykkelse, 200 - 400 mAs for hoften og 120 kVp, 3,0 mm skivetykkelse og 150 mAs for knærne. Bruk CARE Dose, en automatisert eksponeringskontroll som modulerer rørstrømmen i henhold til bildekvaliteten, for å minimere strålingsbyrden til deltakeren.
    5. Slipp og fjern hare trekkraft splint enheten. Assister deltakeren til en stående stilling og sørg for at de føler seg komfortable med å legge vekt og være mobile på lemmen før de lar dem gå.

2. Dobbel fluoroskopiavbildning

  1. Systemoppsett
    1. Påfør antropometri19 for å estimere høyden på hofteleddet basert på deltakerens rapporterte høyde og bruk denne målingen til å estimere ønsket høyde på midten av systemets synsfelt.
    2. Plasser bildeforsterkerne ca. 50° fra hverandre på siden av den instrumenterte tredemøllen som tilsvarer hoften av interesse (Figur 1).
    3. Plasser røntgenutkasterne slik at de peker mot bildeforsterkerne. Pass på at avstanden mellom senderkilden og ansiktet på bildeforsterkerne er ca. 100-110 cm.
      MERK: Den anbefalte avstanden mellom senderkilden og ansiktet på bildeforsterkerne vil variere basert på systemspesifikasjon og kollokviatoren i røntgenemitteren.
    4. Koble midten av forsiden av bildeforsterkeren og den tilsvarende røntgenemitteren til hvert fluoroskoppar ved hjelp av strenger eller målebånd. Kontroller at strengene (eller båndene) krysser på ønsket sted (dvs. på forventet sted for hofteleddet).
    5. Fest platen med tre lasere til senderen og speilet til bildeforsterkeren. Slå på laserne og finjuster justeringen av hver sender og bildeforsterker basert på refleksjonen av laserne tilbake til laserkilden.
  2. Kalibreringsbilder
    1. Forbered bruk av stråling ved å donere bly og plassere skilting på inngangene til rommet. Minimer eksponeringen ved å ha personalets slitasjebeskyttelse som inkluderer en blyvest, skjørt, hansker og briller. Slå på fluoroskopene og la systemene varme opp etter behov.
    2. For alle kalibreringsbilder setter du fluoroskopene til 64 kVp og 1,4-1,6 mA, eller som ellers ønsket.
    3. Åpne kamerakontrollprogramvaren på datamaskinen, og velg de aktuelle kameraene som slave og master. Bruk ekstern synkronisering til hovedkameraet fra slavekameraet for å synkronisere de to kameraene.
      MERK: For alle innspilte aktiviteter, lagre de samme rammene fra begge doble fluoroskopikameraer; identifiseres med et tall som representerer antall rammer før det elektroniske utløsersignalet.
    4. Kontroller justeringen av systemet ved å feste en sirkulær metallskive til midten av bildeforsterkeren og feste trådkorsarmaturen til senderen.
      MERK: Når justeringen er bekreftet, er det viktig å unngå å kontakte systemet.
    5. Fest plexiglassgitteret til en av bildeforsterkerne ved hjelp av skruer; minimere kraften som brukes i denne prosessen for å unngå å endre justeringen. Skaff fluoroskopibilder og lagre 100 bilderammer fra hvert dobbelt fluoroskopikamera i rutenettet. Fjern rutenettet, og gjenta prosessen for den andre bildeforsterkeren.
    6. Plasser 3D-kalibreringskuben innenfor det kombinerte synsfeltet til de to fluoroskopene. For å gjøre dette, plasser kuben på en avføring eller plattform som er radiotranslucent og visuelt bekrefte at det meste eller hele kuben er innenfor synsfeltet. Orienter kuben slik at kalibreringsperlene ikke overlapper for noen av de doble fluoroskopikameravisningene. Hent bilder og lagre 100 bilderammer av kuben.
    7. Før du flytter kuben, må du måle og registrere den omtrentlige plasseringen av kubens opprinnelse fra hver sender ved hjelp av kubens koordinatsystem. Fjern kuben og eventuell tilknyttet plattform.
    8. Mål og registrer avstanden mellom senderkilden og ansiktet på bildeforsterkeren for hvert fluoroskop.
    9. Fest det beadede plexiglasset til en lang stang eller linjal med et gummibånd og flytt det tilfeldig for å gi bevegelser som spenner over hele systemets synsfelt. Sørg for at forskningspersonalet er oppmerksom på strålings- og slitasjebeskyttelsens vei for å minimere eksponeringen (se trinn 2.2.1). Lagre 100 bilderammer av bevegelsen.
    10. Tilbakestill bildeklokken som brukes til å spore eksponeringstiden.
  3. Statisk utprøp og justering av parametere
    1. Mål høyden på den større trochanteren for å sikre at systemhøyden passer for deltakeren.
      1. Palpate låret for å finne den benete prominensen til den større trochanteren og finne det mest overlegne punktet, som mulig.
      2. Siden den overlegne større trochanteren er omtrent i samme høyde som hofteleddet, måler du høyden fra gulvet til dette punktet og sammenligner den med høydeestimeringen som brukes til å sette opp det doble fluoroskopisystemet.
      3. Juster om nødvendig systemhøyden og kalibrer på nytt mens deltakeren forberedes for datafangst.
    2. Gjør deltakeren kjent med fluoroskopisystemet og informer dem om at de må varsle forskerteamet hvis de kommer i kontakt med noe av utstyret under bildebehandlingsøkten, da kontakt med systemet påvirker nøyaktigheten av dataene deres negativt.
    3. Få deltakeren til å gå inn på tredemøllen og stå innenfor synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet. Kontroller deltakerjusteringen fra perspektivet til hver sender, og noter denne posisjonen fra perspektivet der hvert medlem av forskerteamet vil stå eller sitte under avbildning.
    4. Beregn bildeparametrene (kVp og mA for hver sender og eksponeringen av de doble fluoroskopikameraene) basert på kroppsmasseindeksen (BMI) til deltakeren og sett hvert fluoroskop tilsvarende.
      MERK: For den refererte kohorten varierte fluoroskopiinnstillingene fra 78 til 104 kVp og 1,9-3,2 mA med kameraeksponeringer på 4,5-7,0 ms.
    5. Få bilder av deltakeren under stående og vurder bildene for kontrast og synsfelt.
      MERK: Økt kVp er forbundet med økt røntgenspredning (øker støy og reduserer kontrast), lavere bildeoppløsning og lavere kontrast.
    6. Juster parameterne og/eller deltakerjusteringen og gjenta bildeanskaffelsen etter behov.
    7. Lagre 100 bilder av de endelige bildene som skal brukes som en statisk prøveversjon.
  4. Dynamiske prøveversjoner (Figur 2)
    1. Før starten av den doble fluoroskopiavbildningen, be deltakeren gå en kjent avstand mens den er tidsavbrutt. Bruk denne til å bestemme den selvvalgte ganghastigheten for både nivå og helling som går på tredemøllen.
    2. Be deltakeren ta på seg en blyet skjoldbrusk krage for å beskytte skjoldbruskkjertelen.
    3. Under dynamiske oppkjøp må forskeren bemanne den doble fluoroskopikamerakontrollen ved den doble fluoroskopiarbeidsstasjonen trinn bak blyskjoldet og se deltakeren gjennom visningsvinduet på skjoldet (Figur 3).
    4. For utførelsen av alle vandreforsøk:
      1. Informer deltakeren før du starter beltet på tredemøllen. Rampe hastigheten på tredemøllen opp til riktig ganghastighet og la deltakerens gang normalisere seg før du samler bilder.
      2. For hver gangaktivitet, skaffe og lagre minst to fulle gangsykluser.
      3. For den skrånende gangaktiviteten, få deltakeren til å gå av tredemøllen. Lås opp tredemøllen, sett hellingen til 5°, og lås tredemøllen igjen før deltakeren går tilbake på tredemøllen for å utføre aktiviteten.
      4. Gjenta bildet, slik at aktiviteten registreres to ganger.
      5. Gjenta den samme prosessen (trinn 2.4.4.3) for å senke tredemøllen når aktiviteten er fullført.
    5. For pivotaktivitetene:
      1. Be deltakeren rotere kroppsposisjonen og føttene ca. 45° fra forsiden av tredemøllen motsatt av dreieretningen. Hvis ønskelig, sørg for at hver fot er plassert helt på et enkelt belte på tredemøllen med dobbelt belte for å muliggjøre enkel behandling av kraftplatedataene.
      2. Be deltakeren utføre flere pivoter til og fra slutten av bevegelsesområdet mens de ser etter justeringen av bekkenet på slutten av bevegelsen. Forsikre deg om at bevegelsen utføres jevnt, da dreiningen ikke krever akselerasjon for å oppnå den endelige posisjonen.
      3. Basert på bekkenets posisjon på slutten av bevegelsesområdet, få deltakeren til å rotere og / eller oversette føttene slik at bekkenet vender fremover på tredemøllen og hoften av interesse er midt i det kombinerte synsfeltet til fluoroskopene på slutten av svingen.
      4. Når posisjonen er optimalisert, be deltakeren utføre dreiningen under dobbel fluoroskopiavbildning og lagre alle rammer der lårbenet og bekkenet er synlige i begge de doble fluoroskopikameravisningene (ca. 200-400 bilder) sentrert rundt sluttområdet for bevegelse, og fanger så mye av pivoten som mulig.
      5. Gjenta bildet, slik at aktiviteten registreres to ganger.
    6. For bortføringsaktiviteten:
      1. Be deltakeren stå i fluoroskopets synsfelt og heve interessebenet ca. 45° ut til deres side. Minn deltakeren på å unngå torsobevegelse og redusere bevegelsesområdet om nødvendig.
      2. Skaff og lagre alle rammer der lårbenet og bekkenet er synlige i begge de doble fluoroskopikameravisningene (ca. 200-400 bilder).
      3. Gjenta bildet, slik at aktiviteten registreres to ganger.
    7. For dynamisk hofteleddsenter eller stjernebueaktivitet20
      1. Be deltakeren stå i synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet og heve og senke benet fremre og i trinn på 45° på 180°, og slutte med en bakre heving og underbenet. Før du plasserer benet ned på bakken igjen, må du be deltakeren omskjære benet og gå tilbake til stående stilling.
    8. Når deltakeren er komfortabel med bevegelsen og kan fullføre den i omtrent 6-8 s, skaffe og lagre bilder av aktiviteten.
      MERK: Bare én aktivitet fanges opp med dobbel fluoroskopi på grunn av lengden på studien.
  5. Flere kalibreringsbilder
    1. Hvis deltakeren på noe tidspunkt under datainnsamlingen tror de kan ha kommet i kontakt med noen del av det fluoroskopiske utstyret, ta bilde av rutenettene og kuben og lagre alle filene for kalibrering.
    2. Når datainnsamlingen er fullført, kan du ta bilde av rutenettene og kuben og lagre alle filer for kalibrering for å fungere som en sikkerhetskopi hvis det oppstår problemer med den første kalibreringen.

3. Bevegelsesfangst av hudmarkør og instrumentert tredemølle

  1. Systemoppsett
    1. Fokuser det optiske bevegelsesfangstsystemet på tredemøllen (figur 3). På grunn av de potensielle problemene med å visualisere deltakeren mens du er i synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet, må du være forberedt på å plassere de infrarøde kameraene nøyaktig for å sikre nøyaktig visualisering (figur 2).
    2. Slå på systemet og bruk et sett med markører for å sikre at det doble fluoroskopisystemet ikke forhindrer visualisering av ønsket synsfelt.
    3. Kontroller at markørene er klare og sirkulære, og juster fokuset på de infrarøde kameraene etter behov.
    4. Sørg for at fluoroskopene er dekket for å redusere eventuelle reflekterende overflater. Se gjennom hvert infrarøde kamera og masker kameravisningen hvis de reflekterende objektene ikke kan dekkes.
    5. Sett opp programvaren for bevegelsesopptak for å lese i et eksternt 5 V-signal fra den elektroniske utløseren som brukes til å avslutte kameraanskaffelse av det doble fluoroskopisystemet. Bruk denne utløseren til å synkronisere dataene midlertidig fra de to systemene.
  2. Kalibrering
    1. Når systemet er på og klart, bruker du den aktive kalibreringsstaven til samtidig å kalibrere de optiske og infrarøde bevegelsesfangstkameraene. Sørg for at hele regionen i det doble fluoroskopisystemet fanges grundig opp under kalibreringen, samtidig som du unngår kontakt med noe utstyr.
      MERK: Tryllebevegelser som ligner på å kaste mat i en stekepanne har fungert bra.
    2. På grunn av hindringene forårsaket av det doble fluoroskopisystemet, kan kalibreringsverdiene være verre enn vanligvis observert for optisk bevegelsesfangst. Utfør kalibreringen slik at alle infrarøde kameraer har bildefeil som er mindre enn 0,2.
      MERK: Bildefeilen for videokameraet vil være høyere, men fortsatt mindre enn 0,5. Videokameraet brukes ikke spesifikt til kvantifisering av bevegelse, bare for visuell opptak av bevegelsesopptaket.
    3. Under oppkjøpet av kubeforsøket for dobbel fluoroskopi, må du også fange kuben med bevegelsesfangst infrarøde kameraer. Sørg for at kuben har refleksmarkører festet til den for at posisjonen skal avbildes med kameraer fra både bevegelsesfangst og doble fluoroskopisystemer.
  3. Indikatorsett og plassering
    1. Før deltakerens ankomst, kutt og påfør dobbeltsidig tape (tupupe tape) til basen av 21 sfæriske reflekterende hudmarkører. For å sikre levetiden til markørene, må du sørge for at båndet eller huden ikke kommer i kontakt med refleksmarkørene.
    2. For hver av de fem markørplatene (to på skaftet, to på låret, en på baksiden; Figur 4), påfør spraylim på hudsiden av stoffremmen og vikle den tett rundt deltakeren. Kontroller med deltakeren at stroppene føles stramme (men ikke ubehagelige). Rengjør hendene på overflødig spraylim før du fester resten av markørsettet.
    3. Påfør fem markører, som bare brukes til kalibrering, på henholdsvis krageben, medial knær og medial malleoli.
    4. Påfør de resterende 16 markørene på de fremre overlegne iliac-ryggradene (ASIS), bakre overlegne iliac-spines (PSIS), større trochanter av lårbenet som blir avbildet, skuldre, brystben, laterale knær, lateral malleoli og føtter (figur 4).
    5. Be deltakeren informere studieteamet om noen markører eller stropper løsner under datafangsten.
  4. Statisk prøveversjon
    1. I forbindelse med den statiske stående studien fra dobbel fluoroskopi, ta en stående prøve for bevegelsesfangst.
    2. Merk alle merker. Hvis noen markører ikke er synlige med minst tre infrarøde kameraer under den innhentede statiske aktiviteten, må du skaffe et statisk bilde på nytt for å sikre at alle markørene er synlige.
    3. Fjern kalibreringsmarkørene og be deltakeren ta på seg en skjoldbrusk krage for å gi strålevern under resten av datainnsamlingen.
  5. Dynamiske prøveversjoner
    1. For hver av de dynamiske studiene som er tatt opp med det doble fluoroskopisystemet, kan du skaffe deg filmopptak, slik at hele hver dobbelt fluoroskopivideo er innenfor grensene for oppkjøpet av bevegelsesfangsten.
    2. Kontroller at bruddet i 5 V-signalet fra den elektroniske utløseren til det doble fluoroskopisystemet fanges opp i hver prøve.

4. Forhåndsbehandling av bilder

  1. CT-basert modell
    1. Segmenter den proksimale og distale lårbenet på siden av interesse og hele bekkenet, da disse beinene brukes til sporing og / eller koordinatsystemgenerering.
    2. Kontroller at segmenteringene er representative for beinformen i alle tre bildeplanene og fremstår som relativt glatte.
      MERK: Evnen til å analysere arthrokinematics er avhengig av å oppnå rekonstruksjoner av høy kvalitet gjennom forsiktig segmentering.
    3. Konverter bildedataene til Usignert tegn (8-biters) og juster etter behov med forskyvning og skalering for å lage et bilde med et område på 0 til 255.
    4. Isoler bare beinområdet i det konverterte bildet og beskjær rundt beingrensene. Registrer dimensjonene til de beskårne bildene.
    5. Lagre som 2D TIFF-format.
    6. Åpne bildet, endre typen til 16-biters, og lagre den som én enkelt 3D TIFF-fil.
  2. Rekonstruksjon av overflater
    1. Generer overflater fra segmenteringsetikettene, glatt og desimer overflatene iterativt, og sørg for at ansiktene aldri reduseres med mer enn halvparten i en enkelt gjentakelse.
      MERK: Ved hjelp av den beskrevne prosessen er måltallet for ansikter omtrent 30 000 for hver proksimale og distale lårbensoverflate og 70 000 for hver hemi-bekkenoverflate.
    2. Eksporter hver overflate som et overflatenett i VTK-format for bruk som modellfil for identifikasjon av landemerker.
  3. Landemerkeidentifikasjon for koordinatsystemet
    1. Identifiser femurens landemerker for generering av femorkoordinatsystemet (figur 5).
      MERK: Parameterne nedenfor er spesifikke for datasettet og bildeprotokollene det refereres til; verdier må kanskje endres for å velge landemerkene på riktig måte.
      1. Åpne den proksimale lårbenet som en modellfil. Åpne Verktøylinjen for innlegg og datapanelet for å legge til et standardfelt med 1-Princ-krumning, velg en utjevning på 10, og visualiser deretter resultatet. Overvalg ansiktene på lårhodet, og bruk alternativet for markeringsområde fra Rediger-panelet til å inkludere bare negativ krumning. Fjern merkingen av valgte sider som ikke tilhører lårhodet. Eksporter denne lårhodeoverflaten som et overflatenett i *.k-format for en sfære som passer til å bestemme midten av lårhodet.
      2. Ved hjelp av en lignende prosess, bruk 1-Princ krumning på den distale lårbenet med glattheten på 5 og igjen velg området for å inkludere bare ansiktene med negativ krumning. Eksporter denne femorale kondyneoverflaten for en sylindertilpasning for å bestemme medial-lateralaksen.
      3. Påfør 2-Princ krumning på den distale lårbenet, ved hjelp av en glatthet på 3. Fremhev ryggene på episondylene og velg området ved hjelp av en øvre avskjæring på -0,1. Eksporter disse ansiktene for å generere et plan og bruk det til å isolere ansiktene på bakre kondyler for sylinderens passform.
    2. Identifiser bekkenets landemerker for generering av bekkenkoordinatsystemet (figur 5).
      MERK: Parameterne nedenfor er spesifikke for datasettet og bildeprotokollene det refereres til; verdier må kanskje endres for å velge landemerkene på riktig måte.
      1. For hvert hemi-bekken, bruk 2-Princ krumning med en glatthet på 5 og velg område for å inkludere bare positive ansikter for å isolere lunate overflaten av acetabulum. Eksporter lunate overflaten og bruk en kule passform for å bestemme midten av acetabulum.
      2. Påfør 2-Princ-krumningen på nytt med en glatthet på 2 og velg alle ansikter med krumning mindre enn -0,15 for å markere bekkenets spines. Velg punkter på kanten av disse ryggradene som best representerer ASIS og PSIS som landemerker og registrer dem.

5. Bevegelsessporing av bein

  1. Kalibrering
    1. Identifiser 12 perler i hvert av kubebildene fra de doble fluoroskopikameraene (samlet inn i trinn 2.2.6). Basert på de kalibrerte avstandene mellom hver av kubens perler og målingene av kubens plassering i det doble fluoroskopisystemet, bestem den romlige orienteringen til hvert fluoroskop gjennom minimering av summen av kvadraters projeksjonsfeil mellom de projiserte og kjente perlestedene.
    2. Bruk rutenettbildene til å korrigere for bildeforvrengning og bruke rettelsen på alle bilder som er knyttet til rutenettbildet.
    3. Bruk bevegelsesbildene til å kvantifisere systemets dynamiske nøyaktighet og bruke markørbasert sporing til å spore det.
  2. Markørløs sporing
    1. Legg plasseringen av de valgte landemerkene til den beinspesifikke parameterfilen og samle den dynamiske posisjonen til disse landemerkene i det doble fluoroskopisystemet som utgang for alle sporede rammer.
    2. Bestem rammene som skal spores (basert på kinematiske data fra bevegelsesfangst, se trinn 6.1.2) og åpne den markørløse sporingsprogramvaren med den tilknyttede beinspesifikke parameterfilen.
    3. Velg en ramme innenfor ønsket område med god visualisering av beinet, og orienter den CT-baserte digitalt rekonstruerte radiografen (DRR) av beinet av interesse (enten den proksimale lårbenet eller hemi-bekkenet) ved hjelp av de seks frihetsgradene som er tilgjengelige i programvaren (figur 6).
      MERK: Ettersom de fleste forsøk begynner i en posisjon som ligner på stående, kan denne innledende posisjonen sannsynligvis brukes som et innledende utgangspunkt for alle forsøk.
    4. Når DRR i beinet ser godt justert ut i begge visningene, lagrer du løsningen ved å klikke Manuell-knappen i Løsninger-panelet.
      MERK: Hver gang en løsning lagres, tegnes orienteringsparametrene og den normaliserte krysskorrelasjonskoeffisienten for referanse. Den normaliserte krysskorrelasjonskoeffisienten beregnes basert på alle bildepunkter med verdier som ikke er null for både fluoroskopet og ben-DRR-ene.
    5. Bruk optimaliseringstrinnet Diagonal Hessian Search (DHS) ved å klikke DHS-knappen i Løsninger-panelet og se gjennom resultatet. Hvis det optimaliserte resultatet foretrekkes, går du videre til neste delbilde. Hvis ikke, foretar du eventuelle nødvendige justeringer og prøver på nytt ved å klikke Manuell-knappen i Løsninger-panelet. Gjenta dette trinnet til en tilfredsstillende løsning er funnet.
      MERK: Når det gjelder dårlig bildekontrast, kan det hende at optimaliseringsalgoritmen ikke alltid gir et tilfredsstillende resultat.
    6. For hvert femte bilde gjentar du denne prosessen ved hjelp av løsningen for forrige delbilde som utgangspunkt. Bruk DHS-optimaliseringen til å automatisere prosessen.
    7. For å fullføre den første sporingen, bruk et annet verktøy som interpolerer via lineær projeksjon (LP) og optimaliserer løsninger mellom de sporede rammene ved å klikke på Range of LP + DHS-knappen i Løsninger-panelet. I vinduet angir du settet med rammer som skal spores, og de to rammene som skal brukes som referanse.
      MERK: De to referanserammene kan være alle rammer i det identifiserte settet med rammer. Bruken av den første og siste rammen gir imidlertid grenser for retningen av beinene i rammeområdet, noe som kan være gunstig når kontrasten er lav.
    8. Gå gjennom og avgrense hver ramme i prøveversjonen ved hjelp av både manuelle og DHS-baserteløsninger. Bruk plottet av parametere for å sikre at korrelasjonskoeffisienten er tilstrekkelig høy og at retningen av beinet ikke har plutselige hopp i noen parameter.
    9. For å sikre nøyaktig sporing, be en annen forsker gjennomgå løsningen for hver ramme og gjøre nødvendige endringer i løsningene.
    10. Gjenta trinn 5.2.1-5.2.9 for hvert bein.
  3. Visualisering av bevegelse
    1. Åpne femur- og bekkenoverflatene i programvaren for kinematisk visualisering. Om nødvendig konverterer du overflatene til nett ved hjelp av konverter til maskefunksjon. Velg både overflater og eksporter som et overflatenett i *.k-format.
    2. Bruk utdataene fra sporing til å generere en tekstfil med koordinattransformasjonene for hvert bein og hver ramme.
      MERK: Rekkefølgen på overflatene må samsvare med rekkefølgen på transformeringene.
    3. For visualisering av kinematikk, bruk kinematverktøyet og de to ovennevnte filene fra trinn 5.3.1 og 5.3.2 for å animere kinematikken. Kontroller at den animerte kinematikken ser rimelig ut, og at overflatene har riktig avstand mellom dem ved hjelp av enten en halvgjennomsiktig overflate eller overflateavstandsverktøyet. Gå om nødvendig tilbake til trinn 5.2.8.

6. Dataanalyse

  1. Hudmarkør kinematikk
    1. Innenfor programvaren for bevegelsesfangst behandler du alle filer for å bruke den statiske modellen og etikettmarkørene. Når prøveperioden er fullført, fjerner du eventuelle baner uten etikett.
      MERK: På grunn av hindringer i det doble fluoroskopisystemet, kan det være nødvendig med mer manuell gapfylling enn vanlig.
    2. Bruk kinematiske data og kraftplatedata til å identifisere dynamiske hendelser, for eksempel tå-off eller hælstreik under gang eller maksimal bevegelsesområde for pivoterende aktiviteter. Bestem rammene av interesse for sporing av doble fluoroskopidata.
    3. Eksporter alle prøvedata for kinematisk behandling i *.c3d-format, inkludert både analoge data (dvs. utløser- og kraftplatedata) og markørbaner.
    4. Bruk ønsket modellmalfil (lagret som *.mdh-filformat) på den statiske prøveversjonen, og tilordne deretter denne modellen til bevegelsesfilene.
      MERK: For analyse ble en lavere lemmodell med et generalisert International Society of Biomechanics (ISB) head-abdomen-thorax (HAT)-segment og CODA-bekkenet, en bekkensegmentmodell definert av de to ASIS og sentrum av PSIS-landemerkene, brukt.
  2. Dobbel fluoroskopi kinematikk
    1. Isoler rammer av interesse, og sørg for at bare sammenhengende rammer som spores for både lårbenet og bekkenet er inkludert.
    2. Filtrer landemerkeposisjoner ved hjelp av et lowpass Butterworth-filter (0,12 normalisert avskjæringsfrekvens fra restanalyse og 4.-rekkefølgefilter ).
    3. Bruk de filtrerte posisjonene til landemerkene gjennom hver bevegelsesprøve til å spore den dynamiske posisjonen til det lårtale koordinatsystemet (figur 5).
      1. Definer lårbensopprinnelsen som detsphere-fit midten av lårhodet.
      2. Definer femur z-aksen (dårligere overlegen akse) mellom midten av kneet og opprinnelsen, og pek overlegent.
      3. Definer femur x-aksen (medial-lateral akse) som den lange aksen til en sylinder montert på lårbenet kondyler, peker mot venstre. For å isolere regionen av kondylene som skal representeres med en sylinder, passer du et plan til epicondyle-overflatene og isolerer den bakre delen av femorale kondyler.
      4. Definer lårbenets y-akse (fremre-bakre) som kryssprodukt for de definerte z- og x-aksene, og pek bakre. Korriger retningen på x-aksen for å opprette et ortogonalt koordinatsystem.
    4. Bruk de filtrerte posisjonene til landemerkene gjennom hver bevegelsesprøve til å spore den dynamiske posisjonen til bekkenkoordinatsystemet (figur 5).
      1. Definer bekkenopprinnelsen som sentrum for de to ASIS-landemerkene.
      2. Definer bekkenets y-akse (fremre-bakre akse) mellom midten av de to PSIS-landemerkene og opprinnelsen, og pek fremre.
      3. Definer bekkenet x-aksen (medial-lateral akse) mellom nullpunktet og høyre ASIS-landemerke, som peker mot høyre.
      4. Definer bekkenet z-aksen (dårligere overlegen akse) som kryssprodukt av de definerte x- og y-aksene, og pek overlegent. Korriger retningen på x-aksen for å opprette et ortogonalt koordinatsystem.
    5. Generer rotasjonsmatrisen mellom koordinatsystemene og beregn leddkinematikk per MacWilliams og kollegaenes Formel 11 (Figur 7)21.
    6. Beregn felles oversettelser ved å transformere vektoravstanden mellom kuletilpasningssentrene til lårhodet og lunateoverflaten til acetabulumet til bekkenkoordinatsystemet.
      MERK: Dette gir en enkelt vektor som representerer felles oversettelse for hver bilderamme.
  3. Arthrokinematics
    1. Visualiser kinematikken som beskrevet i trinn 5.3 for å animere subjektspesifikk arthrokinematikk (figur 8).
    2. Bruk datafeltet for overflateavstand til å måle avstander mellom lårbens- og bekkenoverflatene under hver dynamiske aktivitet (figur 8).
      MERK: Disse dataene gir også kvantifisering av den relative avstanden mellom felles overflater, men krever tolkning for å kvantifisere felles oversettelse.
    3. Eksporter avstand fra overflate til overflate ved hjelp av overflateavstandsverktøyet for å kvantifisere data på tvers av alle deltakere.
  4. Sammenligning med bevegelsesopptak av hudmarkører
    1. Bruk kubebildene og utløseren fra hver bevegelsesprøve, og synkroniser de doble fluoroskopi- og bevegelsesfangstsystemene på en timelig og tidsmessig måte.
    2. Transformer landemerkeplasseringene som brukes til bevegelsesfangst av hudmarkører (dvs. ASIS, PSIS, kondyler) fra det markørløse sporingskoordinatsystemet til koordinatsystemet for bevegelsesfangst.
    3. Kombiner disse dataene med markørplasseringene fra bevegelsesfangst og import av hudmarkører for kinematisk og kinetisk analyse og rapportering. Juster analysen for å bruke enten dobbel fluoroskopi eller hudmarkørplasseringer for hvert landemerke og sammenligne landemerker og kinematikk mellom de to systemene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ved hjelp av dobbel fluoroskopi som referansestandard ble nøyaktigheten av hudmarkørbaserte estimater av hofteleddsenteret og effekten av bløtvevsartefakt på kinematiske og kinetiske målinger kvantifisert22,23,24. Den overlegne nøyaktigheten av dobbel fluoroskopi ble deretter brukt til å identifisere subtile forskjeller i bekken- og hofteleddkinematikk mellom pasienter med FAIS og asymptomatiske kontrolldeltakere25. Dual-fluoroskopibasert arthrokinematikk ble analysert for å kvantifisere hofteleddsdekning, forholdet mellom morfologi og kinematikk og ben-til-bein-avstander under dynamiske bevegelser26,27,28,29.

Før du utviklet en protokoll for å undersøke vektbærende hofteleddkinematikk, ble systemet validert i kadaveriske prøver med implanterte metallperler under kliniske supine eksamener til en nøyaktighet innen 0,5 mm og 0,6 °30. Når kinematikken er validert under kliniske undersøkelser, ble det målt ved hjelp av dobbel fluoroskopi hos pasienter med FAIS og asymptomatiske kontrolldeltakere. Resultatene viste at pasientene hadde endret bevegelse i både intern rotasjon og adduction31.

Ved hjelp av vektbærende dobbel fluoroskopi som referansestandard ble feilen ved å identifisere plasseringen av hofteleddsenteret samt feil forårsaket av bløtvevsartefakt deretter direkte analysert. Funksjonelle metoder for å identifisere hofteleddsenteret, det vil si stjernebuebevegelsen, ble identifisert som mer nøyaktige enn prediktive, landemerkebaserte metoder med feil påhenholdsvis11,0 og 18,1 mm . Dynamiske feil i hofteleddsenteret var lik de som sto; Imidlertid ble ytterligere 2,2 mm av spurious hip joint center bevegelse tilskrevet bløtvevsartefakt, med feil på mer enn 5 cm under dynamisk bevegelse for større trochanter23.

I tillegg til feilene i identifisering av hofteleddsenteret ble leddvinkler undervurdert med mer enn 20° i interne eksterne rotasjons dreininger23. Mens underestimering av kinematikk er grunn til bekymring i seg selv, reduserte disse feilene det målte bevegelsesområdet og beregnede kinetiske variabler under selv et lavt spekter av bevegelsesaktiviteter, for eksempel gang24. Imidlertid kan nøyaktige to fluoroskopi kinematiske data være vanskelig å innlemme i muskuloskeletalmodeller. Spesielt var modellmarkørfeil omtrent 1 cm når du kjørte omvendt kinematikk med doble fluoroskopibaserte landemerker. Selv om denne feilen er relativt liten sammenlignet med 5 cm-feilene på grunn av bløtvevsartefakt funnet for bevegelsesfangstdata for hudmarkører, er en slik feil en størrelsesorden større enn for beinposisjoner målt ved dobbel fluoroskopi.

I tillegg til kvantifisering av feil i tradisjonell hudmarkørbevegelsesfangst, gir nøyaktigheten og metodikken bak dobbel fluoroskopi muligheten til å evaluere selv subtile forskjeller i kinematikk mellom kohorter, som ellers kan skjules av feilene i måleteknikken. Mens forskjeller i hofteledd kinematikk ikke ble observert mellom pasienter med cam FAIS og asymptomatiske kontrolldeltakere, ble forskjeller i bekkenkinematikk som ville ha vært vanskelig å oppdage i nærvær av bløtvevsartefakt identifisert25. Denne vurderingen krevde direkte sammenligning mellom kohorter. Videre ble den potensielle sammenhengen mellom kinematisk variasjon og beinmorfologi, som femoral anteversion, også undersøkt27. Disse funnene indikerte behovet for vurdering av både morfologi og biomekanikk ved diagnostisering av hoftepatologier og planlegging av konservative eller kirurgiske behandlinger.

Et stort hinder i bruken av biomekaniske data i en klinisk behandlingsmiljø er forskjellen i koordinatsystemer som brukes av biomekanister og klinikere. I et biomekanikklaboratorium drives landemerkene som brukes til å definere koordinatsystemer av lårbenet og bekkenet, av evnen til å identifisere og spore landemerkene fra hudoverflaten under dynamisk bevegelse. I motsetning til dette defineres kirurgiske koordinatsystemer ved hjelp av benete landemerker som kan identifiseres under operasjonen med en pasient over liggende eller utsatt. Direkte sporing av lårben og bekken i dobbel fluoroskopi tillot evaluering av påvirkning av ulike koordinatsystemdefinisjoner på kinematisk utgang29. Forskjellene mellom koordinatsystemdefinisjoner resulterte i kinematiske forskyvninger større enn 5°. Imidlertid var disse forskyvningene relativt konsistente under bevegelse og kunne gjøres rede for gjennom benete landemerkeidentifikasjon.

Kombinasjonen av fagspesifikk benmorfologi og kinematikk – arthrokinematikk – gir en felles vurdering av form og funksjon. For pasienter med DDH antas femoral underdekning å være årsaken til degenerasjon, og derfor brukes målinger av dekning tungt i diagnose og kirurgisk planlegging. Dessverre er disse målingene ofte begrenset til statiske bilder, oppnådd med en individuell liggende, og bare i to dimensjoner. Dobbel fluoroskopi-avledet arthrokinematics ble brukt til å direkte måle variasjonen i femoral dekning under dynamiske aktiviteter26. Det er viktig at det ble funnet sterke sammenhenger mellom dekning i stående og dekning under gang når det ble evaluert i sin helhet. Likevel varierte regionalisert dekning for både fremre og bakre regioner i lårhodet selv i holdningsfasen av gang.

Ekstraartikulær impingement er en årsak til smerte i hoften og omegn og beskriver unormal kontakt mellom lårbenet og områdene i bekkenet utenfor acetabulum, inkludert ischium og fremre dårligere iliac ryggraden. Den dynamiske karakteren av ischiofemoral impingement ble evaluert gjennom sammenligningen av kliniske MR-baserte målinger av ischiofemoral plass og de under dynamiske aktiviteter28. Der ble redusert plass observert dynamisk i forhold til standard kliniske tiltak; kjønnsbaserte forskjeller, som ikke kunne tilskrives kinematiske forskjeller, ble også identifisert. Disse metodene kan også anvendes for å evaluere felles rom dynamisk, noe som gir innsikt i variasjonen av femorhodets posisjon i acetabulumet og variasjonen på tvers av pasientkohorter (figur 8).

Figure 1
Figur 1: Overhead visning av det doble fluoroskopisystemet plassert over instrumentert tredemølle for en venstre hofte. Systemet er plassert for å minimere effekten av punkt og maksimere synsfeltet. Bildeforsterkerne er plassert omtrent 100-110 cm fra kilden til senderen og vinklet 50° fra hverandre. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Vis fra den kontralaterale (høyre) siden av en deltaker under dynamiske aktiviteter. Deltakeren er plassert mellom de to bildeforsterkerne (II) slik at synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet er sentrert over venstre hofteledd. Nivå- og hellingsvandring, interne og eksterne rotasjonssvingninger og bevegelsesaktiviteter utføres på en tredemølleplattform. Forkortelse: FHJC = funksjonelt hofteleddsenter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Overhead visning av bevegelsesfangstsystemet i forhold til det doble fluoroskopisystemet. Det optiske bevegelsesfangstsystemet inkluderer 10 infrarøde kameraer og et enkelt videobasert kamera og er plassert på en ramme som henger fra taket. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Fremre og bakre visning av markørsettet som brukes til bevegelsesopptak av hudmarkører. Det er fem plater med fire markører hver, som er plassert på baksiden, lårene og skaftene til deltakerne; Alle andre markører påføres direkte på huden. Kalibreringsmarkører fjernes for dynamisk bevegelsesfangst. Markøretiketter innledet med en R eller L angir markører på høyre eller venstre side av kroppen; markøretiketter som er suffikset med S, L, R, I, A eller P, angir markørplasseringer på en markørplate, spesielt overlegen, henholdsvis venstre, høyre, dårligere, fremre eller bakre. Forkortelser: *SHO = skulder; CLAV = sentrum av krageben; STRN = bunnen av brystbenet; BACK_* = markører av plate plassert på korsryggen; *ILC = iliac crest; *ASI = fremre overlegen iliac ryggrad; *PSI = bakre overlegen iliac ryggrad; GRT_TRO = større trochanter; *THI_* = markører av de respektive platene plassert på låret; * KNE_M = medial femoral condyle (kne); * KNE_L = lateral femoral condyle (kne); *TIB_* = markører av de respektive platene plassert på skaftet (tibia); * ANK_M = medial malleolus (ankel); *ANK_L = lateral malleolus; *5TH = femte metatarsophalangeal ledd; *TOE = første metatarsophalangeal ledd; *HEE = calcaneus (hæl). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Landemerker og koordinatsystemer for lårbenet og bekkenet. Landemerker av bilateral fremre overlegen iliac ryggrad (ASIS; magenta) og bakre overlegen iliac ryggrad (PSIS, cyan) og deres midtpunkter brukes til å definere koordinatsystemet til bekkenet. Midten av lårhodet (oransje) og bilaterale femorale kondyler (grønn), midtpunktet og en sylindertilpasning av kondylene brukes til å definere koordinatsystemet til lårbenet (vist for venstre lårben). Den tredje aksen i hvert bein bestemmes fra kryssproduktet til de to viste aksene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Doble fluoroskopibilder og tilhørende markørløs sporing av venstre hofte. Bilder vises for maksimal rotasjon av de eksterne og interne rotasjons dreiene (midten), med bildet fra det fremre fluoroskopet (venstre) og det bakre fluoroskopet (høyre). Markørløse sporingsløsninger for bekkenet (toppen) og lårbenet (bunnen) for hvert dobbelt fluoroskopibilde. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Dobbel fluoroskopi målt kinematikk. Kinematikk for 100 rammer rundt maksimal rotasjon (vertikal stiplet linje) av eksterne og interne rotasjonssvingninger for en representativ deltaker. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 8
Figur 8: Arthrokinematics-basert overflateavstand mellom venstre hemi-bekken og lårben. Arthrokinematics er vist for maksimal rotasjon av den eksterne og interne rotasjons dreie (midten) med respektive beinmodeller målt med dobbel fluoroskopi (ytre). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dobbel fluoroskopi er et kraftig verktøy for undersøkelse av in vivo kinematikk, spesielt for hoften, som er vanskelig å måle nøyaktig ved hjelp av tradisjonell optisk bevegelsesfangst. Fluoroskopiutstyr er imidlertid spesialisert, hvor det kan være nødvendig med et unikt systemoppsett når du ser på andre ledd i menneskekroppen. For eksempel ble det gjort flere modifikasjoner på monteringen av bildeforsterkerne, plasseringen av systemet og innstillingene for stråleenergien ved bruk av dobbel fluoroskopi til studiet av ankelkinematikk32,33,34,35. I tillegg til å kreve betydelig studiepreparering, krever dobbel fluoroskopi innsamling av ytterligere data, inkludert 3D medisinsk bildebehandling og potensielt tradisjonell hudmarkør bevegelsesfangst for å spore kinematikk i hele kroppen, samt lang etterbehandling, inkludert CT-bildesegmentering og markørløs sporing av de oppkjøpte bildene. Heldigvis kan fullt bearbeidede data fra dobbel fluoroskopi brukes i forskjellige applikasjoner med muligheter som strekker seg langt utover de som er tilgjengelige med tradisjonell bevegelsesfangst.

Optisk bevegelsesfangst utnytter bevegelsen til markører på huden for å estimere kroppssegmentposisjoner, mens strålingsbasert dobbel fluoroskopi gir mulighet for direkte måling av bare beinposisjonene. Mens betydelig innsats har vært dedikert til å kvantifisere bløtvevsdynamikk i forhold til beinbevegelse36,37, er det iboende vanskelig å måle bevegelsesmønstrene til den store massen av mykt vev mellom det ytre laget av hud og bein. Men for tynnere vev i direkte kontakt med beinene, som brusk og labrum i hoften, gir kombinasjonen av dobbel fluoroskopi og CT artrogramavbildning evnen til dynamisk å evaluere deres romlige forhold. Dataene som ble samlet inn under kliniske stillinger ble brukt til å vise at plasseringen av klinisk observert skade på acetabulær labrum var på linje med kontaktposisjonen mellom lårbenet og labrum under supine impingement eksamener38. Viktigst, denne analysen identifiserte at regionen med innledende og største kontakt mellom lårbenet og labrum ikke samsvarte med plasseringen av den minste avstanden mellom beinene.

Personer med hip patoanatomi er i fare for skade på brusk og labrum. Mekanismene som er ansvarlige for kondrolabrale skader er imidlertid ikke godt forstått. Tenkelig kan arthrokinematics data bygget av CT artrogramdata analyseres for å studere bruskmekanikken og labrummet. For eksempel kan den observerte penetrasjonen mellom overflaterekonstruksjoner som representerer bløtvev (f.eks. labrum, brusk) og bein analyseres og tolkes for å tilnærme belastningen som oppleves av disse vevene. Selv små feil i sporing av kinematikk eller rekonstruksjon av overflater kan imidlertid føre til drastiske forskjeller i estimerte stammer og fellesbelastninger. Dermed kan mer avanserte modelleringsmetoder, for eksempel FE-metoden, være nødvendig for å evaluere kondrolabral mekanikk i hoften grundig. Data fra dobbel fluoroskopi, tradisjonell hudmarkør bevegelsesfangst av helkropps kinematikk, og instrumentert tredemølle kan tjene som inngang for modeller som estimerer muskelkrefter og leddreaksjonsbelastninger og dreiemomenter. Disse kinetiske dataene kan da fungere som lasteforhold for FE-modeller som estimerer kondrolabrale spenninger og stammer.

I tillegg til de spesifikke trinnene som er involvert i protokollen, er planleggingen av ulike aspekter av studien også relevant for vellykket datainnsamling. For det første, i studier som bruker artrogramavbildning, som er iboende invasiv på grunn av injeksjon av kontrast i hoftekapselen, må artrogrammet utføres enten flere dager før eller når som helst etter fullføring av bevegelsesfangsteksperimenter for å unngå effekt på pasientens bevegelsesmønstre. For det andre må all kalibrering utføres før, men like før, ankomsten av deltakeren for å sikre at systemkonfigurasjonen ikke endres mellom kalibrering og bildeanskaffelse. For det tredje bør deltakeren instrueres om å utføre dynamiske forsøk i en tilfeldig rekkefølge for å eliminere enhver effekt av bestilling på utførelsen av oppgaver.

Et annet viktig hensyn for bruk av dobbel fluoroskopi for måling av hoftekinematikk er strålingseksponering. Det er imidlertid viktig å merke seg at 80% av den estimerte dosen tilsvarende stråling i den beskrevne protokollen er fra CT-skanningen. En løsning for å redusere eksponering er substitusjon av magnetisk resonansavbildning (MR) for CT-avbildning. Mens MR kan brukes til overflaterekonstruksjon, er sporing av doble fluoroskopibilder også avhengig av projeksjon av bentettheter fra de digitalt rekonstruerte radiografene. Selv om MR ikke direkte kan måle bentetthet, gir spesifikke sekvenser, for eksempel dobbel ekko steady state (DESS), en viss differensiering mellom tettere kortikale bein og det mindre tette kansellerte beinet. Disse bildene kan forvandles til å ha et lignende utseende som CT-bilder og kan potensielt redusere strålingseksponeringen til deltakerne i doble fluoroskopistudier.

På grunn av den store mengden bløtvev rundt hofteleddet, må den spesifikke plasseringen av det doble fluoroskopisystemet optimaliseres for å redusere røntgenspredning. Posisjonen til deltakeren i forhold til røntgensenderne og vinkelen mellom bildeforsterkerne ble funnet å være viktige faktorer. Denne protokollen indikerer plasseringen av det doble fluoroskopisystemet som brukes til å studere hoftebevegelse hos deltakere under vektbærende aktiviteter. Det er imidlertid også relevant å merke seg at deltakerkohorten var begrenset til personer med BMI mindre enn 30 kg /m2. En lignende BMI-grense anbefales ved fangst av doble fluoroskopibilder av ledd omgitt av store masser av bløtvev.

Protokollen som er beskrevet her, kan brukes på ulike doble fluoroskopisystemkonfigurasjoner og ledd, inkludert supine og vektbærende hoftekinematikk, både tredemølle og overjordisk vektbærende ankelkinematikk, og sittende skulderkinematikk16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25,  26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35. På grunn av den minimale globale bevegelsen til hofteleddet under tredemølle gang, ble en instrumentert tredemølle brukt til vurdering av vektbærende kinematikk i hofteleddet. Uten en tredemølle eller et bevegelig fluoroskopsystem ville det bare være mulig å fange hofteleddet under aktiviteter utført i et begrenset synsfelt. Bruk av tredemølle er imidlertid ikke egnet for alle ledd. Som et eksempel fanget anvendelsen av denne protokollen til undersøkelse av ankelkinematikk under tredemøllevandring bare en liten del av gangen på grunn av tredemøllens iboende bevegelse32,35, mens overjordisk gang var i stand til å fange en større del av gangen, som spenner fra før hælstreik til etter tå-off33,40,41.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health (NIH) under tilskuddsnumre S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis NIHs offisielle synspunkter.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Amira Software ThermoFisher Scientific Version 6.0
Calibration Cube Custom 36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm)
Calibration Wand Vicon Active Wand
CT Scanner Siemens AG SOMATOM Definition 128 CT
Distortion Correction Grid Custom Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter)
Dynamic Calibration Plate Custom Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm)
Emitter (2) Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services Housing B-100/Tube A-142
Epinephrine Hospira Injection, USP 10 mg/mL
FEBioStudio Software FEBio.org Version 1.3 Mesh processing and kinematic visualization
Graphical Processing Unit Nvidia Tesla
Hare Traction Splint DynaMed Trac-III, Model No. 95201
High-speed Camera (2) Vision Research, Inc. Phantom Micro 3
Image Intensifier (2) Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services T12964P/S
Iohexol injection GE Healthcare Omnipaque 240 mgI/mL 517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL
ImageJ National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation
Lidocaine HCl Hospira Injection, USP 10 mg/mL
Laser and Mirror Alignment System Custom Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier
Markless Tracking Workbench Henry Ford Hospital, Custom Software Custom
MATLAB Software Mathworks, Inc. Version R2017b
Motion Capture Camera (10) Vicon Vantage
Nexus Software Vicon Version 2.8 Motion capture
Phantom Camera Control (PCC) Software Vision Research, Inc. Version 1.3
Pre-tape Spray Glue Mueller Sport Care Tuffner
Retroreflective Spherical Skin Markers 14 mm
Split Belt Fully Instrumented Treadmill Bertec Corporation Custom
Visual3D Software C-Motion Inc. Version 6.01 Kinematic processing

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. National Center for Health Statistics (US). Health, United States, 2016: with chartbook on long-term trends in health. National Center for Health Statistics. , Hyattsville (MD). Report No.: 2017-1232 (2016).
  2. Singh, J. A., Yu, S., Chen, L., Cleveland, J. D. Rates of total joint replacement in the United States: Future projections to 2020-2040 using the national inpatient sample. Journal of Rheumatology. 46 (9), 1134-1140 (2019).
  3. HCUPnet: A tool for identifying, tracking, and analyzing national hospital statistics. , Available from: https://hcupnet.ahrq.gov/ (2021).
  4. Ganz, R., Leunig, M., Leunig-Ganz, K., Harris, W. H. The etiology of osteoarthritis of the hip: An integrated mechanical concept. Clinical Orthopaedics and Related Research. 466 (2), 264-272 (2008).
  5. Harris, W. H. Etiology of osteoarthritis of the hip. Clinical Orthopaedics and Related Research. 213, 20-33 (1986).
  6. Frank, J. M., et al. Prevalence of femoroacetabular impingement imaging findings in asymptomatic volunteers: A systematic review. Arthroscopy - Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 31 (6), 1199-1204 (2015).
  7. Anderson, L. A., et al. The 2015 Frank Stinchfield Award: Radiographic Abnormalities Common in Senior Athletes With Well-functioning Hips but Not Associated With Osteoarthritis. Clinical Orthopaedics and Related Research. 474 (2), 342-352 (2016).
  8. Kapron, A. L., et al. Radiographic prevalence of femoroacetabular impingement in collegiate football players: AAOS exhibit selection. Journal of Bone and Joint Surgery - Series A. 93 (19), 1-10 (2011).
  9. Kapron, A. L., et al. The Prevalence of radiographic findings of structural hip deformities in female collegiate athletes. American Journal of Sports Medicine. 43 (6), 1324-1330 (2015).
  10. Garling, E. H., et al. Soft-tissue artefact assessment during step-up using fluoroscopy and skin-mounted markers. Journal of Biomechanics. 40, Suppl 1 18-24 (2007).
  11. Fuller, J., Liu, L. J., Murphy, M. C., Mann, R. W. A comparison of lower-extremity skeletal kinematics measured using skin-and pin-mounted markers. Human Movement Science. 16 (2-3), 219-242 (1997).
  12. Leardini, A., Chiari, A., Della Croce, U., Cappozzo, A. Human movement analysis using stereophotogrammetry Part 3. Soft tissue artifact assessment and compensation. Gait and Posture. 21 (2), 212-225 (2005).
  13. Peters, A., Galna, B., Sangeux, M., Morris, M., Baker, R. Quantification of soft tissue artifact in lower limb human motion analysis: A systematic review. Gait and Posture. 31 (1), 1-8 (2010).
  14. Camomilla, V., Dumas, R., Cappozzo, A. Human movement analysis: The soft tissue artefact issue. Journal of Biomechanics. 62, 1-4 (2017).
  15. Miranda, D. L., Rainbow, M. J., Crisco, J. J., Fleming, B. C. Kinematic differences between optical motion capture and biplanar videoradiography during a jump-cut maneuver. Journal of Biomechanics. 46 (3), 567-573 (2013).
  16. Lin, C. C., Lu, T. W., Lu, H. L., Kuo, M. Y., Hsu, H. C. Effects of soft tissue artifacts on differentiating kinematic differences between natural and replaced knee joints during functional activity. Gait and Posture. 46, 154-160 (2016).
  17. Kessler, S. E., et al. A direct comparison of biplanar videoradiography and optical motion capture for foot and ankle kinematics. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 199 (2019).
  18. Henak, C. R., et al. Computed tomography arthrography with traction in the human hip for three-dimensional reconstruction of cartilage and the acetabular labrum. Clinical Radiology. 69 (10), 381-391 (2014).
  19. Winter, D. A. Biomechanics and motor control of human movement. , John Wiley and Sons Inc. (2009).
  20. Camomilla, V., Cereatti, A., Vannozzi, G., Cappozzo, A. An optimized protocol for hip joint centre determination using the functional method. Journal of Biomechanics. 39 (6), 1096-1106 (2006).
  21. MacWilliams, B. A., Davis, R. B. Addressing some misperceptions of the joint coordinate system. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (5), 54506 (2013).
  22. Fiorentino, N. M., et al. Accuracy of functional and predictive methods to calculate the hip joint center in young non-pathologic asymptomatic adults with dual fluoroscopy as a reference standard. Annals of Biomedical Engineering. 44 (7), 2168-2180 (2016).
  23. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Foreman, K. B., Anderson, A. E. In-vivo quantification of dynamic hip joint center errors and soft tissue artifact. Gait and Posture. 50, 246-251 (2016).
  24. Fiorentino, N. M., Atkins, P. R., Kutschke, M. J., Bo Foreman, K., Anderson, A. E. Soft tissue artifact causes underestimation of hip joint kinematics and kinetics in a rigid-body musculoskeletal model. Journal of Biomechanics. 108, 109890 (2020).
  25. Atkins, P. R., et al. In vivo pelvic and hip joint kinematics in patients with cam femoroacetabular impingement syndrome: a dual fluoroscopy study. Journal of Orthopaedic Research. 38 (4), 823-833 (2020).
  26. Uemura, K., Atkins, P. R., Maas, S. A., Peters, C. L., Anderson, A. E. Three-dimensional femoral head coverage in the standing position represents that measured in vivo during gait. Clinical Anatomy. 31 (8), 1177-1183 (2018).
  27. Uemura, K., Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Hip rotation during standing and dynamic activities and the compensatory effect of femoral anteversion: An in-vivo analysis of asymptomatic young adults using three-dimensional computed tomography models and dual fluoroscopy. Gait and Posture. 61, 276-281 (2018).
  28. Atkins, P. R., et al. In vivo measurements of the ischiofemoral space in recreationally active participants during dynamic activities: a high-speed dual fluoroscopy study. American Journal of Sports Medicine. 45 (12), 2901-2910 (2017).
  29. Uemura, K., Atkins, P. R., Anderson, A. E. The effect of using different coordinate systems on in-vivo hip angles can be estimated from computed tomography images. Journal of Biomechanics. 95, 109318 (2019).
  30. Kapron, A. L., et al. Accuracy and feasibility of dual fluoroscopy and model-based tracking to quantify in vivo hip kinematics during clinical exams. Journal of Applied Biomechanics. 30 (3), 461-470 (2014).
  31. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. In-vivo hip arthrokinematics during supine clinical exams: Application to the study of femoroacetabular impingement. Journal of Biomechanics. 48 (11), 2879-2886 (2015).
  32. Roach, K. E., et al. In vivo kinematics of the tibiotalar and subtalar joints in asymptomatic subjects: a high-speed dual fluoroscopy study. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (9), 0910061-0910069 (2016).
  33. Roach, K. E., Foreman, K. B., Barg, A., Saltzman, C. L., Anderson, A. E. Application of high-speed dual fluoroscopy to study in vivo tibiotalar and subtalar kinematics in patients with chronic ankle instability and asymptomatic control subjects during dynamic activities. Foot and Ankle International. 38 (11), 1236-1248 (2017).
  34. Lenz, A. L., et al. Compensatory motion of the subtalar joint following tibiotalar arthrodesis: an in vivo dual-fluoroscopy imaging study. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 102 (7), 600-608 (2020).
  35. Wang, B. Accuracy and feasibility of high-speed dual fluoroscopy and model-based tracking to measure in vivo ankle arthrokinematics. Gait and Posture. 41 (4), 888-893 (2015).
  36. Challis, J. H., Pain, M. T. G. Soft tissue motion influences skeletal loads during impacts. Exercise and Sport Sciences Reviews. 36 (2), 71-75 (2008).
  37. Dumas, R., Jacquelin, E. Stiffness of a wobbling mass models analysed by a smooth orthogonal decomposition of the skin movement relative to the underlying bone. Journal of Biomechanics. 62, 47-52 (2017).
  38. Kapron, A. L., Aoki, S. K., Peters, C. L., Anderson, A. E. Subject-specific patterns of femur-labrum contact are complex and vary in asymptomatic hips and hips with femoroacetabular impingement. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (12), 3912-3922 (2014).
  39. Fiorentino, N. M., et al. Soft tissue artifact causes significant errors in the calculation of joint angles and range of motion at the hip. Gait and Posture. 55, 184-190 (2017).
  40. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Subject-specific axes of rotation based on talar morphology do not improve predictions of tibiotalar and subtalar joint kinematics. Annals of Biomedical Engineering. 45 (9), 2109-2121 (2017).
  41. Nichols, J. A., Roach, K. E., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. Predicting tibiotalar and subtalar joint angles from skin-marker data with dual-fluoroscopy as a reference standard. Gait and Posture. 49, 136-143 (2016).
  42. Kolz, C. W., et al. Reliable interpretation of scapular kinematics depends on coordinate system definition. Gait and Posture. 81, 183-190 (2020).
  43. Kolz, C. W., et al. Age-related differences in humerothoracic, scapulothoracic, and glenohumeral kinematics during elevation and rotation motions. Journal of Biomechanics. 117, 110266 (2021).

Tags

Medisin Utgave 173 Dobbel fluoroskopi biplanvideoradiografi kinematikk arthrokinematikk hofte markørløs sporing
<em>In Vivo</em> Kvantifisering av hip arthrokinematics under dynamiske vektbærende aktiviteter ved hjelp av dobbel fluoroskopi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Atkins, P. R., Fiorentino, N. M.,… More

Atkins, P. R., Fiorentino, N. M., Anderson, A. E. In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy. J. Vis. Exp. (173), e62792, doi:10.3791/62792 (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