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

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

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.

Ergebnisse

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 (

Diskussion

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 (...

Materialien

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