מדידת 3D In-vivo כתף Kinematics באמצעות Videoradiography Biplanar

Summary

וידאו-רדיוגרפיה דו-כנפית יכולה לכמת קינמטיקה של הכתף ברמת דיוק גבוהה. הפרוטוקול המתואר כאן תוכנן במיוחד כדי לעקוב אחר השכם, ההמרוס והצלעות במהלך העלאת ההאמרל המתכנן, ומתאר את ההליכים לאיסוף נתונים, עיבוד וניתוח. שיקולים ייחודיים לאיסוף נתונים מתוארים גם הם.

Abstract

הכתף היא אחת ממערכות המפרקים המורכבות ביותר בגוף האדם, עם תנועה המתרחשת באמצעות פעולות מתואמות של ארבעה מפרקים בודדים, רצועות מרובות וכ -20 שרירים. למרבה הצער, פתולוגיות כתף (למשל, קרעים בשרוול המסובב, נקעים במפרקים, דלקת פרקים) שכיחות, וכתוצאה מכך כאב משמעותי, נכות, וירידה באיכות החיים. האטיולוגיה הספציפית עבור רבים מתנאים פתולוגיים אלה אינה מובנת במלואה, אך מקובל כי פתולוגיית הכתף קשורה לעתים קרובות לתנועה משותפת שונה. למרבה הצער, מדידת תנועת הכתף עם רמת הדיוק הדרושה כדי לחקור השערות מבוססות תנועה אינה טריוויאלית. עם זאת, טכניקות מדידת תנועה מבוססות רדיוגרפיה סיפקו את ההתקדמות הדרושה כדי לחקור השערות מבוססות תנועה ולספק הבנה מכנית של תפקוד הכתף. לכן, מטרת מאמר זה היא לתאר את הגישות למדידת תנועת הכתף באמצעות מערכת וידאו דו-פלנארית מותאמת אישית. המטרות הספציפיות של מאמר זה הן לתאר את הפרוטוקולים לרכישת תמונות videoradiographic דו-פלנאר של קומפלקס הכתף, לרכוש סריקות CT, לפתח מודלים עצם 3D, לאתר ציוני דרך אנטומיים, לעקוב אחר המיקום והכיוון של עצם החזה, השכם, ופלג גוף גוף מהתמונות הרדיוגרפיות הדו-פלנאריות, ולחשב את מדדי התוצאה הקינמטיים. בנוסף, המאמר יתאר שיקולים מיוחדים הייחודיים לכתף בעת מדידת קינמטיקה משותפת באמצעות גישה זו.

Introduction

הכתף היא אחת ממערכות המפרקים המורכבות ביותר בגוף האדם, עם תנועה המתרחשת באמצעות פעולות מתואמות של ארבעה מפרקים בודדים, רצועות מרובות וכ -20 שרירים. לכתף יש גם את טווח התנועה הגדול ביותר של המפרקים העיקריים של הגוף והיא מתוארת לעתים קרובות כפשרה בין ניידות ליציבות. למרבה הצער, פתולוגיות כתף שכיחות, וכתוצאה מכך כאב משמעותי, נכות, וירידה באיכות החיים. לדוגמה, קרעים בשרוול המסובב משפיעים על כ-40% מהאוכלוסייה מעל גיל 601,2,3, עם כ-250,000 תיקוני חפתים מסתובבים המבוצעים מדי ^שנה4, ונטל כלכלי מוערך של 3-5 מיליארד דולר בשנה בארצות ^הברית5. בנוסף, נקע בכתף נפוץ ולעתים קרובות קשורים עם תפקוד לקוי ^כרוני6. לבסוף, דלקת מפרקים glenohumeral ניוונית (OA) היא בעיה קלינית משמעותית נוספת המערבת את הכתף, עם מחקרי אוכלוסיה המצביעים על כך בערך 15%-20% מהמבוגרים מעל גיל 65 יש ראיות רדיוגרפיות של glenohumeral ^OA7,8. תנאים אלה כואבים, פוגעים ברמות הפעילות ומפחיתים את איכות החיים.

למרות הפתוגנים של תנאים אלה אינם מובנים במלואם, מקובל כי תנועת הכתף שונה קשורה פתולוגיות כתף רבות9,10,11. באופן ספציפי, תנועה משותפת חריגה עשויה לתרום לפתולוגיה9,12, או שהפתולוגיה עלולה להוביל לתנועה משותפת ^{חריגה13,14}. יחסים בין תנועה משותפת לפתולוגיה הם ככל הנראה מורכבים, ושינויים עדינים בתנועה משותפת עשויים להיות חשובים בכתף. לדוגמה, למרות תנועה זוויתית היא התנועה הדומיננטית המתרחשת במפרק glenohumeral, תרגומים משותפים מתרחשים גם במהלך תנועת הכתף. בתנאים רגילים תרגומים אלה ככל הנראה אינם עולים על מספר מילימטרים15,16,17,18,19, ולכן עשויים להיות מתחת לרמת הדיוק in-vivo עבור טכניקות מדידה מסוימות. אמנם זה עשוי להיות מפתה להניח כי סטיות קטנות בתנועה משותפת עשוי להיות השפעה קלינית קטנה, חשוב גם להכיר כי ההשפעה המצטברת של סטיות עדינות לאורך שנים של פעילות הכתף עשוי לחרוג מהסף של הפרט לריפוי רקמות ותיקון. יתר על כן, כוחות אינ-ויוו במפרק גלנוהומרל אינם חסרי חשיבות. באמצעות שתלים משותפים glenohumeral מכשירים מותאמים אישית, מחקרים קודמים הראו כי העלאת משקל 2 ק"ג לגובה הראש עם זרוע מושטת יכול לגרום כוחות מפרק glenohumeral שיכול לנוע בין 70% ל 238% ממשקל הגוף20,21,22. כתוצאה מכך, השילוב של שינויים עדינים בתנועה משותפת וכוחות גבוהים המרוכזים מעל שטח הפנים הקטן של גלנואיד נושא עומס עשוי לתרום להתפתחות של פתולוגיות כתף ניווניות.

מבחינה היסטורית, מדידת תנועת הכתף הושגה באמצעות מגוון גישות ניסיוניות. גישות אלה כללו שימוש במערכות בדיקה קדאווריות מורכבות שנועדו לדמות תנועת כתפיים23,24,25,26,27, מערכות לכידת תנועה מבוססות וידאו עם סמני שטח28,29,31, חיישנים אלקטרומגנטיים המותקנים על פני השטח32,33,34,35 סיכות עצם עם סמנים רפלקטיביים או חיישנים אחרים המחוברים ^36,37,38, הדמיה רפואית דו-ממדית סטטית (כלומר, פלואורוסקופיה39,40,41 ורדיוגרפים17,42,43,44,45), הדמיה רפואית תלת ממדית סטטית (תלת-ממדית) באמצעות ^MRI46,47, טומוגרפיה ^{ממוחשבת48}, ודינמית, הדמיה פלואורוסקופית של מטוס יחיד תלת-ממדי49,50,51. לאחרונה, חיישנים לבישים (למשל, יחידות מדידה אינרציאליות) צברו פופולריות למדידת תנועת הכתף מחוץ למסגרת המעבדה ובתנאי חיים חופשיים52,53,54,55,56,57.

בשנים האחרונות, יש כבר התפשטות של מערכות רדיוגרפיות דו-כנפיות או פלואורוסקופיות שנועדו למדוד במדויק תנועות דינמיות, 3D in-vivo של הכתף58,59,60,61,62. מטרת מאמר זה היא לתאר את גישת המחברים למדידת תנועת הכתף באמצעות מערכת וידאו דו-פלנארית מותאמת אישית. המטרות הספציפיות של מאמר זה הן לתאר את הפרוטוקולים לרכישת תמונות videoradiographic דו-פלנאר של קומפלקס הכתף, לרכוש סריקות CT, לפתח מודלים עצם 3D, לאתר ציוני דרך אנטומיים, לעקוב אחר המיקום והכיוון של עצם החזה, השכם, ופלג גוף מהתמונות הרדיוגרפיות הדו-פלנאריות, ולחשב מדדי תוצאה קינמיים.

Protocol

לפני איסוף הנתונים, המשתתף סיפק הסכמה מדעת בכתב. החקירה אושרה על ידי ועדת הבדיקה המוסדית של הנרי פורד.

פרוטוקולים לרכישה, עיבוד וניתוח נתוני תנועה רדיוגרפיים דו-כנפיים תלויים מאוד במערכות ההדמיה, בתוכנות לעיבוד נתונים ובאמצעי העניין של התוצאה. הפרוטוקול הבא תוכנן במיוחד כדי לעקוב אחר השכם, ההנמרוס והצלעות השלישית והרביעית במהלך חטיפת מטוס השכם או קורונל-מטוס ולכימות הקינטטיקה הגלנוהומרלית, הסקפולוטורוקית והומרוטורוקית.

1. פרוטוקול הדמיית CT

1. בקשו מהמשתתף לשכב על שולחן בדיקת ה-CT כשזרועותיו בצדדים. בהתאם לגודל המשתתף, מקם אותם מחוץ למרכז על השולחן כך שכל פלג פלג האדם ההמי-פלג עליון יהיה זמין להדמיה.
2. כדי לרכוש את תמונות הצופים, הטכנולוגיסט מבטיח ששדה הראייה של ה-CT יכלול את הבריח (מעולה), את האפיקונדילים ההאמרליים הדיסטליים (בצורה נחותה), את כל מפרק הגלנוהומרל (לרוחב) ואת המפרקים העל-יבשתיים והסטרנוקוסטליים (מדיום) (איור 1).
3. לרכוש את סריקת CT עם הפרמטרים הבאים: מצב סריקה = helical; מתח צינור = 120 kVp; זרם צינור: 200-400 mA (אוטומטי); עובי פרוסה = 0.66 מ"מ; FOV = 34 ס"מ.
4. אמת את איכות הסריקה ואת שדה הראייה.
5. עצב מחדש את הרכישה באמצעות מטריצת תמונה בגודל של 512 x 512 פיקסלים. בהתחשב בעובי הפרוסה וב- FOV, התוצאה היא מרווח ווקסל איזוטרופי של כ 0.66 מ"מ.
6. יצא את התמונות בתבנית DICOM.

2. פרוטוקול לכידת תנועה דו-כנפית

הערה: מערכת הרנטגן הדו-פלנארית המותאמת אישית המשמשת בפרוטוקול זה מתוארת בטבלת החומרים. הליכי איסוף הנתונים ישתנו ככל הנראה עם רכיבי מערכת שונים. מערכות הרנטגן נקראות באופן שרירותי "ירוק" ו"אדום" כדי להבחין בין הליכים ורצפי תמונה וכתוצאה מכך, והן ממוקמות בזווית בין-קרן של כ-50° ובמרחק מקור לתמונה (SID) של כ-183 ס"מ (איור 2). לפחות שני אנשי מחקר נדרשים לאיסוף הנתונים; אחד להפעיל את מערכת הרנטגן והמחשב, והשני להנחות את משתתף המחקר.

1. הגדרת תוכנת מצלמה
   1. הגדר את צמצם המצלמה להגדרת ברירת המחדל (f/5.6).
      הערה: ערך זה תלוי במספר גורמים, כולל מצלמה, זמן חשיפה, ISO ואנתרופומטריה של משתתפים.
   2. פתח את תוכנת המצלמה וטען את פרוטוקול המחקר לכל מצלמה (קצב דגימה: 60 הרץ, זמן חשיפה: 1,100 מיקרו).
      הערה: זמן החשיפה למצלמה עשוי להשתנות בהתאם למספר גורמים, כולל מצלמה, הגדרת צמצם וחשיפה רדיוגרפית.
2. חימום מערכת
   הערה: האנודה של צינור הרנטגן עלולה להיפגע אם נוצרות חשיפות רבות עוצמה כאשר היא קרה. לכן, הצינורות צריכים להיות מחוממים על ידי סדרה של חשיפות אנרגיה נמוכה המבוססות על המלצות היצרן.
   1. בשני לוחות הבקרה של מחולל קרני הרנטגן, בחר הגדרת כלי דם . הגדרות כלי הדם המתוכנתות מראש מייצרות חשיפות בעלות אנרגיה נמוכה המתאימות לחימום המערכת (לכל יצרן מערכת).
   2. הגדר את זמן החשיפה על מחולל הדופק ל 0.25 s.
   3. בלוחות הבקרה של מחולל קרני הרנטגן, החזק את כפתורי ההכנה לחוץ. השהיית הכנה מופיעה על המסך.
   4. לאחר ששני המסכים נקראים Ready to Expos, לחץ והחזק בו-זמנית את לחצני החשיפה .
      הערה: זה לא יפיק צילומי רנטגן, אלא רק זרועות את המערכת. ייצור רנטגן מתרחש רק על ידי דיכוי דוושת כף הרגל או גורמים ידניים.
   5. לדכא את כפתורי PREP ו - EXPOS בשני לוחות הבקרה, ובו זמנית לדכא ולהחזיק את דוושת הרגל (או ידני) כדי להפעיל את מחולל הרנטגן כדי לייצר צילומי רנטגן.
      הערה: צילומי הרנטגן מיוצרים למשך הזמן שצוין על ידי מחולל הדופק (שלב 2.3.2) או עד שהדוושה משתחררת, המוקדם מעין.
   6. חזור על השלבים 2.2.2-2.2.5 עד שיחידת החום (HU) של צינור הרנטגן עולה על הרמה הנדרשת על ידי היצרן לרכישת תמונות (5% HU למערכת שלנו).
3. אמת את סינכרון המצלמה ואת מוקד התמונה.
   הערה: אמת את סינכרון המצלמה ואת המוקד על-ידי רכישת ערכה של תמונות בדיקה של רשת תיקון העיוות (ראה טבלת חומרים). כל מגבר תמונה ייבדק בנפרד באמצעות השלבים המתוארים להלן.
   1. מקם את רשת תיקון העיוות על מגבר התמונה.
   2. בשני לוחות הבקרה של מחולל קרני הרנטגן, בחר את הגדרת הלב , המתוכנתת לטכניקה הרדיוגרפית המוגדרת כברירת מחדל (70 kVp, 320 mA, 2 ms ונקודת מוקד = 1.0 מ"מ).
      הערה: הגדרות המצלמה נשארות ללא שינוי (קצב דגימה: 60 הרץ, זמן חשיפה: 1,100 מיקרו).
   3. תציב את מחולל הפעימות ל-0.25 שניות.
   4. ליזום את רכישת המצלמה באמצעות תוכנת המצלמה ולרכוש תמונות רנטגן כפי שתואר קודם לכן בשלבים 2.2.3-2.2.5.
   5. הצג בתצוגה מקדימה את התמונות המתקבלות וקבע את הזמן שחלף מפעימת ההדק עבור כל מערכת. אם ההבדל בזמן שחלף בין המצלמות הוא יותר מ- 2 מיקרו, קבע איזו מצלמה מופעלת באיחור וציין עיכוב מסגרת בתוכנת המצלמה כדי לפתור את הבעיה.
   6. בדוק באופן חזותי את חדות התמונה כדי לאמת את מוקד המצלמה. להערכה אובייקטיבית, נתח קו פרופיל שצויר על-פני חרוז בתוך רשת תיקון העיוות באמצעות תוכנת עיבוד תמונה (לדוגמה, ImageJ). באופן ספציפי, בדוק את השיפוע של ערכי אפור הפיקסלים לאורך קו פרופיל זה. שיפוע שלילי יותר מבטיח תמונה חדה יותר (בהנחה שתמונה רדיוגרפית הפוכה כך החרוז כהה). במידת הצורך, למקד מחדש את המצלמות ולחזור על השלבים 2.3.3-2.3.6.
4. הגדרה ומיצוב של משתתפים במחקר
   הערה: המיקום של משתתף המחקר תלוי מאוד על העצמות במעקב ואת התנועה נבדקת. הבדיקה מתבצעת בדרך כלל כאשר משתתף המחקר יושב על כיסא קבוע (כלומר, לא מסתובב או גלגל) כדי למזער את הפוטנציאל לשינויים בעמדתם שעלולים לגרום לכתף לזוז מחוץ לנפח ההדמיה בתלת-ממד.
   1. מקם את הכיסא בנפח ההדמיה הדו-כנפי כך שהכתף לבדיקה ממורכזת בערך במקום שבו קרני הרנטגן הדו-כנפיות מצטלבות. זוהי עמדה ראשונית. התאם אותו בהתבסס על האנתרופומטריה של המשתתף, התנועה לבדיקה והעצמות שיש לעקוב אחר.
   2. בקש מהמשתתף לשבת בתנוחה זקופה ונוחה כשזרועות מונחות לצדו.
   3. אבטחו אפוד מגן מצופה עופרת על פלג פלג האדם של המשתתף כדי לכסות את בטנם ואת הכתף והחזה הנגדיים.
   4. הגדר את הגובה הראשוני של ממגבירי התמונה. כדי לסייע בתהליך זה, הפעל את האור בתוך מקור הרנטגן של המערכת. הרם את המערכת עד שהצל של המשתתף יוטל על מעצם התמונה יהיה ברמה של האקסילה שלהם.
      הערה: המקור ומעצים את התמונה בכל מערכת מצמידים כדי לנוע יחד. מערכות לא מנוטעות ידרשו שלבי יישור נוספים שלא מתוארים כאן.
   5. קבע את הגובה הראשוני של ממגבירי התמונה. הזיזו בעדינות את המשתתף על כיסאו בתוך נפח התמונה הדו-כנפי תוך כדי צפייה בצלו מוטל על כל תמונה מתעצמת.
      הערה: ניחוש ראשוני טוב הוא למקם את המשתתף כך המפרק האקרו-מיוקלאביקולרי נמצא בערך במרכז שני ממגברי התמונה. עמדה זו היא ניחוש ראשוני סביר עבור הפרוטוקול הנוכחי, אשר דורש הדמיה ומעקב של השעך, השכם, ושתי צלעות במהלך גובה הכתף.
   6. לאחר שמיקום המשתתף נראה סביר בשתי המערכות, השאר את מקור האור דולק ובקש מהמשתתף לבצע את התנועה לבדיקה. ודא כי כתפו של המשתתף נשארת בתוך שדה הראייה הרדיוגרפי במהלך כל ניסוי התנועה. במידת האפשר, שקול את קרני הרנטגן כדי להפחית את החשיפה.
   7. חזור על שלבים 2.4.5-2.4.6 עד שיופיע כי הגדרת המשתתף בתוך עוצמת התמונה מתאימה.
   8. חוקר מספר 1: חזור לחדר הבקרה כדי להפעיל את לוחות הבקרה והמצלמות של קרני הרנטגן. הגדר את לוח הבקרה של קרני הרנטגן למצב פלואורוסקופיה בהספק נמוך (60 kVp, 3-4 mA) ואת מחולל הדופק לרכישה של 0.25 שניות.
   9. חוקר מס' 2: הסבר למשתתף כי התמונה תילקח כך שניתן יהיה לאמת את מיקומם בתמונות ולתאר את סדרת האירועים שיקרו. הזהר את המשתתף לגבי הצלילים שהמערכת עושה (למשל, לחיצות, מזמזמים) כדי למנוע כל חשש. לבשו אפוד מגן מצופה עופרת, אחזרו את ההדק המוחזק ביד והתרחקו ככל האפשר ממקורות הרנטגן כדי למזער את החשיפה תוך שמירה על קו ראייה ותקשורת ברור עם המשתתף. במידת האפשר, עמדו מאחורי מגן מצופה עופרת עם חלון.
   10. חוקר #1 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): הפעל את המצלמות והפעל את לוח הבקרה של קרני הרנטגן כמתואר קודם לכן (שלבים 2.2.3-2.2.5). כאשר המערכת מוכנה לחשוף, להודיע לחוקר #2.
   11. חוקר מס' 2 (במעבדה): ציין למשתתף על רכישת תמונה. הפעל את רכישת התמונה הרדיוגרפית באמצעות ההדק המרוחק המוחזק ביד. הודע למשתתף שתמונה צולמה וסלחו את עצמכם לחדר הבקרה.
   12. חוקר מס' 1 ו-2 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): בדוק את התמונות. התמקד רק במיקום המשתתף ובנראות של כל העצמות שיש לעקוב אחריהן. במידת הצורך, חזור על שלבים 2.4.5-2.4.12 עד שמיקום המשתתף משביע רצון.
   13. לאחר ההגדרה והמיקום של מערכת הרנטגן, אל תזיז את מערכת הרנטגן במהלך הפעלת איסוף הנתונים אלא אם כן נאספו תמונות כיול ועיוות חדשות עבור כל תצורה. כמו כן, הורה למשתתף לזוז מעט ככל האפשר למשך הפעלת איסוף הנתונים כדי להימנע מהצורך לחזור על הליכי ההתקנה.
5. איסוף נתונים: רכישת תמונה סטטית
   1. חוקר מס' 1 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): הגדר את הטכניקה הרדיוגרפית הממוטבת בלוח הבקרה של קרני הרנטגן (בהתבסס על בדיקות ראשוניות). הפרוטוקול הרדיוגרפי המשמש כאן הוא 70 kVp, 320 mA, 2 אלפיות שניים, ונקודת מוקד = 1.0 מ"מ, עם המצלמה איסוף ב 60 הרץ וזמן חשיפה של 1,100 μs. תציב את מחולל הפעימות ל-0.25 שניות.
      הערה: הודע למשתתף שהתמונה הבאה תהיה רכישת תמונה רשמית.
   2. חוקר #2 (במעבדה): ליידע את המשתתף לשבת זקוף עם זרועו נחה בצד שלהם.
   3. השג תמונה כפי שתואר בעבר (שלבים 2.4.8-2.4.11).
   4. חוקרים #1 ו #2 (בחדר בקרת רנטגן): בדוק את התמונות. התמקד באיכות התמונה (כלומר, בהירות וניגודיות) ובנראות של כל העצמות הדרושות. אם יש צורך בהתאמות לאיכות התמונה, קבע את הפרמטר שיש לשנות (כלומר, f-stop, זמן חשיפה למצלמה, kVp, mA) והכר מחדש את התמונה הסטטית.
      הערה: זה קריטי תמיד להיות מודעים לאופן שבו המינון מושפע מהפרמטרים הרדיוגרפיים.
   5. חזור על שלבים 2.5.1-2.5.4 עד שאיכות התמונה תהיה מקובלת, במסגרת הערכות המינון שאושרו על ידי ה- IRB.
   6. לאחר שאיכות התמונה מקובלת, בדוק את התמונות עבור איכות טכנית (לדוגמה, מסגרות פגומות).
   7. לאחר רכישת תמונת ניסיון סטטית מקובלת, שמור את גירסת הניסיון מכל מצלמה (למשל, "green_still.cine", "red_still.cine").
6. איסוף נתונים: רכישת תמונות דינאמית
   1. חוקר #1 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): שמרו על אותם פרמטרים רדיוגרפיים מתמונת הניסוי הסטטית. הגדר את מחולל הדופק לחשיפה של 2.0 שניות.
   2. חוקר #2 (במעבדה): למד את המשתתף את התנועה להתבצע, כולל המטוס ואת התזמון של התנועה. ודאו כי בגדי הכיסא ו/או האפודה המרופדים בעופרת אינם מפריעים לתנועת הכתף. תרגל את גירסת הניסיון עם המשתתף. השתמש בסימן המילולי "מוכן... ו... ללכת" בקצב כך שנדרש 2 s (כלומר, משך תקופת הניסיון בתנועה) כדי לעזור למשתתף לקצב את החניכה וההשלמה של התנועה.
      הערה: חשוב שהמשתתף יבין את הנהלים ויוכל לבצע בעקביות את משפט התנועה כדי למנוע את החשיפה המיותרת הקשורה לניסוי כושל.
   3. חוקר #2 (במעבדה): לאחר תרגול מספיק, לאחזר את ההדק מרחוק ידני. לעבור למקום בטוח במעבדה עם קו ראייה ברור ותקשורת עם משתתף המחקר.
   4. חוקר #1 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): אפס את מחולל הדופק ל-2.0 שניות, הפעל את המצלמות והפעיל את לוח הבקרה של קרני הרנטגן כמתואר קודם לכן (שלבים 2.3.4-2.3.5). כאשר המערכת מוכנה לחשוף, להודיע לחוקר #2.
   5. חוקר מס' 2 (במעבדה): שאל את משתתף המחקר, "האם אתה מוכן?" [המתן לתגובה המתקנת] "מוכן... ו... ללכת." (בקצב, כמו קודם, כך שזה לוקח 2 s).
   6. חוקר #2 (במעבדה): הפעל באופן ידני את מערכת הרנטגן כאשר המשתתף יוזם תנועת זרוע.
      הערה: למרות הפעלה ידנית בהתבסס על סיכוני תנועה חזותית להשמיט את תחילת המשפט בתנועה, זה מונע חשיפת יתר של משתתף המחקר במקרה של קצר בתקשורת או התחלה מאוחרת.). לאחר השלמת תקופת הניסיון, הודע למשתתף שתמונה צולמה וסל לך לחדר הבקרה כדי לבדוק את התמונות.
   7. חוקרים מס' 1 ו-2 (בחדר הבקרה של קרני הרנטגן): בדוק את תמונות הניסיון לקבלת איכות (כלומר בהירות וניגודיות) ומצב טכני (כלומר, כל מסגרות פגומות) (איור 3). שמור את ניסויי התנועה מכל מצלמה (למשל, "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
   8. חזור על השלבים 2.6.1-2.6.7 כדי לאסוף את כל ניסויי התנועה בפרוטוקול בטיחות הקרינה המאושר.
7. איסוף תמונות כיול
   הערה: כיול תמונה רדיוגרפית גורם להגדרה של מערכת הקואורדינטות מבוססת המעבדה, המיקום והכיוון של כל מערכת רדיוגרף של קרני רנטגן ביחס למערכת קואורדינטות מעבדה, ופרמטרים מהותיים המאפשרים יצירת רדיוגרפיות משוחזרות דיגיטלית (DRRs), המשמשות בתהליך המעקב ללא סמן. חישובי הכיול מתוארים בשלב 3.4.1.
   1. שמור על אותן הגדרות מצלמה וטכניקה רדיוגרפית המשמשות במהלך איסוף הנתונים.
   2. הגדר את מחולל הדופק לחשיפה של 0.5 שניות.
   3. מקם את קוביית הכיול (ראה טבלת חומרים) באמצע אמצעי האחסון להדמיה.
   4. רכוש ולשמור את תמונות הקוביה (למשל, "green_cube.cine", "red_cube.cine").
8. אסוף את התמונות לתיקון עיוות ותיקון אי-יוניפורמיות.
   הערה: תמונה רדיוגרפית שנאספה באמצעות מעצים תמונה מושפעת מעוצמה, אי-יוניפורמיות63 ועיוות. כתוצאה מכך, תמונות של רשת תיקון שדה לבן ועיוות נרכשות בכל מערכת רדיוגרפית כדי לקבוע את התיקונים הדרושים. בדרך כלל זה נבון לאסוף תמונות כיול לפני עיוות ותמונות תיקון לא-יוניפורמיות במקרה שמעצמי התמונה נתקלים בזמן רשת העיוות ממוקמת.
   1. הסר את כל האובייקטים משדה הראייה הרדיוגרפי.
   2. שמור על אותן הגדרות מצלמה וטכניקה רדיוגרפית המשמשות במהלך איסוף הנתונים. הגדר את מחולל הדופק לחשיפה של 0.5 שניות.
   3. צרף את רשת תיקון העיוות (ראה טבלת חומרים) למשטח של מתעצם התמונה הירוקה.
   4. השג את הרשת ואת תמונות השדה הלבן.
   5. שמור את התמונות (למשל, "green_grid.cine", "red_white.cine").
   6. הזז את הרשת אל התעריף של התמונה האדומה וחזור על שלבים 2.7.2-2.7.5, תוך שינוי שמות הקבצים של התמונה, בהתאם לצורך.

3. פרוטוקול עיבוד נתונים

הערה: נהלים להכנת הגיאומטריה הגרמית, עיבוד קדם תמונה (כלומר, עיוות ותיקון אי אחידות וכיול תמונה), ומעקב ללא סמן משתנים מאוד ותלויים בתוכנה המשמשת. הנהלים המתוארים כאן ספציפיים לתוכנה הקניינית. עם זאת, סביר להניח ששלבי עיבוד הנתונים העיקריים ניתנים לתרגום לכל חבילת תוכנה ללכידת תנועה ברנטגן.

1. מעבד סריקת CT
   הערה: תוכנת המעקב הקניינית ללא סמן המשמשת את מעבדת המחברים מייעלת את המיקום והכיוון של DRR. לכן, ההליכים לעיבוד סריקת CT גורמים ליצירת מחסנית תמונות TIFF של 16 סיביות. חבילות תוכנה אחרות עשויות לדרוש את הגיאומטריה הגרמית להיות מיוצגת בפורמטים או מפרטים שונים.
   1. פתח תוכנית לעיבוד תמונה (למשל, מחקה, FIJI) וייבוא תמונות ה- CT.
   2. לפלח את הצמרת מן הרקמות הרכות שמסביב. עבור הצלעות, ליצור הרחבה המחברת את ההיבט הצידי של הצלע למנובריום כדי להפוך את מפרק החזטרוקוסטלי לדיגיטלי מאוחר יותר בשלב 3.2.6.
   3. בצע פעולה בוליאנית על המסכה המוגמרת עם מסכה שחורה (כלומר, כל הפיקסלים צבועים בשחור) (פעולה: שחור פחות עצם). התוצאה היא מסכה הפוכה של העצם שבה כל הפיקסלים שחורים למעט אלה המתאימים לעצם, שנשארים בגווני אפור CT.
   4. חתוך את מחסנית התמונה לאורך כל שלושת הצירים כדי לחסל את הפיקסלים השחורים (כלומר, שאינם עצם). השאירו כמה פיקסלים שחורים בשולי תיבה תוחמת תלת-ממדית זו.
   5. שמור את מחסנית התמונות שהשתנתה בתבנית TIFF.
   6. חזור על השלבים 3.1.1-3.1.5 עבור כל העצמות הנותרות.
2. הגדרת מערכות קואורדינטות אנטומיות ואזורי עניין (ROIs)
   הערה: פרוטוקול זה מכוון מערכות קואורדינטות אנטומיות כדלקמן. עבור כתף ימין, ציר +X מכוון לרוחב, ציר +Y מכוון בצורה מעולה וציר +Z מכוון אחורי. עבור כתף שמאל, ציר +X מכוון לרוחב, ציר +Y מכוון בצורה מעולה וציר +Z מכוון באופן מכוון באופן מכוון.
   1. יבא את מחסנית התמונות TIFF לעיבוד העצם. המרת מחסנית TIFF ל- . קובץ RAW ועיבוד מודל עצם תלת-ממדי המבוסס על ממדי הפיקסלים הידועים ומרווח התמונה באמצעות התוכנה הקניינית.
      הערה: הרזולוציה של המודל מבוססת על הדגימה של נפח ה- CT (כלומר, מרווח voxel). כתוצאה מכך, השטח הממוצע של משולשי הרשת הוא כ 1.02 מ"^מ2 (±^{0.2 mm2}) (שלב 1.3).
   2. דיגיטציה של ציוני הדרך האנטומיים על ההומרוס כדלקמן (איור 4A).
      1. מרכז גיאומטרי של ראש ההאמרל: קבעו את הממדים והמיקום של כדור הממזער את המרחק בין פני השטח של הכדור לבין משטח מפרקי ההומרל באמצעות אלגוריתם של ריבועים פחות. הגדר את המרכז הגיאומטרי של ראש ההאמרל כנקודות הציון של מרכז הכדור הממוטב.
      2. אפיקונדילים אמצעיים ורוחב: ממוקם בחלק הרחב ביותר של גוף הספינה הדיסטלית.
   3. הגדר את ROI ראש humeral כדלקמן (איור 5A).
      1. כל משטח מפרקי ההומרל וצינורות גדולים יותר.
   4. דיגיטציה של ציוני הדרך האנטומיים על השכם כדלקמן (איור 4B).
      1. שורש עמוד השדרה השכם: ממוקם בגבול המתייצל לאורך עמוד השדרה השכם.
      2. מפרק אקרו-מיוקלאביקולרי אחורי: ממוקם בהיבט האחורי של הפן הקלאבי על אקרומיון השכם.
      3. זווית נחותה: ממוקם בנקודה הנחותה ביותר על השכם.
   5. הגדר ROIs השכם כדלקמן (איור 5B).
      1. אקרומיון: הפנים התחתיות של האקרומיון לרוחב לעמוד השדרה של השכם.
      2. כל המשטח המרהוט של הגלנואיד.
   6. דיגיטציה של ציוני דרך אנטומיים על הצלעות באופן הבא (איור 4C).
      1. צלע צפונית: ממוקם בחלק המתייכי ביותר של הרחבת הצלעות.
      2. צלע אחורית: ממוקם בנקודת האמצע העליונה / הנחותה של ההיבט האחורי של הפן על ראש הצלע.
      3. צלע לרוחב: ממוקם בהיבט הרוחבי ביותר של הצלע כאשר נקודות הצלעות הקדמיות והאחוריות מיושרות אנכית על המסך.
3. עיבוד קדם של תמונה
   הערה: עיבוד קדם תמונה מתבצע באמצעות תוכנה קניינית וכרוך בהמרת קבצי תמונת cine לערומים של TIFF ותיקון התמונות לאי-יוניות מעוותת.
   1. ביצוע תיקון ללא אחידות: התוכנה מבצעת בממוצע את כ-30 המסגרות (כלומר, 0.5 s של נתונים) כדי להפיק תמונה אחת, איכותית ובהירה כדי למזער את השפעת הרעש בכל מסגרת בודדת. תמונת השדה הבהיר משמשת לחישוב הצפיפות הרדיוגרפית האמיתית לאורך הקרן ממקור הרנטגן לכל פיקסל של כל מסגרת נתונים. סכום הצפיפות הרדיוגרף של כל החומר החודר על-ידי הקרן של כל פיקסל הוא פרופורציונלי ללוגריתם של השדה הבהיר עבור אותו פיקסל פחות הלוגריתם של תמונת התצפית עבור אותו פיקסל (כלומר, עיבוד יומן משנה).
   2. ביצוע תיקון עיוות: התוכנה ממוצעת כ 30 מסגרות (כלומר, 0.5 שניות של נתונים) כדי לייצר תמונה אחת ומפחיתה את ההשפעה של רעש בכל תמונה בודדת. תוכנת תיקון העיוות יוצרת מפת אפין מכל משולש של מיקומי חרוזים סמוכים בתמונת רשת העיוות למיקום הידוע (האמיתי) של שלושת החרוזים ברשת תיקון העיוות של Lucite. אוסף זה של מפות אפין קטנות משמש לאחר מכן לדגימה מחדש של כל מסגרת שנצפתה של ניסוי התנועה לקואורדינטות האמיתיות המיוצגות על ידי מערך החרוזים האורתוגונלי.
   3. החל תיקוני עיוות ואי-אחידות על כל המסגרות של כל ניסיון.
4. כיול נפח הדמיה דו-כנפי.
   הערה: כיול תמונה בוצע באמצעות תוכנה קניינית. התוכנה משתמשת באלגוריתם אופטימיזציה לא ליניארי כדי להתאים את מיקומי חרוזי אובייקט הכיול שנצפו למיקומים התת-ממדיים הידועים שלהם. תהליך זה מתבצע עבור כל קבוצה של תמונות כיול דו-פלנארי. התוצאה היא מערכת שיכולה להקרין באופן דיגיטלי שתי תצוגות של נפח עצם ולרשום אותן מול תמונות רדיוגרפיות של אותה עצם שנאספה במהלך איסוף הנתונים.
5. מעקב ללא סמן
   הערה: מעקב ללא סמן מתבצע באמצעות תוכנה קניינית. ניתן להשתמש גם בתוכנות כגון Autoscoper ו- C-Motion כדי להשלים תהליך זה.
   1. במסגרת הראשונה של גירסת הניסיון בתנועה, סובבו ותרגם את ה-DRR באמצעות פקדי התוכנה עד שנראה שהוא מתאים היטב לתמונות הרנטגן הדו-כנפיות (איור 6).
   2. שמור את הפתרון הידני.
   3. החל את אלגוריתם האופטימיזציה.
   4. בדוק חזותית את הפתרון שנקבע להיות אופטימלי על ידי האלגוריתם המבוסס על הפתרון הידני הראשוני. במידת הצורך, התאם את הפתרון וחזור על שלבים 3.5.2-3.5.3 עד להסתפק בפתרון הממוטב.
   5. חזור על שלבים 3.5.1-3.5.4 עבור ^{כל מסגרת} 10 לאורך משפט התנועה.
      הערה: מרווח זמן זה תלוי במספר גורמים, כולל קצב פריימים, מהירות תנועה ואיכות תמונה. ייתכן שיידרשו מרווחי זמן קטנים יותר.
   6. לאחר מעקב אחר ^{כל מסגרת} 10, בצע מיטוב כדי ליצור פתרונות ראשוניים אינטרפולוג כי הם ממוטבים לאחר מכן.
   7. המשך לחדד את הפתרונות עד שכל המסגרות של גירסת הניסיון בתנועה יתוקנו היטב.

4. פרוטוקול ניתוח נתונים

הערה: תוכנת המעקב הקניינית ללא סמן המשמשת בפרוטוקול זה גורמת למסלולים הגולמיים והמסוננים של ציוני הדרך האנטומיים שישמשו לבניית מערכות קואורדינטות אנטומיות. קואורדינטות אלה באות לידי ביטוי ביחס למערכת קואורדינטות המעבדה המוגדרת על ידי אובייקט הכיול במהלך הליך הכיול. הפרוטוקול הבא מתאר, באופן כללי, את ההליכים לחישוב מדדי תוצאה קינמטיים ממסלולי ציון דרך אלה, כך שניתן לחשב אותם בכל שפת תכנות (למשל, MATLAB). תוכנה קניינית שנייה משמשת לחישוב קינמטיקה וסטטיסטיקות קרבה.

1. חישוב סטטיסטיקת קינתונים וקרבה
   הערה: מדדי התוצאה הקינטמטיים העיקריים כוללים סיבובים משותפים (כלומר, זוויות אוילר) ועמדות. סטטיסטיקת הקרבה העיקרית כוללת את הפער המינימלי, הפער הממוצע ומרכז המגע הממוצע המשוקלל, המחושב עבור כל מסגרת נתונים. באופן קולקטיבי, אמצעים אלה מתארים ארתרוקינמטיקה משותפת, או אינטראקציות פני השטח במהלך תנועה. קרבות אנטומיות המצטברות לאורך גירסת הניסיון של התנועה כוללות את מרכז המגע הממוצע, נתיב איש הקשר ואורך נתיב המגע.
   1. עבור כל עצם ומסגרת תנועה, השתמש בקואורדינטות ציון הדרך האנטומיות המסוננות (כלומר, פלט מתוכנת המעקב ללא סמן) כדי לבנות מטריצת טרנספורמציה של 16 אלמנטים המייצגת את מערכת הקואורדינטות האנטומית של העצם ביחס למערכת קואורדינטות המעבדה.
   2. חשב את הקינטיקה היחסית על ידי קישור מערכות הקואורדינטות האנטומיות בין העצמות הרלוונטיות באמצעות התוכנה.
   3. לחלץ את הזוויות והמיקומים המשותפים בשיטות קונבנציונליות64. בהתחשב באוריינטציה של מערכות הקואורדינטות האנטומיות, לחלץ את הקינטמטיקה glenohumeral באמצעות רצף סיבוב Z-X'-Y', לחלץ את הקינטטיקה scapulothoracic באמצעות רצף סיבוב Y-Z'-X', ולחלץ את הקינטטיקה humerothoracic באמצעות רצף סיבוב Y-Z'-Y'.
   4. פער מינימלי: חשב את הפער הקטן ביותר (כלומר, מרחק) בין המרכזים של המשולש הקרוב ביותר על העצם הנגדית באמצעות התוכנה.
   5. פער ממוצע: חשב את הממוצע המשוקלל של הפער המינימלי באמצעות המשולשים שיש להם את הפער הקטן ביותר לשכן הקרוב ביותר שלהם בתוך אזור מדידה שצוין באמצעות התוכנה. הגדר את אזור המדידה כמשולשים הקרובים ביותר לעצם הנגדית שאזוריהם מסתכמים ב-200 מ"^מ2. שלבו אזור מדידה זה בחישוב כדי להבטיח שרק המשטח הקרוב באופן סביר לעצם הנגדית ייכלל בחישוב הפער הממוצע.
      הערה: הגדלים של אזור המדידה (כלומר, 200 מ"^מ2) נבחרו במהלך פיתוח אלגוריתם ראשוני לאחר שנמצא כי הם משקפים באופן עקבי מרחב תת-קרקעי וקרבה משותפת glenohumeral מבלי להיות מוטה יתר על המידה מפני משטחים רחוקים. שימוש במדידה זו לאינטראקציות שטח רחבות יותר (לדוגמה, טיביו-מורל) עשוי לדרוש אזור מדידה גדול יותר.
   6. מרכז מגע ממוצע משוקלל (כלומר, centroid): חשב את הנקודה על משטח ה-ROI שממזערת את המרחק המשוקלל לכל המשולשים האחרים באזור המדידה (כלומר, משולשים הקרובים ביותר לעצם הנגדית שאזוריהם מסתכמים ב-200 מ"^מ2) באמצעות התוכנה. גורם המשקל עבור כל משולש באזור המדידה מחושב כ: שטח משולש / מרחק בריבוע למרכז השכן הקרוב ביותר (כלומר, שקלול ריבועי הפוך). בדרך זו, המשולשים המשוקללים בכבדות רבה יותר גדולים יותר (על ידי גורם של 1) וקרובים יותר לעצם הנגדית (על ידי גורם של המרחק המינימלי בריבוע).
   7. מרכז מגע ממוצע: חשב את המיקום הממוצע של מרכז הקשר (כלומר, centroid) לאורך גירסת הניסיון בתנועה באמצעות התוכנה. בהתחשב במרכזי מגע המייצגים ארתרוקינמטיקה משותפת, מרכז המגע הממוצע מייצג את מרכז האינטראקציות על פני השטח במהלך תנועה.
   8. נתיב איש קשר: הגדר על-ידי חיבור הקואורדינטות של מרכז המגע הממוצע המשוקלל לאורך גירסת הניסיון בתנועה באמצעות התוכנה.
   9. אורך נתיב איש הקשר: חשב את אורך נתיב איש הקשר לאורך גירסת הניסיון בתנועה באמצעות התוכנה.

תוצאות

נקבה א-סימפטומטית בת 52 (BMI = 23.6 ק"ג^/מ"ר) גויסה כחלק מחקירה קודמת ועברה בדיקות תנועה (חטיפת מטוס קורונל) על כתפה הדומיננטית (הימנית)⁶⁵. לפני איסוף הנתונים, המשתתף סיפק הסכמה מדעת בכתב. החקירה אושרה על ידי ועדת הבדיקה המוסדית של הנרי פורד. איסוף הנתונים בוצע באמצעות הפרוטוקול שת...

Discussion

הטכניקה המתוארת כאן מתגברת על מספר חסרונות הקשורים לטכניקות קונבנציונליות להערכת תנועת הכתף (כלומר, סימולציות קדבוריות, הדמיה 2D, הדמיה תלת-ממדית סטטית, מערכות לכידת תנועה מבוססות וידאו, חיישנים לבישים וכו ') על ידי מתן אמצעים מדויקים של תנועה משותפת תלת-ממדית במהלך פעילויות דינמיות. הדיוק ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Calibration cube	Built in-house	N/A	10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box’s vertical edges (12 beads total). The positions of each bead are precisely known relative to a corner of the box that serves as the origin of the laboratory coordinate system.
Distortion correction grid	Built in-house	N/A	Lucite sheet that covers the entire face of the 16 inch image intensifier and contains an orthogonal array of tantalum beads spaced at 1 cm.
ImageJ	National Institutes of Health	N/A	Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.
Markerless Tracking Workbench	Custom, in house software	N/A	A workbench of custom software used to digitize anatomical landmarks on 3D bone models, constructs anatomical coordinate systems, uses intensity-based image registration to perform markerless tracking, and calculates and visualize kinematic outcomes measures.
MATLAB	Mathworks, Inc	N/A	Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.
Mimics (version 20)	Materialise, Inc	N/A	Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.
Open Inventor	Thermo Fisher Scientific	N/A	3D graphics program used to visualize bones
Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4)		N/A	Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images
Pulse generator (Model 9514)	Quantum Composers, Inc.	N/A	Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time
Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV)	EMD Technologies	N/A	Generates the x-rays used to produce radiographic images
Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110)	North American Imaging	N/A	Converts x-rays into photons to produce visible image
Two Phantom VEO 340 cameras	Vision Research	N/A	High speed cameras record the visible image created by the x-ray system