Измерение 3D In-vivo Кинематика плеча с помощью бипланарной видеорадиографии

Резюме

Бипланная видеорадиография может количественно определять кинематику плеча с высокой степенью точности. Протокол, описанный в настоящем описании, был специально разработан для отслеживания лопатки, плечевой кости и ребер во время плоского подъема плечевой кости и описывает процедуры сбора, обработки и анализа данных. Также описываются уникальные соображения по сбору данных.

Аннотация

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. К сожалению, патологии плеча (например, разрывы вращательной манжеты, вывихи суставов, артрит) являются распространенными, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Специфическая этиология для многих из этих патологических состояний не до конца понятна, но общепризнано, что патология плеча часто связана с измененным движением сустава. К сожалению, измерение движения плеча с необходимым уровнем точности для исследования гипотез, основанных на движении, не является тривиальным. Тем не менее, радиографические методы измерения движения обеспечили прогресс, необходимый для исследования гипотез на основе движения и обеспечения механистического понимания функции плеча. Таким образом, целью данной статьи является описание подходов к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов. Кроме того, в статье будут описаны особые соображения, присущие плечу при измерении кинематики суставов с использованием этого подхода.

Введение

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. Плечо также имеет наибольший диапазон движения основных суставов тела и часто описывается как компромисс между подвижностью и стабильностью. К сожалению, патологии плеча распространены, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Например, разрывы ротаторной манжеты затрагивают около 40% населения в возрасте старше ^601,2,3 лет, при этом ежегодно выполняется около 250 000 ремонтов ротаторных манжет4, а экономическое бремя в Соединенных Штатах составляет 3-5 миллиардов долларов в ^год5. Кроме того, вывихи плеча распространены и часто связаны с хронической ^{дисфункцией6}. Наконец, остеоартрит плечевого сустава (ОА) является еще одной значительной клинической проблемой, связанной с плечом, причем популяционные исследования показывают, что примерно 15-20% взрослых в возрасте старше 65 лет имеют рентгенологические доказательства гленогечевого ^ОА7,8. Эти состояния болезненны, ухудшают уровень активности и снижают качество жизни.

Хотя патогенезы этих состояний до конца не изучены, общепризнано, что измененное движение плеча связано со многими патологиями плеча9,10,11. В частности, аномальное движение сустава может способствовать ^{патологии9,12} или что патология может привести к аномальному движению ^{сустава13,14}. Отношения между движением суставов и патологией, вероятно, сложны, и тонкие изменения в движении сустава могут быть важны в плече. Например, хотя угловое движение является преобладающим движением, происходящим в плечевом суставе, суставные трансляции также происходят во время движения плеча. В нормальных условиях эти переводы, вероятно, не превышают нескольких миллиметров15,16,17,18,19, и поэтому могут быть ниже уровня точности in-vivo для некоторых методов измерения. Хотя может быть заманчиво предположить, что небольшие отклонения в движении суставов могут иметь небольшое клиническое воздействие, важно также признать, что кумулятивный эффект тонких отклонений в течение многих лет активности плеча может превышать порог человека для заживления и восстановления тканей. Кроме того, силы in vivo в плетеностном суставе не являются несущественными. Используя специальные инструментальные имплантаты плетеногечевого сустава, предыдущие исследования показали, что повышение веса 2 кг до высоты головы с вытянутой рукой может привести к силам плесневому сустава, которые могут варьироваться от 70% до 238% массы тела20,21,22. Следовательно, сочетание тонких изменений в движении суставов и высоких сил, сосредоточенных над небольшой площадью несущей поверхности гленоида, может способствовать развитию дегенеративных патологий плеча.

Исторически сложилось так, что измерение движения плеча осуществлялось с помощью различных экспериментальных подходов. Эти подходы включали использование сложных трупных испытательных систем, предназначенных для моделирования движения плеча23,24,25,26,27, систем захвата движения на основе видео с поверхностными маркерами28,29,31, поверхностных электромагнитных датчиков32,33,34,35 , костные штифты с прикрепленными отражающими маркерами или другими ^{датчиками36,37,38}, статическая двумерная медицинская визуализация (т.е. рентгеноскопия39,40,41 и рентгенограммы17,42,43,44,45), статическая трехмерная (3D) медицинская визуализация с использованием ^МРТ46,47, компьютерная ^{томография48}, и динамическая, 3D одноплоскостная флюороскопическая визуализация49,50,51. В последнее время носимые датчики (например, инерциальные единицы измерения) приобрели популярность для измерения движения плеч вне лабораторных условий и в условиях свободного проживания52,53,54,55,56,57.

В последние годы наблюдается распространение бипланных рентгенографических или флюороскопических систем, предназначенных для точного измерения динамических 3D-движений плеча in vivo58,59,60,61,62. Целью данной статьи является описание авторского подхода к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов.

протокол

Перед сбором данных участник предоставил письменное информированное согласие. Расследование было одобрено Советом по институциональному обзору системы здравоохранения Генри Форда.

Протоколы получения, обработки и анализа рентгенографических данных о движении бипланов сильно зависят от систем визуализации, программного обеспечения для обработки данных и интересующих показателей результатов. Следующий протокол был специально разработан для отслеживания лопатки, плечевой кости, третьего и четвертого ребер во время захвата лопаточной плоскости или корональной плоскости и для количественной оценки гленогеогематической, лопаточно-кочевой и плечевой кинематики.

1. Протокол компьютерной томографии

1. Попросите участника лечь лежа на спине на стол для КТ-обследования с руками по бокам. В зависимости от размера участника расположите их по центру на столе так, чтобы вся геми-туловище была доступна для визуализации.
2. Чтобы получить скаутские изображения, технолог следит за тем, чтобы поле зрения КТ включало ключицу (преимущественно), дистальные плечевые надмыщелки (ниже), весь плетеностной сустав (латерально), а также костовертебральный и грудино-реберный суставы (медиально) (рисунок 1).
3. Получите компьютерную томографию со следующими параметрами: режим сканирования = спиральный; напряжение трубки = 120 кВп; ток трубки: 200-400 мА (авто); толщина среза = 0,66 мм; FOV = 34 см.
4. Проверьте качество сканирования и поле зрения.
5. Переформатируйте коллекцию, используя матрицу изображения размером 512 x 512 пикселей. Учитывая толщину среза и FOV, получение приводит к изотропному воксельному расстоянию примерно 0,66 мм.
6. Экспортируйте изображения в формате DICOM.

2. Протокол захвата движения биплана рентгеновского излучения

ПРИМЕЧАНИЕ: Пользовательская бипланарная рентгеновская система, используемая в этом протоколе, описана в Таблице материалов. Процедуры сбора данных, скорее всего, будут варьироваться в зависимости от различных компонентов системы. Рентгеновские системы произвольно называются «зелеными» и «красными», чтобы различать процедуры и результирующие последовательности изображений, и расположены с углом между пучком примерно 50° и расстоянием от источника до изображения (SID) приблизительно 183 см (рисунок 2). Для сбора данных требуется не менее двух научных сотрудников; один для управления рентгеновской системой и компьютером, а другой для инструктажа участника исследования.

1. Настройка программного обеспечения камеры
   1. Установите диафрагму камеры на значение по умолчанию (f/5.6).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это значение зависит от нескольких факторов, включая камеру, время экспозиции, ISO и антропометрию участника.
   2. Откройте программное обеспечение камеры и загрузите протокол исследования на каждую камеру (частота дискретизации: 60 Гц, время экспозиции: 1 100 мкс).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время экспозиции камеры может варьироваться в зависимости от нескольких факторов, включая камеру, настройку диафрагмы и рентгенографическую экспозицию.
2. Прогрев системы
   ПРИМЕЧАНИЕ: Анод рентгеновской трубки может быть поврежден, если мощные воздействия производятся в холодном состоянии. Поэтому трубки должны быть прогреты серией низкоэнергетических воздействий на основе рекомендаций производителя.
   1. На обеих панелях управления рентгеновским генератором выберите Настройка сосудов . Предварительно запрограммированные сосудистые настройки обеспечивают низкое энергетическое воздействие, соответствующее прогреву системы (в зависимости от производителя системы).
   2. Установите время экспозиции на генераторе импульсов равным 0,25 с.
   3. На панелях управления рентгеновским генератором удерживайте нажатыми кнопки PREP . На экране появится задержка подготовки .
   4. Как только оба экрана прочитают Ready to Expose, одновременно нажмите и удерживайте кнопки EXPOSE .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это не будет производить рентгеновские лучи, а только вооружает систему. Производство рентгеновских лучей происходит только путем нажатия ножной педали или ручных триггеров.
   5. Нажмите кнопки PREP и EXPOSE на обеих панелях управления и одновременно нажмите и удерживайте ножную педаль (или ручную), чтобы запустить рентгеновский генератор для получения рентгеновских лучей.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рентгеновские лучи производятся в течение времени, заданного генератором импульсов (этап 2.3.2), или до тех пор, пока педаль не будет отпущена, в зависимости от того, что произойдет раньше.
   6. Повторяйте шаги 2.2.2-2.2.5 до тех пор, пока тепловой блок (HU) рентгеновской трубки не превысит уровень, требуемый производителем для получения изображений (5% HU для нашей системы).
3. Проверьте синхронизацию камеры и фокусировку изображения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Проверьте синхронизацию камеры и фокусировку, получив набор тестовых изображений сетки коррекции искажений (см. Таблицу материалов). Каждый усилитель изображения будет протестирован индивидуально с использованием шагов, описанных ниже.
   1. Поместите сетку коррекции искажений на усилитель изображения.
   2. На обеих панелях управления рентгеновским генератором выберите настройку «Сердце», которая запрограммирована на рентгенографическую технику по умолчанию (70 кВп, 320 мА, 2 мс и фокусное пятно = 1,0 мм).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройки камеры остаются неизменными (частота дискретизации: 60 Гц, время экспозиции: 1 100 мкс).
   3. Установите генератор импульсов на 0,25 с.
   4. Инициируйте получение камеры с помощью программного обеспечения камеры и получайте рентгеновские изображения, как описано ранее в шагах 2.2.3-2.2.5.
   5. Просмотрите полученные изображения и определите время, прошедшее от триггерного импульса для каждой системы. Если разница в затраченном времени между камерами составляет более 2 мкс, определите, какая камера работает с опозданием, и укажите задержку кадра в программном обеспечении камеры для решения проблемы.
   6. Визуально проверьте резкость изображения, чтобы проверить фокус камеры. Для объективной оценки проанализируйте линию профиля, проведенную через бусину в сетке коррекции искажений, используя программное обеспечение для обработки изображений (например, ImageJ). В частности, проверьте наклон значений серого цвета пикселей вдоль этой линии профиля. Более отрицательный наклон обеспечивает более четкое изображение (при условии, что рентгенографическое изображение перевернуто таким образом, что шарик темный). При необходимости перефокусируйте камеры и повторите шаги 2.3.3-2.3.6.
4. Настройка и позиционирование участников исследования
   ПРИМЕЧАНИЕ: Позиционирование участника исследования сильно зависит от отслеживаемых костей и проверяемого движения. Тестирование обычно проводится с участником исследования, сидящим на фиксированном стуле (т. Е. Не поворачивающемся или колесном), чтобы свести к минимуму возможность изменения их положения, которые могут привести к тому, что плечо выйдет за пределы объема 3D-изображения.
   1. Расположите кресло в объеме бипланной визуализации так, чтобы плечо, подлежащее испытанию, было центрировано примерно там, где пересекаются рентгеновские лучи биплана. Это предварительная позиция. Отрегулируйте его на основе антропометрии участника, движения, которое необходимо проверить, и костей, которые необходимо отслеживать.
   2. Попросите участника сесть в удобную вертикальную позу с руками, лежащими на боку.
   3. Закрепите защитный жилет со свинцовой подкладкой на туловище участника, чтобы покрыть его живот и контралатеральное плечо и грудь.
   4. Установите предварительную высоту усилителей изображения. Чтобы помочь в этой процедуре, включите свет в источнике рентгеновского излучения системы. Поднимайте систему до тех пор, пока тень участника, отбрасываемая на усилитель изображения, не окажется на уровне его подмышечной впадины.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Источник и усилитель изображения в каждой системе соединены для перемещения вместе. Несвязанные системы потребуют дополнительных этапов выравнивания, не описанных здесь.
   5. Установите предварительную высоту усилителей изображения. Осторожно переместите участника на стул в пределах объема изображения биплана, наблюдая за тем, как его тень отбрасывается на каждый усилитель изображения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Хорошее первоначальное предположение заключается в том, чтобы участник был расположен таким образом, чтобы акромиально-ключичный сустав находился примерно в центре обоих усилителей изображения. Это положение является разумным начальным предположением для текущего протокола, который требует визуализации и отслеживания плечевой кости, лопатки и двух ребер во время подъема плеча.
   6. Как только положение участника покажется разумным в обеих системах, держите источник света включенным и попросите участника выполнить движение, подлежащее тестированию. Убедитесь, что плечо участника остается в пределах рентгенографического поля зрения в течение всего испытания движения. Если возможно, объедините рентгеновские лучи, чтобы уменьшить воздействие.
   7. Повторяйте шаги 2.4.5-2.4.6 до тех пор, пока не выяснится, что настройка участника в томе изображения является подходящей.
   8. Исследователь No 1: Вернитесь в диспетчерскую, чтобы запустить рентгеновские панели управления и камеры. Установите рентгеновскую панель управления в режим рентгеноскопии малой мощности (60 кВп, 3-4 мА), а генератор импульсов - на 0,25 с.
   9. Исследователь No2: Объясните участнику, что будет сделано изображение, чтобы его положение можно было проверить на изображениях и описать серию событий, которые произойдут. Предупредите участника о звуках, которые издает система (например, щелчки, гулы), чтобы предотвратить любые опасения. Наденьте защитный жилет со свинцовой подкладкой, извлеките ручной спусковой крючок и отойдите как можно дальше от источников рентгеновского излучения, чтобы свести к минимуму воздействие, сохраняя при этом четкую линию видимости и связь с участником. Если возможно, встаньте за щит со свинцовой подкладкой с окном.
   10. Исследователь No 1 (в рентгеновской диспетчерской): Запустите камеры и загрунтуйте рентгеновскую панель управления, как описано ранее (шаги 2.2.3-2.2.5). Когда система будет готова к разоблачению, сообщите об этом исследователю No2.
   11. Исследователь No2 (в лаборатории): Укажите участнику о получении изображения. Запустите получение рентгенографического изображения с помощью ручного дистанционного триггера. Сообщите участнику, что был сделан снимок, и извинитесь перед диспетчерской.
   12. Исследователь No1 и No2 (в рентгеновской диспетчерской): Осмотр изображений. Сосредоточьтесь только на положении участника и видимости всех костей, которые необходимо отслеживать. При необходимости повторяйте шаги 2.4.5-2.4.12 до тех пор, пока положение участника не станет удовлетворительным.
   13. После установки и позиционирования рентгеновской системы не перемещайте рентгеновскую систему во время сеанса сбора данных, если для каждой конфигурации не будут собраны новые изображения калибровки и коррекции искажений. Кроме того, попросите участника двигаться как можно меньше в течение всего сеанса сбора данных, чтобы избежать необходимости повторять процедуры настройки.
5. Сбор данных: получение статических изображений
   1. Исследователь No1 (в рентгеновском кабинете): Установите оптимизированную рентгенографическую технику на рентгеновской панели управления (на основе предварительного тестирования). Радиографический протокол, используемый здесь, составляет 70 кВp, 320 мА, 2 мс, а фокусное пятно = 1,0 мм, при этом камера собирает данные при 60 Гц и времени экспозиции 1 100 мкс. Установите генератор импульсов на 0,25 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сообщите участнику, что следующее изображение будет формальным получением изображения.
   2. Исследователь No 2 (в лаборатории): Сообщите участнику, чтобы он сидел вертикально, положив руку на бок.
   3. Получение изображения, как описано выше (этапы 2.4.8-2.4.11).
   4. Исследователи No1 и No2 (в рентгеновской диспетчерской): Проверяют снимки. Сосредоточьтесь на качестве изображения (т.е. яркости и контрастности) и видимости всех необходимых костей. Если требуется корректировка качества изображения, определите параметр, который необходимо изменить (например, f-stop, время экспозиции камеры, кВп, мА) и повторно получите статическое изображение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Очень важно всегда помнить о том, как на дозу влияют рентгенографические параметры.
   5. Повторяйте шаги 2.5.1-2.5.4 до тех пор, пока качество изображения не станет приемлемым в пределах оценок дозы, утвержденных IRB.
   6. Как только качество изображения станет приемлемым, проверьте изображения на техническое качество (например, поврежденные кадры).
   7. После получения приемлемого статического пробного изображения сохраните пробную версию с каждой камеры (например, «green_still.cine», «red_still.cine»).
6. Сбор данных: динамическое получение изображений
   1. Исследователь No1 (в рентгеновской диспетчерской): Поддерживайте те же рентгенографические параметры, что и на статическом пробном изображении. Установите генератор импульсов на экспозицию 2,0 с.
   2. Исследователь No 2 (в лаборатории): Научите участника движению, которое должно быть выполнено, включая плоскость и время движения. Убедитесь, что стул и одежда участника и/или жилет со свинцовой подкладкой не мешают движению плеч. Потренируйтесь в ходатайстве с участником. Используйте словесную подсказку «Готово... и... go" так, что требуется 2 с (т.е. продолжительность судебного разбирательства ходатайства), чтобы помочь участнику ускорить инициирование и завершение ходатайства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Крайне важно, чтобы участник понимал процедуры и мог последовательно выполнять судебное разбирательство, чтобы избежать ненужного воздействия, связанного с неудачным испытанием.
   3. Исследователь No 2 (в лаборатории): После достаточной практики извлеките ручной дистанционный триггер. Переместитесь в безопасное место в лаборатории с четкой линией видимости и общением с участником исследования.
   4. Исследователь No 1 (в рентгеновской диспетчерской): Сбросьте генератор импульсов до 2,0 с, запустите камеры и загрунтуйте рентгеновскую панель управления, как описано ранее (шаги 2.3.4-2.3.5). Когда система будет готова к разоблачению, сообщите об этом исследователю No2.
   5. Исследователь No2 (в лаборатории): Спросите участника исследования: «Вы готовы?» [дождаться положительного ответа] "Готово... и... иди». (темп, как и раньше, так что занимает 2 с).
   6. Исследователь No 2 (в лаборатории): Вручную запускайте рентгеновскую систему, когда участник инициирует движение руки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на то, что ручное срабатывание на основе визуального движения может привести к пропуску начала испытания движения, оно предотвращает чрезмерное воздействие на участника исследования в случае недопонимания или задержки начала). Как только испытание будет завершено, сообщите участнику, что изображение было сделано, и извинитесь перед диспетчерской, чтобы осмотреть изображения.
   7. Исследователи No 1 и No 2 (в рентгеновской диспетчерской): Проверяют пробные изображения на качество (т.е. яркость и контрастность) и техническое состояние (т.е. любые поврежденные кадры) (рисунок 3). Сохраните испытания движения с каждой камеры (например, «green_scapab1.cine», «red_scapab1.cine»).
   8. Повторите шаги 2.6.1-2.6.7, чтобы собрать все испытания движения в рамках утвержденного протокола радиационной безопасности.
7. Сбор калибровочных изображений
   ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка радиографического изображения приводит к определению лабораторной системы координат, положения и ориентации каждой рентгеновской рентгенографической системы относительно лабораторной системы координат и внутренних параметров, которые позволяют генерировать цифровые реконструированные рентгенограммы (DRRs), которые используются в процессе отслеживания без маркеров. Расчеты калибровки описаны на этапе 3.4.1.
   1. Поддерживайте те же настройки камеры и рентгенографической техники, которые использовались во время сбора данных.
   2. Установите генератор импульсов на экспозицию 0,5 с.
   3. Расположите калибровочный куб (см. Таблицу материалов) в середине тома изображения.
   4. Получение и сохранение изображений куба (например, "green_cube.cine", "red_cube.cine").
8. Собирайте изображения для коррекции искажений и неоднородности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На рентгенографическое изображение, собранное с помощью усилителя изображения, влияют интенсивность, ^{неравномерность63} и искажения. Следовательно, изображения белого поля и сетки коррекции искажений получаются на каждой рентгенографической системе для определения необходимых поправок. Как правило, разумно собирать калибровочные изображения перед изображениями коррекции искажений и неравномерности в случае, если усилители изображения сталкиваются во время позиционирования сетки искажений.
   1. Удалите все объекты из рентгенографического поля зрения.
   2. Поддерживайте те же настройки камеры и рентгенографической техники, которые использовались во время сбора данных. Установите генератор импульсов на экспозицию 0,5 с.
   3. Прикрепите сетку коррекции искажений (см. Таблицу материалов) к поверхности зеленого усилителя изображения.
   4. Получение изображений сетки и белого поля.
   5. Сохраните изображения (например, "green_grid.cine", "red_white.cine").
   6. Переместите сетку на красный усилитель изображения и повторите шаги 2.7.2-2.7.5, изменив имена файлов изображений соответствующим образом.

3. Протокол обработки данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Процедуры подготовки геометрии кости, предварительной обработки изображения (т.е. коррекции искажений и неоднородности и калибровки изображения) и безмаркерового отслеживания сильно варьируются и зависят от используемого программного обеспечения. Процедуры, описанные в настоящем документе, специфичны для проприетарного программного обеспечения. Тем не менее, основные этапы обработки данных, вероятно, могут быть переведены в любой пакет программного обеспечения для захвата рентгеновского движения.

1. Обработка компьютерной томографии
   ПРИМЕЧАНИЕ: Запатентованное программное обеспечение для отслеживания без маркеров, используемое лабораторией авторов, оптимизирует положение и ориентацию DRR. Таким образом, процедуры обработки компьютерной томографии приводят к созданию 16-битного стека изображений TIFF. Другие пакеты программного обеспечения могут требовать, чтобы геометрия кости была представлена в различных форматах или спецификациях.
   1. Откройте программу обработки изображений (например, Mimics, FIJI) и импортируйте изображения КТ.
   2. Сегментируйте плечевую кость от окружающих мягких тканей. Для ребер создайте удлинитель, который соединяет переднюю сторону ребра с манубриумом, чтобы оцифровать грудино-реберный сустав позже на этапе 3.2.6.
   3. Выполните логическую операцию на готовой маске с черной маской (т.е. все пиксели окрашены в черный цвет) (операция: черный минус кость). Это приводит к перевернутой маске кости, в которой все пиксели черные, за исключением тех, которые соответствуют кости, которые остаются в оттенках серого КТ.
   4. Обрежьте стек изображений вдоль всех трех осей, чтобы исключить черные (т.е. некостные) пиксели. Оставьте несколько черных пикселей по краям этой 3D-ограничительной рамки.
   5. Сохраните измененный стек изображений в формате TIFF.
   6. Повторите шаги 3.1.1-3.1.5 для всех оставшихся костей.
2. Определение анатомических систем координат и областей, представляющих интерес (ROI)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот протокол ориентирует анатомические системы координат следующим образом. Для правого плеча ось +X ориентирована в сторону, ось +Y ориентирована лучше, а ось +Z ориентирована сзади. Для левого плеча ось +X ориентирована сбоку, ось +Y ориентирована лучше, а ось +Z ориентирована спереди.
   1. Импортируйте стек изображений TIFF для обработки кости. Преобразование стека TIFF в . RAW и рендеринг 3D-модели кости на основе известных размеров в пикселях и интервалов между изображениями с помощью проприетарного программного обеспечения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Разрешение модели основано на выборке объема КТ (т.е. воксельном интервале). Следовательно, средняя площадь сетчатых треугольников составляет приблизительно 1,02 ^мм2 (±0,2 ^мм2) (этап 1,3).
   2. Оцифруйте анатомические ориентиры на плечевой кости следующим образом (рисунок 4А).
      1. Геометрический центр головки плечевой кости: определите размеры и положение сферы, которая минимизирует расстояние между поверхностью сферы и суставной поверхностью плечевой кости, используя алгоритм наименьших квадратов. Определите геометрический центр головки плечевой кости как координаты центра оптимизированной сферы.
      2. Медиальные и боковые надмыщелки: расположены в самом широком отделе дистального отдела плечевой кости.
   3. Определите roi головки плечевой кости следующим образом (рисунок 5A).
      1. Вся суставная поверхность плечевой кости и большая бугристость.
   4. Оцифруйте анатомические ориентиры на лопатке следующим образом (рисунок 4B).
      1. Корень лопаточного отдела позвоночника: расположен на медиальной границе вдоль лопаточного отдела позвоночника.
      2. Задний акромиально-ключичный сустав: расположен в заднем аспекте ключичной фасетки на лопаточном акромионе.
      3. Нижний угол: расположен в самой нижней точке лопатки.
   5. Определите окупаемость инвестиций в лопатки следующим образом (рисунок 5B).
      1. Акромион: Нижняя поверхность акромиона латерально к позвоночнику лопатки.
      2. Гленоид: Вся артикуляционная поверхность гленоида.
   6. Оцифруйте анатомические ориентиры на ребрах следующим образом (рисунок 4C).
      1. Переднее ребро: расположено в самой медиальной части удлинения ребра.
      2. Заднее ребро: расположено в верхней/нижней средней точке заднего аспекта фасетки на головке ребра.
      3. Боковое ребро: расположено в самом боковом аспекте ребра, когда передняя и задняя точки ребра выровнены вертикально на экране.
3. Предварительная обработка изображений
   ПРИМЕЧАНИЕ: Предварительная обработка изображений выполняется с использованием проприетарного программного обеспечения и включает в себя преобразование файлов кинообразов в стеки TIFF и исправление изображений для искажения неоднородности.
   1. Выполнение коррекции неравномерности: программное обеспечение усредняет приблизительно 30 кадров (т. Е. 0,5 с данных) для получения одного высококачественного изображения яркого поля, чтобы свести к минимуму эффект шума в любом отдельном кадре. Изображение яркого поля используется для расчета истинной рентгенографической плотности вдоль луча от источника рентгеновского излучения до каждого пикселя каждого кадра данных. Сумма рентгенографической плотности всей материи, пронизанной лучом каждого пикселя, пропорциональна логарифму яркого поля для этого пикселя за вычетом логарифма изображения наблюдения для этого пикселя (т. е. логарифмической субобработки).
   2. Выполнение коррекции искажений: программное обеспечение усредняет приблизительно 30 кадров (т. Е. 0,5 секунды данных) для создания одного изображения и уменьшает эффект шума в любом отдельном изображении. Программное обеспечение для коррекции искажений создает аффинную карту от каждой тройки соседних положений бусин на изображении сетки искажений до известного (истинного) положения этих трех бусин в сетке коррекции искажений Lucite. Эта коллекция небольших аффинных карт затем используется для ресамплинга каждого наблюдаемого кадра испытания движения в истинные координаты, представленные ортогональным массивом бусин.
   3. Применяйте исправления искажений и неоднородности ко всем кадрам каждого испытания.
4. Калибровка объема биплана.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка изображений выполнялась с использованием проприетарного программного обеспечения. Программное обеспечение использует нелинейный алгоритм оптимизации для настройки наблюдаемых местоположений шариков калибровочного объекта в соответствии с их известными 3D-местоположениями. Этот процесс проводится для каждого набора бипланарных калибровочных изображений. Результатом является система, которая может в цифровом виде проецировать два вида костного объема и регистрировать их по радиографическим изображениям той же кости, собранным во время сбора данных.
5. Безмаркерное отслеживание
   ПРИМЕЧАНИЕ: Безмаркерное отслеживание осуществляется с использованием проприетарного программного обеспечения. Программное обеспечение, такое как Autoscoper и C-Motion, также может использоваться для завершения этого процесса.
   1. На первом кадре испытания движения поверните и переведите DRR с помощью программных элементов управления, пока он не покажется хорошо соответствующим рентгеновским изображениям биплана (рисунок 6).
   2. Сохраните решение вручную.
   3. Примените алгоритм оптимизации.
   4. Визуально осмотрите решение, определенное как оптимальное по алгоритму, основанному на исходном ручном решении. При необходимости отрегулируйте раствор и повторяйте шаги 3.5.2-3.5.3 до тех пор, пока не будете удовлетворены оптимизированным решением.
   5. Повторите шаги 3.5.1-3.5.4 для каждого ^10-го кадра в ходе судебного разбирательства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот интервал зависит от нескольких факторов, включая частоту кадров, скорость движения и качество изображения. Могут потребоваться меньшие интервалы.
   6. После отслеживания каждого ^10-го кадра выполните оптимизацию для создания интерполированных предварительных решений, которые впоследствии оптимизируются.
   7. Продолжайте совершенствовать решения до тех пор, пока все кадры испытания движения не будут хорошо отслежены.

4. Протокол анализа данных

ПРИМЕЧАНИЕ: Запатентованное программное обеспечение для отслеживания без маркеров, используемое в этом протоколе, приводит к необработанным и отфильтрованным траекториям анатомических ориентиров, которые будут использоваться для построения анатомических систем координат. Эти координаты выражаются относительно лабораторной системы координат, определяемой калибровочным объектом во время процедуры калибровки. Следующий протокол описывает, в общих чертах, процедуры расчета кинематических показателей результатов из этих ориентировочных траекторий таким образом, что они могут быть вычислены на любом языке программирования (например, MATLAB). Второе проприетарное программное обеспечение используется для расчета кинематики и статистики близости.

1. Вычисление кинематики и статистики приближения
   ПРИМЕЧАНИЕ: Первичные кинематические показатели результатов включают вращения суставов (т.е. углы Эйлера) и положения. Первичная статистика близости включает минимальный разрыв, средний разрыв и средневзвешенный контакт-центр, которые рассчитываются для каждого кадра данных. В совокупности эти меры описывают артрокинематику суставов или поверхностные взаимодействия во время движения. Анатомические близости, которые агрегируются по всему испытанию движения, включают средний контакт-центр, контактный путь и длину контактного пути.
   1. Для каждой кости и кадра движения используйте отфильтрованные анатомические ориентировочные координаты (т. Е. Вывод из безмаркерного программного обеспечения для отслеживания) для построения 16-элементной матрицы преобразования, представляющей анатомическую систему координат кости относительно лабораторной системы координат.
   2. Рассчитайте относительную кинематику, связав анатомические системы координат между соответствующими костями с помощью программного обеспечения.
   3. Извлекайте углы и положения стыка обычными ^{методами64}. Учитывая ориентацию анатомических систем координат, извлеките глено-плечевую кинематику с помощью последовательности вращения Z-X'-Y'', извлеките скапулоторакальную кинематику с помощью последовательности вращения Y-Z'-X'' и извлеките кинематику плечевой кости с использованием последовательности вращения Y-Z'-Y''
   4. Минимальный зазор: Рассчитайте наименьший зазор (т.е. расстояние) между центроидами треугольника ближайшего соседа на противоположной кости с помощью программного обеспечения.
   5. Средний разрыв: Рассчитайте средневзвешенное по площади минимальное зазор, используя треугольники, которые имеют наименьший зазор к своему ближайшему соседу в пределах заданной области измерения с помощью программного обеспечения. Определите область измерения как треугольники, ближайшие к противоположной кости, площади которых составляют 200 ^мм2. Включите эту область измерения в расчет, чтобы гарантировать, что только поверхность, которая разумно близка к противоположной кости, включена в расчет среднего зазора.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Размеры области измерения (т.е. 200 ^мм2) были выбраны в ходе первоначальной разработки алгоритма после того, как было обнаружено, что она последовательно отражает субакромиальное пространство и чувствительность плетеностного сустава без чрезмерного смещения с удаленных поверхностей. Использование этой меры для более широких поверхностных взаимодействий (например, тибиофеморальных) может потребовать большей площади измерения.
   6. Средневзвешенный контакт-центр (т.е. центроид): Рассчитайте точку на поверхности ROI, которая минимизирует взвешенное расстояние до всех других треугольников в пределах области измерения (т. Е. Треугольников, ближайших к противоположной кости, площадь которых составляет 200 ^мм2) с помощью программного обеспечения. Весовой коэффициент для каждого треугольника в области измерения рассчитывается как: площадь треугольника / квадратное расстояние до ближайшего соседнего центроида (т.е. обратное взвешивание квадрата). Таким образом, треугольники, которые взвешиваются сильнее, больше (в 1 раз) и ближе к противоположной кости (в раз меньшем квадрате минимального расстояния).
   7. Средний контакт-центр: Рассчитайте среднее положение контакт-центра (т.е. центроида) во время испытания движения с помощью программного обеспечения. Поскольку контакт-центры представляют собой артрокинематику суставов, средний контакт-центр представляет собой центр поверхностных взаимодействий во время движения.
   8. Контактный путь: Определите, соединив координаты средневзвешенного контакт-центра во время испытания движения с помощью программного обеспечения.
   9. Длина контактного пути: рассчитайте длину контактного пути через пробную версию движения с помощью программного обеспечения.

Результаты

52-летняя бессимптомная женщина (ИМТ = 23,6 кг/^м2) была набрана в рамках предыдущего расследования и прошла тестирование движения (корональное похищение плоскости) на своем доминирующем (правом) ^плече65. Перед сбором данных участник предоставил письменное информированно?...

Обсуждение

Метод, описанный здесь, преодолевает несколько недостатков, связанных с традиционными методами оценки движения плеча (например, трупное моделирование, 2D-визуализация, статическая 3D-визуализация, системы захвата движения на основе видео, носимые датчики и т. Д.), Обеспечивая точные изме?...

Материалы

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