Biplanar Videoradyografi kullanarak 3D In-vivo Omuz Kinematik ölçümü

Özet

Çift kanatlı videoradiyografi omuz kinematiği yüksek doğruluk derecesiyle ölçebilir. Burada açıklanan protokol, düzlemsel humeral yükseklik sırasında kürek kemiği, humerus ve kaburgaları izlemek için özel olarak tasarlanmıştır ve veri toplama, işleme ve analiz prosedürlerini özetlemektedir. Veri toplama için benzersiz hususlar da açıklanmıştır.

Özet

Omuz, dört ayrı eklemin, çoklu bağların ve yaklaşık 20 kasın koordineli hareketleriyle meydana gelen hareketle insan vücudunun en karmaşık eklem sistemlerinden biridir. Ne yazık ki, omuz patolojileri (örneğin, rotator manşet yırtılmaları, eklem çıkıkları, artrit) yaygındır, bu da önemli ağrı, sakatlık ve yaşam kalitesinin düşmesine neden olur. Bu patolojik koşulların birçoğu için spesifik etiyoloji tam olarak anlaşılamamıştır, ancak omuz patolojisinin genellikle değiştirilmiş eklem hareketi ile ilişkili olduğu genel olarak kabul edilmektedir. Ne yazık ki, omuz hareketini hareket tabanlı hipotezleri araştırmak için gerekli doğruluk seviyesiyle ölçmek önemsiz değildir. Bununla birlikte, radyografik tabanlı hareket ölçüm teknikleri, hareket tabanlı hipotezleri araştırmak ve omuz fonksiyonu hakkında mekanistik bir anlayış sağlamak için gerekli ilerlemeyi sağlamıştır. Bu nedenle, bu makalenin amacı, özel bir çift kanatlı videoradiografi sistemi kullanarak omuz hareketini ölçme yaklaşımlarını açıklamaktır. Bu makalenin özel hedefleri, omuz kompleksinin çift kanatlı videoradyografik görüntülerini elde etmek, BT taramaları elde etmek, 3D kemik modelleri geliştirmek, anatomik yer işaretlerini bulmak, ikiplanar radyografik görüntülerden humerus, kürek kemiği ve gövdenin konumunu ve yönünü izlemek ve kinematik sonuç önlemlerini hesaplamak için protokolleri açıklamaktır. Ek olarak, makalede bu yaklaşım kullanılarak eklem kinematik ölçümünde omuza özgü özel hususlar açıklanmaktadır.

Giriş

Omuz, dört ayrı eklemin, çoklu bağların ve yaklaşık 20 kasın koordineli hareketleriyle meydana gelen hareketle insan vücudunun en karmaşık eklem sistemlerinden biridir. Omuz ayrıca vücudun ana eklemlerinin en geniş hareket aralığına sahiptir ve genellikle hareketlilik ve stabilite arasında bir uzlaşma olarak tanımlanır. Ne yazık ki, omuz patolojileri yaygındır, bu da önemli ağrı, sakatlık ve yaşam kalitesinin düşmesine neden olur. Örneğin, rotator manşet yırtığı ^601,2,3 yaşın üzerindeki nüfusun yaklaşık% 40'ını etkiler, yılda yaklaşık 250.000 rotator manşet onarımı 4 ve Amerika Birleşik Devletleri'nde yılda 3-5 milyar abd doları tahmini ekonomik ^yük5. Ek olarak, omuz çıkığı yaygındır ve genellikle kronik disfonksiyon ile ^{ilişkilidir6}. Son olarak, glenohumeral eklem osteoartrit (OA), 65 yaşın üzerindeki yetişkinlerin yaklaşık% 15-20'sinin glenohumeral OA7,8'in radyografik kanıtına sahip olduğunu gösteren nüfus çalışmaları ile omuzla ilgili bir başka önemli klinik sorundur. Bu koşullar acı vericidir, aktivite seviyelerini bozar ve yaşam kalitesini düşürır.

Bu durumların patojenleri tam olarak anlaşılamasa da, değiştirilen omuz hareketinin birçok omuz patolojisi ile ilişkili olduğu genel olarak kabul edilmektedir9,10,11. Özellikle, anormal eklem hareketi patolojiye katkıda ^{bulunabilir9,12} veya patoloji anormal eklem hareketine yol ^{açabilir13,14}. Eklem hareketi ve patoloji arasındaki ilişkiler muhtemelen karmaşıktır ve eklem hareketindeki ince değişiklikler omuzda önemli olabilir. Örneğin, açısal hareket glenohumeral eklemde meydana gelen baskın hareket olmasına rağmen, omuz hareketi sırasında eklem çevirileri de meydana gelir. Normal koşullar altında bu çeviriler muhtemelen birkaç milimetreyi geçmez15,16,17,18,19 ve bu nedenle bazı ölçüm teknikleri için in-vivo doğruluk seviyesinin altında olabilir. Eklem hareketlerindeki küçük sapmaların çok az klinik etkisi olabileceğini varsaymak cazip olsa da, yıllar süren omuz aktivitesi üzerindeki ince sapmaların kümülatif etkisinin bireyin doku iyileşmesi ve onarımı için eşiğini aşabileceğinin de farkına varmak önemlidir. Ayrıca, glenohumeral eklemdeki in-vivo kuvvetler önemsiz değildir. Özel aletli glenohumeral eklem implantları kullanılarak, önceki çalışmalar, uzatılmış bir kolla 2 kg ağırlığın baş yüksekliğine yükseltilmesinin, vücut ağırlığının% 70 ila% 238'i arasında değişebilen glenohumeral eklem kuvvetlerine neden olabileceğini göstermiştir20,21,22. Sonuç olarak, glenoidin küçük yük taşıyan yüzey alanı üzerinde yoğunlaşan eklem hareketlerindeki ince değişiklikler ve yüksek kuvvetlerin kombinasyonu dejeneratif omuz patolojilerinin gelişmesine katkıda bulunabilir.

Tarihsel olarak, omuz hareketinin ölçümü çeşitli deneysel yaklaşımlarla gerçeklenmiştir. Bu yaklaşımlar arasında omuz hareketini simüle etmek için tasarlanmış karmaşık kadavra test sistemlerinin kullanımı23,24,25,26,27, yüzey işaretleyicili video tabanlı hareket yakalama sistemleri28,29,31, yüzeye monte elektromanyetik sensörler32,33,34,35 , yansıtıcı işaretleyiciler veya diğer sensörler takılı kemik pimleri36,37,38, statik iki boyutlu tıbbi görüntüleme (örneğin, floroskopi39,40,41 ve radyografi17,42,43,44,45), ^MRI46,47 kullanarak statik üç boyutlu (3D) tıbbi görüntüleme, bilgisayarlı ^tomografi48 ve dinamik, 3D tek düzlemli floroskopik görüntüleme49,50,51. Daha yakın zamanlarda, giyilebilir sensörler (örneğin, ataletsel ölçüm üniteleri), laboratuvar ortamı dışında ve serbest yaşam koşullarında omuz hareketini ölçmek için popülerlik kazanmıştır52,53,54,55,56,57.

Son yıllarda, ^omuzdaki dinamik, 3D in-vivo hareketleri doğru bir şekilde ölçmek için tasarlanmış çift kanatlı radyografik veya floroskopik sistemlerin çoğalması olmuştur58,59,60,61,62. Bu makalenin amacı, yazarların omuz hareketini ölçme yaklaşımını özel bir çift kanatlı videoradiografi sistemi kullanarak tanımlamaktır. Bu makalenin özel hedefleri, omuz kompleksinin çift kanatlı videoradyografik görüntülerini elde etmek, BT taramaları elde etmek, 3D kemik modelleri geliştirmek, anatomik yer işaretlerini bulmak, ikiplanar radyografik görüntülerden humerus, kürek kemiği ve gövdenin konumunu ve yönünü izlemek ve kinematik sonuç önlemlerini hesaplamak için protokolleri açıklamaktır.

Protokol

Veri toplamadan önce, katılımcı yazılı bilgilendirilmiş onay verdi. Soruşturma Henry Ford Sağlık Sistemi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı.

Çift kanatlı radyografik hareket verilerinin eldei, işlenmesi ve analizine ilişkin protokoller, görüntüleme sistemlerine, veri işleme yazılımına ve ilgi çekici sonuç ölçülerine oldukça bağlıdır. Aşağıdaki protokol özellikle kürek kemiği, humerus ve skapular düzlem veya koronal düzlem kaçırma sırasında üçüncü ve dördüncü kaburgaları izlemek ve glenohumeral, scapulothoracic ve humerothoracic kinematikleri ölçmek için tasarlanmıştır.

1. BT görüntüleme protokolü

1. Katılımcıdan ct muayene masasına kollarını yanlarında yaslamasını isteyin. Katılımcının boyutuna bağlı olarak, tüm hemi-gövdenin görüntüleme için kullanılabilir olması için bunları masanın ortasına yerleştirin.
2. Keşif görüntülerini elde etmek için, teknoloji uzmanı CT görüş alanının köprücük kemiğini (üstün olarak), distal humeral epikondilenleri (altlık), tüm glenohumeral eklemi (yanal olarak) ve costovertebral ve sternocostal eklemleri (medial olarak) içermesini sağlar (Şekil 1).
3. CT taramasını aşağıdaki parametrelerle alın: tarama modu = sarmal; tüp gerilimi = 120 kVp; tüp akımı: 200-400 mA (otomatik); dilim kalınlığı = 0,66 mm; FOV = 34 cm.
4. Tarama kalitesini ve görüş alanını doğrulayın.
5. 512 x 512 piksel görüntü matrisi boyutu kullanarak edinmeyi yeniden biçimlendir. Dilim kalınlığı ve FOV göz önüne alındığında, alım yaklaşık 0,66 mm izotropik voksel aralığı ile sonuçlanır.
6. Görüntüleri DICOM biçiminde dışa aktar.

2. Çift kanatlı X-ışını hareket yakalama protokolü

NOT: Bu protokolde kullanılan özel çift kanatlı x-ray sistemi Malzeme Tablosunda açıklanmıştır. Veri toplama yordamları büyük olasılıkla farklı sistem bileşenlerine göre değişir. X-ray sistemleri, prosedürleri ve ortaya çıkan görüntü dizilerini ayırt etmek için keyfi olarak "yeşil" ve "kırmızı" olarak terimlendirilir ve yaklaşık 50 ° ışınlar arası açı ve yaklaşık 183 cm kaynak-görüntü mesafesi (SID) ile konumlandırılmıştır (Şekil 2). Veri toplama için en az iki araştırma personeli gereklidir; biri x-ray sistemini ve bilgisayarı çalıştırmak, diğeri de araştırma katılımcısına talimat vermek.

1. Kamera yazılımı kurulumu
   1. Kamera diyaframını varsayılan ayara (f/5.6) ayarlayın.
      NOT: Bu değer kamera, pozlama süresi, ISO ve katılımcı antropometrikleri gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.
   2. Kamera yazılımını açın ve çalışma protokolünü her kameraya yükleyin (örnekleme hızı: 60 Hz, pozlama süresi: 1.100 μs).
      NOT: Kamera pozlama süresi kamera, diyafram ayarı ve radyografik pozlama gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak değişebilir.
2. Sistem ısınması
   NOT: Soğuk olduğunda yüksek güçlü pozlamalar üretilirse x-ray tüpünün anotları zarar görebilir. Bu nedenle, tüpler üreticinin önerilerine göre bir dizi düşük enerjili maruziyetle ısıtılmalıdır.
   1. Her iki x-ray jeneratör kontrol panelinde Vasküler ayarı seçin. Önceden programlanmış vasküler ayarlar, sistem ısınmasına uygun düşük enerji maruziyetleri üretir (sistem üreticisi başına).
   2. Darbe jeneratörünün pozlama süresini 0,25 sn olarak ayarlayın.
   3. X-ray jeneratör kontrol panellerinde PREP düğmelerini basılı tutun. Hazırlık Gecikmesi ekranda görünür.
   4. Her iki ekran da Kullanıma Hazır'ı okuduktan sonra, AYNı anda GÖSTER düğmelerini basılı tutun.
      NOT: Bu x-ışınları üretmez, sadece sistemi silahlandırmaz. Röntgen üretimi sadece ayak pedalı veya el tetiklerinin depresif olarak gerçekleşir.
   5. Her iki kontrol panelinde de PREP ve EXPOSE düğmelerini bastırın ve x-ray jeneratörünü x-ışınları üretmek için tetiklemek için ayak pedalını (veya elde tutulan) aynı anda bastırın ve basılı tutun.
      NOT: X ışınları, darbe jeneratörü (adım 2.3.2) tarafından belirtilen süre boyunca veya pedal serbest bırakılana kadar (hangisi önce gerçekleşirse) üretilir.
   6. X-ray tüpünün ısı birimi (HU) üreticinin görüntü elde etmek için ihtiyaç duyduğu seviyeyi (sistemimiz için% 5 HU) aşana kadar 2.2.2-2.2.5 adımlarını tekrarlayın.
3. Kamera senkronizasyonunu ve görüntü odağını doğrulayın.
   NOT: Deformasyon düzeltme ızgarasının bir dizi test görüntüsü alarak kamera senkronizasyonunu ve odağını doğrulayın (bkz. Malzeme Tablosu). Her görüntü yoğunlaştırıcı, aşağıda açıklanan adımlar kullanılarak ayrı ayrı test edilecektir.
   1. Deformasyon düzeltme ızgarasını görüntü yoğunlaştırıcının üzerine yerleştirin.
   2. Her iki x-ray jeneratör kontrol panelinde, varsayılan radyografik tekniğe (70 kVp, 320 mA, 2 ms ve odak noktası = 1,0 mm) programlanmış Kardiyak ayarı seçin.
      NOT: Kamera ayarları değişmeden kalır (örnekleme hızı: 60 Hz, pozlama süresi: 1.100 μs).
   3. Darbe jeneratörünü 0.25 sn olarak ayarlayın.
   4. Kamera yazılımı aracılığıyla kamera alımını başlatın ve 2.2.3-2.2.5 adımlarında daha önce açıklandığı gibi x-ray görüntüleri alın.
   5. Elde edilen görüntüleri önizleyin ve her sistem için tetikleyici darbesinden geçen süreyi belirleyin. Kameralar arasında geçen süre farkı 2 μs'den fazlaysa, hangi kameranın geç ateş ettiğini belirleyin ve sorunu çözmek için kamera yazılımında bir kare gecikmesi belirtin.
   6. Kamera odağını doğrulamak için görüntünün keskinliğini görsel olarak inceleyin. Objektif değerlendirme için, görüntü işleme yazılımını (örneğin, ImageJ) kullanarak bozulma düzeltme ızgarası içindeki bir boncuk boyunca çizilen bir profil çizgisini analiz edin. Özellikle, bu profil çizgisi boyunca piksel grisi değerlerinin eğimini inceleyin. Daha negatif bir eğim daha keskin bir görüntü sağlar (radyografik görüntünün boncuk karanlık olacak şekilde ters çevrildiğini varsayarsak). Gerekirse, kameralara yeniden odaklanın ve 2.3.3-2.3.6 adımlarını tekrarlayın.
4. Araştırma katılımcısı kurulumu ve konumlandırması
   NOT: Araştırma katılımcısının konumu, izlenen kemiklere ve test edilen harekete oldukça bağlıdır. Test genellikle, omzun 3D görüntüleme hacminin dışına taşınmasına neden olabilecek konumlarındaki değişiklik potansiyelini en aza indirmek için sabit bir sandalyeye oturan araştırma katılımcısı ile (yani döner veya tekerlekli değil) gerçekleştirilir.
   1. Sandalyeyi çift kanatlı görüntüleme hacmine yerleştirin, böylece test edilecek omuz yaklaşık olarak çift kanatlı x-ışını ışınlarının kesiştiği yerde ortalanır. Bu bir ön hazırlık pozisyonu. Katılımcının antropometriklerine, test edilecek harekete ve izlenecek kemiklere göre ayarlayın.
   2. Katılımcıdan rahat bir dik duruşta, kolları yanında dinlenerek oturmasını isteyin.
   3. Karnını ve kontrallateral omuz ve göğsünü örtmek için katılımcının gövdesine kurşun kaplı bir koruyucu yelek sabitleyin.
   4. Görüntü yoğunlaştırıcıların ön yüksekliğini ayarlayın. Bu yordamı bilgilendirmeye yardımcı olmak için, sistemin x-ray kaynağındaki ışığı açın. Katılımcının gölgesi görüntü yoğunlaştırıcısına axilla'larının seviyesinde olana kadar sistemi yükseltin.
      NOT: Her sistemdeki kaynak ve görüntü yoğunlaştırıcı birlikte hareket etmek için birleştirilir. Ayrılmamış sistemler, burada açıklanmamış ek hizalama adımları gerektirir.
   5. Görüntü yoğunlaştırıcıların ön yüksekliğini oluşturun. Her görüntü yoğunlaştırıcıya gölgelerinin dökümlerini izlerken katılımcıyı çift düzlem görüntü hacmi içinde sandalyelerine hafifçe hareket ettiresiniz.
      NOT: İyi bir ilk tahmin, katılımcının akromioklaviküler eklemin yaklaşık olarak her iki görüntü yoğunlaştırıcısının merkezinde olacak şekilde konumlandırılmasıdır. Bu pozisyon, omuz yüksekliği sırasında humerus, kürek kemiği ve iki kaburganın görselleştirilmesini ve izlenmesini gerektiren mevcut protokol için makul bir ilk tahmindir.
   6. Katılımcının konumu her iki sistemde de makul göründüğünde, ışık kaynağını açık tutun ve katılımcıdan test edilecek hareketi gerçekleştirmesini isteyin. Tüm hareket denemesi sırasında katılımcının omzunun radyografik görüş alanında kaldığından emin olun. Mümkünse, maruziyeti azaltmak için kollimat x-ışını ışınları.
   7. Katılımcının görüntü birimi içindeki kurulumu uygun görünene kadar 2.4.5-2.4.6 adımlarını yineleyin.
   8. Araştırmacı #1: X-ray kontrol panellerini ve kameraları çalıştırmak için kontrol odasına dönün. X-ray kontrol panelini düşük güç floroskopi moduna (60 kVp, 3-4 mA) ve darbe jeneratörünü 0,25 sn alıma ayarlayın.
   9. Araştırmacı #2: Katılımcıya, konumlarının görüntülerde doğrulanabilmesi ve gerçekleşecek olaylar dizisini anlatabilmesi için bir görüntünün alınacağını açıklayın. Herhangi bir endişeyi önlemek için katılımcıyı sistemin yaptığı sesler (örneğin, tıklamalar, uğultular) hakkında uyarın. Kurşun kaplı bir koruyucu yelek don, elde tutulan tetiği alın ve katılımcı ile net bir görüş ve iletişim hattı korurken maruziyeti en aza indirmek için x-ray kaynaklarından mümkün olduğunca uzaklaşın. Mümkünse, pencereli kurşun kaplı bir kalkanın arkasında durun.
   10. Araştırmacı #1 (x-ray kontrol odasında): Kameraları başlatın ve x-ray kontrol panelini daha önce açıklandığı gibi astarleyin (adım 2.2.3-2.2.5). Sistem kullanıma hazır olduğunda, araştırmacıya #2 bildirin.
   11. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Katılımcıya görüntü alımı hakkında bilgi nün. Elde tutulan uzaktan kumandayı kullanarak radyografik görüntü alımını tetikleyin. Katılımcıya bir görüntünün çekildiğini bildirin ve kontrol odasına mazur görün.
   12. Araştırmacı #1 ve #2 (x-ray kontrol odasında): Görüntüleri inceleyin. Sadece katılımcının konumuna ve izlenecek tüm kemiklerin görünürlüğüne odaklanın. Gerekirse, katılımcının konumu tatmin edici olana kadar 2.4.5-2.4.12 adımlarını yineleyin.
   13. X-ray sisteminin kurulumu ve konumlandırılması kurulduktan sonra, her yapılandırma için yeni kalibrasyon ve bozulma düzeltme görüntüleri toplanmadıkça, veri toplama oturumu sırasında x-ray sistemini hareket ettirmeyin. Ayrıca, kurulum yordamlarını yinelemek zorunda kalmamak için katılımcıya veri toplama oturumu süresince mümkün olduğunca az hareket etmesini söyleyin.
5. Veri toplama: Statik görüntü alma
   1. Araştırmacı #1 (x-ray kontrol odasında): X-ışını kontrol panelinde optimize edilmiş radyografik tekniği ayarlayın (ön testlere göre). Burada kullanılan radyografik protokol 70 kVp, 320 mA, 2 ms ve odak noktası = 1,0 mm'dir ve kamera 60 Hz'de toplanır ve 1.100 μs pozlama süresine sahip. Darbe jeneratörünü 0.25 sn olarak ayarlayın.
      NOT: Katılımcıya bir sonraki görüntünün resmi bir görüntü alımı olacağını bildirin.
   2. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Katılımcıyı kollarını yan yaslayarak dik oturması için bilgilendirin.
   3. Daha önce açıklandığı gibi bir görüntü alın (adım 2.4.8-2.4.11).
   4. Araştırmacılar #1 ve #2 (x-ray kontrol odasında): Görüntüleri inceleyin. Görüntü kalitesine (yani parlaklık ve kontrast) ve gerekli tüm kemiklerin görünürlüğüne odaklanın. Görüntü kalitesinde ayarlamalar gerekiyorsa, değiştirilecek parametreyi belirleyin (örneğin, f-stop, kamera pozlama süresi, kVp, mA) ve statik görüntüyü yeniden alın.
      NOT: Dozun radyografik parametrelerden nasıl etkilendiğine her zaman dikkat etmek önemlidir.
   5. IRB tarafından onaylanan doz tahminleri dahilinde, görüntü kalitesi kabul edilene kadar 2.5.1-2.5.4 adımlarını yineleyin.
   6. Görüntü kalitesi kabul edilebilir olduğunda, görüntüleri teknik kalite (ör. bozuk çerçeveler) için inceleyin.
   7. Kabul edilebilir bir statik deneme görüntüsü elde ettikten sonra, deneme sürümünü her kameradan kaydedin (örneğin, "green_still.cine", "red_still.cine").
6. Veri Toplama: Dinamik görüntü alma
   1. Araştırmacı #1 (x-ray kontrol odasında): Statik deneme görüntüsünden aynı radyografik parametreleri koruyun. Darbe jeneratörünü 2.0 sn pozlamaya ayarlayın.
   2. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Katılımcıya hareketin düzlemi ve zamanlaması da dahil olmak üzere gerçekleştirilecek hareketi öğretin. Sandalyenin ve katılımcının giysilerinin ve/veya kurşun astarlı yeleğinin omuz hareketine engel olmadığını doğrulayın. Hareket denemesini katılımcıyla uygulayın. Sözlü ipucunu kullanın "Hazır... ve... go", katılımcının hareketin başlatılmasını ve tamamlanmasını hızlandırmasına yardımcı olmak için 2 s (yani hareket denemesi süresi) sürecek şekilde tempoludur.
      NOT: Katılımcının prosedürleri anlaması ve başarısız bir denemeyle ilişkili gereksiz pozlamayı önlemek için hareket denemesini tutarlı bir şekilde gerçekleştirebilmesi önemlidir.
   3. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Yeterli pratikten sonra, elde tutulan uzaktan tetiği alın. Araştırma katılımcısı ile net bir görüş ve iletişim hattı ile laboratuvarda güvenli bir yere gidin.
   4. Araştırmacı #1 (x-ray kontrol odasında): Darbe jeneratörünü 2,0 s'ye sıfırlayın, kameraları başlatın ve x-ray kontrol panelini daha önce açıklandığı gibi astarlayın (adım 2.3.4-2.3.5). Sistem kullanıma hazır olduğunda, araştırmacıya #2 bildirin.
   5. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Araştırma katılımcısına "Hazır mısınız?" diye sorun. [olumlu yanıtı bekleyin] "Hazır... ve... git." (daha önce olduğu gibi tempolu, böylece 2 s sürer).
   6. Araştırmacı #2 (laboratuvarda): Katılımcı kol hareketini başlattığında x-ray sistemini manuel olarak tetikleyin.
      NOT: Görsel harekete dayalı manuel tetikleme, hareket denemesinin başlangıcını atlama riskine rağmen, yanlış iletişim veya gecikmeli bir başlangıç durumunda araştırma katılımcısının aşırı maruz kalmasını önler.). Deneme tamamlandıktan sonra, katılımcıya bir görüntünün çekildiğini bildirin ve görüntüleri incelemek için kontrol odasına mazur görün.
   7. Araştırmacılar #1 ve #2 (x-ray kontrol odasında): Deneme görüntülerini kalite (yani parlaklık ve kontrast) ve teknik durum (yani bozuk çerçeveler) açısından inceleyin (Şekil 3). Hareket denemelerini her kameradan kaydedin (örneğin, "green_scapab1.cine", "red_scapab1.cine").
   8. Onaylanan radyasyon güvenliği protokolü içindeki tüm hareket denemelerini toplamak için 2.6.1-2.6.7 adımlarını tekrarlayın.
7. Kalibrasyon görüntülerini toplama
   NOT: Radyografik görüntü kalibrasyonu, laboratuvar tabanlı koordinat sisteminin tanımı, her bir x-ışını radyografik sisteminin laboratuvar koordinat sistemine göre konumu ve yönü ve markersiz izleme sürecinde kullanılan dijital olarak yeniden yapılandırılmış radyografilerin (DRR' ler) üretilmesine izin veren içsel parametrelerle sonuçlanır. Kalibrasyon hesaplamaları 3.4.1 adımında açıklanmıştır.
   1. Veri toplama sırasında kullanılan kamera ayarlarını ve radyografik teknik ayarlarını koruyun.
   2. Darbe jeneratörünü 0,5 s pozlamaya ayarlayın.
   3. Kalibrasyon küpünü (bkz. Malzeme Tablosu) görüntüleme hacminin ortasına yerleştirin.
   4. Küp görüntülerini alın ve kaydedin (örneğin, "green_cube.cine", "red_cube.cine").
8. Bozulma düzeltmesi ve uygunsuzluk düzeltmesi için görüntüleri toplayın.
   NOT: Bir görüntü yoğunlaştırıcı kullanılarak toplanan radyografik görüntü yoğunluk, nonuniformity63 ve bozulmadan etkilenir. Sonuç olarak, gerekli düzeltmeleri belirlemek için her radyografik sistemde beyaz alan ve bozulma düzeltme ızgarasının görüntüleri elde edilir. Distorsiyon ızgarası konumlandırılırken görüntü yoğunlaştırıcıların çarpma ihtimaline karşı, bozulmadan önce kalibrasyon görüntülerinin toplanması ve uygunsuzluk düzeltme görüntülerinin toplanması genellikle ihtiyatlıdır.
   1. Radyografik görüş alanındaki tüm nesneleri kaldırın.
   2. Veri toplama sırasında kullanılan kamera ayarlarını ve radyografik teknik ayarlarını koruyun. Darbe jeneratörünü 0,5 s pozlamaya ayarlayın.
   3. Deformasyon düzeltme ızgarasını (bkz. Malzeme Tablosu) yeşil görüntü yoğunlaştırıcının yüzeyine takın.
   4. Izgara ve beyaz alan görüntülerini alın.
   5. Görüntüleri kaydedin (örneğin, "green_grid.cine", "red_white.cine").
   6. Izgarayı kırmızı görüntü yoğunlaştırıcıya taşıyın ve görüntü dosya adlarını uygun şekilde değiştirerek 2.7.2-2.7.5 adımlarını yineleyin.

3. Veri işleme protokolü

NOT: Kemik geometrisini hazırlama prosedürleri, görüntü ön işleme (yani bozulma ve homojenlik dışı düzeltme ve görüntü kalibrasyonu) ve işaretsiz izleme son derece değişkendir ve kullanılan yazılıma bağlıdır. Burada açıklanan prosedürler tescilli yazılıma özgüdür. Ancak, ana veri işleme adımları büyük olasılıkla herhangi bir x-ray hareket yakalama yazılım paketine çevrilebilir.

1. CT taraması işlenme
   NOT: Yazarların laboratuvarı tarafından kullanılan tescilli işaretsiz izleme yazılımı, bir DRR'nin konumunu ve yönünü optimize eder. Bu nedenle, CT taramasını işleme yordamları 16 bit TIFF görüntü yığınının oluşturulmasına neden olur. Diğer yazılım paketleri kemik geometrisinin farklı biçimlerde veya teknik özelliklerde temsil edilmesini gerektirebilir.
   1. Bir görüntü işleme programı (örneğin, Mimics, FIJI) açın ve CT görüntülerini içe aktarın.
   2. Humerus'u çevredeki yumuşak dokulardan ayırın. Kaburgalar için, daha sonra 3.2.6 adımında sternokostal eklemi dijitalleştirmek için kaburganın ön yönünü manubriuma bağlayan bir uzantı oluşturun.
   3. Bitmiş maske üzerinde siyah maskeyle (yani, tüm pikseller siyah renklidir) (işlem: siyah eksi kemik) bir Boole işlemi gerçekleştirin. Bu, CT gri tonlamalı olarak kalan kemiğe karşılık gelenler dışında tüm piksellerin siyah olduğu kemiğin ters bir maskesiyle sonuçlanır.
   4. Siyah (yani kemik olmayan) pikselleri ortadan kaldırmak için görüntü yığınını üç eksen boyunca kırpın. Bu 3D sınırlayıcı kutunun kenarlarında bazı siyah pikseller bırakın.
   5. Değiştirilen görüntü yığınını TIFF biçiminde kaydedin.
   6. Kalan tüm kemikler için 3.1.1-3.1.5 adımlarını tekrarlayın.
2. Anatomik koordinat sistemlerinin ve ilgi alanlarının tanımlanması (ROI'ler)
   NOT: Bu protokol anatomik koordinat sistemlerini aşağıdaki gibi yönlendirmektedir. Sağ omuz için +X ekseni yanal, +Y ekseni üstün ve +Z ekseni arka olarak yönlendirilir. Sol omuz için +X ekseni yanal, +Y ekseni üstün ve +Z ekseni ön olarak yönlendirilir.
   1. İşlenecek kemik için TIFF görüntü yığınını içeri aktarın. TIFF yığınını bir ' ye dönüştürün. RAW dosya ve tescilli yazılımı kullanarak bilinen piksel boyutlarına ve görüntü aralığına dayalı bir 3D kemik modeli işlemek.
      NOT: Modelin çözünürlüğü CT hacminin örneklemesine (örneğin, voxel aralığı) dayanmaktadır. Sonuç olarak, kafes üçgenlerinin ortalama alanı yaklaşık 1,02 ^mm2 'dir (±0,2 ^mm2) (adım 1,3).
   2. Humerus üzerindeki anatomik simge yapıları aşağıdaki gibi dijitalleştirin (Şekil 4A).
      1. Humeral başlığın geometrik merkezi: En az kareler algoritması kullanarak kürenin yüzeyi ile humeral eklem yüzeyi arasındaki mesafeyi en aza indiren bir kürenin boyutlarını ve konumunu belirleyin. Humeral başlığın geometrik merkezini optimize edilmiş kürenin merkezinin koordinatları olarak tanımlayın.
      2. Medial ve lateral epikondilenler: Distal humerus'un en geniş bölümünde bulunur.
   3. Humeral kafa yatırım getirisini aşağıdaki gibi tanımlayın (Şekil 5A).
      1. Tüm humeral eklem yüzeyi ve daha fazla tuberosite.
   4. Kürek kemiğindeki anatomik yer işaretlerini aşağıdaki gibi dijitalleştirin (Şekil 4B).
      1. Kürek kemiğinin kökü: Kürek kemiği boyunca medial sınırda bulunur.
      2. Arka akromioklaviküler eklem: Skapular akromyondaki claviküler yüzün arka tarafında bulunur.
      3. Alt açı: Kürek kemiğinin en düşük noktasında bulunur.
   5. Skapular ROI'leri aşağıdaki gibi tanımlayın (Şekil 5B).
      1. Akromion: Akromyonun alt yüzeyi kürek kemiğinin omurgasına yanaldır.
      2. Glenoid: Glenoid'in tüm eklemli yüzeyi.
   6. Kaburgalardaki anatomik yer işaretlerini aşağıdaki gibi dijitalleştirin (Şekil 4C).
      1. Ön kaburga: Kaburga uzantısının medial en fazla kısmında bulunur.
      2. Posterior kaburga: Kaburganın başındaki yüzün arka yönünün üst/alt orta noktasında bulunur.
      3. Yanal kaburga: Ön ve arka kaburga noktaları ekranda dikey olarak hizalandığında kaburganın en yanal yönünde bulunur.
3. Görüntü ön işleme
   NOT: Görüntü ön işleme özel bir yazılım kullanılarak gerçekleştirilir ve cine görüntü dosyalarınıN TIFF yığınlarına dönüştürülmesini ve görüntülerin bozulma uygunsuzluğu için düzeltilmesini içerir.
   1. Homojen olmayan düzeltme gerçekleştirin: Yazılım, tek bir karedeki gürültünün etkisini en aza indirmek için tek bir yüksek kaliteli, parlak alan görüntüsü üretmek için yaklaşık 30 kareyi (yani 0,5 s veri) ortalama olarak gerçekleştirir. Parlak alan görüntüsü, x-ışını kaynağından her veri çerçevesinin her pikseline kadar ışın boyunca gerçek radyografik yoğunluğu hesaplamak için kullanılır. Her pikselin ışınının nüfuz ettiği tüm maddenin radyografik yoğunluğunun toplamı, o piksel için parlak alanın logaritmasıyla orantılıdır ve bu piksel için gözlem görüntüsünün logaritmasını (örneğin, günlük-alt işleme) eksi.
   2. Bozulma düzeltmesi gerçekleştirin: Yazılım, tek bir görüntü oluşturmak için yaklaşık 30 karenin (yani 0,5 saniyelik veri) ortalamasını oluşturur ve herhangi bir görüntüdeki gürültünün etkisini azaltır. Bozulma düzeltme yazılımı, distorsiyon ızgarası görüntüsündeki bitişik boncuk konumlarının her üçünden Lucite distorsiyon düzeltme ızgarasındaki bu üç boncukun bilinen (gerçek) konumuna bir afin haritası oluşturur. Bu küçük afin haritaları koleksiyonu daha sonra hareket denemesinin gözlemlenen her karesini boncukların ortogonal dizisi tarafından temsil edilen gerçek koordinatlara yeniden örneklemek için kullanılır.
   3. Her denemenin tüm karelerine bozulma ve homojenlik olmayan düzeltmeler uygulayın.
4. Çift kanatlı görüntüleme hacmi kalibrasyonu.
   NOT: Görüntü kalibrasyonu özel yazılım kullanılarak gerçekleştirildi. Yazılım, gözlemlenen kalibrasyon nesnesi boncuk konumlarını bilinen 3D konumlarına ayarlamak için doğrusal olmayan bir optimizasyon algoritması kullanır. Bu işlem her çift kanatlı kalibrasyon görüntüsü kümesi için gerçekleştirilir. Sonuç, bir kemik hacminin iki görüşünü dijital olarak yansıtabilen ve bunları veri toplama sırasında toplanan aynı kemiğin radyografik görüntülerine karşı kaydedebilen bir sistemdir.
5. İşaretsiz izleme
   NOT: İşaretsiz izleme, tescilli yazılım kullanılarak gerçekleştirilir. Bu işlemi tamamlamak için Autoscoper ve C-Motion gibi yazılımlar da kullanılabilir.
   1. Hareket denemesinin ilk karesinde, iki düzlemli x-ışını görüntüleriyle iyi eşleşene kadar yazılım kontrollerini kullanarak DRR'yi döndürün ve çevirin (Şekil 6).
   2. Manuel çözümü kaydedin.
   3. En iyi duruma getirme algoritmasını uygulayın.
   4. İlk manuel çözüme dayanarak algoritma tarafından en uygun olduğu belirlenen çözümü görsel olarak inceleyin. Gerekirse, çözümü ayarlayın ve optimize edilmiş çözümden memnun olana kadar 3.5.2-3.5.3 adımlarını tekrarlayın.
   5. Hareket deneme süresi boyunca her 10^.
      NOT: Bu aralık kare hızı, hareket hızı ve görüntü kalitesi gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Daha küçük aralıklar gerekebilir.
   6. Her 10^. kare izlendikten sonra, daha sonra en iyi duruma getirilmiş enterpolasyonlu ön çözümler oluşturmak için bir optimizasyon gerçekleştirin.
   7. Hareket denemesinin tüm çerçeveleri iyi izlenene kadar çözümleri iyileştirmeye devam edin.

4. Veri analizi protokolü

NOT: Bu protokolde kullanılan tescilli markersiz izleme yazılımı, anatomik koordinat sistemlerinin inşasında kullanılacak anatomik yer işaretlerinin ham ve filtrelenmiş yörüngeleriyle sonuçlanır. Bu koordinatlar kalibrasyon prosedürü sırasında kalibrasyon nesnesi tarafından tanımlanan laboratuvar koordinat sistemine göre ifade edilir. Aşağıdaki protokol, genel olarak, bu dönüm noktası yörüngelerinden kinematik sonuç ölçülerini hesaplama prosedürlerini açıklar, böylece herhangi bir programlama dilinde (örneğin, MATLAB). Kinematik ve yakınlık istatistiklerini hesaplamak için ikinci bir özel yazılım kullanılır.

1. Kinematik ve yakınlık istatistiklerini hesaplama
   NOT: Birincil kinematik sonuç önlemleri eklem dönüşlerini (yani Euler açıları) ve pozisyonları içerir. Birincil yakınlık istatistikleri, her veri çerçevesi için hesaplanan minimum boşluğu, ortalama boşluğu ve ağırlıklı ortalama iletişim merkezini içerir. Toplu olarak, bu önlemler eklem eklemironematiklerini veya bir hareket sırasında yüzey etkileşimlerini tanımlar. Hareket denemesinde toplanan anatomik yakınlıklar arasında ortalama iletişim merkezi, iletişim yolu ve temas yolu uzunluğu bulunur.
   1. Her kemik ve hareket çerçevesi için, laboratuvar koordinat sistemine göre kemiğin anatomik koordinat sistemini temsil eden 16 elementli bir dönüşüm matrisi oluşturmak için filtrelenmiş anatomik dönüm noktası koordinatlarını (yani işaretsiz izleme yazılımından çıktı) kullanın.
   2. Yazılımı kullanarak ilgili kemikler arasındaki anatomik koordinat sistemlerini ilişkilendirerek göreli kinematiği hesaplayın.
   3. Geleneksel yöntemleri kullanarak eklem açılarını ve konumlarını ^çıkarın64. Anatomik koordinat sistemlerinin yönü göz önüne alındığında, Z-X'-Y'' dönüş dizisi kullanarak glenohumeral kinematiği çıkarın, Y-Z'-X'' dönüş dizisi kullanarak skapulotorasik kinematiği çıkarın ve Y-Z'-Y'' dönüş dizisi kullanarak humerotorasik kinematiği çıkarın.
   4. Minimum boşluk: Yazılımı kullanarak karşı kemikteki en yakın komşu üçgenin merkezkoidleri arasındaki en küçük boşluğu (yani mesafeyi) hesaplayın.
   5. Ortalama boşluk: Yazılımı kullanarak belirli bir ölçüm alanı içinde en yakın komşularına en küçük boşluğa sahip üçgenleri kullanarak minimum boşluğun alan ağırlıklı ortalamasını hesaplayın. Ölçüm alanını, alanları 200 mm2'ye kadar olan karşı kemiğe en yakın üçgenler olarak tanımlayın. Ortalama boşluk hesaplamasına yalnızca makul bir şekilde karşı kemiğe yakın olan yüzeyin dahil olduğundan emin olmak için bu ölçüm alanını hesaplamaya dahil edin.
      NOT: Ölçüm alanının boyutları (yani 200 ^mm2), ilk algoritma geliştirmesi sırasında, uzak yüzeylerden aşırı önyargılı olmadan subakromial uzayı ve glenohumeral eklem yakınlıklarını sürekli olarak yansıttığı tespit edildikten sonra seçilmiştir. Bu ölçünün daha geniş yüzey etkileşimleri için kullanılması (örneğin tibiofemoral) daha geniş bir ölçüm alanı gerektirebilir.
   6. Ağırlıklı ortalama temas merkezi (yani centroid): Yazılımı kullanarak, ölçüm alanındaki diğer tüm üçgenlere (yani, alanları 200 mm2'ye kadar olan karşı kemiğe en yakın üçgenlere) ağırlıklı mesafeyi en aza indiren roi yüzeyindeki noktayı hesaplayın. Ölçüm alanındaki her üçgen için ağırlıklandırma faktörü şu şekilde hesaplanır: üçgen alanı / en yakın komşu merkezkoidine kare mesafe (yani ters kare ağırlıklandırma). Bu şekilde, daha ağır ağırlıklı üçgenler daha büyüktür (1 faktörüyle) ve karşı kemiğe daha yakındır (karesiz minimum mesafenin bir faktörü ile).
   7. Ortalama iletişim merkezi: Yazılımı kullanarak hareket denemesinde iletişim merkezinin (yani centroid) ortalama konumunu hesaplayın. Temas merkezleri eklem eklemironematiklerini temsil ettiği göz önüne alındığında, ortalama temas merkezi bir hareket sırasında yüzey etkileşimlerinin merkezini temsil eder.
   8. İletişim yolu: Yazılımı kullanarak hareket denemesinde ağırlıklı ortalama iletişim merkezinin koordinatlarını bağlayarak tanımlayın.
   9. İletişim yolu uzunluğu: Yazılımı kullanarak hareket denemesi boyunca iletişim yolunun uzunluğunu hesaplayın.

Sonuçlar

52 yaşındaki asemptomatik bir kadın (VKİ = 23,6 kg/^m2) daha önceki bir soruşturmanın bir parçası olarak işe alındı ve baskın (sağ) omzunda hareket testi (koronal uçak kaçırma) ^yapıldı65. Veri toplamadan önce, katılımcı yazılı bilgilendirilmiş onay verdi. Soruşturma Henry Ford Sağlık Sistemi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylandı. Veri toplama işlemi daha önce açıklanan protokol kullanılarak gerçek gerçekleştirildi (Şek...

Tartışmalar

Burada açıklanan teknik, dinamik faaliyetler sırasında 3D eklem hareketinin doğru ölçülerini sağlayarak omuz hareketini (örneğin kadavra simülasyonları, 2D görüntüleme, statik 3D görüntüleme, video tabanlı hareket yakalama sistemleri, giyilebilir sensörler vb.) değerlendirmek için geleneksel tekniklerle ilişkili çeşitli dezavantajların üstesinden gelir. Burada açıklanan protokolün doğruluğu, glenohumeral eklemin radyosteromeometrik analizin (RSA) altın standardına karşı ±0,5° ve ±0...

Malzemeler

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