Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
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本出版物中报告的研究得到了国家关节炎和肌肉骨骼和皮肤病研究所的支持，奖项编号为R01AR051912。内容完全由作者负责，并不一定代表美国国立卫生研究院（NIH）的官方观点。

在收集数据之前，参与者提供了书面知情同意书。该调查得到了亨利福特卫生系统机构审查委员会的批准。
用于获取、处理和分析双平面射线照相运动数据的协议高度依赖于成像系统、数据处理软件和感兴趣的结果度量。以下方案专门设计用于在肩胛骨平面或冠状面外展期间跟踪肩胛骨、肱骨以及第三和第四肋骨，并量化盂肱、肩胛胸和肱胸运动学。
1. CT...

这里描述的技术通过提供动态活动期间3D关节运动的精确测量，克服了与评估肩部运动的传统技术（即尸体模拟，2D成像，静态3D成像，基于视频的运动捕获系统，可穿戴传感器等）相关的几个缺点。本文描述的方案的准确性是为盂肱关节与放射立体分析（RSA）的金标准±0.5°和±0.4 mm67，68而建立的。类似的方案已经开发用于其他关节，如膝盖<sup class="xref...

肩部是人体最复杂的关节系统之一，运动通过四个关节，多个韧带和大约20块肌肉的协调作用发生。肩部也具有身体主要关节的最大活动范围，通常被描述为活动性和稳定性之间的折衷。不幸的是，肩部病变很常见，导致严重的疼痛，残疾和生活质量下降。例如，肩袖撕裂影响约 40% 的 601 岁以上人群，2，3，每年进行约 250，000 次肩袖修复手术4，估计美国每年的经济负担为 30-50 亿美元5。此外，肩关节脱位很常见，通常与慢性功能障碍有关6。最后，盂肱关节骨关节炎（OA）是另一个涉及肩部的重大临床问题，人群研究表明，大约15%-20%的65岁以上的成年人有盂肱肱OA7，8的影像学证据。这些情况是痛苦的，损害活动水平，并降低生活质量。
虽然这些疾病的发病机制尚不完全清楚，但人们普遍认为肩部运动改变与许多肩部病变有关9，10，11。具体而言，异常关节运动可能导致病理学9，12，或者病理学可能导致异常关节运动13，14。关节运动与病理学之间的关系可能很复杂，关节运动的细微改变在肩部可能很重要。例如，虽然角运动是发生在盂肱关节的主要运动，但在肩部运动期间也会发生关节平移。在正常情况下，这些翻译可能不超过几毫米15，16，17，18，19，因此可能低于某些测量技术的体内精度水平。虽然人们可能很容易认为关节运动中的小偏差可能几乎没有临床影响，但重要的是要认识到，多年肩部活动期间细微偏差的累积效应可能超过个体组织愈合和修复的阈值。此外，盂肱关节处的体内力并非无关紧要。使用定制的器械盂肱关节植入物，先前的研究表明，伸出手臂将2公斤的重量提高到头部高度可导致盂肱关节力，其范围为体重的70%至238%20，21，22。因此，关节运动的细微变化和集中在关节盂小承重表面积上的高力的组合可能有助于退行性肩部病变的发展。
从历史上看，肩部运动的测量是通过各种实验方法完成的。这些方法包括使用复杂的尸体测试系统，旨在模拟肩部运动23，24，25，26，27，基于视频的运动捕获系统，带有表面标记28，29，31，表面安装的电磁传感器32，33，34，35、附有反射标记物或其他传感器的骨针36、37、38、静态二维医学成像（即荧光透视39、40、41 和 X 线照片17、42、43、44、45）、使用 MRI46、47 的静态三维 （3D） 医学成像，计算机断层扫描48和动态3D单平面透视成像49，50，51。最近，可穿戴传感器（例如惯性测量单元）在实验室环境之外和自由生活条件下测量肩部运动方面越来越受欢迎52，53，54，55，56，57。
近年来，双翼射线照相或透视系统激增，旨在精确测量肩部的动态3D体内运动58，59，60，61，62。本文的目的是描述作者使用定制的双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目的是描述获取肩部复合体的双平面视频放射成像图像，获取CT扫描，开发3D骨模型，定位解剖学标志物，从双平面放射成像图像跟踪肱骨，肩胛骨和躯干的位置和方向以及计算运动学结果测量的方案。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Calibration cube</td>
			<td>Built in-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>10 cm Lucite box with a tantalum bead in each corner and four additional beads midway along the box&#8217;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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Distortion correction grid</td>
			<td>Built in-house</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Image processing software used to prepare TIFF stack of bone volumes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Markerless Tracking Workbench</td>
			<td>Custom, in house software</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>Mathworks, Inc</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Computer programming software. For used to perform data processing and analysis.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics (version 20)</td>
			<td>Materialise, Inc</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Image processing software used to segment humerus, scapula, and ribs from CT scan.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Open Inventor</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>N/A</td>
			<td>3D graphics program used to visualize bones</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phantom Camera Control (PCC) software (version 3.4)</td>
			<td></td>
			<td>N/A</td>
			<td>Software for specifying camera parameters, and acquiring and saving radiographic images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse generator (Model 9514)</td>
			<td>Quantum Composers, Inc.</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Syncs the x-ray and camera systems and specifies the exposure time</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Two 100 kW pulsed x-ray generators (Model CPX 3100CV)</td>
			<td>EMD Technologies</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Generates the x-rays used to produce radiographic images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Two 40 cm image intensifiers (Model P9447H110)</td>
			<td>North American Imaging</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Converts x-rays into photons to produce visible image</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Two Phantom VEO 340 cameras</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>N/A</td>
			<td>High speed cameras record the visible image created by the x-ray system</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography

肩部是人体最复杂的关节系统之一，运动通过四个关节，多个韧带和大约20块肌肉的协调作用发生。不幸的是，肩部病变（例如肩袖撕裂、关节脱位、关节炎）很常见，导致剧烈疼痛、残疾和生活质量下降。许多这些病理状况的具体病因尚不完全清楚，但人们普遍认为肩部病理学通常与关节运动改变有关。不幸的是，以必要的精度水平测量肩部运动以研究基于运动的假设并非易事。然而，基于放射影像学的运动测量技术为研究基于运动的假设和提供肩部功能的机械理解提供了必要的进步。因此，本文的目的是描述使用自定义双平面视频放射成像系统测量肩部运动的方法。本文的具体目的是描述获取肩部复合体的双平面视频放射成像图像，获取CT扫描，开发3D骨模型，定位解剖学标志，从双平面放射成像图像跟踪肱骨，肩胛骨和躯干的位置和方向，并计算运动学结果测量。此外，本文还将描述使用此方法测量关节运动学时肩部特有的特殊注意事项。

一名 52 岁无症状女性（BMI = 23.6 kg/m2）被招募为既往调查的一部分，并在其显性（右）肩上接受了运动试验（冠状平面外展）65。在收集数据之前，参与者提供了书面知情同意书。该调查得到了亨利福特卫生系统机构审查委员会的批准。数据收集是使用前面描述的协议执行的（图3）。
参与者的盂肱、肩胛胸和肱胸运动学分别如?...

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Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography Video (Video) | JoVE

双平面视频放射成像可以高精度地量化肩部运动学。本文中描述的方案专门设计用于在平面肱骨抬高期间跟踪肩胛骨，肱骨和肋骨，并概述了数据收集，处理和分析的程序。还介绍了数据收集的独特注意事项。

使用双平面影像学测量 3D 体内肩部运动学

The shoulder is one of the human body's most complex joint systems, with motion occurring through the coordinated actions of four individual joints, ...

我们认为，分享我们的方案以及我们在研究中使用这项技术学到的知识非常重要，因为这些研究的参与者暴露在辐射中，因此，误差幅度非常小。这种技术的主要优点是关节运动可以量化的准确性，这使得研究人员能够追求否则不可能解决的问题。在开始分析之前，将椅子放置在双平面成像体积中，以便要测试的肩部在双平面X射线束相交的大致点的中心。要求参与者以舒适，直立的姿势坐着，双臂放在两侧。根据参与者的人体测量学，要测试的运动和要跟踪的骨骼来调整初步的椅子位置。并在参与者的躯干上固定一条铅衬里防护背心，以覆盖腹部和对侧肩部和胸部。打开系统X射线源内的光线并升高系统，直到投射到图像增强器上的阴影处于参与者腋窝的水平。在双平面图像体积内轻轻移动椅子上的参与者，同时观察增强器上的阴影。一旦为两个系统设置了参与者的位置，保持光源打开，请参与者执行将在手术过程中测试的运动。参与者的肩膀应保持在影像学视野内。要验证参与者在控制室中的位置，请将 X 射线控制面板设置为低荧光透视模式，并将脉冲发生器设置为 0.25 秒采集。让助手向参与者解释该过程，包括警告参与者他们在成像过程中可能听到的任何声音。在开始成像之前，助理应穿上铅衬里防护背心，远离X射线源，同时保持清晰的视线和与参与者的沟通。要获取图像，请启动相机并启动X射线控制面板。当系统准备就绪时，指示助手开始使用手持式远程触发器采集射线照相图像。在获得图像后检查图像，以确定参与者的位置是否令人满意，以可视化所有必要的骨骼。对于静态图像采集，在X射线控制面板上设置根据初步成像确定的优化无线电技术，并让助手要求参与者坐直，手臂放在两侧。在此位置获取图像后，检查图像的质量、感兴趣的骨骼可见性和技术状况。获得最佳图像后，保存每个相机的试用版。对于动态图像采集，使用相同的参数，但将脉冲发生器设置为两秒钟曝光，让助手练习与参与者一起执行的运动，使用口头提示，进行步调，以便在两秒钟内执行运动。当参与者准备就绪时，启动摄像头并按照演示启动控制面板，并通知助手系统已准备就绪。在给出口头提示"准备就绪并走"之前，让助手询问参与者是否准备好了，以便在助手触发X射线系统以获取动态图像时，参与者执行运动。获得所有运动试验的高质量图像后，保存每个相机的试验。在这项具有代表性的分析中，一名 52 岁的无症状女性在她的显性肩部接受了运动测试，如所示。在冠状，矢状面和横向平面上还获得了肩关节的CT扫描图像，包括整个肩胛骨，幽默和胸腔。这些放射影像说明了在肱骨抬高角度较低时获取肩部双平面X线片的复杂性，外侧肩峰和远端锁骨在绿色视图中过度曝光，但由于该区域内的软组织体积较小，在红色视图中清晰可见。然而，随着手臂的抬高，三角肌的大部分投射到该区域，从而获得更好的放射影像学曝光。如本运动学分析所观察到的，盂肱运动由抬高和轻微的外部旋转组成，并且通常在肩胛骨后方的平面内。肩胛骨胸部运动包括向上旋转、后倾和轻微的内-外部旋转。在运动试验期间，最小肩峰下距离减小，直到体液胸高程约90度，此时距离开始增加。平均肩峰下距离遵循类似的轨迹。最小峰下距离遵循与表面积度量的互补轨迹，因此当表面积较大时，最小距离往往较小。让参与者练习运动对于确保他们理解程序并且能够以正确的速度和时间执行所需的运动至关重要。

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