Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography Video at JoVE.com

Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute of Arthritis og muskel- og hudsygdomme under tildelingsnummer R01AR051912. Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter fra National Institutes of Health (NIH).

Forud for dataindsamlingen gav deltageren skriftligt informeret samtykke. Undersøgelsen blev godkendt af Henry Ford Health Systems Institutionelle Review Board.
Protokoller til anskaffelse, behandling og analyse af toplans radiografiske bevægelsesdata er meget afhængige af billedbehandlingssystemer, databehandlingssoftware og resultatmål af interesse. Følgende protokol var specielt designet til at spore scapula, humerus, og den tredje og den fjerde ribben under halshuggede-fly eller koron...

Den teknik, der er beskrevet her, overvinder flere ulemper forbundet med konventionelle teknikker til vurdering af skulderbevægelse (dvs. kadaveriske simuleringer, 2D-billeddannelse, statisk 3D-billeddannelse, videobaserede bevægelsesoptagelsessystemer, bærbare sensorer osv.) ved at give nøjagtige mål for 3D-fælles bevægelse under dynamiske aktiviteter. Nøjagtigheden af den protokol, der er beskrevet heri blev etableret for glenohumeral fælles mod guldstandarden for radiostereometrisk analyse (RSA) at være ±0,...

Skulderen er en af den menneskelige krops mest komplekse fælles systemer, med bevægelse sker gennem koordinerede aktioner af fire individuelle led, flere ledbånd, og ca 20 muskler. Skulderen har også den største vifte af bevægelse af kroppens store led og er ofte beskrevet som et kompromis mellem mobilitet og stabilitet. Desværre, skulder patologier er almindelige, hvilket resulterer i betydelige smerter, handicap, og nedsat livskvalitet. For eksempel, rotator manchet tårer påvirker omkring 40% af befolkningen over 601,2,3, med ca 250.000 rotator manchet reparationer udføres årligt4, og en anslået økonomisk byrde på $3-5 milliarder om året i USA5. Derudover, skulder forskydninger er almindelige og er ofte forbundet med kronisk dysfunktion6. Endelig glenohumeral led slidgigt (OA) er et andet væsentligt klinisk problem, der involverer skulderen, med befolkningsundersøgelser viser, at omkring 15%-20% af voksne over 65 år har radiografiske beviser for glenohumeral OA7,8. Disse betingelser er smertefulde, forringe aktivitetsniveauer, og mindske livskvaliteten.
Selv om patogenerne af disse betingelser ikke er fuldt forstået, er det almindeligt accepteret, at ændret skulder bevægelse er forbundet med mange skulder patologier9,10,11. Specifikt kan unormal fælles bevægelse bidrage til patologien9,12, eller at patologien kan føre til unormal fælles bevægelse13,14. Forholdet mellem fælles bevægelse og patologi er sandsynligvis komplekse, og subtile ændringer i fælles bevægelse kan være vigtige i skulderen. For eksempel, selv om kantede bevægelse er den fremherskende bevægelse, der forekommer på glenohumeral fælles, fælles oversættelser også forekomme under skulder bevægelse. Under normale forhold overstiger disse oversættelser sandsynligvis ikke flere millimeter15,16,17,18,19, og kan derfor være under niveauet for in vivo nøjagtighed for nogle måleteknikker. Selv om det kan være fristende at antage, at små afvigelser i fælles bevægelse kan have ringe klinisk virkning, Er det vigtigt også at erkende, at den kumulative effekt af subtile afvigelser over års skulder aktivitet kan overstige den enkeltes tærskel for væv healing og reparation. Desuden er in-vivo kræfter på glenohumeral fælles ikke ligegyldige. Ved hjælp af brugerdefinerede instrumenterede glenohumeral fælles implantater, tidligere undersøgelser har vist, at hæve en 2 kg vægt til hovedhøjde med en udstrakt arm kan resultere i glenohumeral fælles kræfter, der kan variere fra 70% til 238% af kropsvægt20,21,22. Derfor kan kombinationen af subtile ændringer i ledbevægelse og høje kræfter koncentreret over glenoidens lille bærende overfladeareal bidrage til udviklingen af degenerative skulderpatologier.
Historisk set er målingen af skulderbevægelse blevet udført gennem en række eksperimentelle tilgange. Disse tilgange har inkluderet brugen af komplekse kadaveriske testsystemer designet til at simulere skulderbevægelse23,24,25,26,27, videobaserede bevægelsesoptagelsessystemer med overflademarkører28,29,31, overflademonterede elektromagnetiske sensorer32,33,34,35 , knoglenåle med reflekterende markører eller andre sensorer, der er fastgjort36,37,38, statisk todimensionel medicinsk billeddannelse (dvs. fluoroskopi39,40,41 og røntgenbilleder17,42,43,44,45), statisk tredimensionel (3D) medicinsk billeddannelse ved hjælp af MRI46,47, computertomografi48, og dynamisk, 3D enkelt plan fluoroskopisk billeddannelse49,50,51. På det seneste har bærbare sensorer (f.eks. inertial måleenheder) vundet popularitet til måling af skulderbevægelse uden for laboratorieindstillingen og under frit levevilkår52,53,54,55,56,57.
I de senere år har der været en spredning af biplanede radiografiske eller fluoroskopiske systemer designet til præcist at måle dynamiske, 3D in-vivo bevægelser af skulderen58,59,60,61,62. Formålet med denne artikel er at beskrive forfatternes tilgang til måling af skulderbevægelse ved hjælp af et brugerdefineret biplanar videoradiografisystem. De specifikke mål med denne artikel er at beskrive protokollerne til at erhverve biplanar videoradiographic billeder af skulderkomplekset, erhverve CT-scanninger, udvikle 3D-knoglemodeller, lokalisere anatomiske vartegn, spore humerusens position og orientering, scapula og torso fra de toplanariske radiografiske billeder og beregne kinemmatiske resultatforanstaltninger.

<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

Skulderen er en af den menneskelige krops mest komplekse fælles systemer, med bevægelse sker gennem koordinerede aktioner af fire individuelle led, flere ledbånd, og ca 20 muskler. Desværre, skulder patologier (f.eks rotator manchet tårer, fælles forskydninger, gigt) er almindelige, hvilket resulterer i betydelige smerter, handicap, og nedsat livskvalitet. Den specifikke ætiologi for mange af disse patologiske tilstande er ikke fuldt forstået, men det er almindeligt accepteret, at skulderpatologi ofte er forbundet med ændret fælles bevægelse. Desværre er måling af skulderbevægelse med den nødvendige nøjagtighed til at undersøge bevægelsesbaserede hypoteser ikke trivielt. Men radiografiske-baserede bevægelsesmåling teknikker har givet de nødvendige fremskridt til at undersøge bevægelsesbaserede hypoteser og give en mekanistisk forståelse af skulder funktion. Formålet med denne artikel er således at beskrive tilgangene til måling af skulderbevægelse ved hjælp af et brugerdefineret biplanar videoradiografisystem. De specifikke mål med denne artikel er at beskrive protokollerne til at erhverve biplanar videoradiographic billeder af skulderkomplekset, erhverve CT-scanninger, udvikle 3D-knoglemodeller, lokalisere anatomiske vartegn, spore humerusens position og orientering, scapula og torso fra de toplanariske radiografiske billeder og beregne de kinemmatiske resultatforanstaltninger. Derudover vil artiklen beskrive særlige overvejelser, der er unikke for skulderen, når de måler led kinematik ved hjælp af denne tilgang.

En 52-årig asymptomatisk kvinde (BMI = 23,6 kg/m2) blev rekrutteret som led i en tidligere undersøgelse og gennemgik bevægelsestest (coronal fly bortførelse) på hendes dominerende (højre) skulder65. Forud for dataindsamlingen gav deltageren skriftligt informeret samtykke. Undersøgelsen blev godkendt af Henry Ford Health Systems Institutionelle Review Board. Dataindsamlingen blev udført ved hjælp af den tidligere beskrevne protokol (figur 3).
<p...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography Video at JoVE.com

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

Biplan videoradiografi kan kvantificere skulder kinematik med en høj grad af nøjagtighed. Protokollen beskrevet heri var specielt designet til at spore scapula, humerus, og ribbenene under planar humeral elevation, og skitserer procedurerne for dataindsamling, behandling og analyse. Unikke overvejelser i forbindelse med dataindsamling er også beskrevet.

Måling af 3D In-vivo Skulder kinematics ved hjælp af Biplanar Videoradiography

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

Vi mener, at det er vigtigt at dele vores protokol, og hvad vi har lært ved hjælp af denne teknologi i vores forskning, fordi deltagerne i disse undersøgelser udsættes for stråling, og derfor er fejlmargenen meget lille. Den største fordel ved denne teknik er den nøjagtighed, hvormed den fælles bevægelse kan kvantificeres, hvilket gør det muligt for forskere at forfølge spørgsmål, der ellers ikke ville være mulige. Før du begynder en analyse, skal du placere stolen i biplanbilledvolumenet, så den skulder, der skal testes, er centreret på omtrent det punkt, hvor biplan røntgenstrålerne skærer hinanden.Bed deltageren om at sidde i en behagelig, opretstående kropsholdning med armene i siderne. Juster den indledende stolposition baseret på deltagerens antropometriske, den bevægelse, der skal testes, og de knogler, der skal spores. Og sikre en bly-foret beskyttende vest på tværs af deltagerens torso til at dække maven og kontralateral skulder og bryst.Tænd lyset i systemets røntgenkilde, og hæv systemet, indtil skyggen kastes på billedforstærkeren, er på niveau med deltagerens aksil. Flyt forsigtigt deltageren på stolen inden for biplansbilledvolumenet, mens du ser skyggen på forstærkeren. Når deltagerens position er indstillet for begge systemer, der holder lyskilden tændt, skal du bede deltageren om at udføre den bevægelse, der vil blive testet under proceduren.Deltagerens skulder skal forblive inden for det radiografiske felt. For at kontrollere deltagerens position i kontrolrummet indstilles røntgen kontrolpanelet til lav fluoroskopitilstand og pulsgeneratoren til en 0,25-sekunders erhvervelse. Få en assistent til at forklare processen for deltageren, herunder advare deltageren om de lyde, de måtte høre under billeddannelsen.Før du starter billeddannelsen, skal assistenten tage en blyforet beskyttelsesvest på og bevæge sig væk fra røntgenkilderne, samtidig med at der opretholdes en klar syns- og kommunikationslinje med deltageren. Hvis du vil hente et billede, skal du starte kameraerne og prime røntgenpanelet. Når systemet er klar, skal assistenten instruere assistenten i at begynde at erhverve de radiografiske billeder ved hjælp af en håndholdt fjernudløser.Undersøg billederne, efter at de er blevet erhvervet for at afgøre, om deltagerens position var tilfredsstillende for at visualisere alle de nødvendige knogler. For statisk billedopsamling indstille optimeret radio teknik på x-ray kontrolpanelet som bestemt fra den foreløbige billeddannelse og har assistenten bede deltageren til at sidde oprejst med armene hvilende på deres sider. Efter at have erhvervet et billede i denne position, inspicere billedet for kvalitet, knogle af interesse synlighed, og teknisk tilstand.Når et optimalt billede er erhvervet, skal du gemme prøveversionen fra hvert kamera. For dynamisk billede erhvervelse, ved hjælp af de samme parametre, men med puls generator indstillet til en to-sekunders eksponering, har assistenten praksis bevægelse, der skal udføres med en deltager, ved hjælp af en verbal cue, tempoet, så bevægelsen udføres i to sekunder. Når deltageren er klar, skal du starte kameraerne og prime kontrolpanelet som demonstreret og underrette assistenten om, at systemet er klar.Få assistenten til at spørge, om deltageren er klar, før du giver den verbale cue, Klar og gå, så deltageren udfører bevægelsen, da assistenten udløser røntgensystemet for at erhverve et dynamisk billede. Når billeder af god kvalitet til alle bevægelsesforsøg er blevet erhvervet, skal du gemme forsøgene fra hvert kamera. I denne repræsentative analyse gennemgik en 52-årig asymptomatisk kvinde bevægelsestest på sin dominerende skulder som demonstreret.CT-scanning billeder af skulderleddet blev også opnået i koronar, sagittal og tværgående fly til at omfatte hele skulderbladet, humoristisk og brystkasse. Disse radiografiske billeder illustrerer kompleksiteten af at erhverve biplan røntgenbilleder af skulderen i lavere vinkler af humeral elevation, den laterale acromion og distale kraveben synes overeksponeret i den grønne visning, men er godt visualiseret i den røde visning, på grund af den lavere mængde af blødt væv i området. Men som armen løfter, hovedparten af deltoid bliver projiceret over området resulterer i en bedre radiografisk eksponering.Som observeret i denne kinematik analyse, glenohumeral bevægelse bestod af elevation og en lille ekstern rotation og var generelt in-plane posterior til skulderbladet. Skulderbladet thorax bevægelse bestod af en opadgående rotation med en bageste hældning og en lille intern-ekstern rotation. Under bevægelsesforsøget faldt den mindste subakromial afstand indtil ca. 90 graders humoristisk thorax elevation, hvorefter afstanden begyndte at stige.Den gennemsnitlige subacromial afstand fulgte en lignende bane. Den mindste subakrieafstand fulgte en gratis bane til overfladearealmetrien, således at minimumsafstanden havde tendens til at være mindre, når overfladearealet var større. At have deltageren praksis forslaget er afgørende for at sikre, at de forstår proceduren, og at de kan udføre den ønskede bevægelse med det korrekte tempo og timing.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Anatomy and Physiology

Bioengineering

Unit 1

Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

The Joints

SCIENTISTS IN ACTION

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy (Video) | JoVE 

Måling af mekaniske egenskaber af levende celler bruge Atomic Force Microscopy

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents. (Video) | JoVE 

Fabrikation og Implantation af Miniature Dual-element strain gauges til måling<em&gt; In Vivo</em&gt; Mave Sammentrækninger i gnavere.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an ...

Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices

Using Adhesive Patterning to Construct 3D Paper Microfluidic Devices (Video) | JoVE 

Brug Adhesive mønstret Konstruér 3D Paper mikrofluidenheder

We demonstrate the use of patterned aerosol adhesives to construct both planar and nonplanar 3D paper microfluidic devices. By spraying an aerosol ...

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo

Preparation of 3D Collagen Gels and Microchannels for the Study of 3D Interactions In Vivo (Video) | JoVE 

Udarbejdelse af 3D Kollagen Gels og mikrokanalerne for Studiet af 3D Interactions<em&gt; In vivo</em

Historically, most cellular processes have been studied in only 2 dimensions.  While these studies have been informative about general cell signaling ...

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics (Video) | JoVE 

Kvantificering af Strain i et porcint Model af hud Ekspansion Brug Multi-View Stereo og Isogeometric Kinematik

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and ...

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair Video (Video) | JoVE

Visualisere angiogenese af Multiphoton mikroskopi In Vivo i genetisk modificerede 3D-PLGA/nHAp stillads til Calvarial kritiske knogle defekt reparation

The reconstruction of critically sized bone defects remains a serious clinical problem because of poor angiogenesis within tissue-engineered scaffolds ...

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization

Bioprinting of Cartilage and Skin Tissue Analogs Utilizing a Novel Passive Mixing Unit Technique for Bioink Precellularization Video (Video) | JoVE

Bioprinting af brusk og huden væv analoger udnytter en roman passiv blanding enhed teknik for Bioink Precellularization

Bioprinting is a powerful technique for the rapid and reproducible fabrication of constructs for tissue engineering applications. In this study, both ...

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography

Rigid Embedding of Fixed and Stained, Whole, Millimeter-Scale Specimens for Section-free 3D Histology by Micro-Computed Tomography Video (Video) | JoVE

Stive indlejring af faste og plettet, hele, Millimeter-skala prøver for sektion-gratis 3D histologi ved mikro-beregnet tomografi

For over a hundred years, the histological study of tissues has been the gold standard for medical diagnosis because histology allows all cell types in ...

Rat Model of Adhesive Capsulitis of the Shoulder

Rat Model of Adhesive Capsulitis of the Shoulder Video (Video) | JoVE

Rotte Model af selvklæbende Capsulitis af skulderen

This proposal aims to create an in vivo rat model of adhesive capsulitis for researching potential treatment options for this condition and other ...

Measuring Global Cellular Matrix Metalloproteinase and Metabolic Activity in 3D Hydrogels

Measuring Global Cellular Matrix Metalloproteinase and Metabolic Activity in 3D Hydrogels Video (Video) | JoVE

Måling af Global cellulære Matrix Metalloproteinase og metaboliske aktivitet i 3D Hydrogels

Three-dimensional (3D) cell culture systems often more closely recapitulate in vivo cellular responses and functions than traditional two-dimensional (2D) ...