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

Onderzoek gerapporteerd in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases onder toekenningsnummer R01AR051912. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health (NIH).

Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System.
Protocollen voor het verkrijgen, verwerken en analyseren van tweedekker radiografische bewegingsgegevens zijn sterk afhankelijk van de beeldvormingssystemen, gegevensverwerkingssoftware en uitkomstmaten van belang. Het volgende protocol is specifiek ontworpen om de scapula, het opperarmbe...

De hier beschreven techniek overwint verschillende nadelen die verband houden met conventionele technieken voor het beoordelen van schouderbewegingen (d.w.z. cadaverische simulaties, 2D-beeldvorming, statische 3D-beeldvorming, op video gebaseerde motion capture-systemen, draagbare sensoren, enz.) door nauwkeurige metingen van 3D-gewrichtsbewegingen tijdens dynamische activiteiten te bieden. De nauwkeurigheid van het hierin beschreven protocol werd vastgesteld voor de glenohumerale verbinding tegen de gouden standaard van...

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. De schouder heeft ook het grootste bewegingsbereik van de belangrijkste gewrichten van het lichaam en wordt vaak beschreven als een compromis tussen mobiliteit en stabiliteit. Helaas komen schouderpathologieën vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. Rotator cuff-scheuren treffen bijvoorbeeld ongeveer 40% van de bevolking ouder dan 601,2,3, met ongeveer 250.000 rotator cuff-reparaties die jaarlijks worden uitgevoerd4, en een geschatte economische last van $ 3-5 miljard per jaar in de Verenigde Staten5. Bovendien komen schouderdislocaties vaak voor en worden ze vaak geassocieerd met chronische disfunctie6. Ten slotte is glenohumerale gewrichtsartrose (OA) een ander belangrijk klinisch probleem met betrekking tot de schouder, waarbij bevolkingsstudies aangeven dat ongeveer 15% -20% van de volwassenen ouder dan 65 jaar radiografisch bewijs van glenohumerale OA7,8 heeft. Deze aandoeningen zijn pijnlijk, tasten de activiteitsniveaus aan en verminderen de kwaliteit van leven.
Hoewel de pathogeneses van deze aandoeningen niet volledig worden begrepen, wordt algemeen aanvaard dat veranderde schouderbeweging geassocieerd is met veel schouderpathologieën9,10,11. In het bijzonder kan abnormale gewrichtsbeweging bijdragen aan de pathologie9,12, of dat de pathologie kan leiden tot abnormale gewrichtsbeweging13,14. Relaties tussen gewrichtsbeweging en pathologie zijn waarschijnlijk complex en subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging kunnen belangrijk zijn in de schouder. Hoewel hoekbeweging bijvoorbeeld de overheersende beweging is die optreedt bij het glenohumerale gewricht, treden gezamenlijke translaties ook op tijdens schouderbewegingen. Onder normale omstandigheden zijn deze translaties waarschijnlijk niet groter dan enkele millimeters15,16,17,18,19 en kunnen daarom lager zijn dan het niveau van in-vivo nauwkeurigheid voor sommige meettechnieken. Hoewel het verleidelijk kan zijn om aan te nemen dat kleine afwijkingen in gewrichtsbeweging weinig klinische impact kunnen hebben, is het belangrijk om ook te erkennen dat het cumulatieve effect van subtiele afwijkingen gedurende jaren van schouderactiviteit de drempel van het individu voor weefselgenezing en -herstel kan overschrijden. Bovendien zijn in-vivo krachten in het glenohumerale gewricht niet onbelangrijk. Met behulp van op maat gemaakte geïnstrumenteerde glenohumerale gewrichtsimplantaten hebben eerdere studies aangetoond dat het verhogen van een gewicht van 2 kg tot hoofdhoogte met een uitgestrekte arm kan resulteren in glenohumerale gewrichtskrachten die kunnen variëren van 70% tot 238% van het lichaamsgewicht20,21,22. Bijgevolg kan de combinatie van subtiele veranderingen in gewrichtsbeweging en hoge krachten geconcentreerd over het kleine dragende oppervlak van de glenoïde bijdragen aan de ontwikkeling van degeneratieve schouderpathologieën.
Historisch gezien is de meting van schouderbeweging bereikt door middel van een verscheidenheid aan experimentele benaderingen. Deze benaderingen omvatten het gebruik van complexe cadaverische testsystemen die zijn ontworpen om schouderbeweging te simuleren23,24,25,26,27, videogebaseerde motion capture-systemen met oppervlaktemarkeringen28,29,31, opbouw elektromagnetische sensoren32,33,34,35 , botpennen met reflecterende markers of andere sensoren bevestigd36,37,38, statische tweedimensionale medische beeldvorming (d.w.z. fluoroscopie39,40,41 en röntgenfoto's17,42,43,44,45), statische driedimensionale (3D) medische beeldvorming met MRI46,47, computertomografie48 en dynamische, 3D single plane fluoroscopische beeldvorming49,50,51. Meer recent hebben draagbare sensoren (bijv. traagheidsmeeteenheden) aan populariteit gewonnen voor het meten van schouderbewegingen buiten de laboratoriumomgeving en in vrije leefomstandigheden52,53,54,55,56,57.
In de afgelopen jaren is er een proliferatie geweest van tweedekker radiografische of fluoroscopische systemen die zijn ontworpen om dynamische, 3D in-vivo bewegingen van de schouder nauwkeurig te meten58,59,60,61,62. Het doel van dit artikel is om de aanpak van de auteurs te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast biplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van kinematische uitkomstmaten.

<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

De schouder is een van de meest complexe gewrichtssystemen van het menselijk lichaam, waarbij beweging plaatsvindt door de gecoördineerde acties van vier individuele gewrichten, meerdere ligamenten en ongeveer 20 spieren. Helaas komen schouderpathologieën (bijv. Rotator cuff-scheuren, gewrichtsdislocaties, artritis) vaak voor, wat resulteert in aanzienlijke pijn, invaliditeit en verminderde kwaliteit van leven. De specifieke etiologie voor veel van deze pathologische aandoeningen is niet volledig begrepen, maar het is algemeen aanvaard dat schouderpathologie vaak wordt geassocieerd met veranderde gewrichtsbeweging. Helaas is het meten van schouderbeweging met de nodige nauwkeurigheid om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken niet triviaal. Radiografische bewegingsmeettechnieken hebben echter de vooruitgang opgeleverd die nodig is om op beweging gebaseerde hypothesen te onderzoeken en een mechanistisch begrip van de schouderfunctie te bieden. Het doel van dit artikel is dus om de benaderingen te beschrijven voor het meten van schouderbeweging met behulp van een aangepast dubbelplanair videoradiografiesysteem. De specifieke doelstellingen van dit artikel zijn het beschrijven van de protocollen voor het verkrijgen van biplanaire videoradiografische beelden van het schoudercomplex, het verkrijgen van CT-scans, het ontwikkelen van 3D-botmodellen, het lokaliseren van anatomische oriëntatiepunten, het volgen van de positie en oriëntatie van het opperarmbeen, het schouderblad en de romp van de biplanaire radiografische beelden en het berekenen van de kinematische uitkomstmaten. Bovendien zal het artikel speciale overwegingen beschrijven die uniek zijn voor de schouder bij het meten van gewrichtskinematica met behulp van deze aanpak.

Een 52-jarige asymptomatische vrouw (BMI = 23,6 kg/m2) werd gerekruteerd als onderdeel van een eerder onderzoek en onderging bewegingstesten (coronale vliegtuigontvoering) op haar dominante (rechters)schouder65. Voorafgaand aan het verzamelen van gegevens heeft de deelnemer schriftelijke geïnformeerde toestemming gegeven. Het onderzoek werd goedgekeurd door de Institutional Review Board van Henry Ford Health System. De gegevensverzameling werd uitgevoerd met behulp van het eerder besch...

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

Tweedekker videoradiografie kan schouderkinematica met een hoge mate van nauwkeurigheid kwantificeren. Het hierin beschreven protocol is speciaal ontworpen om de scapula, opperarmbeen en de ribben te volgen tijdens vlakke humerusverhoging en schetst de procedures voor het verzamelen, verwerken en analyseren van gegevens. Unieke overwegingen voor het verzamelen van gegevens worden ook beschreven.

Meten van 3D in-vivo schouderkinematica met behulp van biplanaire videoradiografie

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

We geloven dat het belangrijk is om ons protocol en wat we hebben geleerd met behulp van deze technologie in ons onderzoek te delen, omdat de deelnemers aan deze studies worden blootgesteld aan straling en daarom is de foutmarge erg klein. Het grote voordeel van deze techniek is de nauwkeurigheid waarmee de gezamenlijke beweging kan worden gekwantificeerd, waardoor onderzoekers vragen kunnen stellen die anders niet mogelijk zouden zijn. Voordat u met een analyse begint, plaatst u de stoel in het tweedekkerbeeldvolume zodat de te testen schouder gecentreerd is op ongeveer het punt waar de tweedekker röntgenstralen elkaar kruisen.Vraag de deelnemer om in een comfortabele, rechtopstaande houding te zitten met de armen aan de zijkant. Pas de voorlopige stoelpositie aan op basis van de antropometrie van de deelnemer, de te testen beweging en de te volgen botten. En bevestig een met lood gevoerd beschermend vest over de romp van de deelnemer om de buik en contralaterale schouder en borst te bedekken.Schakel het licht in de röntgenbron van het systeem in en verhoog het systeem totdat de schaduw die op de beeldversterker wordt geworpen zich op het niveau van de oksel van de deelnemer bevindt. Beweeg de deelnemer voorzichtig op de stoel binnen het tweedekker beeldvolume terwijl u naar de schaduw op de intensifier kijkt. Zodra de positie van de deelnemer is ingesteld voor beide systemen die de lichtbron aan houden, vraagt u de deelnemer om de beweging uit te voeren die tijdens de procedure zal worden getest.De schouder van de deelnemer moet binnen het radiografische veld blijven. Om de positie van de deelnemer in de controlekamer te verifiëren, stelt u het röntgenbedieningspaneel in op de lage fluoroscopiemodus en de pulsgenerator op een acquisitie van 0,25 seconden. Laat een assistent het proces aan de deelnemer uitleggen, inclusief het waarschuwen van de deelnemer voor eventuele geluiden die ze tijdens de beeldvorming kunnen horen.Voordat de beeldvorming wordt gestart, moet de assistent een met lood bekleed beschermend vest aantrekken en weggaan van de röntgenbronnen met behoud van een duidelijke zichtlijn en communicatie met de deelnemer. Om een beeld te verkrijgen, start u de camera's en bereidt u het röntgenbedieningspaneel voor. Wanneer het systeem klaar is, instrueert u de assistent om te beginnen met het verkrijgen van de radiografische beelden met behulp van een handheld remote trigger.Inspecteer de beelden nadat ze zijn verkregen om te bepalen of de positie van de deelnemer bevredigend was voor het visualiseren van alle benodigde botten. Stel voor statische beeldacquisitie de geoptimaliseerde radiotechniek in op het röntgenbedieningspaneel zoals bepaald op basis van de voorlopige beeldvorming en laat de assistent de deelnemer vragen om rechtop te zitten met zijn armen rustend aan zijn zij. Nadat u een afbeelding in deze positie hebt verkregen, inspecteert u de afbeelding op kwaliteit, zichtbaarheid van het bot en technische staat.Wanneer een optimaal beeld is verkregen, slaat u de proefversie van elke camera op. Voor dynamische beeldacquisitie, met behulp van dezelfde parameters, maar met de pulsgenerator ingesteld op een belichting van twee seconden, laat de assistent de beweging oefenen die met een deelnemer moet worden uitgevoerd, met behulp van een verbale cue, getemporiseerd zodat de beweging in twee seconden wordt uitgevoerd. Wanneer de deelnemer klaar is, start u de camera's en stelt u het bedieningspaneel voor zoals gedemonstreerd en meldt u de assistent dat het systeem klaar is.Laat de assistent vragen of de deelnemer klaar is voordat hij de verbale aanwijzing Ready and go geeft, zodat de deelnemer de beweging uitvoert terwijl de assistent het röntgensysteem activeert om een dynamisch beeld te verkrijgen. Wanneer beelden van goede kwaliteit voor alle bewegingsproeven zijn verkregen, slaat u de proeven van elke camera op. In deze representatieve analyse onderging een 52-jarige asymptomatische vrouw bewegingstesten op haar dominante schouder zoals aangetoond.CT-scanbeelden van het schoudergewricht werden ook verkregen in de coronale, sagittale en transversale vlakken om het volledige schouderblad, humor en ribbenkast te omvatten. Deze radiografische beelden illustreren de complexiteit van het verkrijgen van tweedekker röntgenfoto's van de schouder onder lagere hoeken van humerale elevatie, het laterale acromion en het distale sleutelbeen lijken overbelicht in de groene weergave, maar worden goed gevisualiseerd in de rode weergave, vanwege het lagere volume van zacht weefsel in het gebied. Naarmate de arm echter omhoog gaat, wordt het grootste deel van de deltaspier over het gebied geprojecteerd, wat resulteert in een betere radiografische blootstelling.Zoals waargenomen in deze kinematica-analyse, bestond de glenohumerale beweging uit elevatie en een lichte externe rotatie en was over het algemeen in het vlak achteraan bij de scapula. De thoracale beweging van de scapula bestond uit een opwaartse rotatie met een achterwaartse kanteling en een lichte inwendig-externe rotatie. Tijdens de bewegingsproef nam de minimale subacromiale afstand af tot ongeveer 90 graden humorale thoracale hoogte, waarna de afstand begon toe te nemen.De gemiddelde subacromiale afstand volgde een vergelijkbaar traject. De minimale subacromiale afstand volgde een complementair traject naar de oppervlaktemeting, zodat de minimale afstand meestal kleiner was wanneer het oppervlak groter was. De deelnemer de beweging laten oefenen is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat ze de procedure begrijpen en dat ze de gewenste beweging met het juiste tempo en de juiste timing kunnen uitvoeren.

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 

Het meten van de mechanische eigenschappen van levende cellen door gebruik 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 

Fabricage en Implantatie van Miniatuur Dual-element rekstrookjes voor het meten van<em&gt; In Vivo</em&gt; Maag-Weeën in Knaagdieren.

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 

Met behulp van Adhesive gestructureerd om Construct 3D Paper microfluïdische apparaten

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 

Voorbereiding van de 3D Collageen Gels en Microkanalen voor de Studie van 3D-Interacties<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 

Kwantificering van Strain in een varkensmodel van Skin Expansion Met behulp van Multi-View Stereo en Isogeometric Kinematica

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) | JoVE 

Visualiseren van angiogenese door Multiphoton microscopie In Vivo in genetisch gemodificeerde 3D-PLGA/nHAp steiger voor Calvarial kritische bot Defect reparatie

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 van kraakbeen en huid weefsel analogen met behulp van een roman passief mengen eenheid techniek voor 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

Stijve inbedding van vaste en gekleurd, geheel Millimeter-schaal Specimens voor sectie-gratis 3D histologie door Micro-berekend tomografie

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

Rat Model van adhesieve Capsulitis van de schouder

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

Meten mondiale cellulaire Matrix Metalloproteinase en metabole activiteit in 3D Hydrogels

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