Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
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La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par l’Institut national de l’arthrite et des maladies musculo-squelettiques et cutanées sous le numéro d’attribution R01AR051912. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les points de vue officiels des National Institutes of Health (NIH).

Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford.
Les protocoles d’acquisition, de traitement et d’analyse des données de mouvement radiographique biplan dépendent fortement des systèmes d’imagerie, des logiciels de traitement des données et des mesures des résultats d’intérêt. Le protocole suivant a été spécialement conçu pour s...

La technique décrite ici surmonte plusieurs inconvénients associés aux techniques conventionnelles d’évaluation du mouvement de l’épaule (simulations cadavériques, imagerie 2D, imagerie 3D statique, systèmes de capture de mouvement vidéo, capteurs portables, etc.) en fournissant des mesures précises du mouvement des articulations 3D pendant les activités dynamiques. La précision du protocole décrit ici a été établie pour que l’articulation gléno-humérale par rapport à l’étalon-or de l’analyse...

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. L’épaule a également la plus grande amplitude de mouvement des principales articulations du corps et est souvent décrite comme un compromis entre mobilité et stabilité. Malheureusement, les pathologies de l’épaule sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. Par exemple, les déchirures de la coiffe des rotateurs touchent environ 40 % de la population âgée de plus de 601 2,3 ans, avec environ 250 000 réparations de la coiffe des rotateurs effectuées chaque année4 et un fardeau économique estimé à 3 à 5 milliards de dollars par an aux États-Unis5. De plus, les luxations de l’épaule sont fréquentes et sont souvent associées à un dysfonctionnement chronique6. Enfin, l’arthrose de l’articulation gléno-humérale (ARTH) est un autre problème clinique important impliquant l’épaule, avec des études de population indiquant qu’environ 15% à 20% des adultes de plus de 65 ans présentent des preuves radiographiques d’OA gléno-humérale7,8. Ces conditions sont douloureuses, altèrent les niveaux d’activité et diminuent la qualité de vie.
Bien que les pathogènes de ces conditions ne soient pas entièrement comprises, il est généralement admis que le mouvement altéré de l’épaule est associé à de nombreuses pathologies de l’épaule9,10,11. Plus précisément, un mouvement articulaire anormal peut contribuer à la pathologie9,12, ou que la pathologie peut conduire à un mouvement articulaire anormal13,14. Les relations entre le mouvement articulaire et la pathologie sont probablement complexes, et des altérations subtiles du mouvement articulaire peuvent être importantes dans l’épaule. Par exemple, bien que le mouvement angulaire soit le mouvement prédominant se produisant au niveau de l’articulation gléno-humérale, des translations articulaires se produisent également pendant le mouvement de l’épaule. Dans des conditions normales, ces translations ne dépassent probablement pas plusieurs millimètres15,16,17,18,19 et peuvent donc être inférieures au niveau de précision in vivo pour certaines techniques de mesure. Bien qu’il puisse être tentant de supposer que de petites déviations dans le mouvement articulaire peuvent avoir peu d’impact clinique, il est important de reconnaître également que l’effet cumulatif des déviations subtiles au cours des années d’activité de l’épaule peut dépasser le seuil de guérison et de réparation des tissus de l’individu. De plus, les forces in vivo au niveau de l’articulation gléno-humérale ne sont pas sans conséquence. En utilisant des implants articulaires gléno-huméraux instrumentés sur mesure, des études antérieures ont montré que l’augmentation d’un poids de 2 kg à la hauteur de la tête avec un bras tendu peut entraîner des forces articulaires gléno-humérales pouvant aller de 70% à 238% du poids corporel20,21,22. Par conséquent, la combinaison de changements subtils dans le mouvement articulaire et de forces élevées concentrées sur la petite surface porteuse de la glénoïde peut contribuer au développement de pathologies dégénératives de l’épaule.
Historiquement, la mesure du mouvement de l’épaule a été réalisée grâce à une variété d’approches expérimentales. Ces approches ont inclus l’utilisation de systèmes de test cadavériques complexes conçus pour simuler le mouvement de l’épaule23,24,25,26,27, des systèmes de capture de mouvement vidéo avec des marqueurs de surface28,29,31, des capteurs électromagnétiques montés en surface32,33,34,35 , des broches osseuses avec marqueurs réfléchissants ou d’autres capteurs attachés36,37,38, imagerie médicale statique bidimensionnelle (c.-à-d. fluoroscopie39,40,41 et radiographies17,42,43,44,45), imagerie médicale tridimensionnelle (3D) statique utilisant l’IRM46,47, tomodensitométrie48 et imagerie fluoroscopique 3D à plan unique dynamique49,50,51. Plus récemment, les capteurs portables (par exemple, les unités de mesure inertielle) ont gagné en popularité pour mesurer le mouvement des épaules en dehors du laboratoire et dans des conditions de vie libre52,53,54,55,56,57.
Au cours des dernières années, il y a eu une prolifération de systèmes radiographiques ou fluoroscopiques biplans conçus pour mesurer avec précision les mouvements dynamiques et 3D in vivo de l’épaule58,59,60,61,62. Le but de cet article est de décrire l’approche des auteurs pour mesurer le mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer des mesures cinématiques des résultats.

<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

L’épaule est l’un des systèmes articulaires les plus complexes du corps humain, le mouvement se produisant par les actions coordonnées de quatre articulations individuelles, de plusieurs ligaments et d’environ 20 muscles. Malheureusement, les pathologies de l’épaule (p. ex., déchirures de la coiffe des rotateurs, luxations articulaires, arthrite) sont courantes, entraînant une douleur importante, une invalidité et une diminution de la qualité de vie. L’étiologie spécifique pour beaucoup de ces conditions pathologiques n’est pas entièrement comprise, mais il est généralement admis que la pathologie de l’épaule est souvent associée à un mouvement articulaire altéré. Malheureusement, mesurer le mouvement de l’épaule avec le niveau de précision nécessaire pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement n’est pas anodin. Cependant, les techniques de mesure du mouvement basées sur la radiographie ont fourni les progrès nécessaires pour étudier les hypothèses basées sur le mouvement et fournir une compréhension mécaniste de la fonction de l’épaule. Ainsi, le but de cet article est de décrire les approches de mesure du mouvement de l’épaule à l’aide d’un système de vidéoradiographie biplanaire personnalisé. Les objectifs spécifiques de cet article sont de décrire les protocoles permettant d’acquérir des images vidéorographiques biplanaires du complexe de l’épaule, d’acquérir des tomodensitogrammes, de développer des modèles osseux 3D, de localiser des repères anatomiques, de suivre la position et l’orientation de l’humérus, de l’omoplate et du torse à partir des images radiographiques biplanaires et de calculer les mesures cinématiques des résultats. En outre, l’article décrira des considérations spéciales propres à l’épaule lors de la mesure de la cinématique articulaire à l’aide de cette approche.

Une femme asymptomatique de 52 ans (IMC = 23,6 kg/m2) a été recrutée dans le cadre d’une enquête antérieure et a subi un test de mouvement (abduction par avion coronal) sur son épaule dominante (droite)65. Avant la collecte des données, le participant a donné son consentement éclairé écrit. L’enquête a été approuvée par le Comité d’examen institutionnel du système de santé Henry Ford. La collecte de données a été effectuée à l’aide du protocole décrit pr?...

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

La vidéoradiographie biplan permet de quantifier la cinématique de l’épaule avec un haut degré de précision. Le protocole décrit ici a été spécialement conçu pour suivre l’omoplate, l’humérus et les côtes pendant l’élévation humérale plane, et décrit les procédures de collecte, de traitement et d’analyse des données. Des considérations uniques pour la collecte de données sont également décrites.

Mesure de la cinématique 3D in vivo de l’épaule à l’aide de la vidéoradiographie biplanaire

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

Nous croyons qu’il est important de partager notre protocole et ce que nous avons appris en utilisant cette technologie dans nos recherches, car les participants à ces études sont exposés aux radiations et, par conséquent, la marge d’erreur est très faible. Le principal avantage de cette technique est la précision avec laquelle le mouvement articulaire peut être quantifié, ce qui permet aux chercheurs de poursuivre des questions qui, autrement, ne seraient pas possibles. Avant de commencer une analyse, placez la chaise dans le volume d’imagerie biplan de sorte que l’épaule à tester soit centrée approximativement au point d’intersection des faisceaux de rayons X biplans.Demandez au participant d’être assis dans une posture confortable et droite avec les bras sur les côtés. Ajustez la position préliminaire de la chaise en fonction de l’anthropométrie du participant, du mouvement à tester et des os à suivre. Et fixez un gilet de protection doublé de plomb sur le torse du participant pour couvrir l’abdomen et l’épaule et la poitrine controlatérales.Allumez la lumière dans la source de rayons X du système et soulevez le système jusqu’à ce que l’ombre projetée sur l’intensificateur d’image soit au niveau de l’aisselle du participant. Déplacez doucement le participant sur la chaise dans le volume d’image du biplan tout en regardant l’ombre sur l’intensificateur. Une fois que la position du participant est réglée pour les deux systèmes gardant la source lumineuse allumée, demandez au participant d’effectuer le mouvement qui sera testé pendant la procédure.L’épaule du participant doit rester dans le champ radiographique. Pour vérifier la position du participant dans la salle de contrôle, réglez le panneau de commande des rayons X en mode basse fluoroscopie et le générateur d’impulsions sur une acquisition de 0,25 seconde. Demandez à un assistant d’expliquer le processus au participant, y compris d’avertir le participant de tout son qu’il pourrait entendre pendant l’imagerie.Avant de commencer l’imagerie, l’assistant doit mettre un gilet de protection doublé de plomb et s’éloigner des sources de rayons X tout en maintenant une ligne de visée claire et une communication avec le participant. Pour acquérir une image, démarrez les caméras et amorcez le panneau de commande des rayons X. Lorsque le système est prêt, demandez à l’assistant de commencer à acquérir les images radiographiques à l’aide d’un déclencheur à distance portatif.Inspectez les images après leur acquisition pour déterminer si la position du participant était satisfaisante pour visualiser tous les os nécessaires. Pour l’acquisition d’images statiques, réglez la technique radio optimisée sur le panneau de commande des rayons X telle que déterminée à partir de l’imagerie préliminaire et demandez à l’assistant de demander au participant de s’asseoir debout avec les bras posés sur les côtés. Après avoir acquis une image dans cette position, inspectez l’image pour la qualité, la visibilité de l’os d’intérêt et l’état technique.Lorsqu’une image optimale a été acquise, enregistrez l’essai de chaque caméra. Pour l’acquisition d’images dynamiques, en utilisant les mêmes paramètres, mais avec le générateur d’impulsions réglé sur une exposition de deux secondes, demandez à l’assistant de pratiquer le mouvement à effectuer avec un participant, à l’aide d’un signal verbal, rythmé de sorte que le mouvement soit effectué en deux secondes. Lorsque le participant est prêt, démarrez les caméras et amorcez le panneau de commande comme démontré et informez l’assistant que le système est prêt.Demandez à l’assistant de demander si le participant est prêt avant de donner le signal verbal, Ready and go, afin que le participant effectue le mouvement pendant que l’assistant déclenche le système de radiographie pour acquérir une image dynamique. Lorsque des images de bonne qualité pour tous les essais de mouvement ont été acquises, enregistrez les essais de chaque caméra. Dans cette analyse représentative, une femme asymptomatique de 52 ans a subi un test de mouvement sur son épaule dominante, comme démontré.Des images de tomodensitométrie de l’articulation de l’épaule ont également été obtenues dans les plans coronal, sagittal et transversal pour inclure l’ensemble de l’omoplate, de l’humour et de la cage thoracique. Ces images radiographiques illustrent la complexité de l’acquisition de radiographies biplanes de l’épaule à des angles inférieurs d’élévation humérale, l’acromion latéral et la clavicule distale apparaissent surexposés dans la vue verte, mais sont bien visualisés dans la vue rouge, en raison du volume plus faible de tissus mous dans la région. Cependant, à mesure que le bras s’élève, la majeure partie du deltoïde est projetée sur la zone, ce qui entraîne une meilleure exposition radiographique.Comme on l’a observé dans cette analyse cinématique, le mouvement gléno-huméral consistait en une élévation et une légère rotation externe et était généralement postérieur dans le plan de l’omoplate. Le mouvement thoracique de l’omoplate consistait en une rotation vers le haut avec une inclinaison postérieure et une légère rotation interne-externe. Au cours de l’essai de mouvement, la distance sous-acromiale minimale a diminué jusqu’à environ 90 degrés d’élévation thoracique humorale, moment auquel la distance a commencé à augmenter.La distance sous-acromiale moyenne a suivi une trajectoire similaire. La distance sous-acromiale minimale suivait une trajectoire complémentaire à la métrique de surface, de sorte que la distance minimale avait tendance à être plus petite lorsque la surface était plus grande. Il est essentiel que le participant pratique le mouvement pour s’assurer qu’il comprend la procédure et qu’il peut effectuer le mouvement souhaité avec le rythme et le timing corrects.

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