Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
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Die in dieser Publikation berichtete Forschung wurde vom National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases unter der Preisnummer R01AR051912 unterstützt. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der National Institutes of Health (NIH) dar.

Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt.
Protokolle zum Erfassen, Verarbeiten und Analysieren von Doppeldecker-Röntgenbewegungsdaten hängen stark von den Bildgebungssystemen, der Datenverarbeitungssoftware und den Ergebnismessungen von Interesse ab. Das folgende Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die dritte...

Die hier beschriebene Technik überwindet mehrere Nachteile, die mit herkömmlichen Techniken zur Beurteilung der Schulterbewegung verbunden sind (z. B. Leichensimulationen, 2D-Bildgebung, statische 3D-Bildgebung, videobasierte Bewegungserfassungssysteme, tragbare Sensoren usw.), indem sie genaue Messungen der 3D-Gelenkbewegung während dynamischer Aktivitäten liefert. Die Genauigkeit des hierin beschriebenen Protokolls wurde für die Glenohumeralverbindung gegenüber dem Goldstandard der radiostereometrischen Analyse (...

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Die Schulter hat auch den größten Bewegungsumfang der wichtigsten Gelenke des Körpers und wird oft als Kompromiss zwischen Beweglichkeit und Stabilität beschrieben. Leider sind Schulterpathologien häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Zum Beispiel betreffen Rotatorenmanschettenrisse etwa 40% der Bevölkerung über 601,2,3 Jahre, wobei jährlich etwa 250.000 Rotatorenmanschettenreparaturen durchgeführt werden4 und eine geschätzte wirtschaftliche Belastung von 3-5 Milliarden US-Dollar pro Jahr in den Vereinigten Staaten5. Darüber hinaus sind Schulterluxationen häufig und oft mit chronischen Funktionsstörungen verbunden6. Schließlich ist glenohumerale Gelenkarthrose (OA) ein weiteres bedeutendes klinisches Problem, das die Schulter betrifft, wobei Bevölkerungsstudien zeigen, dass etwa 15% -20% der Erwachsenen über 65 Jahre röntgenologische Beweise für glenohumerale OA haben7,8. Diese Zustände sind schmerzhaft, beeinträchtigen das Aktivitätsniveau und verringern die Lebensqualität.
Obwohl die Erreger dieser Erkrankungen nicht vollständig verstanden werden, ist allgemein anerkannt, dass eine veränderte Schulterbewegung mit vielen Schulterpathologien assoziiert ist9,10,11. Insbesondere kann eine abnormale Gelenkbewegung zur Pathologie beitragen9,12 oder dass die Pathologie zu einer abnormalen Gelenkbewegung führen kann13,14. Beziehungen zwischen Gelenkbewegung und Pathologie sind wahrscheinlich komplex, und subtile Veränderungen in der Gelenkbewegung können in der Schulter wichtig sein. Zum Beispiel, obwohl Winkelbewegung die vorherrschende Bewegung ist, die am Glenohumeralgelenk auftritt, treten Gelenkverschiebungen auch während der Schulterbewegung auf. Unter normalen Bedingungen überschreiten diese Translationen wahrscheinlich nicht mehrere Millimeter15,16,17,18,19 und können daher für einige Messtechniken unter dem Niveau der In-vivo-Genauigkeit liegen. Während es verlockend sein mag anzunehmen, dass kleine Abweichungen in der Gelenkbewegung wenig klinische Auswirkungen haben können, ist es auch wichtig zu erkennen, dass die kumulative Wirkung subtiler Abweichungen über Jahre der Schulteraktivität die Schwelle des Individuums für die Heilung und Reparatur von Gewebe überschreiten kann. Darüber hinaus sind In-vivo-Kräfte am Glenohumeralgelenk nicht belanglos. Unter Verwendung von kundenspezifisch instrumentierten Glenohumeralgelenkimplantaten haben frühere Studien gezeigt, dass das Anheben eines Gewichts von 2 kg auf Kopfhöhe mit einem ausgestreckten Arm zu glenohumeralen Gelenkkräften führen kann, die zwischen 70% und 238% des Körpergewichts liegen können20,21,22. Folglich kann die Kombination aus subtilen Veränderungen der Gelenkbewegung und hohen Kräften, die sich auf die kleine tragende Oberfläche des Glenoids konzentrieren, zur Entwicklung degenerativer Schulterpathologien beitragen.
In der Vergangenheit wurde die Messung der Schulterbewegung durch eine Vielzahl von experimentellen Ansätzen durchgeführt. Zu diesen Ansätzen gehörten der Einsatz komplexer Leichenprüfsysteme zur Simulation von Schulterbewegungen23,24,25,26,27, videobasierte Motion-Capture-Systeme mit Oberflächenmarkierungen28,29,31, oberflächenmontierte elektromagnetische Sensoren32,33,34,35 , Knochenstifte mit reflektierenden Markern oder anderen angebrachten Sensoren36,37,38, statische zweidimensionale medizinische Bildgebung (d.h. Fluoroskopie39,40,41 und Röntgenbilder17,42,43,44,45), statische dreidimensionale (3D) medizinische Bildgebung mit MRI46,47, Computertomographie48 und dynamische 3D-Durchleuchtung in einer Ebene49,50,51. In jüngster Zeit haben tragbare Sensoren (z. B. Trägheitsmesseinheiten) zur Messung der Schulterbewegung außerhalb des Labors und unter freien Lebensbedingungen an Popularität gewonnen52,53,54,55,56,57.
In den letzten Jahren gab es eine Vielzahl von Doppeldecker-Röntgen- oder Fluoroskopsystemen, die entwickelt wurden, um dynamische 3D-In-vivo-Bewegungen der Schulter genau zu messen58,59,60,61,62. Der Zweck dieses Artikels ist es, den Ansatz der Autoren zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels bestehen darin, die Protokolle zu beschreiben, um biplanare Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes zu erfassen, CT-Scans zu erfassen, 3D-Knochenmodelle zu entwickeln, anatomische Landmarken zu lokalisieren, die Position und Orientierung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern zu verfolgen und kinematische Ergebnismessungen zu berechnen.

<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

Die Schulter ist eines der komplexesten Gelenksysteme des menschlichen Körpers, wobei die Bewegung durch die koordinierten Aktionen von vier einzelnen Gelenken, mehreren Bändern und etwa 20 Muskeln erfolgt. Leider sind Schulterpathologien (z. B. Rotatorenmanschettenrisse, Gelenkluxationen, Arthritis) häufig, was zu erheblichen Schmerzen, Behinderungen und verminderter Lebensqualität führt. Die spezifische Ätiologie für viele dieser pathologischen Zustände ist nicht vollständig verstanden, aber es ist allgemein anerkannt, dass die Schulterpathologie oft mit einer veränderten Gelenkbewegung verbunden ist. Leider ist die Messung der Schulterbewegung mit der notwendigen Genauigkeit, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen, nicht trivial. Röntgenbasierte Bewegungsmesstechniken haben jedoch den Fortschritt gebracht, der notwendig ist, um bewegungsbasierte Hypothesen zu untersuchen und ein mechanistisches Verständnis der Schulterfunktion zu ermöglichen. Daher besteht der Zweck dieses Artikels darin, die Ansätze zur Messung der Schulterbewegung mit einem benutzerdefinierten biplanaren Videoradiographiesystem zu beschreiben. Die spezifischen Ziele dieses Artikels sind die Beschreibung der Protokolle zur Erfassung biplanarer Videoradiographiebilder des Schulterkomplexes, zur Erfassung von CT-Scans, zur Entwicklung von 3D-Knochenmodellen, zur Lokalisierung anatomischer Orientierungspunkte, zur Verfolgung der Position und Ausrichtung von Humerus, Schulterblatt und Rumpf aus den biplanaren Röntgenbildern und zur Berechnung der kinematischen Ergebnismessungen. Darüber hinaus wird der Artikel spezielle Überlegungen beschreiben, die für die Schulter bei der Messung der Gelenkkinematik mit diesem Ansatz einzigartig sind.

Eine 52-jährige asymptomatische Frau (BMI = 23,6 kg/m2) wurde im Rahmen einer früheren Untersuchung rekrutiert und an ihrer dominanten (rechten) Schulter einem Bewegungstest (koronale Flugzeugabduktion) unterzogen65. Vor der Datenerhebung erteilte der Teilnehmer eine schriftliche Einwilligung nach Aufklärung. Die Untersuchung wurde vom Institutional Review Board von Henry Ford Health System genehmigt. Die Datenerfassung wurde mit dem zuvor beschriebenen Protokoll durchgeführt (<stro...

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

Die Doppeldecker-Videoradiographie kann die Schulterkinematik mit hoher Genauigkeit quantifizieren. Das hierin beschriebene Protokoll wurde speziell entwickelt, um das Schulterblatt, den Humerus und die Rippen während der planaren Humeruserhöhung zu verfolgen, und skizziert die Verfahren zur Datenerfassung, -verarbeitung und -analyse. Einzigartige Überlegungen zur Datenerfassung werden ebenfalls beschrieben.

Messung der 3D-In-vivo-Schulterkinematik mittels biplanarer Videoradiographie

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

Wir glauben, dass es wichtig ist, unser Protokoll und das, was wir mit dieser Technologie gelernt haben, in unserer Forschung zu teilen, da die Teilnehmer an diesen Studien Strahlung ausgesetzt sind und daher die Fehlerspanne sehr gering ist. Der Hauptvorteil dieser Technik ist die Genauigkeit, mit der die Gelenkbewegung quantifiziert werden kann, was es den Forschern ermöglicht, Fragen nachzugehen, die sonst nicht möglich wären. Bevor Sie mit einer Analyse beginnen, positionieren Sie den Stuhl im Doppeldecker-Abbildungsvolumen so, dass die zu testende Schulter ungefähr an der Stelle zentriert ist, an der sich die Doppeldecker-Röntgenstrahlen schneiden.Bitten Sie den Teilnehmer, in einer bequemen, aufrechten Haltung mit den Armen an der Seite zu sitzen. Passen Sie die vorläufige Stuhlposition basierend auf der Anthropometrie des Teilnehmers, der zu testenden Bewegung und den zu verfolgenden Knochen an. Und befestigen Sie eine mit Blei ausgekleidete Schutzweste über dem Oberkörper des Teilnehmers, um den Bauch und die kontralaterale Schulter und Brust zu bedecken.Schalten Sie das Licht in der Röntgenquelle des Systems ein und heben Sie das System an, bis sich der auf den Bildverstärker geworfene Schatten auf Höhe der Achselhöhle des Teilnehmers befindet. Bewegen Sie den Teilnehmer auf dem Stuhl vorsichtig innerhalb des Doppeldecker-Bildvolumens, während Sie den Schatten auf dem Verstärker beobachten. Sobald die Position des Teilnehmers für beide Systeme festgelegt ist, die die Lichtquelle eingeschaltet halten, bitten Sie den Teilnehmer, die Bewegung auszuführen, die während des Verfahrens getestet wird.Die Schulter des Teilnehmers sollte innerhalb des Röntgenfeldes bleiben. Um die Position des Teilnehmers im Kontrollraum zu überprüfen, stellen Sie das Röntgenbedienfeld auf einen niedrigen Fluoroskopiemodus und den Impulsgenerator auf eine 0,25-Sekunden-Erfassung. Lassen Sie sich von einem Assistenten den Prozess erklären, einschließlich der Warnung des Teilnehmers vor Geräuschen, die er während der Bildgebung hören könnte.Vor Beginn der Bildgebung sollte der Assistent eine mit Blei ausgekleidete Schutzweste anziehen und sich von den Röntgenquellen entfernen, während er eine klare Sichtlinie und Kommunikation mit dem Teilnehmer aufrechterhält. Um ein Bild aufzunehmen, starten Sie die Kameras und bereiten Sie das Röntgenbedienfeld vor. Wenn das System bereit ist, weisen Sie den Assistenten an, mit der Erfassung der Röntgenbilder mithilfe eines tragbaren Fernauslösers zu beginnen.Überprüfen Sie die Bilder nach der Aufnahme, um festzustellen, ob die Position des Teilnehmers für die Visualisierung aller notwendigen Knochen zufriedenstellend war. Für die statische Bildaufnahme stellen Sie die optimierte Funktechnik auf dem Röntgenbedienfeld ein, wie sie aus der vorläufigen Bildgebung ermittelt wurde, und lassen Sie den Assistenten den Teilnehmer bitten, aufrecht zu sitzen und die Arme an den Seiten zu ruhen. Nachdem Sie ein Bild in dieser Position aufgenommen haben, untersuchen Sie das Bild auf Qualität, Sichtbarkeit und technischen Zustand.Wenn ein optimales Bild aufgenommen wurde, speichern Sie die Testversion von jeder Kamera. Für die dynamische Bildaufnahme mit den gleichen Parametern, aber mit dem Impulsgenerator auf eine Zwei-Sekunden-Belichtung eingestellt, lassen Sie den Assistenten die Bewegung üben, die mit einem Teilnehmer ausgeführt werden soll, unter Verwendung eines verbalen Hinweises, so dass die Bewegung in zwei Sekunden ausgeführt wird. Wenn der Teilnehmer bereit ist, starten Sie die Kameras und bereiten Sie das Bedienfeld wie gezeigt vor und benachrichtigen Sie den Assistenten, dass das System bereit ist.Lassen Sie den Assistenten fragen, ob der Teilnehmer bereit ist, bevor Sie den verbalen Hinweis bereit geben, Ready and go, damit der Teilnehmer die Bewegung ausführt, während der Assistent das Röntgensystem auslöst, um ein dynamisches Bild aufzunehmen. Wenn bilder in guter Qualität für alle Bewegungsversuche aufgenommen wurden, speichern Sie die Versuche von jeder Kamera. In dieser repräsentativen Analyse unterzog sich eine 52-jährige asymptomatische Frau einem Bewegungstest an ihrer dominanten Schulter, wie gezeigt.CT-Scanbilder des Schultergelenks wurden auch in der koronalen, sagittalen und transversalen Ebene erhalten, um das gesamte Schulterblatt, humorvoll und Brustkorb einzubeziehen. Diese Röntgenbilder veranschaulichen die Komplexität der Aufnahme von Doppeldecker-Röntgenaufnahmen der Schulter bei niedrigeren Winkeln der humeralen Erhebung, das laterale Schulterdach und das distale Schlüsselbein erscheinen in der grünen Ansicht überbelichtet, sind aber in der roten Ansicht aufgrund des geringeren Volumens des Weichgewebes in der Fläche gut visualisiert. Wenn sich der Arm jedoch anhebt, wird der Großteil des Deltamuskels über den Bereich projiziert, was zu einer besseren Röntgenexposition führt.Wie in dieser Kinematikanalyse beobachtet, bestand die Glenohumeralbewegung aus Elevation und einer leichten Außenrotation und war im Allgemeinen in der Ebene posterior zum Schulterblatt. Die Thoraxbewegung des Schulterblatts bestand aus einer Aufwärtsrotation mit einer hinteren Neigung und einer leichten innen-äußeren Rotation. Während des Bewegungsversuchs nahm der minimale subacromiale Abstand bis etwa 90 Grad humoraler thorakaler Elevation ab, an welchem Punkt der Abstand zuzunehmen begann.Die durchschnittliche subacromiale Entfernung folgte einer ähnlichen Flugbahn. Der minimale subacromiale Abstand folgte einer komplementären Trajektorie zur Oberflächenmetrik, so dass der minimale Abstand tendenziell kleiner war, wenn die Oberfläche größer war. Dass der Teilnehmer die Bewegung übt, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass er das Verfahren versteht und dass er die gewünschte Bewegung mit dem richtigen Tempo und Timing ausführen kann.

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Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

The Joints

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