Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
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La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata supportata dal National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases con il numero di premio R01AR051912. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del National Institutes of Health (NIH).

Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L'indagine è stata approvata dall'Institutional Review Board dell'Henry Ford Health System.
I protocolli per l'acquisizione, l'elaborazione e l'analisi dei dati di movimento radiografico biplano dipendono fortemente dai sistemi di imaging, dal software di elaborazione dei dati e dalle misure di risultato di interesse. Il seguente protocollo è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l'om...

La tecnica qui descritta supera diversi svantaggi associati alle tecniche convenzionali per valutare il movimento della spalla (ad esempio, simulazioni cadaveriche, imaging 2D, imaging 3D statico, sistemi di motion capture basati su video, sensori indossabili, ecc.) fornendo misure accurate del movimento articolare 3D durante le attività dinamiche. L'accuratezza del protocollo qui descritto è stata stabilita per l'articolazione gleno-omerale rispetto al gold standard dell'analisi radiostereometrica (RSA) da ±0,5° e ?...

La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. La spalla ha anche la più grande gamma di movimento delle principali articolazioni del corpo ed è spesso descritta come un compromesso tra mobilità e stabilità. Sfortunatamente, le patologie della spalla sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. Ad esempio, le lacrime della cuffia dei rotatori colpiscono circa il 40% della popolazione di età superiore ai 601,2,3 anni, con circa 250.000 riparazioni della cuffia dei rotatori eseguite ogni anno4 e un onere economico stimato di $ 3-5 miliardi all'anno negli Stati Uniti5. Inoltre, le lussazioni della spalla sono comuni e sono spesso associate a disfunzioni croniche6. Infine, l'osteoartrite articolare gleno-omerale (OA) è un altro problema clinico significativo che coinvolge la spalla, con studi di popolazione che indicano che circa il 15%-20% degli adulti di età superiore ai 65 anni ha evidenze radiografiche di OA7,8 gleno-omerale. Queste condizioni sono dolorose, compromettono i livelli di attività e diminuiscono la qualità della vita.
Sebbene le patogenesi di queste condizioni non siano completamente comprese, è generalmente accettato che il movimento alterato della spalla sia associato a molte patologie della spalla9,10,11. In particolare, il movimento articolare anormale può contribuire alla patologia9,12, o che la patologia può portare a un movimento articolare anormale13,14. Le relazioni tra movimento articolare e patologia sono probabilmente complesse e sottili alterazioni nel movimento articolare possono essere importanti nella spalla. Ad esempio, sebbene il movimento angolare sia il movimento predominante che si verifica nell'articolazione gleno-omerale, le traduzioni articolari si verificano anche durante il movimento della spalla. In condizioni normali queste traduzioni probabilmente non superano diversi millimetri15,16,17,18,19, e quindi possono essere al di sotto del livello di accuratezza in vivo per alcune tecniche di misurazione. Mentre può essere allettante supporre che piccole deviazioni nel movimento articolare possano avere un impatto clinico minimo, è importante anche riconoscere che l'effetto cumulativo di sottili deviazioni nel corso di anni di attività della spalla può superare la soglia dell'individuo per la guarigione e la riparazione dei tessuti. Inoltre, le forze in vivo all'articolazione gleno-omerale non sono irrilevanti. Utilizzando impianti articolari gleno-omerali strumentati personalizzati, studi precedenti hanno dimostrato che l'aumento di un peso di 2 kg all'altezza della testa con un braccio teso può comportare forze articolari gleno-omerali che possono variare dal 70% al 238% del peso corporeo20,21,22. Di conseguenza, la combinazione di sottili cambiamenti nel movimento articolare e forze elevate concentrate sulla piccola superficie portante della glenoide può contribuire allo sviluppo di patologie degenerative della spalla.
Storicamente, la misurazione del movimento della spalla è stata realizzata attraverso una varietà di approcci sperimentali. Questi approcci hanno incluso l'uso di complessi sistemi di test cadaverici progettati per simulare il movimento della spalla23,24,25,26,27, sistemi di motion capture basati su video con marcatori di superficie28,29,31, sensori elettromagnetici a montaggio superficiale32,33,34,35 , perni ossei con marcatori riflettenti o altri sensori collegati36,37,38, imaging medico bidimensionale statico (cioè fluoroscopia39,40,41 e radiografie17,42,43,44,45), imaging medico statico tridimensionale (3D) mediante risonanza magnetica46,47, tomografia computerizzata48 e imaging fluoroscopico dinamico a piano singolo 3D49,50,51. Più recentemente, i sensori indossabili (ad esempio, unità di misura inerziali) hanno guadagnato popolarità per misurare il movimento della spalla al di fuori dell'ambiente di laboratorio e in condizioni di vita libera52,53,54,55,56,57.
Negli ultimi anni, c'è stata una proliferazione di sistemi radiografici o fluoroscopici biplani progettati per misurare con precisione i movimenti dinamici 3D in vivo della spalla58,59,60,61,62. Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere l'approccio degli autori per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l'orientamento dell'omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico.

<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

La spalla è uno dei sistemi articolari più complessi del corpo umano, con il movimento che si verifica attraverso le azioni coordinate di quattro singole articolazioni, legamenti multipli e circa 20 muscoli. Sfortunatamente, le patologie della spalla (ad esempio, lacrime della cuffia dei rotatori, lussazioni articolari, artrite) sono comuni, con conseguente dolore sostanziale, disabilità e diminuzione della qualità della vita. L'eziologia specifica per molte di queste condizioni patologiche non è completamente compresa, ma è generalmente accettato che la patologia della spalla è spesso associata a un movimento articolare alterato. Sfortunatamente, misurare il movimento della spalla con il livello di precisione necessario per indagare ipotesi basate sul movimento non è banale. Tuttavia, le tecniche di misurazione del movimento basate sulla radiografia hanno fornito il progresso necessario per indagare ipotesi basate sul movimento e fornire una comprensione meccanicistica della funzione della spalla. Pertanto, lo scopo di questo articolo è descrivere gli approcci per misurare il movimento della spalla utilizzando un sistema di videoradiografia biplanare personalizzato. Gli obiettivi specifici di questo articolo sono descrivere i protocolli per acquisire immagini videoradiografiche biplanari del complesso della spalla, acquisire scansioni TC, sviluppare modelli ossei 3D, individuare punti di riferimento anatomici, tracciare la posizione e l'orientamento dell'omero, della scapola e del busto dalle immagini radiografiche biplanari e calcolare le misure di esito cinematico. Inoltre, l'articolo descriverà considerazioni speciali uniche per la spalla quando si misura la cinematica articolare utilizzando questo approccio.

Una femmina asintomatica di 52 anni (BMI = 23,6 kg/m2) è stata reclutata nell'ambito di una precedente indagine ed è stata sottoposta a test di movimento (rapimento del piano coronale) sulla sua spalla dominante (destra)65. Prima della raccolta dei dati, il partecipante ha fornito il consenso informato scritto. L'indagine è stata approvata dall'Institutional Review Board dell'Henry Ford Health System. La raccolta dei dati è stata eseguita utilizzando il protocollo precedentemente de...

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

La videoradiografia biplana può quantificare la cinematica della spalla con un alto grado di precisione. Il protocollo qui descritto è stato specificamente progettato per tracciare la scapola, l'omero e le costole durante l'elevazione omerale planare e delinea le procedure per la raccolta, l'elaborazione e l'analisi dei dati. Vengono inoltre descritte considerazioni univoche per la raccolta dei dati.

Misurazione della cinematica della spalla 3D in vivo utilizzando la videoradiografia biplanare

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

Crediamo che sia importante condividere il nostro protocollo e ciò che abbiamo imparato usando questa tecnologia nella nostra ricerca, perché i partecipanti a questi studi sono esposti alle radiazioni e quindi il margine di errore è molto piccolo. Il vantaggio principale di questa tecnica è l'accuratezza con cui il movimento congiunto può essere quantificato, che consente ai ricercatori di perseguire domande che altrimenti non sarebbero possibili. Prima di iniziare un'analisi, posizionare la sedia nel volume di imaging biplano in modo che la spalla da testare sia centrata approssimativamente nel punto in cui i fasci di raggi X biplani si intersecano.Chiedi al partecipante di essere seduto in una postura comoda e eretta con le braccia ai lati. Regola la posizione preliminare della sedia in base all'antropometria del partecipante, al movimento da testare e alle ossa da tracciare. E fissare un giubbotto protettivo rivestito di piombo sul busto del partecipante per coprire l'addome e la spalla controlaterale e il torace.Accendere la luce all'interno della sorgente di raggi X del sistema e sollevare il sistema fino a quando l'ombra proiettata sull'intensificatore di immagine è al livello dell'ascella del partecipante. Spostare delicatamente il partecipante sulla sedia all'interno del volume dell'immagine biplano mentre si osserva l'ombra sull'intensificatore. Una volta impostata la posizione del partecipante per entrambi i sistemi mantenendo accesa la sorgente luminosa, chiedere al partecipante di eseguire il movimento che verrà testato durante la procedura.La spalla del partecipante deve rimanere all'interno del campo radiografico. Per verificare la posizione del partecipante nella sala di controllo impostare il pannello di controllo a raggi X sulla modalità a bassa fluoroscopia e il generatore di impulsi su un'acquisizione di 0,25 secondi. Chiedi a un assistente di spiegare il processo al partecipante, incluso l'avvertimento del partecipante su eventuali suoni che potrebbero sentire durante l'imaging.Prima di iniziare l'imaging, l'assistente deve indossare un giubbotto protettivo rivestito di piombo e allontanarsi dalle sorgenti di raggi X mantenendo una chiara linea di vista e comunicazione con il partecipante. Per acquisire un'immagine, avviare le telecamere e accendere il pannello di controllo a raggi X. Quando il sistema è pronto, indicare all'assistente di iniziare ad acquisire le immagini radiografiche utilizzando un trigger remoto portatile.Ispeziona le immagini dopo che sono state acquisite per determinare se la posizione del partecipante era soddisfacente per visualizzare tutte le ossa necessarie. Per l'acquisizione di immagini statiche impostare la tecnica radio ottimizzata sul pannello di controllo a raggi X come determinato dall'imaging preliminare e chiedere all'assistente di chiedere al partecipante di sedersi in posizione verticale con le braccia appoggiate ai lati. Dopo aver acquisito un'immagine in questa posizione, ispezionare l'immagine per verificarne la qualità, la visibilità dell'osso di interesse e le condizioni tecniche.Quando è stata acquisita un'immagine ottimale, salvare la versione di prova da ciascuna fotocamera. Per l'acquisizione dinamica delle immagini, utilizzando gli stessi parametri, ma con il generatore di impulsi impostato su un'esposizione di due secondi, chiedi all'assistente di praticare il movimento da eseguire con un partecipante, utilizzando un segnale verbale, a ritmo in modo che il movimento venga eseguito in due secondi. Quando il partecipante è pronto, avviare le telecamere e accendere il pannello di controllo come dimostrato e notificare all'assistente che il sistema è pronto.Chiedi all'assistente di chiedere se il partecipante è pronto prima di dare il segnale verbale, Ready and go, in modo che il partecipante esegua il movimento mentre l'assistente attiva il sistema a raggi X per acquisire un'immagine dinamica. Quando sono state acquisite immagini di buona qualità per tutte le prove di movimento, salvare le prove da ciascuna telecamera. In questa analisi rappresentativa una femmina asintomatica di 52 anni è stata sottoposta a test di movimento sulla spalla dominante come dimostrato.Le immagini di scansione TC dell'articolazione della spalla sono state ottenute anche nei piani coronale, sagittale e trasversale per includere l'intera scapola, l'umorismo e la gabbia toracica. Queste immagini radiografiche illustrano la complessità dell'acquisizione di radiografie biplane della spalla ad angoli più bassi di elevazione omerale, l'acromion laterale e la clavicola distale appaiono sovraesposte nella vista verde, ma sono ben visualizzate nella vista rossa, a causa del volume inferiore dei tessuti molli all'interno dell'area. Tuttavia, man mano che il braccio si eleva, la maggior parte del deltoide viene proiettata sull'area con conseguente migliore esposizione radiografica.Come osservato in questa analisi cinematica, il moto gleno-omerale consisteva in elevazione e una leggera rotazione esterna ed era generalmente posteriore al piano della scapola. Il movimento toracico della scapola consisteva in una rotazione verso l'alto con un'inclinazione posteriore e una leggera rotazione interno-esterna. Durante la prova di movimento, la distanza subacromiale minima è diminuita fino a circa 90 gradi di elevazione toracica umorale, a quel punto la distanza ha iniziato ad aumentare.La distanza subacromiale media seguiva una traiettoria simile. La distanza subacromiale minima seguiva una traiettoria complementare alla metrica dell'area superficiale, tale che la distanza minima tendeva ad essere più piccola quando l'area della superficie era più grande. Avere il partecipante che pratica il movimento è fondamentale per assicurarsi che comprendano la procedura e che possano eseguire il movimento desiderato con il ritmo e i tempi corretti.

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