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

이 간행물에서 보고된 연구는 상 번호 R01AR051912의 밑에 관절염과 근골격계 및 피부 질병의 국가 학회에 의해 지원되었습니다. 이 내용은 전적으로 저자의 책임이며 반드시 국립 보건원 (NIH)의 공식 견해를 나타내는 것은 아닙니다.

데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다.
복엽 비행기 방사선 촬영 데이터 수집, 처리 및 분석을 위한 프로토콜은 이미징 시스템, 데이터 처리 소프트웨어 및 결과 이해 결과에 크게 의존합니다. 다음 프로토콜은 특히 견갑골 비행기 또는 관상 비행기 납치 중 견갑골, 상완골 및 세 번째 및...

여기에 설명된 기술은 동적 활동 중에 3D 조인트 모션의 정확한 측정을 제공함으로써 어깨 모션(예: cadaveric 시뮬레이션, 2D 이미징, 정적 3D 이미징, 비디오 기반 모션 캡처 시스템, 웨어러블 센서 등)을 평가하기 위한 기존의 기술과 관련된 몇 가지 단점을 극복합니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜의 정확도는 ±0.5°와 ±0.4 mm67,68로 방사능 분석(RSA)의 금본...

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 어깨는 또한 신체의 주요 관절의 운동의 가장 큰 범위를 가지고 있으며 종종 이동성과 안정성 사이의 타협으로 설명됩니다. 불행히도, 어깨 병리는 상당한 고통, 장애 및 삶의 질을 감소시며 일반적입니다. 예를 들어, 회전근의 눈물은 601,2,3세 이상 인구의 약 40%에 영향을 미치며, 매년 약 250,000개의 회전근 수리가 매년 4회 수행되며, 미국에서연간 3~50억 달러의 경제적 부담이 예상됩니다. 추가적으로, 어깨 탈구는 일반적이고 수시로 만성 기능 장애와 연관됩니다6. 마지막으로, 골누메랄 관절 관절염 (OA)은 어깨와 관련된 또 다른 중요한 임상 문제이며, 인구 연구에 따르면 65 세 이상의 성인의 약 15 %-20 %가 glenohumeral OA7,8의 방사선 학적 증거를 가지고 있음을 나타냅니다. 이러한 조건은 고통스럽고 활동 수준을 손상시키며 삶의 질을 감소시습니다.
이러한 조건의 병인은 완전히 이해되지 않지만, 일반적으로 변경 된 어깨 운동은 많은 어깨 병과 연관되어 받아 들여집니다9,10,11. 구체적으로, 비정상적인 관절 운동은 병리학에 기여할 수 있다9,12, 또는 병리학비정상적인 관절 운동으로 이어질 수 13,14. 관절 운동과 병리학 사이의 관계는 복잡할 수 있으며 관절 운동의 미묘한 변화는 어깨에 중요 할 수 있습니다. 예를 들어, 각진 운동은 골누네관절에서 발생하는 우세한 움직임이지만, 어깨 운동 중에 관절 번역도 발생한다. 정상적인 조건에서 이러한 번역은 여러 밀리미터15,16,17,18,19를 초과하지 않으므로 일부 측정 기술에 대한 생체 내 정확도 수준보다 낮을 수 있습니다. 관절 운동에 작은 편차가 거의 임상적 영향을 미치지 않을 수 있다고 가정하는 것이 유혹적일 수 있지만, 수년간의 어깨 활동 동안 미묘한 편차의 누적 효과가 조직 치유 및 수리를 위한 개인의 임계값을 초과할 수 있음을 인식하는 것이 중요합니다. 또한, 골국 관절의 생체 내 힘은 중요하지 않습니다. 사용자 지정 계측 된 광선 관절 임플란트를 사용하여, 이전 연구는 뻗은 팔로 머리 높이에 2kg 무게를 올리는 것은 체중의 70 %에서 238 %까지 범위 수있는 골뇌 관절 력을 초래할 수 있음을 보여 주었다20,21,22. 따라서, 글레노이드의 작은 하중 베어링 표면적 위에 집중된 조인트 모션과 높은 힘의 미묘한 변화의 조합은 퇴행성 어깨 병리의 발달에 기여할 수 있다.
역사적으로, 어깨 운동의 측정은 다양한 실험적 접근을 통해 달성되었습니다. 이러한 접근 방식에는 숄더 모션 23,24,25,26,27, 표면 마커가 장착된 비디오 기반 모션 캡처 시스템 32,33,34,35를 시뮬레이션하도록 설계된 복잡한 cadaveric 테스트 시스템의 사용이 포함되었습니다. , 반사 마커 또는 기타 센서가 부착된 뼈 핀36,37,38, 정적 2차원 의료 영상(즉, 형광39,40,41 및 방사선 사진 17,42,43,44,45), MRI46,47을 이용한 정적 3차원(3D) 의료 영상, 컴퓨터 단층 촬영48, 및 동적, 3D 단일 평면 형광 화상 진찰49,50,51. 최근에는 웨어러블 센서(예: 관성 측정 장치)가 실험실 환경 외부와 자유 생활 조건에서 어깨 움직임을 측정하는 데 인기를 얻고 있습니다52,53,54,55,56,57.
최근 몇 년 동안, 숄더58,59,60,61,62의 동적, 3D 생체 내 움직임을 정확하게 측정하도록 설계된 복엽비행기 방사선 학적 또는 형광 시스템의 확산이 있었습니다. 이 문서의 목적은 사용자 정의 biplanar 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 저자의 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다.

<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

어깨는 인체의 가장 복잡한 관절 시스템 중 하나이며, 4 개의 개별 관절, 다중 인대 및 약 20 근육의 조정 된 동작을 통해 발생하는 모션. 불행히도, 어깨 병리 (예를 들어, 회전근 눈물, 관절 탈구, 관절염)는 상당한 통증, 장애 및 삶의 질 저하의 결과로 일반적입니다. 이러한 병리학 조건의 많은 특정 병인은 완전히 이해되지 않습니다, 그러나 일반적으로 어깨 병리는 수시로 변경한 합동 운동과 연관된다는 것을 받아 들여집니다. 불행히도 모션 기반 가설을 조사하는 데 필요한 수준의 정확도로 어깨 모션을 측정하는 것은 사소한 것이 아닙니다. 그러나 방사선 계 의 모션 측정 기술은 모션 기반 가설을 조사하고 어깨 기능에 대한 기계적 이해를 제공하는 데 필요한 발전을 제공했습니다. 따라서, 이 문서의 목적은 사용자 정의 바이플러니 비디오 방사선 시스템을 사용하여 어깨 움직임을 측정하기위한 접근 방식을 설명하는 것입니다. 이 문서의 구체적인 목적은 어깨 복합체의 이중 평면 비디오 방사선 이미지를 획득하고, CT 스캔을 획득하고, 3D 뼈 모델을 개발하고, 해부학적 랜드 마크를 찾고, 상완골, 견갑골 및 몸통의 위치와 방향을 양방향 방사선 이미지에서 추적하고 운동 적 결과 측정값을 계산하는 프로토콜을 설명하는 것입니다. 또한 이 방법을 사용하여 관절 운동학을 측정할 때 어깨에 고유한 특별한 고려 사항을 설명합니다.

52 세의 무증상 여성 (BMI = 23.6 kg/ m2)은 이전 조사의 일환으로 채용되었으며 지배적 인 (오른쪽) 어깨65에서 모션 테스트 (관상 비행기 납치)를 받았습니다. 데이터 수집에 앞서 참가자는 서면 동의를 제공했습니다. 조사는 헨리 포드 건강 시스템의 기관 검토 위원회에 의해 승인되었다. 데이터 수집은 이전에 설명된 프로토콜을 사용하여 수행하였다(그림 3</...

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

복엽비행기 비디오 방사선 사진은 높은 정확도로 어깨 운동학을 정량화할 수 있습니다. 본 명세서에 기재된 프로토콜은 평면 상완골 시 견갑골, 상완골 및 갈비뼈를 추적하도록 특별히 설계되었으며 데이터 수집, 처리 및 분석에 대한 절차를 간략하게 설명합니다. 데이터 수집에 대한 고유한 고려 사항도 설명되어 있습니다.

바이플러나 비디오 방사선 촬영을 사용하여 3D 생체 내 어깨 운동학 측정

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

우리는 우리의 프로토콜을 공유하는 것이 중요하다고 생각하고 우리가 우리의 연구에서이 기술을 사용하여 배운 것을, 이러한 연구의 참가자는 방사선에 노출되어 있기 때문에, 따라서, 오류에 대한 마진은 매우 작기 때문에. 이 기술의 주요 장점은 관절 운동을 정량화 할 수있는 정확도이며, 이는 연구원이 그렇지 않으면 불가능할 질문을 추구 할 수 있습니다. 분석을 시작하기 전에, 테스트할 어깨가 복엽비행기 엑스레이 빔이 교차하는 지점에서 중심이 되도록 복엽비행기 이미징 볼륨에 의자를 배치합니다.참가자에게 옆구리에 팔을 두팔로 들고 편안하고 똑바로 세워앉도록 부탁한다. 참가자의 인위적인 인식, 테스트할 모션 및 추적할 골격에 따라 예비 의자 위치를 조정합니다. 그리고 참가자의 몸통에 납이 늘어선 보호 조끼를 고정하여 복부와 상반되는 어깨와 가슴을 덮습니다.시스템의 X선 소스 내에서 빛을 켜고 이미지 강화기에 그림자가 투사될 때까지 시스템을 올립니다. 강화된 이미지 볼륨 내에서 의자에 있는 참가자를 부드럽게 움직입니다. 광원을 유지하는 두 시스템에 대한 참가자의 위치가 설정되면 참가자에게 프로시저 중에 테스트할 모션을 수행하도록 요청합니다.참가자의 어깨는 방사선 촬영 분야 내에 남아 있어야합니다. 제어실에서 참가자의 위치를 확인하기 위해 X선 제어판을 낮은 형광법 모드로 설정하고 펄스 발생기를 0.25초 로 획득합니다. 도우미가 이미징 중에 들을 수 있는 소리에 대해 참가자에게 경고하는 등 참가자에게 프로세스를 설명하도록 합니다.이미징을 시작하기 전에 도우미는 리드 라이닝 보호 조끼를 착용하고 참가자와의 명확한 시야와 의사 소통을 유지하면서 X 선 소스에서 멀리 이동해야합니다. 이미지를 얻으려면 카메라를 시작하고 X 선 제어판을 프라임합니다. 시스템이 준비되면 도우미에게 핸드헬드 리모컨 트리거를 사용하여 방사선 이미지 획득을 시작하도록 지시합니다.이미지를 획득한 후 이미지를 검사하여 참가자의 위치가 필요한 모든 골격을 시각화하는 데 적합한지 확인합니다. 정적 이미지 수집의 경우 예비 이미징에서 결정된 X-ray 제어판에서 최적화된 무선 기술을 설정하고 어시스턴트가 참가자에게 팔을 옆으로 앉히며 똑바로 앉도록 요청하도록 요청합니다. 이 위치에서 이미지를 획득한 후 이미지품질, 관심 도상성 및 기술 상태를 검사합니다.최적의 이미지를 획득한 경우 각 카메라에서 평가판을 저장합니다. 동적 이미지 수집의 경우 동일한 매개 변수를 사용하지만 펄스 생성기가 2초 노출로 설정된 경우, 어시스턴트 연습은 구두 큐를 사용하여 참가자와 함께 수행되는 모션을 연습하여 모션이 2초 만에 수행되도록 합니다. 참가자가 준비되면 카메라를 시작하고 설명한 대로 컨트롤 패널을 프라임하고 도우미에게 시스템이 준비되었음을 알립니다.도우미가 구두 큐인 Ready and go를 제공하기 전에 참가자가 준비되었는지 물어보므로 참가자가 조교가 X-ray 시스템을 트리거하여 동적 이미지를 획득할 때 모션을 수행하도록 합니다. 모든 모션 시험에 대한 양질의 이미지를 획득하면 각 카메라에서 시험을 저장합니다. 이 대표적인 분석에서 52 세의 무증상 여성은 입증 된 바와 같이 그녀의 지배적 인 어깨에 모션 테스트를 겪었다.어깨 관절의 CT 스캔 이미지는 또한 전체 견갑골, 유머및 흉곽을 포함하는 관상, 처상 및 횡단 평면에서 얻어졌다. 이러한 방사선 사진들은 상완고도의 낮은 각도에서 어깨의 복엽비행기 방사선 사진을 획득하는 복잡성을 보여 주며, 측면 곡사와 단부 쇄골은 녹색 뷰에서 과다 노출되어 나타나지만, 영역 내의 연조직의 양이 적기 때문에 적색 뷰에서 잘 시각화된다. 그러나, 팔이 상승함에 따라, 망상의 대부분은 더 나은 방사선 노출의 결과로 지역에 투영된다.이 역학 분석에서 관찰된 바와 같이, 골누머 운동은 고도와 약간의 외부 회전으로 구성되었으며 일반적으로 견갑골에 대한 평면 후방이었다. 견갑골 흉부 운동은 후방 기울기와 약간의 내부 외부 회전을 가진 상향 회전으로 구성되었습니다. 모션 시험 동안 최소 하위 거리는 약 90도까지 감소하여 약 90도의 유머러스한 흉부 고도까지 감소하여 거리가 증가하기 시작했습니다.평균 하위 거리는 비슷한 궤적을 따랐다. 최소 종속 거리는 표면적 메트릭에 대한 무료 궤적을 따랐으며, 표면적이 클 때 최소 거리가 더 작아졌습니다. 참가자가 모션을 연습하는 것은 절차를 이해하고 올바른 속도와 타이밍으로 원하는 모션을 수행할 수 있도록 하는 데 매우 중요합니다.

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 

원자 힘 현미경을 사용하여 살아있는 세포의 기계적 특성을 측정

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

연구

생체공학

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 

측정을위한 소형 이중 요소 스트레인 게이지의 제조 및 주입<em&gt; 생체</em&gt; 설치류에서 위장 수축.

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 

3D 종이 미세 유체 장치를 구축하기 위해 접착제 패터닝을 사용하여

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 

3D 상호 작용의 연구에 대한 3D 콜라겐 젤과 마이크로 채널 준비<em&gt; 생체</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 (Video) | JoVE

다중보기 스테레오 및 Isogeometric 운동학을 사용하여 피부 확장의 돼지 모델에서 변형의 정량화

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

Calvarial 중요 한 뼈 결함 수리 다 현미경 Vivo에서 유전자 변형 3D-PLGA/nHAp 비 계에 의해 신생 시각화

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

연골과 피부 조직 아날로그 소설 수동 Bioink Precellularization에 대 한 단위 기술 혼합을 이용 하 여 Bioprinting

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

엄밀한 포함의 고정 및 스테인드, 전체, 마이크로 단층에 의해 섹션-무료 3D 조직학에 대 한 밀리미터 단위 표본

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

어깨의 접착성 Capsulitis의 쥐 모델

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

글로벌 세포 매트릭스 Metalloproteinase 및 3D Hydrogels 신진 대사 활동 측정

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