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

Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases under tildeling nummer R01AR051912. Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis de offisielle synspunktene til National Institutes of Health (NIH).

Før datainnsamlingen ga deltakeren skriftlig informert samtykke. Undersøkelsen ble godkjent av Henry Ford Health System's Institutional Review Board.
Protokoller for anskaffelse, behandling og analyse av radiografiske bevegelsesdata for biplan er svært avhengige av bildesystemer, databehandlingsprogramvare og utfallsmål av interesse. Følgende protokoll ble spesielt designet for å spore scapula, humerus og den tredje og fjerde ribben under scapular-plane eller coronal-plane bortføring og...

Teknikken som er beskrevet her overvinner flere ulemper forbundet med konvensjonelle teknikker for å vurdere skulderbevegelse (dvs. kadaveriske simuleringer, 2D-avbildning, statisk 3D-avbildning, videobaserte bevegelsesfangstsystemer, bærbare sensorer, etc.) ved å gi nøyaktige mål på 3D-leddbevegelse under dynamiske aktiviteter. Nøyaktigheten av protokollen som er beskrevet her, ble etablert for glenohumeralleddet mot gullstandarden for radiostereometrisk analyse (RSA) som skal være ±0,5° og ±0,4 <sup class="x...

Skulderen er et av menneskekroppens mest komplekse leddsystemer, med bevegelse som skjer gjennom koordinerte handlinger fra fire individuelle ledd, flere leddbånd og ca. 20 muskler. Skulderen har også det største bevegelsesområdet for kroppens store ledd og beskrives ofte som et kompromiss mellom mobilitet og stabilitet. Dessverre er skulderpatologier vanlige, noe som resulterer i betydelig smerte, funksjonshemming og redusert livskvalitet. For eksempel påvirker rotatormansjett tårer omtrent 40% av befolkningen over 601,2,3, med omtrent 250,000 rotator mansjett reparasjoner utført årlig4, og en estimert økonomisk byrde på $ 3-5 milliarder per år i USA5. I tillegg er skulderdislokasjoner vanlige og er ofte forbundet med kronisk dysfunksjon6. Til slutt er glenohumeral leddartritt (OA) et annet betydelig klinisk problem som involverer skulderen, med befolkningsstudier som indikerer at omtrent 15% -20% av voksne over 65 år har radiografiske bevis på glenohumeral OA7,8. Disse forholdene er smertefulle, svekker aktivitetsnivået og reduserer livskvaliteten.
Selv om patogenene i disse forholdene ikke er fullt ut forstått, er det generelt akseptert at endret skulderbevegelse er forbundet med mange skulderpatologier9,10,11. Spesielt kan unormal leddbevegelse bidra til patologien9,12, eller at patologien kan føre til unormal felles bevegelse13,14. Sammenhenger mellom felles bevegelse og patologi er sannsynligvis komplekse, og subtile endringer i felles bevegelse kan være viktige i skulderen. For eksempel, selv om vinkelbevegelse er den dominerende bevegelsen som forekommer ved glenohumeralleddet, oppstår felles oversettelser også under skulderbevegelse. Under normale forhold overstiger disse oversettelsene sannsynligvis ikke flere millimeter15,16,17,18,19, og kan derfor være under nivået av in-vivo nøyaktighet for noen måleteknikker. Selv om det kan være fristende å anta at små avvik i felles bevegelse kan ha liten klinisk innvirkning, er det viktig å også erkjenne at den kumulative effekten av subtile avvik over år med skulderaktivitet kan overstige individets terskel for vevsheling og reparasjon. Videre er in-vivo krefter på glenohumeral joint ikke inkonsekvente. Ved hjelp av tilpassede instrumenterte glenohumerale leddimplantater har tidligere studier vist at å øke en vekt på 2 kg til hodehøyde med en utstrakt arm kan resultere i glenohumerale leddkrefter som kan variere fra 70% til 238% kroppsvekt20,21,22. Følgelig kan kombinasjonen av subtile endringer i felles bevegelse og høye krefter konsentrert over glenoidens lille bærende overflateområde bidra til utvikling av degenerative skulderpatologier.
Historisk har måling av skulderbevegelse blitt oppnådd gjennom en rekke eksperimentelle tilnærminger. Disse tilnærmingene har inkludert bruk av komplekse kadaveriske testsystemer designet for å simulere skulderbevegelse23,24,25,26,27, videobaserte bevegelsesfangstsystemer med overflatemarkører28,29,31, overflatemonterte elektromagnetiske sensorer32,33,34,35 , benpinner med refleksmarkører eller andre sensorer festet36,37,38, statisk todimensjonal medisinsk bildebehandling (dvs. fluoroskopi39,40,41 og radiografer17,42,43,44,45), statisk tredimensjonal (3D) medisinsk bildebehandling ved hjelp av MRI46,47, beregnet tomografi48, og dynamisk, 3D enkeltplan fluoroskopisk bildebehandling49,50,51. Mer nylig har bærbare sensorer (f.eks. inertial måleenheter) blitt populære for måling av skulderbevegelser utenfor laboratoriemiljøet og i fritt leveforhold52,53,54,55,56,57.
De siste årene har det vært en spredning av biplanradiografiske eller fluoroskopiske systemer designet for å nøyaktig måle dynamiske, 3D in-vivo bevegelser av skulderen58,59,60,61,62. Hensikten med denne artikkelen er å beskrive forfatternes tilnærming til måling av skulderbevegelse ved hjelp av et tilpasset biplanet videoradiografisystem. De spesifikke målene med denne artikkelen er å beskrive protokollene for å skaffe seg biplanet videoradiografiske bilder av skulderkomplekset, skaffe CT-skanninger, utvikle 3D-beinmodeller, finne anatomiske landemerker, spore posisjonen og orienteringen til humerus, scapula og torso fra de biplanare radiografiske bildene og beregne kinematiske utfallstiltak.

<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

Skulderen er et av menneskekroppens mest komplekse leddsystemer, med bevegelse som skjer gjennom koordinerte handlinger fra fire individuelle ledd, flere leddbånd og ca. 20 muskler. Dessverre er skulderpatologier (f.eks. rotatormansjett tårer, ledddislokasjoner, leddgikt) vanlige, noe som resulterer i betydelig smerte, funksjonshemming og redusert livskvalitet. Den spesifikke etiologien for mange av disse patologiske forholdene er ikke fullt ut forstått, men det er generelt akseptert at skulderpatologi ofte er forbundet med endret felles bevegelse. Dessverre er det ikke trivielt å måle skulderbevegelsen med det nødvendige nøyaktighetsnivået for å undersøke bevegelsesbaserte hypoteser. Imidlertid har radiografiske baserte bevegelsesmålingsteknikker gitt fremskrittet som er nødvendig for å undersøke bevegelsesbaserte hypoteser og gi en mekanistisk forståelse av skulderfunksjon. Formålet med denne artikkelen er derfor å beskrive tilnærmingene for måling av skulderbevegelse ved hjelp av et tilpasset biplanet videoradiografisystem. De spesifikke målene med denne artikkelen er å beskrive protokollene for å skaffe seg biplanet videoradiografiske bilder av skulderkomplekset, skaffe CT-skanninger, utvikle 3D-beinmodeller, finne anatomiske landemerker, spore posisjonen og orienteringen til humerus, scapula og torso fra de biplanare radiografiske bildene, og beregne de kinematiske utfallstiltakene. I tillegg vil artikkelen beskrive spesielle hensyn som er unike for skulderen ved måling av leddkinematikk ved hjelp av denne tilnærmingen.

En 52 år gammel asymptomatisk kvinne (BMI = 23,6 kg/m2) ble rekruttert som en del av en tidligere undersøkelse og gjennomgikk bevegelsestesting (coronal plane abduction) på hennes dominerende (høyre) skulder65. Før datainnsamlingen ga deltakeren skriftlig informert samtykke. Undersøkelsen ble godkjent av Henry Ford Health System's Institutional Review Board. Datainnsamlingen ble utført ved hjelp av protokollen som tidligere er beskrevet (figur 3).</p...

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

Biplan videoradiografi kan kvantifisere skulder kinematikk med høy grad av nøyaktighet. Protokollen som er beskrevet her, ble spesielt utformet for å spore scapula, humerus og ribbeina under planar humeral høyde, og skisserer prosedyrene for datainnsamling, behandling og analyse. Unike hensyn for datainnsamling er også beskrevet.

Måling av 3D In-vivo skulderkinematikk ved hjelp av biplanet videoradiografi

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

Vi mener det er viktig å dele vår protokoll og det vi har lært ved hjelp av denne teknologien i vår forskning, fordi deltakerne i disse studiene er utsatt for stråling og derfor er feilmarginen svært liten. Den største fordelen med denne teknikken er nøyaktigheten som fellesbevegelsen kan kvantifiseres med, noe som gjør det mulig for forskere å forfølge spørsmål som ellers ikke ville være mulig. Før du begynner på en analyse, plasserer du stolen i biplanavbildningsvolumet slik at skulderen som skal testes er sentrert omtrent på det punktet hvor biplan-røntgenstrålene krysser hverandre.Be deltakeren om å sitte i en komfortabel, oppreist stilling med armene på sidene. Juster den foreløpige stolposisjonen basert på deltakerens antropometri, bevegelsen som skal testes, og beinene som skal spores. Og sikre en blyforet beskyttende vest over deltakerens torso for å dekke magen og kontralateral skulder og bryst.Slå på lyset i røntgenkilden til systemet og hev systemet til skyggen som er kastet på bildeforsterkeren, er på nivået til deltakerens axilla. Beveg deltakeren forsiktig på stolen innenfor biplanbildevolumet mens du ser på skyggen på forsterkeren. Når deltakerens posisjon er satt for begge systemene som holder lyskilden på, ber du deltakeren om å utføre bevegelsen som skal testes under prosedyren.Deltakerens skulder bør forbli innenfor det radiografiske feltet. For å bekrefte deltakerens posisjon i kontrollrommet setter du røntgenkontrollpanelet til lav fluoroskopimodus og pulsgeneratoren til et 0,25-sekunders oppkjøp. Få en assistent til å forklare prosessen for deltakeren, inkludert å advare deltakeren om eventuelle lyder de kan høre under avbildningen.Før du starter bildet, bør assistenten ta på seg en blyforet beskyttelsesvest og bevege seg bort fra røntgenkildene samtidig som du opprettholder en klar synslinje og kommunikasjon med deltakeren. Hvis du vil skaffe deg et bilde, starter du kameraene og klargjør røntgenkontrollpanelet. Når systemet er klart, ber du assistenten om å begynne å anskaffe de radiografiske bildene ved hjelp av en håndholdt fjernkontrollutløser.Inspiser bildene etter at de er anskaffet for å avgjøre om deltakerens posisjon var tilfredsstillende for å visualisere alle nødvendige bein. For statisk bildeinnhenting sett den optimaliserte radioteknikken på røntgenkontrollpanelet som bestemt fra den foreløpige avbildningen, og be assistenten om å sitte oppreist med armene hvilende på sidene. Når du har anskaffet et bilde i denne posisjonen, må du kontrollere bildet for kvalitet, ben av interessesynlighet og teknisk tilstand.Når et optimalt bilde er anskaffet, lagrer du prøveversjonen fra hvert kamera. For dynamisk bildeanskaffelse, ved hjelp av de samme parametrene, men med pulsgeneratoren satt til en to-sekunders eksponering, må assistenten øve på bevegelsen som skal utføres med en deltaker, ved hjelp av et verbalt signal, tempoet slik at bevegelsen utføres på to sekunder. Når deltakeren er klar, starter du kameraene og klargjør kontrollpanelet som demonstrert, og varsler assistenten om at systemet er klart.Be assistenten spørre om deltakeren er klar før han/hun gir det verbale signalet Klar og gå, slik at deltakeren utfører bevegelsen når assistenten utløser røntgensystemet for å skaffe seg et dynamisk bilde. Når bilder av god kvalitet for alle bevegelsesforsøkene er anskaffet, lagrer du prøveversjonene fra hvert kamera. I denne representative analysen gjennomgikk en 52 år gammel asymptomatisk kvinne bevegelsestesting på sin dominerende skulder som demonstrert.CT-skanningsbilder av skulderleddet ble også oppnådd i koronal-, sagittal- og tverrgående plan for å inkludere hele scapulaen, humoristisk og ribcage. Disse radiografiske bildene illustrerer kompleksiteten ved å anskaffe biplanradiografer av skulderen i lavere vinkler av humeral høyde, lateral akromion og distal krageben vises overeksponert i grønn visning, men er godt visualisert i rød visning, på grunn av det nedre volumet av mykt vev i området. Men etter hvert som armen løfter seg, blir hoveddelen av deltoiden projisert over området, noe som resulterer i en bedre radiografisk eksponering.Som observert i denne kinematikkanalysen besto glenohumeralbevegelsen av høyde og en liten ekstern rotasjon og var generelt i plan bakre til scapulaen. Scapula thoracic bevegelsen besto av en oppadgående rotasjon med en bakre tilt og en liten intern-ekstern rotasjon. Under bevegelsesforsøket ble den minste subakromielle avstanden redusert til ca. 90 grader humoral thoraxhøyde, og da begynte avstanden å øke.Den gjennomsnittlige subakromiale avstanden fulgte en lignende bane. Den minste subakromiale avstanden fulgte en gratis bane til overflatearealmetrikken, slik at minimumsavstanden hadde en tendens til å være mindre når overflatearealet var større. Å få deltakeren til å øve på bevegelsen er avgjørende for å sikre at de forstår prosedyren og at de kan utføre ønsket bevegelse med riktig tempo og timing.

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 

Måling av mekaniske egenskaper Living Cells hjelp Atomic Force Mikroskopi

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 

Fabrikasjon og Implantasjon av miniatyr Dual-element strekklapper for måling<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinal Sammentrekninger i gnagere.

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 

Ved hjelp av lim Mønstring å konstruere 3D Paper microfluidic enheter

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 

Utarbeidelse av 3D kollagen Gels og mikro for studier av 3D Interaksjoner<em&gt; I 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 

Kvantifisering av Strain i en svinekjøtt Model of Skin Expansion Bruke Multi-View Stereo og Isogeometric Kinematikk

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 

Visualisere angiogenese av Multiphoton mikroskopi I Vivo i genmodifiserte 3D-PLGA/nHAp stillaset Calvarial kritisk bein defekt reparasjon

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) | JoVE 

Bioprinting brusk og huden vev Analogs utnytte en roman passiv miksing enhet teknikk for 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

Stive innebygging av fast og farget, hele, Millimeter skala prøver for delen-gratis 3D Histology av mikro-beregnet tomografi

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

Rotte modell av lim Capsulitis av skulderen

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

Måling av Global mobilnettet matrise Metalloproteinase og metabolsk aktivitet i 3D Hydrogels

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