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

Исследования, представленные в этой публикации, были поддержаны Национальным институтом артрита, опорно-двигательного аппарата и кожных заболеваний под номером R01AR051912. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения (NIH).

Перед сбором данных участник предоставил письменное информированное согласие. Расследование было одобрено Советом по институциональному обзору системы здравоохранения Генри Форда.
Протоколы получения, обработки и анализа рентгенографических данных о движении бипла?...

Метод, описанный здесь, преодолевает несколько недостатков, связанных с традиционными методами оценки движения плеча (например, трупное моделирование, 2D-визуализация, статическая 3D-визуализация, системы захвата движения на основе видео, носимые датчики и т. Д.), Обеспечивая точные изме?...

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. Плечо также имеет наибольший диапазон движения основных суставов тела и часто описывается как компромисс между подвижностью и стабильностью. К сожалению, патологии плеча распространены, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Например, разрывы ротаторной манжеты затрагивают около 40% населения в возрасте старше 601,2,3 лет, при этом ежегодно выполняется около 250 000 ремонтов ротаторных манжет4, а экономическое бремя в Соединенных Штатах составляет 3-5 миллиардов долларов в год5. Кроме того, вывихи плеча распространены и часто связаны с хронической дисфункцией6. Наконец, остеоартрит плечевого сустава (ОА) является еще одной значительной клинической проблемой, связанной с плечом, причем популяционные исследования показывают, что примерно 15-20% взрослых в возрасте старше 65 лет имеют рентгенологические доказательства гленогечевого ОА7,8. Эти состояния болезненны, ухудшают уровень активности и снижают качество жизни.
Хотя патогенезы этих состояний до конца не изучены, общепризнано, что измененное движение плеча связано со многими патологиями плеча9,10,11. В частности, аномальное движение сустава может способствовать патологии9,12 или что патология может привести к аномальному движению сустава13,14. Отношения между движением суставов и патологией, вероятно, сложны, и тонкие изменения в движении сустава могут быть важны в плече. Например, хотя угловое движение является преобладающим движением, происходящим в плечевом суставе, суставные трансляции также происходят во время движения плеча. В нормальных условиях эти переводы, вероятно, не превышают нескольких миллиметров15,16,17,18,19, и поэтому могут быть ниже уровня точности in-vivo для некоторых методов измерения. Хотя может быть заманчиво предположить, что небольшие отклонения в движении суставов могут иметь небольшое клиническое воздействие, важно также признать, что кумулятивный эффект тонких отклонений в течение многих лет активности плеча может превышать порог человека для заживления и восстановления тканей. Кроме того, силы in vivo в плетеностном суставе не являются несущественными. Используя специальные инструментальные имплантаты плетеногечевого сустава, предыдущие исследования показали, что повышение веса 2 кг до высоты головы с вытянутой рукой может привести к силам плесневому сустава, которые могут варьироваться от 70% до 238% массы тела20,21,22. Следовательно, сочетание тонких изменений в движении суставов и высоких сил, сосредоточенных над небольшой площадью несущей поверхности гленоида, может способствовать развитию дегенеративных патологий плеча.
Исторически сложилось так, что измерение движения плеча осуществлялось с помощью различных экспериментальных подходов. Эти подходы включали использование сложных трупных испытательных систем, предназначенных для моделирования движения плеча23,24,25,26,27, систем захвата движения на основе видео с поверхностными маркерами28,29,31, поверхностных электромагнитных датчиков32,33,34,35 , костные штифты с прикрепленными отражающими маркерами или другими датчиками36,37,38, статическая двумерная медицинская визуализация (т.е. рентгеноскопия39,40,41 и рентгенограммы17,42,43,44,45), статическая трехмерная (3D) медицинская визуализация с использованием МРТ46,47, компьютерная томография48, и динамическая, 3D одноплоскостная флюороскопическая визуализация49,50,51. В последнее время носимые датчики (например, инерциальные единицы измерения) приобрели популярность для измерения движения плеч вне лабораторных условий и в условиях свободного проживания52,53,54,55,56,57.
В последние годы наблюдается распространение бипланных рентгенографических или флюороскопических систем, предназначенных для точного измерения динамических 3D-движений плеча in vivo58,59,60,61,62. Целью данной статьи является описание авторского подхода к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов.

<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

Плечо является одной из самых сложных суставных систем человеческого организма, с движением, происходящим через скоординированные действия четырех отдельных суставов, нескольких связок и примерно 20 мышц. К сожалению, патологии плеча (например, разрывы вращательной манжеты, вывихи суставов, артрит) являются распространенными, что приводит к значительной боли, инвалидности и снижению качества жизни. Специфическая этиология для многих из этих патологических состояний не до конца понятна, но общепризнано, что патология плеча часто связана с измененным движением сустава. К сожалению, измерение движения плеча с необходимым уровнем точности для исследования гипотез, основанных на движении, не является тривиальным. Тем не менее, радиографические методы измерения движения обеспечили прогресс, необходимый для исследования гипотез на основе движения и обеспечения механистического понимания функции плеча. Таким образом, целью данной статьи является описание подходов к измерению движения плеча с помощью пользовательской бипланарной видеорадиографической системы. Конкретными задачами данной статьи являются описание протоколов получения бипланарных видеорадиографических изображений плечевого комплекса, получение компьютерной томографии, разработка 3D-моделей костей, определение анатомических ориентиров, отслеживание положения и ориентации плечевой кости, лопатки и туловища по бипланарным рентгенографическим изображениям и расчет кинематических показателей результатов. Кроме того, в статье будут описаны особые соображения, присущие плечу при измерении кинематики суставов с использованием этого подхода.

52-летняя бессимптомная женщина (ИМТ = 23,6 кг/м2) была набрана в рамках предыдущего расследования и прошла тестирование движения (корональное похищение плоскости) на своем доминирующем (правом) плече65. Перед сбором данных участник предоставил письменное информированно?...

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

Бипланная видеорадиография может количественно определять кинематику плеча с высокой степенью точности. Протокол, описанный в настоящем описании, был специально разработан для отслеживания лопатки, плечевой кости и ребер во время плоского подъема плечевой кости и описывает процедуры сбора, обработки и анализа данных. Также описываются уникальные соображения по сбору данных.

Измерение 3D In-vivo Кинематика плеча с помощью бипланарной видеорадиографии

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

Мы считаем, что важно поделиться нашим протоколом и тем, что мы узнали, используя эту технологию в наших исследованиях, потому что участники этих исследований подвергаются воздействию радиации, и поэтому предел погрешности очень мал. Основным преимуществом этой техники является точность, с которой совместное движение может быть количественно определено, что позволяет исследователям преследовать вопросы, которые в противном случае были бы невозможны. Прежде чем начать анализ, расположите кресло в объеме бипланной визуализации так, чтобы плечо, подлежащее испытанию, было центрировано примерно в точке, где пересекаются рентгеновские пучки биплана.Попросите участника сесть в удобную, вертикальную позу с руками по бокам. Отрегулируйте предварительное положение стула на основе антропометрии участника, движения, которое необходимо проверить, и костей, которые необходимо отслеживать. И закрепите защитный жилет со свинцовой подкладкой на туловище участника, чтобы покрыть живот и контралатеральное плечо и грудь.Включите свет внутри рентгеновского источника системы и поднимайте систему до тех пор, пока тень, отбрасываемая на усилитель изображения, не окажется на уровне подмышечной впадины участника. Осторожно переместите участника на стул в пределах объема изображения биплана, наблюдая за тенью на усилителе. После того, как положение участника установлено для обеих систем, поддерживающих источник света, попросите участника выполнить движение, которое будет проверено во время процедуры.Плечо участника должно оставаться в пределах рентгенографического поля. Для проверки положения участника в диспетчерской установите рентгеновский пульт управления в режим низкой рентгеноскопии, а генератор импульсов – на 0,25-секундное получение. Попросите помощника объяснить процесс участнику, включая предупреждение участника о любых звуках, которые они могут услышать во время визуализации.Перед началом визуализации помощник должен надеть защитный жилет со свинцовой подкладкой и отойти от рентгеновских источников, сохраняя при этом четкую линию видимости и связь с участником. Чтобы получить изображение, запустите камеры и загрунтуйте рентгеновскую панель управления. Когда система будет готова, попросите помощника начать получать рентгенографические изображения с помощью портативного дистанционного триггера.Осмотрите изображения после того, как они были получены, чтобы определить, было ли положение участника удовлетворительным для визуализации всех необходимых костей. Для получения статического изображения установите оптимизированную радиотехнику на рентгеновской панели управления, как определено из предварительной визуализации, и попросите помощника попросить участника сесть вертикально, положив руки по бокам. После получения изображения в этом положении осмотрите изображение на предмет качества, видимости костей, представляющих интерес, и технического состояния.После получения оптимального изображения сохраните пробную версию с каждой камеры. Для динамического получения изображения, используя те же параметры, но с генератором импульсов, настроенным на двухсекундную экспозицию, попросите помощника попрактиковаться в движении, которое должно быть выполнено с участником, используя словесный сигнал, шаг, так что движение выполняется за две секунды. Когда участник будет готов, запустите камеры и загрунтуйте панель управления, как показано на рисунке, и сообщите помощнику, что система готова.Попросите помощника спросить, готов ли участник, прежде чем дать словесный сигнал,Готово и идти, чтобы участник выполнил движение, когда помощник запускает рентгеновскую систему для получения динамического изображения. Когда получены изображения хорошего качества для всех испытаний движения, сохраните испытания с каждой камеры. В этом репрезентативном анализе 52-летняя бессимптомная женщина прошла тестирование движения на своем доминирующем плече.Изображения КТ плечевого сустава также были получены в корональной, сагиттальной и поперечной плоскостях, чтобы включить всю лопатку, юмор и грудную клетку. Эти рентгенографические изображения иллюстрируют сложность получения бипланных рентгенограмм плеча под более низкими углами высоты плечевой кости, боковой акромион и дистальная ключица кажутся переэкспонированными в зеленом виде, но хорошо визуализируются в красном виде из-за меньшего объема мягких тканей в этой области. Однако, когда рука поднимается, основная часть дельтоида проецируется на область, что приводит к лучшему рентгенографическому воздействию.Как наблюдалось в этом кинемаматическом анализе, гленогиндровое движение состояло из высоты и небольшого внешнего вращения и, как правило, было в плоскости сзади лопатки. Грудное движение лопатки состояло из вращения вверх с задним наклоном и незначительного внутренне-внешнего вращения. Во время испытания движения минимальное субакромиальное расстояние уменьшилось примерно до 90 градусов гуморального грудного подъема, после чего расстояние начало увеличиваться.Среднее субакромиальное расстояние следовало аналогичной траектории. Минимальное субакромиальное расстояние следовало дополнительной траектории к метрике площади поверхности, так что минимальное расстояние, как правило, было меньше, когда площадь поверхности была больше. То, что участник практикует движение, имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы он понимал процедуру и мог выполнить желаемое движение с правильным темпом и временем.

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 

Измерение механических свойств живых клеток с помощью атомно-силовой микроскопии

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 

Изготовление и Имплантация Миниатюрные Dual-элементных тензорезисторы для измерения<em&gt; В Vivo</em&gt; Желудочно Схватки в Грызунов.

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 

С помощью клея паттернирования Построить 3D бумаги микрожидком устройств

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 

Подготовка 3D Коллаген Гели и микроканалов для изучения 3D взаимодействий<em&gt; В 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 

Количественный штамм в свиных моделях расширения кожи с помощью Multi-View Stereo и Isogeometric кинематики

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 

Визуализация ангиогенеза путем микроскопии Multiphoton In Vivo в генетически модифицированных 3D-PLGA/nHAp эшафот подвздошную критических ремонта дефекта кости

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 

Подложке хряща и аналогов ткани кожи, используя Роман пассивного смешивания единицы техники для 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

Жесткая встраивание фиксированной и витражи, в целом, миллиметр масштаб образцов для секции Бесплатные 3D гистологии, Микро Компьютерная томография

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

Крысы модель клей капсулит плеча

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

Измерение глобального сотовой матрицы металлопротеиназ и метаболической активности в 3D гидрогели

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