Name: measuring 3d in-vivo shoulder kinematics using biplanar videoradiography
Uploaded: 2021-03-12T13:15:00
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La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Artritis y Enfermedades Musculoesqueléticas y de la Piel bajo el número de premio R01AR051912. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud (NIH).

Antes de la recopilación de datos, el participante proporcionó su consentimiento informado por escrito. La investigación fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional del Sistema de Salud Henry Ford.
Los protocolos para adquirir, procesar y analizar datos de movimiento radiográfico biplano dependen en gran medida de los sistemas de imágenes, el software de procesamiento de datos y las medidas de resultado de interés. El siguiente protocolo fue diseñado específicamente para rastr...

La técnica descrita aquí supera varias desventajas asociadas con las técnicas convencionales para evaluar el movimiento del hombro (es decir, simulaciones cadavéricas, imágenes 2D, imágenes 3D estáticas, sistemas de captura de movimiento basados en video, sensores portátiles, etc.) al proporcionar medidas precisas del movimiento articular 3D durante las actividades dinámicas. La precisión del protocolo aquí descrito se estableció para que la articulación glenohumeral contra el estándar de oro del análisis ...

El hombro es uno de los sistemas articulares más complejos del cuerpo humano, con movimiento que ocurre a través de las acciones coordinadas de cuatro articulaciones individuales, múltiples ligamentos y aproximadamente 20 músculos. El hombro también tiene el mayor rango de movimiento de las principales articulaciones del cuerpo y a menudo se describe como un compromiso entre la movilidad y la estabilidad. Desafortunadamente, las patologías del hombro son comunes, lo que resulta en dolor sustancial, discapacidad y disminución de la calidad de vida. Por ejemplo, los desgarros del manguito rotador afectan a aproximadamente el 40% de la población mayor de 601,2,3 años, con aproximadamente 250,000 reparaciones del manguito rotador realizadas anualmente4, y una carga económica estimada de $ 3-5 mil millones por año en los Estados Unidos5. Además, las luxaciones de hombro son comunes y a menudo se asocian con disfunción crónica6. Por último, la artrosis articular glenohumeral (OA) es otro problema clínico importante que afecta al hombro, con estudios poblacionales que indican que aproximadamente el 15%-20% de los adultos mayores de 65 años tienen evidencia radiográfica de OA glenohumeral7,8. Estas condiciones son dolorosas, perjudican los niveles de actividad y disminuyen la calidad de vida.
Aunque las patogénesis de estas afecciones no se comprenden completamente, generalmente se acepta que el movimiento alterado del hombro se asocia con muchas patologías del hombro9,10,11. Específicamente, el movimiento anormal de las articulaciones puede contribuir a la patología9,12, o que la patología puede conducir a un movimiento anormal de las articulaciones13,14. Las relaciones entre el movimiento articular y la patología son probablemente complejas, y las alteraciones sutiles en el movimiento articular pueden ser importantes en el hombro. Por ejemplo, aunque el movimiento angular es el movimiento predominante que ocurre en la articulación glenohumeral, las traducciones articulares también ocurren durante el movimiento del hombro. En condiciones normales, es probable que estas traducciones no excedan varios milímetros15,16,17,18,19 y, por lo tanto, pueden estar por debajo del nivel de precisión in vivo para algunas técnicas de medición. Si bien puede ser tentador suponer que las pequeñas desviaciones en el movimiento articular pueden tener poco impacto clínico, es importante reconocer también que el efecto acumulativo de las desviaciones sutiles durante años de actividad del hombro puede exceder el umbral del individuo para la curación y reparación de tejidos. Además, las fuerzas in vivo en la articulación glenohumeral no son intrascendentes. Utilizando implantes de articulación glenohumeral instrumentados personalizados, estudios previos han demostrado que elevar un peso de 2 kg a la altura de la cabeza con un brazo extendido puede resultar en fuerzas articulares glenohumerales que pueden oscilar entre el 70% y el 238% del peso corporal20,21,22. En consecuencia, la combinación de cambios sutiles en el movimiento articular y altas fuerzas concentradas sobre la pequeña superficie de carga del glenoideo puede contribuir al desarrollo de patologías degenerativas del hombro.
Históricamente, la medición del movimiento del hombro se ha logrado a través de una variedad de enfoques experimentales. Estos enfoques han incluido el uso de complejos sistemas de pruebas cadavéricas diseñados para simular el movimiento del hombro23,24,25,26,27, sistemas de captura de movimiento basados en video con marcadores de superficie28,29,31, sensores electromagnéticos montados en superficie32,33,34,35 , pines óseos con marcadores reflectantes u otros sensores conectados36,37,38, imágenes médicas estáticas bidimensionales (es decir, fluoroscopia39,40,41 y radiografías17,42,43,44,45), imágenes médicas estáticas tridimensionales (3D) mediante MRI46,47, tomografía computarizada48 e imágenes fluoroscópicas dinámicas de un solo plano 3D49,50,51. Más recientemente, los sensores portátiles (por ejemplo, unidades de medición inerciales) han ganado popularidad para medir el movimiento del hombro fuera del entorno del laboratorio y en condiciones de vida libre52,53,54,55,56,57.
En los últimos años, ha habido una proliferación de sistemas radiográficos o fluoroscópicos biplanos diseñados para medir con precisión los movimientos dinámicos e in vivo en 3D del hombro58,59,60,61,62. El propósito de este artículo es describir el enfoque de los autores para medir el movimiento del hombro utilizando un sistema de videorradiografía biplanar personalizado. Los objetivos específicos de este artículo son describir los protocolos para adquirir imágenes videorradiográficas biplanares del complejo del hombro, adquirir tomografías computarizadas, desarrollar modelos óseos en 3D, localizar puntos de referencia anatómicos, rastrear la posición y orientación del húmero, la escápula y el torso a partir de las imágenes radiográficas biplanares y calcular las medidas de resultado cinemáticas.

<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

El hombro es uno de los sistemas articulares más complejos del cuerpo humano, con movimiento que ocurre a través de las acciones coordinadas de cuatro articulaciones individuales, múltiples ligamentos y aproximadamente 20 músculos. Desafortunadamente, las patologías del hombro (por ejemplo, desgarros del manguito rotador, dislocaciones articulares, artritis) son comunes, lo que resulta en dolor sustancial, discapacidad y disminución de la calidad de vida. La etiología específica para muchas de estas condiciones patológicas no se entiende completamente, pero generalmente se acepta que la patología del hombro a menudo se asocia con un movimiento articular alterado. Desafortunadamente, medir el movimiento del hombro con el nivel necesario de precisión para investigar hipótesis basadas en el movimiento no es trivial. Sin embargo, las técnicas de medición de movimiento basadas en radiografía han proporcionado el avance necesario para investigar hipótesis basadas en el movimiento y proporcionar una comprensión mecanicista de la función del hombro. Por lo tanto, el propósito de este artículo es describir los enfoques para medir el movimiento del hombro utilizando un sistema de videorradiografía biplanar personalizado. Los objetivos específicos de este artículo son describir los protocolos para adquirir imágenes videorradiográficas biplanares del complejo del hombro, adquirir tomografías computarizadas, desarrollar modelos óseos en 3D, localizar puntos de referencia anatómicos, rastrear la posición y orientación del húmero, la escápula y el torso a partir de las imágenes radiográficas biplanares, y calcular las medidas de resultado cinemáticas. Además, el artículo describirá consideraciones especiales exclusivas del hombro al medir la cinemática articular utilizando este enfoque.

Una mujer asintomática de 52 años (IMC = 23,6 kg/m2) fue reclutada como parte de una investigación previa y se sometió a pruebas de movimiento (abducción del plano coronal) en su hombro dominante (derecho)65. Antes de la recopilación de datos, el participante proporcionó su consentimiento informado por escrito. La investigación fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional del Sistema de Salud Henry Ford. La recolección de datos se realizó utilizando el protocolo descri...

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

La videorradiografía biplana puede cuantificar la cinemática del hombro con un alto grado de precisión. El protocolo descrito en este documento fue diseñado específicamente para rastrear la escápula, el húmero y las costillas durante la elevación humeral plana, y describe los procedimientos para la recopilación, el procesamiento y el análisis de datos. También se describen consideraciones únicas para la recopilación de datos.

Medición de la cinemática del hombro 3D in vivo mediante videorradiografía biplanar

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

Creemos que es importante compartir nuestro protocolo y lo que hemos aprendido usando esta tecnología en nuestra investigación, porque los participantes en estos estudios están expuestos a la radiación y, por lo tanto, el margen de error es muy pequeño. La principal ventaja de esta técnica es la precisión con la que se puede cuantificar el movimiento articular, lo que permite a los investigadores perseguir preguntas que de otra manera, no serían posibles. Antes de comenzar un análisis, coloque la silla en el volumen de imágenes biplanas de modo que el hombro a probar esté centrado aproximadamente en el punto donde se cruzan los haces de rayos X biplanos.Pida al participante que esté sentado en una postura cómoda y erguida con los brazos a los lados. Ajuste la posición preliminar de la silla en función de la antropometría del participante, el movimiento que se va a probar y los huesos que se van a rastrear. Y asegure un chaleco protector forrado de plomo a través del torso del participante para cubrir el abdomen y el hombro y el pecho contralaterales.Encienda la luz dentro de la fuente de rayos X del sistema y eleve el sistema hasta que la sombra proyectada sobre el intensificador de imagen esté al nivel de la axila del participante. Mueva suavemente al participante en la silla dentro del volumen de la imagen del biplano mientras observa la sombra en el intensificador. Una vez que la posición del participante esté establecida para ambos sistemas manteniendo la fuente de luz encendida, pídale al participante que realice el movimiento que se probará durante el procedimiento.El hombro del participante debe permanecer dentro del campo radiográfico. Para verificar la posición del participante en la sala de control, configure el panel de control de rayos X en modo de fluoroscopia baja y el generador de pulsos en una adquisición de 0,25 segundos. Pídale a un asistente que explique el proceso al participante, incluida la advertencia al participante sobre cualquier sonido que pueda escuchar durante la toma de imágenes.Antes de comenzar la toma de imágenes, el asistente debe ponerse un chaleco protector forrado de plomo y alejarse de las fuentes de rayos X mientras mantiene una línea de visión clara y comunicación con el participante. Para adquirir una imagen, inicie las cámaras y cebe el panel de control de rayos X. Cuando el sistema esté listo, indique al asistente que comience a adquirir las imágenes radiográficas utilizando un disparador remoto de mano.Inspeccione las imágenes después de que hayan sido adquiridas para determinar si la posición del participante fue satisfactoria para visualizar todos los huesos necesarios. Para la adquisición de imágenes estáticas, configure la técnica de radio optimizada en el panel de control de rayos X según lo determinado a partir de la imagen preliminar y haga que el asistente le pida al participante que se siente erguido con los brazos apoyados a los lados. Después de adquirir una imagen en esta posición, inspeccione la imagen en busca de calidad, visibilidad de hueso de interés y condición técnica.Cuando se haya adquirido una imagen óptima, guarde la prueba de cada cámara. Para la adquisición dinámica de imágenes, utilizando los mismos parámetros, pero con el generador de pulsos configurado a una exposición de dos segundos, haga que el asistente practique el movimiento que se realizará con un participante, utilizando una señal verbal, a un ritmo para que el movimiento se realice en dos segundos. Cuando el participante esté listo, encienda las cámaras y cebe el panel de control como se ha demostrado y notifique al asistente que el sistema está listo.Haga que el asistente pregunte si el participante está listo antes de dar la señal verbal, Listo y listo, para que el participante realice el movimiento mientras el asistente activa el sistema de rayos X para adquirir una imagen dinámica. Cuando se hayan adquirido imágenes de buena calidad para todas las pruebas de movimiento, guarde las pruebas de cada cámara. En este análisis representativo, una mujer asintomática de 52 años se sometió a pruebas de movimiento en su hombro dominante como se demostró.También se obtuvieron imágenes de tomografía computarizada de la articulación del hombro en los planos coronal, sagital y transversal para incluir toda la escápula, humorística y caja torácica. Estas imágenes radiográficas ilustran la complejidad de adquirir radiografías biplanas del hombro en ángulos más bajos de elevación humeral, el acromion lateral y la clavícula distal aparecen sobreexpuestos en la vista verde, pero están bien visualizados en la vista roja, debido al menor volumen de tejido blando dentro de la zona. Sin embargo, a medida que el brazo se eleva, la mayor parte del deltoides se proyecta sobre el área, lo que resulta en una mejor exposición radiográfica.Como se observó en este análisis cinemático, el movimiento glenohumeral consistió en elevación y una ligera rotación externa y generalmente fue en el plano posterior a la escápula. El movimiento torácico de la escápula consistía en una rotación hacia arriba con una inclinación posterior y una ligera rotación interno-externa. Durante el ensayo de movimiento, la distancia subacromial mínima disminuyó hasta aproximadamente 90 grados de elevación torácica humoral, momento en el que la distancia comenzó a aumentar.La distancia subacromial promedio siguió una trayectoria similar. La distancia subacromial mínima siguió una trayectoria complementaria a la métrica de área de superficie, de modo que la distancia mínima tendía a ser más pequeña cuando el área de superficie era mayor. Hacer que el participante practique el movimiento es fundamental para garantizar que entienda el procedimiento y que pueda realizar el movimiento deseado con el ritmo y el tiempo correctos.

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Measuring 3D In-vivo Shoulder Kinematics using Biplanar Videoradiography

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