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 som rapporterades i denna publikation stöddes av National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases under tilldelningsnummer R01AR051912. Innehållet är endast författarnas ansvar och representerar inte nödvändigtvis de officiella åsikterna från National Institutes of Health (NIH).

Före datainsamlingen lämnade deltagaren skriftligt informerat samtycke. Utredningen godkändes av Henry Ford Health Systems institutionsgranskningsnämnd.
Protokoll för att förvärva, bearbeta och analysera biografiska rörelsedata med två plan är i hög grad beroende av bildsystem, databehandlingsprogram och resultatmått av intresse. Följande protokoll utformades speciellt för att spåra scapula, humerus och den tredje och fjärde revbenen under scapular-plan eller koronal-plan bortf...

Tekniken som beskrivs här övervinner flera nackdelar i samband med konventionella tekniker för bedömning av axelrörelse (dvs. kadaveriska simuleringar, 2D-avbildning, statisk 3D-avbildning, videobaserade motion capture-system, bärbara sensorer etc.) genom att tillhandahålla exakta mått på 3D-ledrörelse under dynamiska aktiviteter. Noggrannheten i protokollet som beskrivs häri fastställdes för glenohumeral gemensamma mot guldstandarden för radiostereometric analys (RSA) att vara ±0,5° och ±0,4 <sup class=...

Axeln är ett av människokroppens mest komplexa ledsystem, med rörelse som sker genom samordnade åtgärder av fyra enskilda leder, flera ligament och cirka 20 muskler. Axeln har också det största rörelseomfånget av kroppens större leder och beskrivs ofta som en kompromiss mellan rörlighet och stabilitet. Tyvärr är axelpatologier vanliga, vilket resulterar i betydande smärta, funktionshinder och minskad livskvalitet. Till exempel påverkar rotatormanschett tårar cirka 40% av befolkningen över 601,2,3, med cirka 250 000 rotatormanschettreparationer som utförs årligen4, och en uppskattad ekonomisk börda på $ 3-5 miljarder per år i USA5. Dessutom är axelförskjutningar vanliga och är ofta förknippade med kronisk dysfunktion6. Slutligen är glenohumeral gemensamma artros (OA) ett annat betydande kliniskt problem som involverar axeln, med befolkningsstudier som visar att ungefär 15-20% av vuxna över 65 år har radiografi bevis på glenohumeral OA7,8. Dessa tillstånd är smärtsamma, försämrar aktivitetsnivåer och minskar livskvaliteten.
Även om patogeneserna i dessa villkor inte är helt förstådda, är det allmänt accepterat att förändrad axelrörelse är associerad med många axelpatologier9,10,11. Specifikt kan onormal gemensam rörelse bidra till patologi9,12, eller att patologin kan leda till onormal gemensamma rörelse13,14. Samband mellan gemensamma rörelse och patologi är sannolikt komplexa, och subtila förändringar i gemensamma rörelse kan vara viktiga i axeln. Till exempel, även om vinkel rörelse är den dominerande rörelsen som förekommer vid glenohumeral gemensamma, gemensamma översättningar förekommer också under bog rörelse. Under normala förhållanden överstiger dessa översättningar sannolikt inte flera millimeter15,16,17,18,19 och kan därför vara lägre än nivån på in vivo-noggrannheten för vissa mättekniker. Även om det kan vara frestande att anta att små avvikelser i ledrörelse kan ha liten klinisk inverkan, är det viktigt att också erkänna att den kumulativa effekten av subtila avvikelser över år av axelaktivitet kan överstiga individens tröskel för vävnadsläkning och reparation. Dessutom är in vivo-styrkorna vid glenohumeralleden inte oviktiga. Med hjälp av anpassade instrumenterade glenohumerala ledimplantat har tidigare studier visat att en höjning av en 2 kg vikt till huvudhöjd med en utsträckt arm kan resultera i glenohumerala ledkrafter som kan variera från 70% till 238% av kroppsvikten20,21,22. Följaktligen kan kombinationen av subtila förändringar i gemensamma rörelse och höga krafter koncentrerade över glenoidens små bärande yta bidra till utvecklingen av degenerativa bog patologier.
Historiskt sett har mätningen av axelrörelser genomförts genom en mängd olika experimentella metoder. Dessa metoder har inkluderat användning av komplexa kadaveriska testsystem utformade för att simulera axelrörelse23,24,25,26,27, videobaserade rörelseinspelningssystem med ytmarkörer28,29,31, ytmonterade elektromagnetiska sensorer32,33,34,35 , benstift med reflekterande markörer eller andra sensorer monterade36,37,38, statisk tvådimensionell medicinsk avbildning (dvs. fluoroskopi39,40,41 och röntgenundersökningar17,42,43,44,45), statisk tredimensionell (3D) medicinsk med hjälp av MR46,47, datortomografi48 och dynamisk, 3D enplan fluoroskopisk avbildning49,50,51. På senare tid har bärbara sensorer (t.ex. inertiella mätenheter) blivit populära för att mäta axelrörelser utanför laboratoriemiljön och i fria förhållanden52,53,54,55,56,57.
Under de senaste åren har det skett en spridning av biplan radiografi eller fluoroskopiska system utformade för att noggrant mäta dynamiska, 3D in vivo rörelser av axeln58,59,60,61,62. Syftet med denna artikel är att beskriva författarnas tillvägagångssätt för att mäta axelrörelse med hjälp av ett anpassat biplanar videoradiography system. De specifika målen med denna artikel är att beskriva protokollen för att förvärva biplanar videoradiographic bilder av axelkomplexet, förvärva CT skanningar, utveckla 3D ben modeller, lokalisera anatomiska landmärken, spåra positionen och orienteringen av överarmsbenet, scapula och torso från biplanar radiografi bilder och beräkna kinematiska resultatmått.

<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

Axeln är ett av människokroppens mest komplexa ledsystem, med rörelse som sker genom samordnade åtgärder av fyra enskilda leder, flera ligament och cirka 20 muskler. Tyvärr är axelpatologier (t.ex. rotatormanschett tårar, ledförskjutningar, artrit) vanliga, vilket resulterar i betydande smärta, funktionshinder och minskad livskvalitet. Den specifika etiologin för många av dessa patologiskt tillstånd är inte helt klarlagd, men det är allmänt accepterat att axel patologi ofta är associerad med förändrad gemensamma rörelse. Tyvärr är det inte trivialt att mäta axelrörelser med den nödvändiga noggrannhetsnivån för att undersöka rörelsebaserade hypoteser. Radiografibaserade rörelsemätningstekniker har dock gett det framsteg som krävs för att undersöka rörelsebaserade hypoteser och ge en mekanistisk förståelse av axelfunktionen. Således är syftet med denna artikel att beskriva metoderna för att mäta axelrörelse med hjälp av ett anpassat biplanar videoradiography system. De specifika målen med denna artikel är att beskriva protokollen för att förvärva biplanar videoradiographic bilder av axelkomplexet, förvärva CT skanningar, utveckla 3D ben modeller, lokalisera anatomiska landmärken, spåra positionen och orienteringen av överarmsbenet, scapula och torso från biplanar radiografi bilder och beräkna de kinematiska resultatmåtten. Dessutom kommer artikeln att beskriva speciella överväganden som är unika för axeln när man mäter ledkinematik med detta tillvägagångssätt.

En 52-årig asymtomatiska kvinna (BMI = 23,6 kg/m2) rekryterades som en del av en tidigare undersökning och genomgick motion testning (koronal plan bortförande) på hennes dominerande (höger) axel65. Före datainsamlingen lämnade deltagaren skriftligt informerat samtycke. Utredningen godkändes av Henry Ford Health Systems institutionsgranskningsnämnd. Datainsamlingen utfördes med hjälp av det protokoll som tidigare beskrivits (figur 3).
<p class...

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

Biplane videoradiography kan kvantifiera axelkinematik med hög grad av noggrannhet. Protokollet som beskrivs häri var särskilt utformat för att spåra scapula, humerus och revbenen under planar humeral höjd, och beskriver förfarandena för datainsamling, bearbetning och analys. Unika överväganden för datainsamling beskrivs också.

Mätning av 3D In-vivo Shoulder Kinemas med biplanar 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 anser att det är viktigt att dela med oss av vårt protokoll och vad vi har lärt oss med hjälp av denna teknik i vår forskning, eftersom deltagarna i dessa studier utsätts för strålning och därför är felmarginalen mycket liten. Den största fördelen med denna teknik är den noggrannhet med vilken den gemensamma rörelsen kan kvantifieras, vilket gör det möjligt för forskare att driva frågor som annars inte skulle vara möjliga. Innan du påbörjar en analys, placera stolen i biplansavbildningsvolymen så att axeln som ska testas centreras vid ungefär den punkt där biplansröntgenstrålarna skär varandra.Be deltagaren att sitta i en bekväm, upprätt hållning med armarna på sidorna. Justera den preliminära stolspositionen baserat på deltagarens antropometri, den rörelse som ska testas och de ben som ska spåras. Och säkra en blyfodrad skyddsväst över deltagarens torso för att täcka buken och kontralateral axel och bröst.Tänd ljuset i systemets röntgenkälla och höj systemet tills skuggan som kastas på bildförstärkaren är på nivån för deltagarens axilla. Flytta försiktigt deltagaren på stolen inom biplansbildvolymen medan du tittar på skuggan på förstärkaren. När deltagarens position är inställd för båda systemen som håller ljuskällan på, be deltagaren att utföra den rörelse som kommer att testas under proceduren.Deltagarens axel ska förbli inom det radiografiska fältet. För att verifiera deltagarens position i kontrollrummet ställer du in röntgenpanelen på lågt fluoroskopiläge och pulsgeneratorn till ett förvärv på 0,25 sekunder. Be en assistent förklara processen för deltagaren, inklusive att varna deltagaren om eventuella ljud de kan höra under avbildningen.Innan avbildningen påbörjas ska assistenten ta på sig en blyfodrad skyddsväst och flytta sig bort från röntgenkällorna samtidigt som man upprätthåller en tydlig sikt- och kommunikationslinje med deltagaren. För att skaffa en bild, starta kamerorna och prime röntgenpanelen. När systemet är klart instruerar du assistenten att börja förvärva de radiografiska bilderna med hjälp av en handhållen fjärrutlösare.Inspektera bilderna efter att de har förvärvats för att avgöra om deltagarens position var tillfredsställande för att visualisera alla nödvändiga ben. För statisk bildförvärv ställ in den optimerade radiotekniken på röntgenpanelen enligt den preliminära bilden och låt assistenten be deltagaren att sitta upprätt med armarna vilande på sidorna. När du har skaffat en bild i den här positionen, inspektera bilden för kvalitet, ben av intresse synlighet och tekniskt tillstånd.När en optimal bild har förvärvats sparar du testversionen från varje kamera. För dynamisk bildförvärv, med samma parametrar, men med pulsgeneratorn inställd på en tvåsekundersexponering, låt assistenten öva på den rörelse som ska utföras med en deltagare, med hjälp av en verbal signal, steg så att rörelsen utförs på två sekunder. När deltagaren är redo startar du kamerorna och primerar kontrollpanelen enligt vad som visas och meddela assistenten att systemet är klart.Låt assistenten fråga om deltagaren är redo innan han ger den verbala signalen, Redo och gå, så att deltagaren utför rörelsen när assistenten utlöser röntgensystemet för att få en dynamisk bild. När bilder av god kvalitet för alla rörelseförsök har förvärvats sparar du försöken från varje kamera. I denna representativa analys genomgick en 52-årig asymtomatiska kvinna rörelsetestning på sin dominerande axel som visats.CT skanning bilder av bog gemensamma erhölls också i koronal, sagittal och tvärgående plan att inkludera hela scapula, humoristiska och ribcage. Dessa radiografi bilder illustrerar komplexiteten i att förvärva biplan radiografer av axeln vid lägre vinklar av humeral höjd, laterala acromion och distala nyckelbenet visas överexponerade i den gröna vyn, men är väl visualiserade i den röda vyn, på grund av den lägre volymen mjukvävnad inom området. Men när armen lyfter, blir huvuddelen av deltoiden projicerad över området vilket resulterar i en bättre radiografi exponering.Som observerats i denna kinematik analys bestod glenohumeral rörelse av höjd och en liten yttre rotation och var i allmänhet in-plane posterior till scapula. Scapula bröst rörelse bestod av en uppåtgående rotation med en bakre lutning och en liten inre-externa rotation. Under motionsförsöket minskade det minsta subakuma avståndet till cirka 90 graders humoral brösthöjd, då avståndet började öka.Det genomsnittliga subakuma avståndet följde en liknande bana. Minsta subakuma distance följde en kompletterande bana till ytan metrisk, så att minsta avstånd tenderade att vara mindre när ytan var större. Att låta deltagaren öva på förslaget är avgörande för att säkerställa att de förstår proceduren och att de kan utföra önskad rörelse med rätt takt och 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 

Mätning av mekaniska egenskaper i levande celler Använda Atomkraftsmikroskopi

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 

Tillverkning och Implantation av Miniatyr Dual element töjningsgivare för mätning av<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinal Sammandragningar i gnagare.

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 

Använda Lim Mönstring att konstruera 3D Paper Mikrofluidikanordningar

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 

Beredning av 3D koUagengeler och mikro för studien av 3D interaktioner<em&gt; In 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 

Kvantifiering av spänningar i en grismodell av Skin Expansion Använda Multi-View Stereo och Isogeometric kinematik

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 

Visualisera angiogenes av Multiphoton mikroskopi In Vivo i genetiskt modifierade 3D-PLGA/nHAp byggnadsställning för Calvarial kritiska ben defekt reparation

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

Bioprinting av brosk och hud vävnad analoger utnyttja en roman passiv enhet blandningsteknik för 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

Styv inbäddning av fixeras och färgas, hela Millimeter-skala prover för avsnitt-gratis 3D histologi av mikro-datortomografi

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

Råtta modell av självhäftande kapsulit i axeln

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

Mätning av globala Cellular Matrix metalloproteinas och metabolisk 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) ...