Name: in vivo quantification of hip arthrokinematics during dynamic weight-bearing activities using dual fluoroscopy
Uploaded: 2021-07-02T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy at JoVE.com

这项研究得到了国家卫生研究院（NIH）的支持，资助编号为S10 RR026565、R21 AR063844、F32 AR067075、R01 R077636、R56 AR074416、R01 GM083925。内容完全由作者负责，不一定代表国家卫生研究院的官方观点。

本议定书中概述的程序已得到犹他大学机构审查委员会的批准。
1. CT关节图成像
<ol><li>关节图18<ol>
<li>安排训练有素的肌肉骨骼放射科医生在预定的CT成像之前直接进行关节图检查。</li>
		<li>将参与者放在桌子上，臀部对临床荧光镜感兴趣。将沙袋放在脚踝两侧，以防止腿部和臀部旋转。</li>
		<li>准备皮肤，以创建一个无菌的环境。标记针头插入的位置（股...

双荧光镜检查是研究体内运动学的有力工具，尤其是臀部，很难使用传统的光学运动捕捉来精确测量。然而，荧镜检查设备是专门的，其中可能需要一个独特的系统设置时，成像人体的其他关节。例如，在应用双氟镜检查研究脚踝运动学32、33、34、35时，对图像强化器的安装、系统的定位和光?...

2000年至2010年，对45-64岁患有臀部骨关节炎（OA）的成年人进行的臀部关节成形术（THA）总数增加了一倍多。根据2000年至2014年THA程序的增加，最近的一项研究预测，在未来20年中，每年的手术总数可能会增加两倍。考虑到目前仅美国每年的治疗费用就超过180亿美元，THA程序的大幅增长令人震惊。
臀部发育不良 （DDH） 和股骨撞击综合征 （FAIS）， 分别描述一个不足或过度约束的臀部， 被认为是臀部OA4的主要病因.这些结构性臀部畸形在接受THA治疗的个人中高流行率最初是在30多年前5。然而，异常臀部解剖学和骨关节炎之间的关系尚不清楚。提高对畸形在臀部OA发育中作用的工作理解的一个挑战是，异常的臀部形态在无症状的成年人中很常见。值得注意的是，研究发现，在大约35%的普通人群中，6岁、83%的高级运动员和95%以上的大学男性运动员8岁，都与凸轮型FAIS有关。在另一项针对女大学生运动员的研究中，60%的参与者有凸轮FAIS的放射学证据，30%的参与者有DDH9的证据。
研究表明，没有臀部疼痛的个体中畸形患病率很高，这表明通常与 FAIS 和 DDH 相关的形态可能是一种自然变异，只有在特定条件下才会出现症状。然而，臀部解剖学和臀部生物力学之间的相互作用没有得到很好的理解。值得注意的是，使用传统的光学运动捕捉技术测量臀部关节运动存在已知困难。首先，关节在体内相对较深，因此臀部关节中心的位置很难识别和跟踪动态使用光学皮肤标记运动捕获，错误在相同的数量级作为股骨头半径10，11。其次，臀部关节被大软组织体积包围，包括皮下脂肪和肌肉，相对于底层骨骼移动，导致软组织产件12，13，14。最后，使用皮肤标记的光学跟踪，运动学被评估相对于泛化解剖学，因此不能提供如何微妙的形态差异可能影响关节的生物力学的见解。
为了解决缺乏准确的运动学结合主题特定的骨骼形态，已经开发了单和双荧镜系统，用于分析其他自然关节系统15，16，17。然而，这项技术最近才应用于本地臀部关节，可能是由于难以通过臀部周围的软组织获得高质量的图像。本文介绍了准确测量活体臀部关节运动并显示相对于特定主体骨解剖学的运动的方法。由此产生的关节肌理学提供了无与伦比的能力，以调查骨骼形态学和生物力学之间的微妙相互作用。
其中，介绍了在日常生活活动中获取和处理臀部双荧镜图像的程序。由于希望用双荧光镜图像同时使用光学标记跟踪捕获全身运动学，数据收集协议需要多个数据源之间的协调。双荧镜系统的校准利用植入金属珠的有机玻璃结构，可直接识别和跟踪为标记。相比之下，动态骨骼运动使用无标记跟踪进行跟踪，该跟踪仅使用基于 CT 的骨骼放射密度来定义方向。然后使用空间和时间同步的双荧镜检查和运动捕获数据同时跟踪动态运动。
系统在校准过程中通过同时成像一个具有反射标记和植入金属珠的立方体以及生成共同坐标系统，在空间上同步。系统通过拆分电子触发器对每个活动进行时间同步或捕获，该触发器发送信号以结束双荧镜相机的录制，并中断运动捕获系统的恒定 5 V 输入。此协调协议可量化属于双荧光系统组合视场之外的身体段的位置、相对于步态正常化事件运动结果的表达以及股骨和骨盆周围软组织变形的特征。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Amira Software</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>Version 6.0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration Cube</td>
			<td></td>
			<td>Custom</td>
			<td>36 steel beads (3 mm diameter, spacing 6.35 cm, uncertainty 0.0036 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration Wand</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>Active Wand</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CT Scanner</td>
			<td>Siemens AG</td>
			<td colspan="2">SOMATOM Definition 128 CT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Distortion Correction Grid</td>
			<td></td>
			<td>Custom</td>
			<td>Acrylic plate with a grid of steel beads spaced 10 mm and 31 beads across the diameter (2 mm diameter)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dynamic Calibration Plate</td>
			<td></td>
			<td>Custom</td>
			<td>Acrylic plate with 3 steel beads spaced 30 mm (2 mm diameter, uncertainty 0.0013 mm)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Emitter (2)</td>
			<td>Varian Interay; remanufactured by Radiological Imaging Services</td>
			<td>Housing B-100/Tube A-142</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epinephrine</td>
			<td>Hospira</td>
			<td>Injection, USP 10 mg/mL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEBioStudio Software</td>
			<td>FEBio.org</td>
			<td>Version 1.3</td>
			<td>Mesh processing and kinematic visualization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphical Processing Unit</td>
			<td>Nvidia</td>
			<td>Tesla</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hare Traction Splint</td>
			<td>DynaMed</td>
			<td>Trac-III, Model No. 95201</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed Camera (2)</td>
			<td>Vision Research, Inc.</td>
			<td>Phantom Micro 3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image Intensifier (2)</td>
			<td>Dunlee, Inc.; remanufactured by Radiological Imaging Services</td>
			<td>T12964P/S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iohexol injection</td>
			<td>GE Healthcare</td>
			<td>Omnipaque 240 mgI/mL</td>
			<td>517.7 mg iohexol, 1.21 mg tromethamine, 0.1 mg edetate calcium disodium per mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>National Institutes of Health and Laboratory for Optical and Computational Instrumentation</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lidocaine HCl</td>
			<td>Hospira</td>
			<td>Injection, USP 10 mg/mL</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser and Mirror Alignment System</td>
			<td></td>
			<td>Custom</td>
			<td>Three lasers adhered to acrylic plate that attaches to emitter, mirror attaches to face of image intensifier</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Markless Tracking Workbench</td>
			<td>Henry Ford Hospital, Custom Software</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB Software</td>
			<td>Mathworks, Inc.</td>
			<td>Version R2017b</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion Capture Camera (10)</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>Vantage</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nexus Software</td>
			<td>Vicon</td>
			<td>Version 2.8</td>
			<td>Motion capture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phantom Camera Control (PCC) Software</td>
			<td>Vision Research, Inc.</td>
			<td>Version 1.3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pre-tape Spray Glue</td>
			<td>Mueller Sport Care</td>
			<td>Tuffner</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Retroreflective Spherical Skin Markers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>14 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Split Belt Fully Instrumented Treadmill</td>
			<td>Bertec Corporation</td>
			<td>Custom</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Visual3D Software</td>
			<td>C-Motion Inc.</td>
			<td>Version 6.01</td>
			<td>Kinematic processing</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in vivo quantification of hip arthrokinematics during dynamic weight-bearing activities using dual fluoroscopy

一些臀部病理学被归因于异常形态与异常生物力学的基本假设。然而，由于难以准确测量动态联合运动，关节一级的结构功能关系仍然难以量化。光学皮肤标记运动捕获中固有的软组织人工错误因体内臀部关节的深度和关节周围的大量软组织而加剧。因此，骨骼形状和臀部关节运动学之间的复杂关系比其他关节更难准确研究。在此，介绍了一个协议，包括计算机断层扫描 （CT） 关节学， 三维 （3D） 重建体积图像， 双荧光镜检查， 和光学运动捕捉， 以准确测量臀部关节的动态运动.利用本协议对臀部的形态功能关系进行了应用双氟镜检查的技术与临床研究，并介绍了数据采集、处理和分析的具体步骤和未来考虑。

以双氟镜检查为参考标准，对臀部关节中心基于皮肤标记的估计的准确性以及软组织产物对运动和动能测量的影响进行了量化，22、23、24。然后，双氟镜检查的卓越精度被用来识别FAIS患者和无症状控制参与者之间骨盆和臀部关节运动学的细微差异。对基于双氟镜检查的关节学进行了分析，以量化臀部关节覆?...

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In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy

双荧光镜检查准确地捕捉到人体关节的 体内 动态运动，与重建的解剖学（例如关节肌学）相比，可以可视化。在此，介绍了在日常生活的负重活动中量化臀部关节学的详细协议，包括将双荧光镜检查与传统皮肤标记运动捕捉相结合。

在维沃 使用双氟镜检查进行动态负重活动时臀部关节肌学的量化

Several hip pathologies have been attributed to abnormal morphology with an underlying assumption of aberrant biomechanics. However, structure-function ...

该协议结合了体内臀部运动学的测量和全身运动捕捉，以失去生物力学在臀部退化中的作用。与传统的跟踪臀部运动的方法相比，双荧镜检查提高了准确性，从而能够研究臀部形状和运动模式之间的微妙关系。对于枢轴活动，让参与者旋转或翻译他们的脚，使骨盆朝向跑步机上向前。感兴趣的臀部位于枢轴末端荧光镜的组合视场中间。位置优化后，让参与者在双荧镜成像过程中执行枢轴。并保存所有框架，其中股骨和骨盆是可见的，在两个荧镜相机视图。尽可能多地捕捉枢轴。在开始跑步机腰带之前，步行练习会通知参与者。将跑步机速度提升至适当的步行速度。让参与者在收集图像之前步态正常化。对于倾斜的步行活动，让参与者离开跑步机。解锁跑步机，将倾斜度设置为五度，并重新启动跑步机。在让参与者回到跑步机上执行活动之前。对于诱拐诱拐活动，让参与者站在荧光镜的视野中。将感兴趣的腿向上和向外抬高约 45 度，而无需移动躯干。对于动态臀部关节中心或星拱活动，让参与者站在双荧光镜系统视野中并抬起来，然后以 45 度增量前下腿，直至 180 度。在将腿放回地面之前，让参与者绕腿并返回站立位置。对于标记放置，将喷雾胶水涂抹在五个标记板中每个标记板的织物表带的皮肤侧。并将它们紧紧地包裹在参与者周围。与参与者核实表带是否感觉紧绷，但不会感到不舒服。然后将标记板放在织物条上。清洁手以去除多余的喷雾胶水并戴上手套以保护标记后，将仅用于校准的五个标记涂在锁骨内骨膝盖和中角柱上。接下来应用16个标记跟踪到优越的腹腔脊柱，后高级腹腔脊柱，更大的股骨被成像，肩膀，胸骨，横膝，横向马勒和脚。对于坐标系统的里程碑式识别，打开近体股骨作为模型文件，然后打开后工具栏和数据面板，添加第一原理曲率的标准字段。选择 10 的平滑度，然后单击应用。接下来选择股骨头的脸。从编辑面板中，单击选择范围，仅包含负曲率。使用测量工具使用此球体拟合工具确定股骨的中心。以 k 格式将此股头表面导出为表面网状。同样，用五分之一的勺子将第一原理曲率应用于基座股骨。再次单击"选择范围"，仅包括带负曲率的面部。导出此股骨锥体表面，用于适合确定中轴的圆柱体。接下来使用三个平滑度将第二个原理曲率应用于离心股骨。突出史诗的山脊，然后单击选择范围。应用负 0.1 的上切口。导出这些面来生成平面，并用它来隔离后凸面，以适合气缸。对于无标记跟踪，请选择在所需范围内的帧，并具有良好的骨骼可视化功能。并且使用软件中可用的六度自由度手动定向基于 CT 的数字重建兴趣骨的放射图。一旦骨骼的数字重建放射图在两种视图中看起来都完全对齐，请单击解决方案面板中的手动按钮来保存解决方案。接下来从解决方案面板，单击 DHS 按钮应用对角线下划索搜索优化步骤并查看结果。如果首选优化结果，请转到下一帧，否则通过单击解决方案面板中的手动按钮进行任何必要的调整和重保存。要完成跟踪的第一关，请使用解决方案面板中的LP加 DHS 按钮范围。在窗口中，输入要跟踪的帧集和用于参考的两帧。使用基于手动和 DHS 的解决方案审查和改进试验的每个帧。使用参数图确保相关系数足够高，并确保骨骼方向在任何参数中不会突然跳跃。要可视化运动，打开软件中的股骨和骨盆表面，进行运动可视化。如有必要，使用转换为网格函数，将表面转换为网格。选择表面和出口作为k格式的表面网格。使用跟踪输出，生成带有每个骨骼和帧坐标转换的文本文件。然后使用运动工具和表面网格和文本文件生成的早期动画运动学。使用半透明表面，验证动画运动学看起来是否合理。或者使用表面距离工具，运行动画运动学，并验证表面之间是否具有适当的距离。此处显示了围绕代表参与者外部和内部旋转枢轴最大旋转的 100 帧的动向学。此图显示了左下皮骨盆和股骨之间的表面距离测量。在使用双荧镜检查的骨骼模型方面，在外部和内部旋转枢轴的最大旋转。注重细节对于准确跟踪关节学非常重要。数据收集和处理的每一步都是有意完成的，这一点至关重要。

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