Name: in vivo quantification of hip arthrokinematics during dynamic weight-bearing activities using dual fluoroscopy
Uploaded: 2021-07-02T14:00:00
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Questa ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health (NIH) con i numeri di sovvenzione S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali del NIH.

Le procedure delineate in questo protocollo sono state approvate dall'Institutional Review Board dell'Università dello Utah.
1. Imaging artrogramma CT
<ol><li>Artrogramma18<ol>
<li>Programmare un radiologo muscoloscheletrico addestrato per eseguire l'artrogramma direttamente prima dell'imaging TC programmato.</li>
		<li>Posizionare il partecipante sul tavolo con l'anca di interesse nel campo visivo di un fluoroscopio clinico. Posizionare sacchi di sabbia su entrambi ...

La doppia fluoroscopia è un potente strumento per lo studio della cinematica in vivo, in particolare per l'anca, che è difficile da misurare con precisione utilizzando la tradizionale cattura ottica del movimento. Tuttavia, l'apparecchiatura per fluoroscopia è specializzata, in cui può essere necessaria una configurazione di sistema unica quando si visualizzano altre articolazioni del corpo umano. Ad esempio, sono state apportate diverse modifiche al montaggio degli intensificatori di immagine, al posizionam...

Il numero di procedure totali di artroplastica dell'anca (THA) eseguite su adulti di età compresa tra 45 e 64 anni affetti da artrosi dell'anca (OA) è più che raddoppiato tra il 2000 e il 20101. Sulla base degli aumenti delle procedure THA dal 2000 al 2014, un recente studio ha previsto che il numero complessivo di procedure annuali potrebbe triplicare nei prossimi vent'anni2. Questi grandi aumenti delle procedure THA sono allarmanti considerando che gli attuali costi di trattamento superano i 18 miliardi di dollari all'anno solo negli Stati Uniti3.
Si ritiene che la displasia evolutiva dell'anca (DDH) e la sindrome da impingement femoroacetabolare (FAIS), che descrivono un'anca sotto- o sovra-vincolata, siano l'eziologia primaria dell'OA4dell'anca . L'alta prevalenza di queste deformità strutturali dell'anca in individui sottoposti a THA è stata inizialmente descritta più di tre decenni fa5. Tuttavia, la relazione tra anatomia anormale dell'anca e osteoartrite non è ben compresa. Una sfida per migliorare la comprensione del ruolo delle deformità nello sviluppo dell'OA dell'anca è che la morfologia anormale dell'anca è molto comune tra gli adulti asintomatici. In particolare, gli studi hanno osservato la morfologia associata al FAIS di tipo cam in circa il 35% della popolazione generale6,l'83% degli atleti senior7e oltre il 95% degli atleti maschi collegiali8. In un altro studio su atlete collegiali, il 60% dei partecipanti aveva prove radiografiche di CAM FAIS e il 30% aveva evidenza di DDH9.
Gli studi che dimostrano un'alta prevalenza di deformità tra gli individui senza dolore all'anca indicano la possibilità che la morfologia comunemente associata a FAIS e DDH possa essere una variante naturale che diventa sintomatica solo in determinate condizioni. Tuttavia, l'interazione tra anatomia dell'anca e biomeccanica dell'anca non è ben compresa. In particolare, ci sono difficoltà note con la misurazione del movimento dell'articolazione dell'anca utilizzando la tradizionale tecnologia di acquisizione ottica del movimento. In primo luogo, l'articolazione è relativamente profonda all'interno del corpo, in modo tale che la posizione del centro dell'articolazione dell'anca è difficile da identificare e tracciare dinamicamente utilizzando la cattura ottica del movimento del marcatore cutaneo, con errori sullo stesso ordine di grandezza del raggio della testa del femore10,11. In secondo luogo, l'articolazione dell'anca è circondata da una grande massa di tessuti molli, tra cui grasso sottocutaneo e muscolo, che si muove rispetto all'osso sottostante, con conseguente artefatto dei tessuti molli12,13,14. Infine, utilizzando il tracciamento ottico dei marcatori cutanei, la cinematica viene valutata rispetto all'anatomia generalizzata e quindi non fornisce informazioni su come sottili differenze morfologiche potrebbero influenzare la biomeccanica dell'articolazione.
Per affrontare la mancanza di una cinematica accurata in combinazione con la morfologia ossea specifica del soggetto, sono stati sviluppati sistemi di fluoroscopia sia singoli che doppi per analizzare altri sistemi articolari naturali15,16,17. Tuttavia, questa tecnologia è stata applicata solo di recente all'articolazione dell'anca nativa, probabilmente a causa della difficoltà di acquisire immagini di alta qualità attraverso i tessuti molli che circondano l'anca. La metodologia per misurare con precisione il movimento dell'articolazione dell'anca in vivo e visualizzare questo movimento rispetto all'anatomia ossea specifica del soggetto è descritta qui. L'artrokinematica risultante fornisce una capacità senza precedenti di indagare la sottile interazione tra morfologia ossea e biomeccanica.
Qui sono state descritte le procedure per l'acquisizione e l'elaborazione di immagini a doppia fluoroscopia dell'anca durante le attività della vita quotidiana. A causa del desiderio di acquisire la cinematica di tutto il corpo con il tracciamento ottico dei marcatori contemporaneamente alle immagini a doppia fluoroscopia, il protocollo di raccolta dei dati richiede il coordinamento tra diverse fonti di dati. La calibrazione del sistema a doppia fluoroscopia utilizza strutture in plexiglass impiantate con perle metalliche che possono essere identificate direttamente e tracciate come marcatori. Al contrario, il movimento osseo dinamico viene monitorato utilizzando il tracciamento senza marcatori, che utilizza solo la densità radiografica basata sulla TC delle ossa per definire l'orientamento. Il movimento dinamico viene quindi monitorato simultaneamente utilizzando la doppia fluoroscopia e i dati di acquisizione del movimento che sono sincronizzati spazialmente e temporalmente.
I sistemi vengono sincronizzati spazialmente durante la calibrazione attraverso l'imaging simultaneo di un cubo con marcatori riflettenti e perle metalliche impiantate e la generazione di un sistema di coordinate comune. I sistemi sono sincronizzati temporalmente per ogni attività o cattura attraverso l'uso di un trigger elettronico split, che invia un segnale per terminare la registrazione delle doppie telecamere fluoroscopiche e interrompe un ingresso costante di 5 V al sistema di motion capture. Questo protocollo coordinato consente la quantificazione della posizione dei segmenti corporei che non rientrano nel campo visivo combinato del sistema dual fluoroscopico, l'espressione di risultati cinematici relativi a eventi normalizzati dall'andatura e la caratterizzazione della deformazione dei tessuti molli intorno al femore e al bacino.

<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

Diverse patologie dell'anca sono state attribuite a morfologia anomala con un'ipotesi sottostante di biomeccanica aberrante. Tuttavia, le relazioni struttura-funzione a livello articolare rimangono difficili da quantificare a causa delle difficoltà nel misurare con precisione il movimento dinamico dell'articolazione. Gli errori di artefatto dei tessuti molli inerenti alla cattura del movimento del marcatore ottico della pelle sono esacerbati dalla profondità dell'articolazione dell'anca all'interno del corpo e dalla grande massa di tessuto molle che circonda l'articolazione. Pertanto, la complessa relazione tra forma ossea e cinematica dell'articolazione dell'anca è più difficile da studiare con precisione rispetto ad altre articolazioni. Qui viene presentato un protocollo che incorpora l'artrografia computerizzata (CT), la ricostruzione tridimensionale (3D) di immagini volumetriche, la doppia fluoroscopia e l'acquisizione ottica del movimento per misurare con precisione il movimento dinamico dell'articolazione dell'anca. Gli studi tecnici e clinici che hanno applicato la doppia fluoroscopia per studiare le relazioni forma-funzione dell'anca utilizzando questo protocollo sono riassunti e vengono descritti i passaggi specifici e le considerazioni future per l'acquisizione, l'elaborazione e l'analisi dei dati.

Utilizzando la doppia fluoroscopia come standard di riferimento, l'accuratezza delle stime basate sui marcatori cutanei del centro dell'articolazione dell'anca e l'effetto dell'artefatto dei tessuti molli sulle misurazioni cinematiche e cinetiche sono state quantificate22,23,24. La precisione superiore della doppia fluoroscopia è stata quindi utilizzata per identificare sottili differenze nella cinematica dell'articolazione pel...

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

La doppia fluoroscopia cattura con precisione il movimento dinamico in vivo delle articolazioni umane, che può essere visualizzato rispetto all'anatomia ricostruita (ad esempio, artrokinematica). Qui viene presentato un protocollo dettagliato per quantificare l'artrocinematica dell'anca durante le attività di carico della vita quotidiana, compresa l'integrazione della doppia fluoroscopia con la tradizionale cattura del movimento dei marcatori cutanei.

In vivo Quantificazione dell'artrokinematica dell'anca durante le attività dinamiche di carico utilizzando la doppia fluoroscopia

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

Questo protocollo combina la misurazione della cinematica dell'anca in vivo con la cattura del movimento di tutto il corpo per perdere il ruolo della biomeccanica nella degenerazione dell'anca. Rispetto ai metodi tradizionali di tracciamento del movimento dell'anca, la doppia fluoroscopia ha migliorato la precisione che consente di investigarsi della sottile relazione tra forma dell'anca e modelli di movimento. Per le attività di rotazione, chiedere al partecipante di ruotare o tradurre i piedi in modo tale che il bacino sia rivolto in avanti sul tapis roulant.E l'anca di interesse è nel mezzo del campo visivo combinato sui fluoroscopi alla fine del perno. Una volta ottimizzata la posizione, fare in modo che il partecipante esegua il pivot durante la doppia fluoroscopia di imaging. E salva tutti i fotogrammi in cui il femore e il bacino sono visibili in entrambe le viste della fotocamera fluoroscopica.Cattura il più possibile del pivot. Sulle esercitazioni a piedi informare il partecipante prima di iniziare la cintura del tapis roulant. Aumentare la velocità del tapis roulant fino alla velocità di camminata appropriata.E lascia che l'andatura dei partecipanti si normalizza prima di raccogliere immagini. Per l'attività di camminata inclinata, fai scendere i partecipanti dal tapis roulant. Sblocca il tapis roulant, imposta l'inclinazione a cinque gradi e riavvia il tapis roulant.Prima che il partecipante faccia un passo indietro sul tapis roulant per eseguire l'attività. Per l'attività di adduzione del rapimento, chiedere al partecipante di stare nel campo visivo dei fluoroscopi. E sollevare la gamba di interesse di circa 45 gradi su e fuori di lato senza spostare il busto.Per il centro dinamico dell'articolazione dell'anca o l'attività dell'arco stellare, fai in modo che il partecipante si alzi nel campo visivo del sistema di doppia fluoroscopia e sollevi, quindi abbassi la gamba anteriormente con incrementi di 45 gradi fino a 180 gradi. Prima di rimettere la gamba a terra, fare in modo che il partecipante circumdida la gamba e torni in posizione eretta. Per il posizionamento del marcatore, applicare la colla spray sul lato della pelle del cinturino in tessuto di ciascuna delle cinque piastre di marcatura.E avvolgili strettamente attorno al partecipante. Verificare con un partecipante che le cinghie si sentano strette, ma non siano scomode. Quindi posizionare le piastre di segnalazione sulle strisce di tessuto.Dopo essersi lacca delle mani per rimuovere l'eventuale colla spray in eccesso e aver messo i guanti per proteggere i marcatori applicare i cinque marcatori utilizzati solo per la calibrazione alle ginocchia mediali della clavicola e al malleolare mediale. Quindi applicare i 16 marcatori per il tracciamento alle spine iliache superiori, alle spine iliache superiori posteriori, al trocantere maggiore del femore che viene ripreso, spalle, sterno, ginocchia laterali, malleolare laterale e piedi. Per l'identificazione del punto di riferimento del sistema di coordinate, aprite il femore prossimale come file di modello, quindi aprite la barra degli strumenti del palo e il pannello dei dati per aggiungere un campo standard di curvatura del primo principio.Selezionare una scorrevolezza di 10 e fare clic su Applica. Successivamente selezionare le facce della testa del femore. Dal pannello di modifica, fate clic su Seleziona intervallo (Select Range) per includere solo la curvatura negativa.Determinare il centro della testa del femore utilizzando questo strumento di adattamento della sfera dallo strumento di misurazione. Esportate questa superficie della testa del femore come mesh di superficie in formato k. Allo stesso modo applicare la curvatura del primo principio al femore distale con un cucchiaio questo di cinque.Fate nuovamente clic su Seleziona intervallo (Select Range) per includere solo le facce con curvatura negativa. Esportate questa superficie del condilo femorale per un adattamento del cilindro per determinare l'asse laterale mediale. Quindi applicare la curvatura del secondo principio al femore distale usando una levigatezza di tre.Evidenzia le creste dell'epicondilo e fai clic su Seleziona intervallo. Applicazione di un cutoff superiore di negativo 0.1. Esportate queste facce per generare un piano e utilizzatelo per isolare le facce del condilo posteriore per l'adattamento del cilindro.Per il tracciamento senza marcatori, selezionare un fotogramma all'interno dell'intervallo desiderato con una buona visualizzazione dell'osso. E orientare manualmente la radiografia ricostruita digitalmente basata su CT dell'osso di interesse utilizzando i sei gradi di libertà disponibili nel software. Una volta che la radiografia ricostruita digitalmente dell'osso appare ben allineata in entrambe le viste, salvare la soluzione facendo clic sul pulsante manuale dal pannello delle soluzioni.Successivamente, dal pannello delle soluzioni, fare clic sul pulsante DHS per applicare la fase di ottimizzazione della ricerca dell'escissione diagonale e rivedere il risultato. Se si preferisce il risultato ottimizzato, passare al fotogramma successivo, altrimenti apportare le modifiche necessarie e salvare nuovamente facendo clic sul pulsante manuale all'interno del pannello delle soluzioni. Per completare il primo passaggio di tracciamento, utilizzare la gamma di LP più il pulsante DHS all'interno del pannello delle soluzioni.Nella finestra, immettete l'insieme di fotogrammi da tenere traccia e i due fotogrammi da utilizzare come riferimento. Rivedi e perfeziona ogni frame della prova utilizzando soluzioni manuali e basate su DHS. Utilizzare il grafico dei parametri per garantire che il coefficiente di correlazione sia sufficientemente alto e che l'orientamento dell'osso non abbia salti improvvisi in nessun parametro.Per visualizzare il movimento, aprire le superfici del femore e del bacino nel software per la visualizzazione cinematica. Se necessario, utilizzando la funzione converti in mesh, convertite le superfici in mesh. Selezionate entrambe le superfici ed esportate come mesh di superficie in formato k.Utilizzando l'output del tracciamento, generare un file di testo con le trasformazioni di coordinate per ogni osso e fotogramma. Quindi, utilizzando lo strumento cinematico e i file di mesh e di testo di superficie generati in precedenza, animare la cinematica. Utilizzando una superficie semitrasparente, verificate che la cinematica animata sia ragionevole.In alternativa, utilizzando lo strumento distanza superficie, eseguite la cinematica animata e verificate che le superfici abbiano una distanza appropriata tra di loro. La cinematica per 100 fotogrammi che circondano la rotazione massima dei perni di rotazione esterna e interna per un partecipante rappresentativo sono mostrati qui. Questa figura mostra la misura della distanza superficiale tra un emi pelvico sinistro e il femore.Alla massima rotazione del perno di rotazione esterno ed interno rispetto ai modelli ossei mediante doppia fluoroscopia. L'attenzione ai dettagli è importante per un monitoraggio accurato dell'artrokinematica. È fondamentale che ogni fase della raccolta e dell'elaborazione dei dati avvenga con intento.

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

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