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

Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health (NIH) under tilskuddsnumre S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis NIHs offisielle synspunkter.

Prosedyrer skissert i denne protokollen ble godkjent av University of Utah Institutional Review Board.
1. CT artrogram avbildning
<ol><li>Arthrogram18<ol>
<li>Planlegg en opplært muskuloskeletal radiolog for å utføre artrogrammet direkte før den planlagte CT-avbildningen.</li>
		<li>Plasser deltakeren på bordet med hoften av interesse for synsfeltet til et klinisk fluoroskop. Plasser sandsekker på hver side av ankelen for å forhindre rotasjon av benet og hoften...

Dobbel fluoroskopi er et kraftig verktøy for undersøkelse av in vivo kinematikk, spesielt for hoften, som er vanskelig å måle nøyaktig ved hjelp av tradisjonell optisk bevegelsesfangst. Fluoroskopiutstyr er imidlertid spesialisert, hvor det kan være nødvendig med et unikt systemoppsett når du ser på andre ledd i menneskekroppen. For eksempel ble det gjort flere modifikasjoner på monteringen av bildeforsterkerne, plasseringen av systemet og innstillingene for stråleenergien ved bruk av dobbel fluorosko...

Antall totale hofteartrosfroplastiske (THA) prosedyrer utført på voksne i alderen 45-64 år som lider av hofteartritt (OA) mer enn doblet seg mellom 2000 og 20101. Basert på økningen i THA-prosedyrer fra 2000 til 2014, spådde en nylig studie at det totale antallet årlige prosedyrer kan tredobles i løpet av de neste tjue årene2. Disse store økningene i THA-prosedyrer er alarmerende med tanke på at dagens behandlingskostnader overstiger $ 18 milliarder årlig i USA alene3.
Utviklingsdysplasi i hofte (DDH) og femoroacetabulær impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- eller overbegrenset hofte, antas å være den primære etiologien til hip OA4. Den høye forekomsten av disse strukturelle hoftedeformitetene hos personer som gjennomgår THA ble opprinnelig beskrevet for mer enn tre tiår siden5. Likevel er forholdet mellom unormal hofteanatomi og slitasjegikt ikke godt forstått. En utfordring for å forbedre arbeidsforståelsen av deformitetsrollen i utviklingen av hip OA er at unormal hoftemorfologi er svært vanlig blant asymptomatiske voksne. Spesielt har studier observert morfologi assosiert med cam-type FAIS hos omtrent 35% av den generelle befolkningen6, 83% av senior idrettsutøvere7, og mer enn 95% av collegiate mannlige idrettsutøvere8. I en annen studie av kvinnelige kollegiale idrettsutøvere hadde 60% av deltakerne radiografiske bevis på cam FAIS, og 30% hadde bevis på DDH9.
Studier som viser høy forekomst av deformiteter blant personer uten hoftesmerter peker på muligheten for at morfologi som vanligvis forbindes med FAIS og DDH, kan være en naturlig variant som bare blir symptomatisk under visse forhold. Samspillet mellom hofteanatomi og hipbiomekanikk er imidlertid ikke godt forstått. Spesielt er det kjente vanskeligheter med å måle hofteleddbevegelse ved hjelp av tradisjonell optisk bevegelsesfangstteknologi. For det første er leddet relativt dypt inne i kroppen, slik at plasseringen av hofteleddsenteret er vanskelig å både identifisere og spore dynamisk ved hjelp av optisk hudmarkørbevegelsesfangst, med feil i samme størrelsesorden som femoralhodets radius10,11. For det andre er hofteleddet omgitt av stor bløtvevsmasse, inkludert subkutant fett og muskler, som beveger seg i forhold til det underliggende beinet, noe som resulterer i bløtvevsartefakt12,13,14. Til slutt, ved hjelp av optisk sporing av hudmarkører, blir kinematikk evaluert i forhold til generalisert anatomi og gir dermed ikke innsikt i hvordan subtile morfologiske forskjeller kan påvirke leddets biomekanikk.
For å adressere mangelen på nøyaktig kinematikk i kombinasjon med subjektspesifikk beinmorfologi, er både enkle og doble fluoroskopisystemer utviklet for å analysere andre naturlige leddsystemer15,16,17. Imidlertid har denne teknologien bare nylig blitt brukt på den innfødte hofteleddet, sannsynligvis på grunn av vanskeligheten med å skaffe bilder av høy kvalitet gjennom det myke vevet rundt hoften. Metodikken for å nøyaktig måle in vivo hip joint bevegelse og vise denne bevegelsen i forhold til subjektiv benanatomi er beskrevet her. Den resulterende arthrokinematics gir en enestående evne til å undersøke det subtile samspillet mellom beinmorfologi og biomekanikk.
Heri har prosedyrene for å anskaffe og behandle doble fluoroskopibilder av hoften under dagliglivets aktiviteter blitt beskrevet. På grunn av ønsket om å fange slektematikk i hele kroppen med optisk markørsporing samtidig med doble fluoroskopibilder, krever datainnsamlingsprotokollen koordinering mellom flere datakilder. Kalibrering av det doble fluoroskopisystemet benytter plexiglassstrukturer implantert med metalliske perler som kan identifiseres direkte og spores som markører. I motsetning spores dynamisk beinbevegelse ved hjelp av markørløs sporing, som bare bruker den CT-baserte radiografiske tettheten av beinene for å definere orientering. Dynamisk bevegelse spores deretter samtidig ved hjelp av doble fluoroskopi- og bevegelsesfangstdata som er romlig og tidsmessig synkronisert.
Systemene synkroniseres romlig under kalibrering gjennom samtidig avbildning av en kube med både reflekterende markører og implanterte metallperler og generering av et felles koordinatsystem. Systemene synkroniseres timelig for hver aktivitet eller fanges opp ved hjelp av en delt elektronisk utløser, som sender et signal for å avslutte opptaket av de doble fluoroskopikameraene og avbryter en konstant 5 V-inngang til bevegelsesfangstsystemet. Denne koordinerte protokollen muliggjør kvantifisering av posisjonen til kroppssegmenter som faller utenfor det kombinerte synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet, uttrykk for kinematiske resultater i forhold til gang-normaliserte hendelser, og karakterisering av bløtvevsdeformasjonen rundt lårbenet og bekkenet.

<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

Flere hoftepatologier har blitt tilskrevet unormal morfologi med en underliggende antagelse om avvikende biomekanikk. Strukturfunksjonsrelasjoner på fellesnivå er imidlertid fortsatt utfordrende å kvantifisere på grunn av vanskeligheter med å måle dynamisk felles bevegelse nøyaktig. Bløtvevsartefaktfeilene som er forbundet med optisk hudmarkørbevegelsesfangst, forverres av dybden på hofteleddet i kroppen og den store massen av bløtvev rundt leddet. Dermed er det komplekse forholdet mellom beinform og hofteledd kinematikk vanskeligere å studere nøyaktig enn i andre ledd. Heri presenteres en protokoll som omfatter beregnet tomografi (CT) artrografi, tredimensjonal (3D) rekonstruksjon av volumetriske bilder, dobbel fluoroskopi og optisk bevegelsesfangst for å nøyaktig måle den dynamiske bevegelsen til hofteleddet. De tekniske og kliniske studiene som har brukt dobbel fluoroskopi for å studere formfunksjonsrelasjoner i hoften ved hjelp av denne protokollen, oppsummeres, og de spesifikke trinnene og fremtidige hensyn for datainnsamling, behandling og analyse beskrives.

Ved hjelp av dobbel fluoroskopi som referansestandard ble nøyaktigheten av hudmarkørbaserte estimater av hofteleddsenteret og effekten av bløtvevsartefakt på kinematiske og kinetiske målinger kvantifisert22,23,24. Den overlegne nøyaktigheten av dobbel fluoroskopi ble deretter brukt til å identifisere subtile forskjeller i bekken- og hofteleddkinematikk mellom pasienter med FAIS og asymptomatiske kontrolldeltakere<sup clas...

Watch this Scientific Journal Video about In Vivo Quantification of Hip Arthrokinematics during Dynamic Weight-bearing Activities using Dual Fluoroscopy at JoVE.com

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

Dobbel fluoroskopi fanger nøyaktig opp in vivo dynamisk bevegelse av menneskelige ledd, som kan visualiseres i forhold til rekonstruert anatomi (f.eks. arthrokinematikk). Heri presenteres en detaljert protokoll for å kvantifisere hip arthrokinematics under vektbærende aktiviteter i dagliglivet, inkludert integrering av dobbel fluoroskopi med tradisjonell bevegelsesfangst av hudmarkører.

In Vivo Kvantifisering av hip arthrokinematics under dynamiske vektbærende aktiviteter ved hjelp av dobbel fluoroskopi

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

Denne protokollen kombinerer måling av in vivo hip kinematikk med hel kroppsbevegelsesfangst for å miste tilstanden til biomekanikk i hoftedegenerasjon. Sammenlignet med tradisjonelle metoder for sporing av hoftebevegelse, har dobbel fluoroskopi forbedret nøyaktighet som gjør det mulig å undersøke det subtile forholdet mellom hofteform og bevegelsesmønstre. For pivotaktivitetene, be deltakeren rotere eller oversette føttene slik at bekkenet vender fremover på tredemøllen.Og hoften av interesse er midt i det kombinerte synsfeltet på fluoroskopene på slutten av svingen. Når posisjonen er optimalisert, må deltakeren utføre dreiningen under dobbel fluoroskopiavbildning. Og lagre alle rammer der lårbenet og bekkenet er synlige i begge fluoroskopikameravisningene.Fange så mye av pivoten som mulig. På gangøvelser informerer deltakeren før tredemøllebeltet startes. Rampe tredemøllehastigheten opp til riktig ganghastighet.Og la deltakerne gange normaliserte seg før de samlet bilder. For den skrånende gangaktiviteten, be deltakerne gå av tredemøllen. Lås opp tredemøllen, sett hellingen i fem grader og start tredemøllen på nytt.Før deltakeren går tilbake til tredemøllen for å utføre aktiviteten. For bortføringsaktiviteten, få deltakeren til å stå i fluoroskopets synsfelt. Og løft beinet av interesse ca 45 grader opp og ut til siden uten å flytte torsoen.For det dynamiske hofteleddssenteret eller stjernebueaktiviteten, få deltakeren til å stå i synsfeltet til det doble fluoroskopisystemet og heve, og senk deretter benet fremre i trinn på 45 grader opp til 180 grader. Før du legger benet tilbake på bakken, må du be deltakeren omskjære beinet og gå tilbake til stående stilling. For markørplassering, bruk spraylim på hudsiden av stoffstroppen på hver av fem markørplater.Og pakk dem tett rundt deltakeren. Sjekk med en deltaker at stroppene føles stramme, men ikke ubehagelige. Plasser deretter markørplatene på stoffstrimlene.Etter rengjøring av hender for å fjerne overflødig spraylim og sette på hansker for å beskytte markørene, påfør de fem markørene som bare brukes til kalibrering til kragebenets medial knær og medial malleolar. Deretter påfør de 16 markørene for sporing til de overlegne iliac ryggradene, bakre overlegne iliac spines, større trochanter av lårbenet blir avbildet, skuldre, brystben, laterale knær, lateral malleolar og føtter. For landemerkeidentifikasjon av koordinatsystemet, åpne den proksimale lårbenet som en modellfil, og åpne deretter stolpens verktøylinje og datapanel for å legge til et standardfelt med første prinsippkurvatur.Velg en utjevning på 10, og klikk bruk. Deretter velger du ansiktene på lårhodet. Klikk markeringsområdet i redigeringspanelet for å inkludere bare negativ krumning.Bestem midten av lårhodet ved hjelp av dette kuletilpasningsverktøyet fra måleverktøyet. Eksporter denne lårhodeoverflaten som et overflatenett i k-format. På samme måte gjelder første prinsippkurvatur på den distale lårbenet med en skje denne av fem.Klikk merk område på nytt for å inkludere bare ansiktene med negativ krumning. Eksporter denne femorale kondyneoverflaten for en sylindertilpasning for å bestemme medial lateralaksen. Bruk deretter andre prinsippkurvatur på den distale lårbenet ved hjelp av en glatthet på tre.ryggene på epicondylen, og klikk på markeringsområdet. Påføring av en øvre avskjæring på negative 0,1. Eksporter disse ansiktene for å generere et plan og bruk det til å isolere ansiktene på bakre kondyle for sylinderens passform.For markørfri sporing, velg en ramme innenfor ønsket område med god visualisering av beinet. Og orienter den CT-baserte digitalt rekonstruerte radiografen av beinet av interesse ved hjelp av de seks frihetsgradene som er tilgjengelige i programvaren. Når den digitalt rekonstruerte radiografen av beinet ser godt justert ut i begge visninger, lagrer du løsningen ved å klikke på den manuelle knappen fra løsningspanelet.Deretter klikker du på DHS-knappen i løsningspanelet for å bruke det diagonale trinnet for hession-søkeoptimalisering og se gjennom resultatet. Hvis det optimaliserte resultatet foretrekkes, går du videre til neste bilde, ellers foretar du nødvendige justeringer og lagrer på nytt ved å klikke på den manuelle knappen i løsningspanelet. For å fullføre den første sporingen, bruk rekkevidden til LP pluss DHS-knappen i løsningspanelet.I vinduet angir du settet med rammer som skal spores, og de to rammene som skal brukes som referanse. Gjennomgå og avgrense hver ramme i studien ved hjelp av både manuelle og DHS-baserte løsninger. Bruk plottet av parametere for å sikre at korrelasjonskoeffisienten er tilstrekkelig høy, og at retningen av beinet ikke har plutselige hopp i noen parameter.For å visualisere bevegelsen, åpne femur- og bekkenoverflatene i programvaren for kinematisk visualisering. Om nødvendig ved hjelp av konverter til mesh-funksjon, konverter overflatene til masker. Velg både overflater og eksporter som et overflatenett i k-format.Bruk utdataene fra sporing til å generere en tekstfil med koordinattransformasjonene for hvert bein og hver ramme. Deretter ved hjelp av det kinematiske verktøyet og overflatenett og tekstfiler generert tidligere animere kinematikken. Bruk en halvgjennomsiktig overflate til å kontrollere at den animerte kinematikken ser rimelig ut.Alternativt kan du bruke overflateavstandsverktøyet, kjøre den animerte kinematikken og kontrollere at overflatene har riktig avstand mellom seg. Kinematikk for 100 rammer rundt maksimal rotasjon av eksterne og interne rotasjonssvingninger for en representativ deltaker vises her. Denne figuren viser måling av overflateavstand mellom venstre hemibekken og lårben.Ved maksimal rotasjon av den eksterne og interne rotasjons dreie med hensyn til beinmodeller ved hjelp av dobbel fluoroskopi. Oppmerksomhet på detaljer er viktig for nøyaktig sporing av arthrokinematics. Det er avgjørende at hvert trinn i datainnsamling og behandling gjøres med hensikt.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Anatomy and Physiology

Medicine

Unit 1

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

The Appendicular Skeleton

SCIENTISTS IN ACTION

In vivo Dual Substrate Bioluminescent Imaging

In vivo Dual Substrate Bioluminescent Imaging

Our understanding of how and when breast cancer cells transit from established primary tumors to metastatic sites has increased at an exceptional rate ...

In vivo 19F MRI for Cell Tracking

In vivo 19F MRI for Cell Tracking

In vivo 19 F MR for Cell Tracking

In vivo 19F MRI allows quantitative cell tracking without the use of ionizing radiation. It is a noninvasive technique that can be applied to humans. ...

Sequential In vivo Imaging of Osteogenic Stem/Progenitor Cells During Fracture Repair

Sequential In vivo Imaging of Osteogenic Stem/Progenitor Cells During Fracture Repair

Sekvensiell<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging av osteogent Stem / stamceller under brudd Repair

Bone turns over continuously and is highly regenerative following injury. Osteogenic stem/progenitor cells have long been hypothesized to exist, but in ...

Non-fluoroscopic Catheter Tracking for Fluoroscopy Reduction in Interventional Electrophysiology

Non-gjennomlysning kateter Tracking for Gjennomlysning Reduksjon i Intervensjonselektro

A technological platform (MediGuide) has been recently introduced for non-fluoroscopic catheter tracking. In several studies, we have demonstrated that ...

Depletion of Mouse Cells from Human Tumor Xenografts Significantly Improves Downstream Analysis of Target Cells

Nedbryting av museceller fra menneske tumorxenotransplantater forbedrer Nedstrøms Analyse av Target Cells

The use of in vitro cell line models for cancer research has been a useful tool. However, it has been shown that these models fail to reliably mimic ...

In Vivo Evaluation of Fracture Callus Development During Bone Healing in Mice Using an MRI-compatible Osteosynthesis Device for the Mouse Femur

In Vivo Evaluation of Fracture Callus Development During Bone Healing in Mice Using an MRI-compatible Osteosynthesis Device for the Mouse Femur

I Vivo Evaluering av brudd Callus utvikling i bein Healing i mus bruker en MRI-kompatibel Osteosynthesis enhet for musen Femur

Endochondral fracture healing is a complex process involving the development of fibrous, cartilaginous, and osseous tissue in the fracture callus. The ...

Individualized Stem-positioning in Calcar-guided Short-stem Total Hip Arthroplasty

Individualisert stilk-posisjonering i Calcar-guidede kort-stammen totale Hip kirurgi

Bone- and soft-tissue sparing short stems are increasingly used in total hip arthroplasty (THA). However, there are a large variety of models of short ...

Improved Registration of 3D CT Angiography with X-ray Fluoroscopy for Image Fusion During Transcatheter Aortic Valve Implantation

Forbedret registrering av 3D CT Angiography med X-ray Fluoroscopy for bildet Fusion under Transcatheter Aortaklaff implantasjon

The fusion of 3D anatomical models derived from high-fidelity pre-interventional computed tomography angiography (CTA), and x-ray (XR) fluoroscopy to ...

An In Vivo Mouse Model of Total Intravenous Anesthesia During Cancer Resection Surgery

An In Vivo Mouse Model of Total Intravenous Anesthesia During Cancer Resection Surgery

En in vivo musemodell av total intravenøs anestesi under kreftreseksjonskirurgi

Anesthesia is a routine component of cancer care that is used for diagnostic and therapeutic procedures. The anesthetic technique has recently been ...

The Use of Mixed Reality in Custom-Made Revision Hip Arthroplasty: A First Case Report

Bruken av blandet virkelighet i skreddersydd revisjon Hip Arthroplasty: En første kasuistikk

The technology of 3D printing and visualization of anatomical structures is rapidly growing in various fields of medicine. A custom-made implant and mixed ...