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

Esta pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) sob os números de subvenção S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais do NIH.

Os procedimentos descritos neste protocolo foram aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Utah.
1. Imagem de artrograma ct
<ol><li>Artrógrama18<ol>
<li>Agende um radiologista musculoesquelético treinado para realizar o artrograma diretamente antes da imagem programada da tomografia computadorizada.</li>
		<li>Posicione o participante sobre a mesa com o quadril de interesse no campo de visão de um fluoroscópio clínico. Coloque sacos de ...

A fluoroscopia dupla é uma ferramenta poderosa para a investigação de cinemática in vivo, especialmente para o quadril, que é difícil de medir com precisão usando a captura de movimento óptico tradicional. No entanto, o equipamento de fluoroscopia é especializado, onde uma configuração única do sistema pode ser necessária ao fotografar outras articulações do corpo humano. Por exemplo, foram feitas várias modificações na montagem dos intensificadores de imagem, posicionamento do sistema e ajuste...

O número de procedimentos totais de artroplastia do quadril (THA) realizados em adultos de 45 a 64 anos que sofrem de osteoartrite do quadril (OA) mais que dobrou entre 2000 e 20101. Com base nos aumentos dos procedimentos de THA de 2000 a 2014, um estudo recente previu que o número total de procedimentos anuais pode triplicar nos próximos vinte anos2. Esses grandes aumentos nos procedimentos de THA são alarmantes considerando que os custos atuais de tratamento excedem US$ 18 bilhões anualmente apenas nos Estados Unidos3.
Acredita-se que displasia do quadril (DDH) e síndrome de impingamento femoroacetabular (FAIS), que descrevem um quadril sub ou super-constrangido, respectivamente, sejam a etiologia primária do quadril OA4. A alta prevalência dessas deformidades estruturais do quadril em indivíduos submetidos à TA foi inicialmente descrita há mais de três décadas5. Ainda assim, a relação entre anatomia anormal do quadril e a osteoartrite não é bem compreendida. Um desafio para melhorar a compreensão do papel das deformidades no desenvolvimento do OA do quadril é que a morfologia anormal do quadril é muito comum entre adultos assintomáticos. Notavelmente, estudos observaram morfologia associada à FAIS tipo cam em aproximadamente 35% da população geral6, 83% dos atletas seniores7e mais de 95% dos atletas do sexo masculino colegiado8. Em outro estudo de atletas colegiadas do sexo feminino, 60% dos participantes tinham provas radiográficas da cam FAIS, e 30% tinham provas de DDH9.
Estudos que demonstram uma alta prevalência de deformidades entre indivíduos sem dor no quadril apontam para a possibilidade de que a morfologia comumente associada ao FAIS e ao DDH pode ser uma variante natural que só se torna sintomática sob certas condições. No entanto, a interação entre anatomia do quadril e a biomecânica do quadril não é bem compreendida. Notavelmente, há dificuldades conhecidas com a medição do movimento articular do quadril usando a tecnologia tradicional de captura de movimento óptico. Primeiro, a articulação é relativamente profunda dentro do corpo, de tal forma que a localização do centro articular do quadril é difícil de identificar e rastrear dinamicamente usando captura óptica de movimento de marcador de pele, com erros na mesma ordem de magnitude que o raio da cabeça femoral10,11. Em segundo lugar, a articulação do quadril é cercada por grande massa de tecido mole, incluindo gordura subcutânea e músculo, que se move em relação ao osso subjacente, resultando em artefato de tecido mole12,13,14. Finalmente, usando o rastreamento óptico de marcadores de pele, a cinemática é avaliada em relação à anatomia generalizada e, portanto, não fornece insights sobre como diferenças morfológicas sutis podem afetar a biomecânica da articulação.
Para suprir a falta de cinemática precisa em combinação com a morfologia óssea específica do sujeito, tanto sistemas de fluoroscopia única quanto dupla foram desenvolvidos para análise de outros sistemas articulares naturais15,16,17. No entanto, essa tecnologia só recentemente foi aplicada na articulação do quadril nativo, provavelmente devido à dificuldade em adquirir imagens de alta qualidade através do tecido mole ao redor do quadril. A metodologia para medir com precisão o movimento articular do quadril in vivo e exibir este movimento em relação à anatomia óssea específica do sujeito é descrita aqui. A artrokinemática resultante fornece uma habilidade incomparável de investigar a interação sutil entre morfologia óssea e biomecânica.
Aqui, foram descritos os procedimentos para aquisição e processamento de imagens duplas de fluoroscopia do quadril durante as atividades de vida diária. Devido ao desejo de capturar cinemáticas de corpo inteiro com rastreamento de marcador óptico simultaneamente com imagens duplas de fluoroscopia, o protocolo de coleta de dados requer coordenação entre várias fontes de dados. A calibração do sistema de fluoroscopia dupla utiliza estruturas de plexiglass implantadas com contas metálicas que podem ser diretamente identificadas e rastreadas como marcadores. Em contraste, o movimento ósseo dinâmico é rastreado usando rastreamento sem marcadores, que utiliza apenas a densidade radiográfica baseada em TC dos ossos para definir a orientação. O movimento dinâmico é então rastreado simultaneamente usando dados duplos de fluoroscopia e captura de movimento que são sincronizados espacial e temporalmente.
Os sistemas são sincronizados espacialmente durante a calibração através de imagens simultâneas de um cubo com marcadores reflexivos e contas metálicas implantadas e a geração de um sistema de coordenadas comum. Os sistemas são sincronizados temporalmente para cada atividade ou captura através do uso de um gatilho eletrônico dividido, que envia um sinal para acabar com a gravação das câmeras de fluoroscopia dupla e interrompe uma entrada constante de 5 V para o sistema de captura de movimento. Este protocolo coordenado permite a quantificação da posição dos segmentos corporais que estão fora do campo combinado de visão do sistema de fluoroscopia dupla, expressão de resultados cinemáticos em relação a eventos normalizados pela marcha e caracterização da deformação do tecido mole em torno do fêmur e da pelve.

<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

Várias patologias do quadril foram atribuídas à morfologia anormal com uma suposição subjacente da biomecânica aberrante. No entanto, as relações estrutura-função no nível articular permanecem desafiadoras para quantificar devido às dificuldades em medir com precisão o movimento articular dinâmico. Os erros de artefato de tecido mole inerentes à captura óptica de movimento do marcador de pele são exacerbados pela profundidade da articulação do quadril dentro do corpo e pela grande massa de tecido mole ao redor da articulação. Assim, a relação complexa entre a forma óssea e a cinemática articular do quadril é mais difícil de estudar com precisão do que em outras articulações. Aqui, um protocolo que incorpora a arteografia computada (TC), reconstrução tridimensional (3D) de imagens volumétricas, fluoroscopia dupla e captura de movimento óptico para medir com precisão o movimento dinâmico da articulação do quadril é apresentado. São resumidos os estudos técnicos e clínicos que aplicaram fluoroscopia dupla para estudar as relações forma-função do quadril utilizando este protocolo, e as etapas específicas e considerações futuras para aquisição, processamento e análise de dados são descritas.

Utilizando fluoroscopia dupla como padrão de referência, a precisão das estimativas baseadas em marcadores de pele do centro articular do quadril e o efeito do artefato de tecido mole em medidas cinéticas e cinéticas foram quantificadas22,23,24. A precisão superior da fluoroscopia dupla foi então utilizada para identificar diferenças sutis na cinemática pélvica e da articulação do quadril entre pacientes com FAIS e p...

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

A fluoroscopia dupla captura com precisão o movimento dinâmico in vivo das articulações humanas, que podem ser visualizadas em relação à anatomia reconstruída (por exemplo, artrokinematics). Aqui é apresentado um protocolo detalhado para quantificar a artrokinemática do quadril durante atividades de suporte de peso da vida diária, incluindo a integração da fluoroscopia dupla com a captura tradicional de movimento de marcador de pele.

In vivo Quantificação da Artrokinematics de Quadril durante atividades dinâmicas de peso usando fluoroscopia dupla

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

Este protocolo combina a medição da cinemática in vivo hip com a captura de movimento corporal inteiro para perder o papel da biomecânica na degeneração do quadril. Em comparação com os métodos tradicionais de rastreamento do movimento do quadril, a fluoroscopia dupla melhorou a precisão que permite a investigação da relação sutil entre a forma do quadril e os padrões de movimento. Para as atividades pivôs, o participante gire ou traduza os pés de tal forma que a pelve esteja voltada para a frente na esteira.E o quadril de interesse está no meio do campo de visão combinado sobre os fluoroscópios no final do pivô. Uma vez otimizada a posição, faça com que o participante realize o pivô durante a dupla fluoroscopia. E salve todos os quadros onde o fêmur e a pelve são visíveis em ambas as vistas da câmera fluoroscopia.Capturando o máximo possível do pivô. Nas brocas de caminhada informe o participante antes de iniciar a correia da esteira. Aumente a velocidade da esteira até a velocidade de caminhada apropriada.E deixe os participantes marchar normalizados antes de coletar imagens. Para a atividade de caminhada inclinada, os participantes saiam da esteira. Desbloqueie a esteira, coloque a inclinação em cinco graus e recanee a esteira.Antes de o participante voltar para a esteira para realizar a atividade. Para a atividade de adução de abdução, o participante está no campo de visão dos fluoroscópios. E elevar a perna de interesse aproximadamente 45 graus para cima e para fora para o lado sem mover o tronco.Para a dinâmica centro articular do quadril ou atividade do arco estelar, o participante fique no campo de visão do sistema de fluoroscopia dupla e levante, e depois baixe a perna anteriormente a incrementos de 45 graus até 180 graus. Antes de colocar a perna de volta no chão, peça ao participante circundutor a perna e retorne a uma posição de pé. Para colocação do marcador aplique cola spray no lado da pele da alça de tecido de cada uma das cinco placas de marcador.E envolvê-los firmemente em torno do participante. Verifique com um participante que as alças se sentem apertadas, mas não são desconfortáveis. Em seguida, coloque as placas de marcador nas tiras de tecido.Depois de limpar as mãos para remover qualquer excesso de cola de spray e colocar luvas para proteger os marcadores aplique os cinco marcadores usados apenas para calibração nos joelhos medial da clavícula e malleolar medial. Em seguida, aplique os 16 marcadores para rastreamento das colunas ilícas superiores, colunas ilícíais superiores posteriores, maior trochanter do fêmur sendo imagedo, ombros, esterno, joelhos laterais, malleolar lateral e pés. Para identificação de referência do sistema de coordenadas, abra o fêmur proximal como um arquivo modelo e, em seguida, abra a barra de ferramentas de post e o painel de dados para adicionar um campo padrão de curvatura de primeiro princípio.Selecione uma suavidade de 10 e clique em aplicar. Em seguida, selecione os rostos da cabeça femoral. No painel de edição, clique em selecionar faixa para incluir apenas curvatura negativa.Determine o centro da cabeça femoral usando esta ferramenta de ajuste de esfera a partir da ferramenta de medida. Exporte esta superfície da cabeça femoral como uma malha superficial em formato K. Da mesma forma, aplique a curvatura do primeiro princípio ao fêmur distal com uma colher de cinco.Clique em selecionar o intervalo novamente para incluir apenas os rostos com curvatura negativa. Exporte esta superfície de condílo femoral para um ajuste de cilindro para determinar o eixo lateral medial. Em seguida, aplique a curvatura de segundo princípio ao fêmur distal usando uma suavidade de três.Destaque os cumes do epicondyle e clique em selecionar faixa. Aplicando um corte superior de 0,1 negativo. Exporte essas faces para gerar um plano e use-o para isolar as faces do condíle posterior para o ajuste do cilindro.Para rastreamento sem marcadores, selecione um quadro dentro da faixa desejada com uma boa visualização do osso. E orientar manualmente a radiografia digitalmente reconstruída do osso de interesse usando os seis graus de liberdade disponíveis no software. Uma vez que a radiografia digitalmente reconstruída do osso pareça bem alinhada em ambas as visualizações, salve a solução clicando no botão manual do painel de soluções.Em seguida, no painel de soluções, clique no botão DHS para aplicar a etapa de otimização de pesquisa de hessão diagonal e revisar o resultado. Se o resultado otimizado for preferido, passe para o próximo quadro, de outra forma faça quaisquer ajustes necessários e resave clicando no botão manual dentro do painel de soluções. Para completar o primeiro passe de rastreamento, use a gama de botão LP mais DHS dentro do painel de soluções.Na janela, digite o conjunto de quadros a serem rastreados e os dois quadros a serem usados para referência. Revise e refine cada quadro do ensaio usando soluções manuais e baseadas em DHS. Use o enredo de parâmetros para garantir que o coeficiente de correlação seja suficientemente alto, e que a orientação do osso não tenha saltos repentinos em nenhum parâmetro.Para visualizar o movimento, abra as superfícies do fêmur e da pelve no software para visualização cinemática. Se necessário, usando a função de conversão para malha, converta as superfícies em malhas. Selecione ambas as superfícies e exporte como uma malha superficial em formato K.Usando a saída do rastreamento, gere um arquivo de texto com as transformações coordenadas para cada osso e quadro. Em seguida, usando a ferramenta cinemática e os arquivos de malha de superfície e texto gerados anteriormente animam a cinemática. Usando uma superfície semi-transparente, verifique se a cinemática animada parece razoável.Alternativamente usando a ferramenta de distância superficial, execute a cinemática animada e verifique se as superfícies têm uma distância apropriada entre elas. Cinemática para 100 quadros em torno da rotação máxima de pivôs de rotação externa e interna para um participante representativo são mostrados aqui. Esta figura mostra a medição da distância superficial entre uma pélvis esquerda e o fêmur.Na rotação máxima do pivô de rotação externa e interna com relação aos modelos ósseos utilizando fluoroscopia dupla. A atenção aos detalhes é importante para o rastreamento preciso da artrokinemática. É fundamental que cada etapa de coleta e processamento de dados seja feita com intenção.

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