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

Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) под номерами грантов S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальную точку зрения NIH.

Процедуры, изложенные в этом протоколе, были одобрены Советом по институциональному обзору Университета штата Юта.
1. Компьютерная артрограмма
<ol><li>Артрограмма18<ol>
<li>Запланируйте обученного рентгенолога опорно-двигательного аппарата для выполнения артро?...

Двойная рентгеноскопия является мощным инструментом для исследования in vivo кинематики, особенно для тазобедренного сустава, который трудно точно измерить с помощью традиционного оптического захвата движения. Однако рентгеноскопическое оборудование является специализированным...

Количество процедур тотальной эндопротезирования тазобедренного сустава (THA), выполненных взрослым в возрасте 45-64 лет, страдающим остеоартритом тазобедренного сустава (ОА), более чем удвоилось в период с 2000 по 2010год1. Основываясь на увеличении процедур THA с 2000 по 2014 год, недавнее исследование предсказало, что общее количество ежегодных процедур может утроиться в течение следующих двадцати лет2. Это значительное увеличение процедур THA вызывает тревогу, учитывая, что текущие затраты на лечение превышают 18 миллиардов долларов в год только в Соединенных Штатах3.
Дисплазия развития тазобедренного сустава (DDH) и бедренный синдром импинджмента (FAIS), которые описывают недостаточное или чрезмерное ограничение бедра, соответственно, считаются первичной этиологией тазобедренного сустава OA4. Высокая распространенность этих структурных деформаций тазобедренного сустава у лиц, подвергающихся ТХА, была первоначально описана более трех десятилетий назад5. Тем не менее, связь между аномальной анатомией тазобедренного сустава и остеоартритом не совсем понятна. Одна из проблем улучшения рабочего понимания роли деформаций в развитии ОА тазобедренного сустава заключается в том, что аномальная морфология тазобедренного сустава очень распространена среди бессимптомных взрослых. Примечательно, что исследования наблюдали морфологию, связанную с FAIS кулачкового типа, примерно у 35% населения в целом6,83% старших спортсменов7и более 95% университетских спортсменов-мужчин8. В другом исследовании женщин-спортсменок 60% участников имели рентгенографические доказательства CAM FAIS, а 30% имели доказательства DDH9.
Исследования, демонстрирующие высокую распространенность деформаций среди людей без боли в бедре, указывают на возможность того, что морфология, обычно связанная с FAIS и DDH, может быть естественным вариантом, который становится симптоматическим только при определенных условиях. Тем не менее, взаимодействие между анатомией тазобедренного сустава и биомеханией тазобедренного сустава не совсем понятно. Примечательно, что существуют известные трудности с измерением движения тазобедренного сустава с использованием традиционной технологии оптического захвата движения. Во-первых, сустав находится относительно глубоко внутри тела, так что расположение центра тазобедренного сустава трудно как идентифицировать, так и динамически отслеживать с помощью оптического захвата движения маркером кожи, с ошибками на том же порядке величины, что и радиус головки бедренной кости10,11. Во-вторых, тазобедренный сустав окружен большой массой мягких тканей, включая подкожно-жировую клетчатку и мышцы, которые движутся относительно подлежащей кости, в результате чего образовывался артефакт мягких тканей12,13,14. Наконец, используя оптическое отслеживание маркеров кожи, кинематика оценивается относительно обобщенной анатомии и, таким образом, не дает представления о том, как тонкие морфологические различия могут повлиять на биомеханику сустава.
Для решения проблемы отсутствия точной кинематики в сочетании с субъект-специфической морфологией кости были разработаны как одиночные, так и двойные системы рентгеноскопии для анализа других естественных суставных систем15,16,17. Тем не менее, эта технология только недавно была применена к родному тазобедренному суставу, вероятно, из-за трудностей с получением высококачественных изображений через мягкие ткани, окружающие бедро. Методология точного измерения in vivo движения тазобедренного сустава и отображения этого движения относительно предметно-специфической анатомии кости описана в настоящем документе. Полученная артрокинематика обеспечивает непревзойденную способность исследовать тонкое взаимодействие между морфологией кости и биомеханикой.
Здесь описаны процедуры получения и обработки двойных рентгеноскопических изображений тазобедренного сустава во время повседневной жизни. Из-за желания захватывать кинематику всего тела с оптическим маркерным отслеживанием одновременно с двойными рентгеноскопическими изображениями, протокол сбора данных требует координации между несколькими источниками данных. Калибровка двойной системы рентгеноскопии использует структуры из плексигласа, имплантированные металлическими шариками, которые могут быть непосредственно идентифицированы и отслежены как маркеры. Напротив, динамическое движение костей отслеживается с помощью безмаркерного отслеживания, которое использует только рентгенографическую плотность костей на основе КТ для определения ориентации. Динамическое движение затем отслеживается одновременно с помощью двойной рентгеноскопии и данных захвата движения, которые синхронизированы пространственно и временно.
Системы синхронизируются пространственно во время калибровки посредством одновременной визуализации куба как с отражающими маркерами, так и с имплантированными металлическими шариками и генерации общей системы координат. Системы синхронизируются во времени для каждого действия или захвата с помощью разделенного электронного триггера, который посылает сигнал для завершения записи двойных рентгеноскопических камер и прерывает постоянный вход 5 В в систему захвата движения. Этот скоординированный протокол позволяет количественно оценить положение сегментов тела, которые выходят за пределы комбинированного поля зрения двойной системы рентгеноскопии, экспрессию кинематических результатов относительно событий, нормализованных походкой, и характеристику деформации мягких тканей вокруг бедренной кости и таза.

<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

Несколько патологий тазобедренного сустава были отнесены к аномальной морфологии с базовым предположением об аберрантной биомеханике. Однако структурно-функциональные отношения на совместном уровне по-прежнему трудно поддаются количественной оценке из-за трудностей с точным измерением динамического движения суставов. Ошибки артефактов мягких тканей, присущие захвату движения оптическими маркерами кожи, усугубляются глубиной тазобедренного сустава в организме и большой массой мягких тканей, окружающих сустав. Таким образом, сложную взаимосвязь между формой кости и кинематикой тазобедренного сустава изучать сложнее, чем в других суставах. Здесь представлен протокол, включающий артрографию компьютерной томографии (КТ), трехмерную (3D) реконструкцию объемных изображений, двойную рентгеноскопию и оптический захват движения для точного измерения динамического движения тазобедренного сустава. Обобщены технические и клинические исследования, в которых применялась двойная рентгеноскопия для изучения формо-функциональных отношений тазобедренного сустава с использованием этого протокола, а также описываются конкретные шаги и будущие соображения по сбору, обработке и анализу данных.

Используя двойную рентгеноскопию в качестве эталонного стандарта, точность оценок центра тазобедренного сустава на основе маркеров кожи и влияние артефакта мягких тканей на кинематические и кинетические измерения были количественно определены22,23,<...

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

Двойная рентгеноскопия точно фиксирует in vivo динамическое движение суставов человека, которое может быть визуализировано относительно реконструированной анатомии (например, артрокинематики). Здесь представлен подробный протокол количественной оценки артрокинематики тазобедренного сустава во время несущей деятельности повседневной жизни, включая интеграцию двойной рентгеноскопии с традиционным захватом движения маркеров кожи.

В городе Vivo Количественная оценка артрокинематики тазобедренного сустава во время динамической несущей деятельности с использованием двойной рентгеноскопии

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

Этот протокол сочетает в себе измерение кинематики бедра in vivo с захватом движения всего тела, чтобы потерять роль биомеханики в дегенерации тазобедренного сустава. По сравнению с традиционными методами отслеживания движения бедра, двойная рентгеноскопия имеет улучшенную точность, которая позволяет и исследование тонкой взаимосвязи между формой бедра и моделями движения. Для поворотных упражнений попроведите участника поворотом или переведите ноги так, чтобы таз был обращен вперед на беговой дорожке.А бедро интереса находится в середине комбинированного поля зрения на флюороскопах в конце шарнира. После того, как позиция оптимизирована, попросить участника выполнить поворот во время двойной рентгеноскопии. И сохраните все кадры, где бедренная комть и таз видны в обоих видах рентгеноскопии.Захват как можно большей части разворота. О тренировках по ходьбе информируйте участника перед началом ремня беговой дорожки. Разгонная скорость беговой дорожки до соответствующей скорости ходьбы.И пусть походка участников нормализуется перед сбором изображений. Для наклонной ходьбы попрошайки заготовите участников сойти с беговой дорожки. Разблокируйте беговую дорожку, установите наклон на пять градусов и перезапустите беговую дорожку.Прежде чем участник вернется на беговую дорожку, чтобы выполнить упражнение. Для аддукционной деятельности по похищению, заставь участника стоять в поле зрения флюороскопов. И поднимите интересующей ноги примерно на 45 градусов вверх и наружу в сторону, не двигая туловищем.Для динамической активности центра тазобедренного сустава или звездной дуги предложите участнику встать в поле зрения двойной рентгеноскопической системы и поднять, а затем опустить ногу с передним ногами с шагом 45 градусов до 180 градусов. Прежде чем положить ногу обратно на землю, положите участнику обойти ногу и вернуться в положение стоя. Для размещения маркера нанесите спрей-клей на сторону кожи тканевого ремешка каждой из пяти маркерных пластин.И плотно обернуть их вокруг участника. Уточните у участника, что ремни ощущаются тугими, но не неудобными. Затем поместите маркерные пластины на полоски ткани.После мытья рук для удаления лишнего спрея клея и надевания перчаток для защиты маркеров нанесите пять маркеров, используемых только для калибровки, на ключицы медиальной колени и медиальной маллеолярной. Затем нанесите 16 маркеров для отслеживания верхних подвздошных шипов, задних верхних подвздошных шипов, большего трохантера бедренной кости, плеч, грудины, боковых коленей, боковых маллеолярных и стоп. Для ориентировой идентификации системы координат откройте проксимальную бедренную комюру в качестве файла модели, а затем откройте панель инструментов post и панель данных, чтобы добавить стандартное поле кривизны первого принципа.Выберите плавность 10 и нажмите кнопку Применить. Далее над выделением лиц головки бедренной кости. На панели редактирования щелкните выбрать диапазон, чтобы включить только отрицательную кривизну.Определите центр головки бедренной кости с помощью этого сферного подгонки инструмента из измерить инструмент. Экспортируйте эту поверхность головки бедренной кости в виде поверхностной сетки в формате k. Аналогично примените первый принцип искривления к дистальной бедренной кости ложкой этого пяти.Нажмите кнопку Выбрать диапазон еще раз, чтобы включить только грани с отрицательной кривизной. Экспортируйте эту поверхность мыщелка бедренной кости для цилиндра, подходящего для определения медиаальной боковой оси. Далее применяют второй принцип искривления к дистальной бедренной кости, используя гладкость трех.Выделите гребни эпикондика и нажмите выбрать диапазон. Применение верхней отсечки отрицательной 0,1. Экспортируйте эти грани, чтобы создать плоскость и использовать ее для изоляции граней заднего мыщелка для посадки цилиндра.Для отслеживания без маркеров выберите кадр в нужном диапазоне с хорошей визуализацией кости. И вручную ориентируйте цифровую реконструированную рентгенограмму интересуемой кости на основе КТ, используя шесть степеней свободы, доступных в программном обеспечении. Как только цифровая рентгенограмма кости будет хорошо выровнена в обоих видах, сохраните решение, нажав на кнопку вручную на панели решений.Далее на панели решений нажмите кнопку DHS, чтобы применить шаг оптимизации поиска по диагонали и просмотреть результат. Если оптимизированный результат предпочтительнее, перейдите к следующему кадру, в противном случае внесите необходимые коррективы и повторно сохранить, нажав кнопку вручную на панели решений. Чтобы завершить первый проход отслеживания, используйте кнопку диапазона LP плюс DHS на панели решений.В окне введите набор кадров для отслеживания и два кадра, которые будут использоваться для справки. Просмотрите и уточните каждый кадр испытания, используя как ручные, так и основанные на DHS решения. Используйте график параметров, чтобы убедиться, что коэффициент корреляции достаточно высок, и чтобы ориентация кости не имели резких скачков ни в одном параметре.Чтобы визуализировать движение, откройте бедренную и тазовую поверхности в программном обеспечении для кинематической визуализации. При необходимости с помощью функции convert to mesh преобразуйте поверхности в сетки. Выберите обе поверхности и экспортируйте их в виде поверхностной сетки в формате k.Используя выходные данные отслеживания, создайте текстовый файл с преобразованиями координат для каждой кости и фрейма. Затем с помощью кинематического инструмента и поверхностных сетчатых и текстовых файлов, сгенерированных ранее, анимируйте кинематику. Используя полупрозрачную поверхность, убедитесь, что анимированная кинематика выглядит разумно.В качестве альтернативы, используя инструмент «Расстояние до поверхности», запустите анимированную кинематику и убедитесь, что поверхности имеют соответствующее расстояние между ними. Здесь показана кинематика для 100 кадров, окружающих максимальный поворот внешних и внутренних поворотов поворотов для репрезентативного участника. На этом рисунке показано измерение расстояния поверхности между левым тазом и бедренной кистью.При максимальном вращении внешнего и внутреннего вращения шарнир по отношению к костным моделям используют двойную рентгеноскопию. Внимание к деталям важно для точного отслеживания артрокинематики. Крайне важно, чтобы каждый шаг сбора и обработки данных выполнялся намеренно.

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

В естественных условиях двойного основания Bioluminescent изображений

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

В естественных условиях 19 F МРТ для отслеживания сотовых

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

Последовательный<em&gt; В естественных условиях</em&gt; Визуализация остеогенные стволовых / клеток-предшественников во время разрушения Ремонт

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

Номера для рентгеноскопии катетер Отслеживание уменьшения рентгеноскопии в интервенционной электрофизиологии

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

Истощение мышиных клеток из ксенотрансплантатов опухолей человека значительно улучшает Downstream Анализ клеток-мишеней

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

В естественных условиях Оценка развития каллуса перелом кости Исцеление у мышей с использованием МРТ совместимое устройство остеосинтеза для мыши бедренной

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

Индивидуальное позиционирование стволовых в Calcar руководствуясь короткого ствола всего эндопротезирование тазобедренного сустава

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

Улучшенные методы регистрации 3D КТ ангиография с рентгеновской рентгеноскопии для слияние изображений во время имплантации транскатетерного аортального клапана

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

Мышиная модель полной внутривенной анестезии in vivo во время операции по резекции рака

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

Использование смешанной реальности в индивидуальной ревизионной эндопротезированию тазобедренного сустава: отчет о первом случае

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