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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Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) bajo los números de subvención S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los NIH.

Los procedimientos descritos en este protocolo fueron aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Utah.
1. Imágenes de artrografía por TC
<ol><li>Artrograma18<ol>
<li>Programe a un radiólogo musculoesquelético capacitado para que realice la artrografía directamente antes de la tomografía computarizada programada.</li>
		<li>Coloque al participante en la mesa con la cadera de interés en el campo de visión de un fluoroscopio clínico. ...

La fluoroscopia dual es una herramienta poderosa para la investigación de la cinemática in vivo, especialmente para la cadera, que es difícil de medir con precisión utilizando la captura de movimiento óptica tradicional. Sin embargo, el equipo de fluoroscopia es especializado, en el que se puede requerir una configuración de sistema única al obtener imágenes de otras articulaciones del cuerpo humano. Por ejemplo, se realizaron varias modificaciones en el montaje de los intensificadores de imagen, posicio...

El número de procedimientos de artroplastia total de cadera (THA) realizados en adultos de 45 a 64 años que sufren de osteoartritis de cadera (OA) se duplicó con creces entre 2000 y 20101. Sobre la base de los aumentos en los procedimientos de THA de 2000 a 2014, un estudio reciente predijo que el número total de procedimientos anuales puede triplicarse en los próximos veinte años2. Estos grandes aumentos en los procedimientos de THA son alarmantes teniendo en cuenta que los costos actuales del tratamiento superan los $ 18 mil millones anuales solo en los Estados Unidos3.
Se cree que la displasia del desarrollo de la cadera (DDH) y el síndrome de pinzamiento femoroacetabular (FAIS), que describen una cadera con restricciones inferiores o excesivas, respectivamente, son la etiología primaria de la OA de cadera4. La alta prevalencia de estas deformidades estructurales de cadera en individuos sometidos a THA se describió inicialmente hace más de tres décadas5. Aún así, la relación entre la anatomía anormal de la cadera y la osteoartritis no se entiende bien. Un desafío para mejorar la comprensión de trabajo del papel de las deformidades en el desarrollo de la OA de cadera es que la morfología anormal de la cadera es muy común entre los adultos asintomáticos. En particular, los estudios han observado morfología asociada con FAIS de tipo cam en aproximadamente el 35% de la población general6,el 83% de los atletas senior7y más del 95% de los atletas masculinos universitarios8. En otro estudio de atletas universitarias femeninas, el 60% de los participantes tenían evidencia radiográfica de cam FAIS, y el 30% tenía evidencia de DDH9.
Los estudios que demuestran una alta prevalencia de deformidades entre individuos sin dolor de cadera apuntan a la posibilidad de que la morfología comúnmente asociada con FAIS y DDH pueda ser una variante natural que solo se vuelve sintomática bajo ciertas condiciones. Sin embargo, la interacción entre la anatomía de la cadera y la biomecánica de la cadera no se entiende bien. En particular, existen dificultades conocidas para medir el movimiento de la articulación de la cadera utilizando la tecnología tradicional de captura de movimiento óptico. En primer lugar, la articulación es relativamente profunda dentro del cuerpo, de modo que la ubicación del centro de la articulación de la cadera es difícil de identificar y rastrear dinámicamente utilizando la captura de movimiento del marcador óptico de la piel, con errores en el mismo orden de magnitud que el radio de la cabeza femoral10,11. En segundo lugar, la articulación de la cadera está rodeada de un gran volumen de tejido blando, incluida la grasa subcutánea y el músculo, que se mueve en relación con el hueso subyacente, lo que resulta en un artefacto de tejido blando12,13,14. Finalmente, utilizando el seguimiento óptico de los marcadores de la piel, la cinemática se evalúa en relación con la anatomía generalizada y, por lo tanto, no proporciona información sobre cómo las diferencias morfológicas sutiles podrían afectar la biomecánica de la articulación.
Para abordar la falta de cinemática precisa en combinación con la morfología ósea específica del sujeto, se han desarrollado sistemas de fluoroscopia simple y doble para analizar otros sistemas articulares naturales15,16,17. Sin embargo, esta tecnología se ha aplicado recientemente a la articulación nativa de la cadera, probablemente debido a la dificultad para adquirir imágenes de alta calidad a través del tejido blando que rodea la cadera. La metodología para medir con precisión el movimiento in vivo de la articulación de la cadera y mostrar este movimiento en relación con la anatomía ósea específica del sujeto se describe aquí. La artrocinamática resultante proporciona una capacidad incomparable para investigar la interacción sutil entre la morfología ósea y la biomecánica.
Aquí, se han descrito los procedimientos para adquirir y procesar imágenes de fluoroscopia dual de la cadera durante las actividades de la vida diaria. Debido al deseo de capturar cinemática de todo el cuerpo con seguimiento de marcadores ópticos simultáneamente con imágenes de fluoroscopia dual, el protocolo de recopilación de datos requiere coordinación entre varias fuentes de datos. La calibración del sistema de fluoroscopia dual utiliza estructuras de plexiglás implantadas con perlas metálicas que se pueden identificar directamente y rastrear como marcadores. Por el contrario, el movimiento óseo dinámico se rastrea utilizando el seguimiento sin marcadores, que utiliza solo la densidad radiográfica basada en TC de los huesos para definir la orientación. El movimiento dinámico se rastrea simultáneamente utilizando fluoroscopia dual y datos de captura de movimiento que se sincronizan espacial y temporalmente.
Los sistemas se sincronizan espacialmente durante la calibración a través de imágenes simultáneas de un cubo con marcadores reflectantes y cuentas metálicas implantadas y la generación de un sistema de coordenadas común. Los sistemas se sincronizan temporalmente para cada actividad o captura mediante el uso de un disparador electrónico dividido, que envía una señal para finalizar la grabación de las cámaras de fluoroscopia dual e interrumpe una entrada constante de 5 V al sistema de captura de movimiento. Este protocolo coordinado permite cuantificar la posición de los segmentos corporales que caen fuera del campo de visión combinado del sistema de fluoroscopia dual, la expresión de los resultados cinemáticos en relación con los eventos normalizados de la marcha y la caracterización de la deformación de los tejidos blandos alrededor del fémur y la pelvis.

<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

Varias patologías de cadera se han atribuido a una morfología anormal con una suposición subyacente de biomecánica aberrante. Sin embargo, las relaciones estructura-función a nivel articular siguen siendo difíciles de cuantificar debido a las dificultades para medir con precisión el movimiento dinámico de las articulaciones. Los errores de artefactos de tejidos blandos inherentes a la captura de movimiento de marcadores ópticos de la piel se ven exacerbados por la profundidad de la articulación de la cadera dentro del cuerpo y la gran masa de tejido blando que rodea la articulación. Por lo tanto, la compleja relación entre la forma ósea y la cinemática de la articulación de la cadera es más difícil de estudiar con precisión que en otras articulaciones. Aquí, se presenta un protocolo que incorpora artrografía por tomografía computarizada (TC), reconstrucción tridimensional (3D) de imágenes volumétricas, fluoroscopia dual y captura de movimiento óptica para medir con precisión el movimiento dinámico de la articulación de la cadera. Se resumen los estudios técnicos y clínicos que han aplicado la fluoroscopia dual para estudiar las relaciones forma-función de la cadera utilizando este protocolo, y se describen los pasos específicos y las consideraciones futuras para la adquisición, el procesamiento y el análisis de datos.

Utilizando la fluoroscopia dual como estándar de referencia, se cuantificó la precisión de las estimaciones basadas en marcadores cutáneos del centro de la articulación de la cadera y el efecto del artefacto de tejidos blandos en las mediciones cinemáticas y cinéticas22,23,24. La precisión superior de la fluoroscopia dual se utilizó para identificar diferencias sutiles en la cinemática de las articulaciones pélvicas y...

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

La fluoroscopia dual captura con precisión el movimiento dinámico in vivo de las articulaciones humanas, que se puede visualizar en relación con la anatomía reconstruida (por ejemplo, artroquina). Aquí, se presenta un protocolo detallado para cuantificar la artroquina de cadera durante las actividades de soporte de peso de la vida diaria, incluida la integración de la fluoroscopia dual con la captura de movimiento tradicional de marcadores de piel.

In vivo Cuantificación de la artrocinamática de cadera durante las actividades dinámicas de soporte de peso mediante fluoroscopia dual

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

Este protocolo combina la medición de la cinemática de cadera in vivo con la captura de movimiento de todo el cuerpo para perder el estado del papel de la biomecánica en la degeneración de cadera. En comparación con los métodos tradicionales de seguimiento del movimiento de la cadera, la fluoroscopia dual ha mejorado la precisión, lo que permite investigar la relación sutil entre la forma de la cadera y los patrones de movimiento. Para las actividades de pivote, haga que el participante gire o traduzca sus pies de tal manera que la pelvis esté mirando hacia adelante en la cinta de correr.Y la cadera de interés está en el medio del campo de visión combinado en los fluoroscopios al final del pivote. Una vez que se optimice la posición, haga que el participante realice el pivote durante la ecografía de fluoroscopia dual. Y guarde todos los fotogramas donde el fémur y la pelvis son visibles en ambas vistas de la cámara de fluoroscopia.Capturar la mayor cantidad posible del pivote. En los ejercicios de caminata, informe al participante antes de comenzar el cinturón de la cinta de correr. Aumente la velocidad de la cinta de correr hasta la velocidad de marcha adecuada.Y dejar que los participantes anden normalizados antes de recoger imágenes. Para la actividad de caminar inclinado, haga que los participantes se bajan de la cinta de correr. Desbloquee la cinta de correr, establezca la inclinación a cinco grados y reinicie la cinta de correr.Antes de que el participante vuelva a subirse a la cinta de correr para realizar la actividad. Para la actividad de aducción de abducción, haga que el participante se pare en el campo de visión de los fluoroscopios. Y levanta la pierna de interés aproximadamente 45 grados hacia arriba y hacia un lado sin mover el torso.Para la actividad dinámica del centro de la articulación de la cadera o del arco estelar, haga que el participante se pare en el campo de visión del sistema de fluoroscopia dual y eleve, y luego baje la pierna anteriormente a incrementos de 45 grados hasta 180 grados. Antes de volver a colocar la pierna en el suelo, haga que el participante circunduzca su pierna y vuelva a una posición de pie. Para la colocación del marcador, aplique pegamento en aerosol en el lado de la piel de la correa de tela de cada una de las cinco placas de marcador.Y envuélvelos firmemente alrededor del participante. Verifique con un participante que las correas se sientan apretadas, pero no sean incómodas. Luego coloque las placas de marcador en las tiras de tela.Después de limpiar las manos para eliminar cualquier exceso de pegamento en aerosol y ponerse guantes para proteger los marcadores, aplique los cinco marcadores utilizados solo para la calibración de las rodillas mediales de la clavícula y el maleolar medial. A continuación, aplique los 16 marcadores para el seguimiento de las espinas ilíacas superiores, las espinas ilíacas superiores posteriores, el trocánter mayor del fémur que se está fotografiado, los hombros, el esternón, las rodillas laterales, el malleolar lateral y los pies. Para la identificación de puntos de referencia del sistema de coordenadas, abra el fémur proximal como un archivo de modelo y luego abra la barra de herramientas de poste y el panel de datos para agregar un campo estándar de curvatura de primer principio.Seleccione una suavidad de 10 y haga clic en aplicar. A continuación, seleccione las caras de la cabeza femoral. En el panel de edición, haga clic en seleccionar rango para incluir solo la curvatura negativa.Determine el centro de la cabeza femoral utilizando esta herramienta de ajuste de esfera de la herramienta de medición. Exporte esta superficie de la cabeza femoral como una malla superficial en formato k. Del mismo modo, aplique la curvatura del primer principio al fémur distal con una cuchara esta de cinco.Haga clic en seleccionar rango de nuevo para incluir sólo las caras con curvatura negativa. Exporte esta superficie del cóndilo femoral para un ajuste de cilindro para determinar el eje lateral medial. A continuación, aplique la curvatura del segundo principio al fémur distal utilizando una suavidad de tres.Resalte las crestas del epicóndilo y haga clic en seleccionar rango. Aplicando un corte superior de 0,1 negativo. Exporte estas caras para generar un plano y úselo para aislar las caras del cóndilo posterior para el ajuste del cilindro.Para el seguimiento sin marcadores, seleccione un marco dentro del rango deseado con una buena visualización del hueso. Y orientar manualmente la radiografía reconstruida digitalmente del hueso de interés basada en TC utilizando los seis grados de libertad disponibles en el software. Una vez que la radiografía del hueso reconstruida digitalmente aparezca bien alineada en ambas vistas, guarde la solución haciendo clic en el botón manual del panel de soluciones.A continuación, en el panel de soluciones, haga clic en el botón DHS para aplicar el paso de optimización de búsqueda de hession diagonal y revisar el resultado. Si se prefiere el resultado optimizado, pase al siguiente fotograma, de lo contrario realice los ajustes necesarios y vuelva a guardar haciendo clic en el botón manual dentro del panel de soluciones. Para completar la primera pasada de seguimiento, utilice el botón de rango de LP más DHS dentro del panel de soluciones.En la ventana, introduzca el conjunto de fotogramas que se realizarán de seguimiento y los dos fotogramas que se utilizarán como referencia. Revise y refine cada fotograma de la prueba utilizando soluciones manuales y basadas en DHS. Utilice la gráfica de parámetros para asegurarse de que el coeficiente de correlación es lo suficientemente alto y que la orientación del hueso no tiene saltos repentinos en ningún parámetro.Para visualizar el movimiento, abra las superficies del fémur y la pelvis en el software para la visualización cinemática. Si es necesario utilizando la función de conversión a malla, convierta las superficies en mallas. Seleccione ambas superficies y expórtela como malla de superficie en formato k.Utilizando la salida del seguimiento, genere un archivo de texto con las transformaciones de coordenadas para cada hueso y marco. A continuación, con la herramienta cinemática y la malla de superficie y los archivos de texto generados anteriormente, anime la cinemática. Usando una superficie semitransparente, verifique que la cinemática animada se vea razonable.Alternativamente, utilizando la herramienta de distancia de superficie, ejecute la cinemática animada y verifique que las superficies tengan una distancia adecuada entre ellas. La cinemática para 100 fotogramas que rodean la rotación máxima de los pivotes de rotación externos e internos para un participante representativo se muestra aquí. Esta figura muestra la medición de la distancia superficial entre un hemi pelvis izquierda y el fémur.A la rotación máxima de la rotación externa e interna pivote con respecto a los modelos óseos que utilizan fluoroscopia dual. La atención al detalle es importante para un seguimiento preciso de la artroquinamática. Es crucial que cada paso de la recopilación y el procesamiento de datos se realice con intención.

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

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