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

Denna forskning stöddes av National Institutes of Health (NIH) under bidragsnummer S10 RR026565, R21 AR063844, F32 AR067075, R01 R077636, R56 AR074416, R01 GM083925. Innehållet är enbart författarnas ansvar och representerar inte nödvändigtvis NIH: s officiella åsikter.

Förfaranden som beskrivs i detta protokoll godkändes av University of Utah Institutional Review Board.
1. CT arthrogram imaging
<ol><li>Arthrogram18<ol>
<li>Schemalägg en utbildad muskuloskeletal radiolog för att utföra artrogrammet direkt före den schemalagda CT-avbildningen.</li>
		<li>Placera deltagaren på bordet med höften av intresse för synfältet för ett kliniskt fluoroskop. Placera sandsäckar på vardera sidan av fotleden för att förhindra rotatio...

Dubbel fluoroskopi är ett kraftfullt verktyg för undersökning av in vivo kinematik, särskilt för höften, vilket är svårt att exakt mäta med traditionell optisk rörelsefångst. Fluoroskopiutrustning är dock specialiserad, där en unik systeminställning kan krävas vid avbildning av andra leder i människokroppen. Till exempel gjordes flera ändringar i monteringen av bildförstärkarna, positionering av systemet och inställningar av strålenergin vid applicering av dubbel fluoroskopi vid studier av f...

Antalet totala höftledarplastik (THA) förfaranden utförs på vuxna i åldern 45-64 år lider av hip artros (OA) mer än fördubblades mellan 2000 och 20101. På grundval av de ökade THA-förfarandena från 2000 till 2014 förutspådde en nyligen genomförd studie att det totala antalet årliga förfaranden kan tredubblas under de kommande tjugo åren2. Dessa stora ökningar av THA-förfaranden är alarmerande med tanke på att nuvarande behandlingskostnader överstiger $ 18 miljarder årligen bara i USA3.
Utvecklingsdysplasi av höften (DDH) och femoroacetabular impingement syndrom (FAIS), som beskriver en under- respektive överbegränsad höft, tros vara den primära etiologin av hip OA4. Den höga prevalensen av dessa strukturella höft missbildningar hos individer som genomgår THA beskrevs ursprungligen mer än tre decennier sedan5. Ändå är förhållandet mellan onormal höftanatomi och artros inte väl förstått. En utmaning för att förbättra arbetsförståelse av deformiteternas roll i utvecklingen av hip OA är att onormal höftmorfologi är mycket vanligt bland asymtomatiska vuxna. Särskilt studier har observerat morfologi i samband med cam-typ FAIS i cirka 35% av den allmännabefolkningen 6,83% av senioridrottare7, och mer än 95% av kollegiala manliga idrottare8. I en annan studie av kvinnliga kollegiala idrottare hade 60% av deltagarna radiografi bevis på cam FAIS, och 30% hade bevis på DDH9.
Studier som visar en hög prevalens av missbildningar bland individer utan höftsmärta pekar på möjligheten att morfologi som ofta förknippas med FAIS och DDH kan vara en naturlig variant som bara blir symptomatisk under vissa förhållanden. Interaktionen mellan höftanatomi och höftbiomekanik är dock inte väl förstådd. Det finns särskilt kända svårigheter med att mäta höftledsrörelse med traditionell optisk rörelsefångstteknik. För det första är leden relativt djup inuti kroppen, så att placeringen av höftledscentret är svår att både identifiera och spåra dynamiskt med hjälp av optisk hudmarkörrörelsefångst, med fel i samma storleksordning som lårbenshuvudetsradie 10,11. För det andra är höftleden omgiven av stor mjukvävnad bulk, inklusive subkutant fett och muskler, som rör sig i förhållande till det underliggande benet, vilket resulterar imjukvävnad artefakt 12,13,14. Slutligen, med hjälp av optisk spårning av hudmarkörer, utvärderas kinematik i förhållande till generaliserad anatomi och ger därför inte insikt i hur subtila morfologiska skillnader kan påverka ledens biomekanik.
För att ta itu med bristen på korrekt kinematik i kombination med ämnesspecifik benmorfologi har både enkla och dubbla fluoroskopisystem utvecklats för att analysera andra naturliga ledsystem15,16,17. Denna teknik har dock först nyligen tillämpats på den inhemska höftleden, sannolikt på grund av svårigheten att förvärva högkvalitativa bilder genom mjukvävnaden som omger höften. Metoden för att noggrant mäta in vivo hip gemensamma rörelse och visa denna rörelse i förhållande till ämnesspecifika ben anatomi beskrivs häri. Den resulterande arthrokinematics ger en oöverträffad förmåga att undersöka det subtila samspelet mellan benmorfologi och biomekanik.
Häri har förfarandena för att förvärva och bearbeta dubbla fluoroskopi bilder av höften under aktiviteter i det dagliga livet beskrivits. På grund av önskan att fånga helkropps kinematik med optisk markörspårning samtidigt med dubbla fluoroskopibilder kräver datainsamlingsprotokollet samordning mellan flera datakällor. Kalibrering av det dubbla fluoroskopisystemet använder plexiglasstrukturer implanterade med metallpärlor som direkt kan identifieras och spåras som markörer. Däremot spåras dynamisk benrörelse med hjälp av markörlös spårning, som endast använder den CT-baserade radiografitätheten hos benen för att definiera orientering. Dynamisk rörelse spåras sedan samtidigt med dubbla fluoroskopi- och rörelsefångsdata som synkroniseras rumsligt och tidsmässigt.
Systemen synkroniseras rumsligt under kalibreringen genom samtidig avbildning av en kub med både reflekterande markörer och implanterade metallpärlor och generering av ett gemensamt koordinatsystem. Systemen synkroniseras tidsmässigt för varje aktivitet eller fångas genom användning av en delad elektronisk utlösare, vilket skickar en signal för att avsluta inspelningen av de dubbla fluoroskopikamerorna och avbryter en konstant 5 V-ingång till rörelsefångssystemet. Detta samordnade protokoll möjliggör kvantifiering av positionen för kroppssegment som faller utanför det kombinerade synfältet för det dubbla fluoroskopisystemet, uttryck för kinematiska resultat i förhållande till gångnormaliserade händelser och karakterisering av mjukvävnadsdeformationen runt lårbenet och bäckenet.

<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

Flera hip patologier har tillskrivits onormal morfologi med ett underliggande antagande av avvikande biomekanik. Struktur-funktion relationer på gemensamma nivå är dock fortfarande utmanande att kvantifiera på grund av svårigheter att noggrant mäta dynamiska gemensamma rörelse. Mjukvävnadsartefaktfelen som är inneboende i optisk hudmarkör rörelsefångst förvärras av djupet av höftleden i kroppen och den stora massan av mjukvävnad som omger leden. Således är det komplexa förhållandet mellan benform och höftledskinematik svårare att studera exakt än i andra leder. Häri presenteras ett protokoll som innehåller datortomografi (CT) arthrography, tredimensionell (3D) återuppbyggnad av volymetriska bilder, dubbla fluoroskopi och optisk rörelse fånga för att exakt mäta den dynamiska rörelsen i höftleden. De tekniska och kliniska studier som har tillämpat dubbel fluoroskopi för att studera höftens formfunktionsrelationer med hjälp av detta protokoll sammanfattas, och de specifika stegen och framtida övervägandena för datainsamling, bearbetning och analys beskrivs.

Med dubbla fluoroskopi som referensstandard kvantifierades noggrannheten hos hudmarkörbaserade uppskattningar av höftledens centrum och effekten av mjukvävnadsartefakt på kinematiska och kinetiskamätningar 22,23,24. Den överlägsna noggrannheten hos dubbel fluoroskopi användes sedan för att identifiera subtila skillnader i bäcken- och höftledskinematik mellan patienter med FAIS och asymtomatiska kontrolldeltagare<sup c...

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

Dubbel fluoroskopi fångar noggrant in vivo dynamisk rörelse av mänskliga leder, som kan visualiseras i förhållande till rekonstruerad anatomi (t.ex. arthrokinematik). Häri presenteras ett detaljerat protokoll för att kvantifiera hip arthrokinematics under viktbärande aktiviteter i det dagliga livet, inklusive integration av dubbel fluoroskopi med traditionell hudmarkör rörelsefångst.

In Vivo Kvantifiering av höftartrokinematics under dynamiska viktbärande aktiviteter med dubbla fluoroskopi

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

Detta protokoll kombinerar mätning av in vivo hip kinematik med hela kroppen rörelse fånga för att förlora staten rollen av biomekanik i hip degeneration. I jämförelse med traditionella metoder för att spåra höftrörelse har dubbel fluoroskopi förbättrat noggrannheten vilket möjliggör undersökning av det subtila förhållandet mellan höftform och rörelsemönster. För pivotaktiviteterna, få deltagaren att rotera eller översätta fötterna så att bäckenet är vänd framåt på löpbandet.Och intressets höft är i mitten av det kombinerade synfältet på fluoroskopen i slutet av pivoten. När positionen är optimerad, se till att deltagaren utför pivoten under dubbel fluoroskopiavbildning. Och spara alla ramar där lårbenet och bäckenet är synliga i både fluoroskopi kameravyer.Fånga så mycket av pivoten som möjligt. Informera deltagaren om gångövningar innan löpbandsbältet startas. Rampa löpbandets hastighet upp till lämplig gånghastighet.Och låt deltagarna gå normaliserade innan de samlar in bilder. För den lutande gångaktiviteten, få deltagarna att kliva av löpbandet. Lås upp löpbandet, ställ in lutningen på fem grader och starta om löpbandet.Innan deltagaren kliver tillbaka till löpbandet för att utföra aktiviteten. För bortförandet adduction aktivitet, ha deltagaren stå i området för att se fluoroskopen. Och höj benet av intresse ungefär 45 grader upp och ut till sidan utan att flytta bålen.För den dynamiska höftledscentret eller stjärnbågeaktiviteten, låt deltagaren stå i synfältet på det dubbla fluoroskopisystemet och höja och sänk sedan benet främre vid 45 graders steg upp till 180 grader. Innan du lägger tillbaka benet på marken, se till att deltagaren omskär benet och återgår till stående ställning. För markörplacering applicera spraylim på hudsidan av tygremmen på var och en av fem markörplattor.Och linda dem tätt runt deltagaren. Kontrollera med en deltagare att remmarna känns täta, men inte obekväma. Placera sedan markörplattorna på tygremsorna.Efter rengöring av händerna för att ta bort överflödigt spraylim och sätta på handskar för att skydda markörerna applicera de fem markörer som endast används för kalibrering på nyckelbenet mediala knän och mediala malleolar. Applicera sedan de 16 markörerna för spårning på de överlägsna iliaca ryggraderna, bakre överlägsna iliaca ryggrader, större trochanter av lårbenet som avbildas, axlar, bröstben, laterala knän, laterala malleolar och fötter. För landmärkeidentifiering av koordinatsystemet öppnar du det proximala lårbenet som en modellfil och öppnade sedan postverktygsfältet och datapanelen för att lägga till ett standardfält med första principkrökning.Välj en jämnhet på 10 och klicka på Använd. Välj sedan lårbenshuvudets ansikten. Klicka på välj område på redigeringspanelen om du bara vill inkludera negativ krökning.Bestäm mitten av lårbenshuvudet med hjälp av det här sfärpassningsverktyget från mätverktyget. Exportera denna lårbenshuvudyta som ytnät i k-format. Applicera på samma sätt första principkrökning på det distala lårbenet med en sked denna av fem.Klicka på välj intervall igen om du bara vill inkludera ytorna med negativ krökning. Exportera denna femorala kondyle yta för en cylinder passform för att bestämma den mediala laterala axeln. Applicera sedan andra principkrökning på det distala lårbenet med en jämnhet på tre.Markera epicondyles åsar och klicka på välj intervall. Applicering av en övre cutoff på minus 0,1. Exportera dessa ansikten för att generera ett plan och använd det för att isolera ytorna på den bakre condyle för cylinderpassning.För markörlös spårning väljer du en ram inom önskat område med god visualisering av benet. Och manuellt orientera CT-baserade digitalt rekonstruerade röntgenundersökningar av benet av intresse med hjälp av de sex frihetsgrader som finns tillgängliga i programvaran. När den digitalt rekonstruerade röntgenbilden av benet verkar väl justerad i båda vyerna sparar du lösningen genom att klicka på den manuella knappen från lösningspanelen.Klicka på DHS-knappen bredvid lösningspanelen för att tillämpa det diagonala optimeringssteget för hessionsökning och granska resultatet. Om det optimerade resultatet är att föredra går du vidare till nästa ram, annars gör du nödvändiga justeringar och gör om genom att klicka på den manuella knappen på lösningspanelen. För att slutföra det första spårningspasset, använd intervallet för LP plus DHS-knappen på lösningspanelen.I fönstret anger du den uppsättning ramar som ska spåras och de två bildrutor som ska användas som referens. Granska och förfina varje bildruta i försöket med både manuella och DHS-baserade lösningar. Använd parameterdiagrammet för att säkerställa att korrelationskoefficienten är tillräckligt hög och att benets orientering inte har plötsliga hopp i någon parameter.För att visualisera rörelsen, öppna lårbens- och bäckenytorna i programvaran för kinematisk visualisering. Om det behövs med hjälp av funktionen konvertera till nät, konvertera ytorna till maskor. Välj båda ytorna och exportera som ytnät i k-format.Använd utdata från spårning och generera en textfil med koordinatomvandlingarna för varje ben och ram. Använd sedan det kinematiska verktyget och ytnätet och textfilerna som genererades tidigare animerar kinematiken. Använd en halvgenomskinlig yta och kontrollera att den animerade kinematiken ser rimlig ut.Alternativt använder du ytavståndsverktyget, kör den animerade kinematiken och verifiera att ytorna har ett lämpligt avstånd mellan dem. Kinematik för 100 bildrutor som omger maximal rotation av externa och interna rotations pivoter för en representativ deltagare visas här. Denna siffra visar mätningen av ytavståndet mellan ett vänster hemi bäcken och lårben.Vid maximal rotation av den yttre och inre rotations pivoten med avseende på benmodeller med dubbla fluoroskopi. Uppmärksamhet på detaljer är viktigt för noggrann spårning av arthrokinematics. Det är viktigt att varje steg i datainsamlingen och behandlingen görs med avsikt.

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

In vivo Dual Substrat 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 MRI för 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

Sekventiell<em&gt; In vivo</em&gt; Imaging av Osteogena Stem / progenitorceller Under Fracture 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

Icke-genomlysning Kateter Tracking för genomlysning Minskning av interventionell Elektro

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

Utarmning av musceller från humana tumörxenotransplantat avsevärt förbättrar Nedströms analys av målceller

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

In Vivo Utvärdering av fraktur förhårdnader utveckling under läkning hos möss med en MRI-kompatibel osteosyntes enhet för mus lårbenet

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

Individualiserad Stem-positionering i kort-stammen Calcar-guidad Total höftartroplastik

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

Förbättrad registrering av 3D CT angiografi med röntgen fluoroskopi för Image Fusion under Transcatheter aortaklaffen Implantation

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-musmodell av total intravenös anestesi under cancerresektionskirurgi

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

Användningen av mixad verklighet i skräddarsydd revision höftartroplastik: En första fallrapport

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