Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hiệu suất sai số của hệ thống fluoroscopic hai mặt dựa trên mô hình trong việc theo dõi khớp gối nhân tạo trong nhiệm vụ đi bộ trên máy chạy bộ
Tóm tắt
Kỹ thuật phân tích hình ảnh Röntgen cho phép đo chính xác vị trí và hướng của khớp gối nhân tạo bằng cách sử dụng hai hình ảnh X-quang. Mặc dù công nghệ này thường được sử dụng trong quy trình tĩnh, nhưng có thể sử dụng nó với hệ thống fluoroscopic hai mặt để đo động học của khớp nhân tạo trong các nhiệm vụ chức năng (ví dụ: đi bộ, ngồi xổm, nhảy) thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống về sai số cho các phép đo và thuật toán khớp dựa trên mô hình vẫn chưa được biết đến tốt đối với các nhiệm vụ động như đi bộ. Mục tiêu của nghiên cứu này là ước tính sai số tĩnh và động của hệ thống fluoroscopic hai mặt dựa trên mô hình cho nhiệm vụ đi bộ trên máy chạy bộ và phân tích hiệu suất sai số theo tốc độ và vị trí của khớp gối nhân tạo so với nguồn X-quang. Kết quả cho thấy sai số tối đa tĩnh (RMSE) là 0.13° cho hướng và 0.06 mm cho vị trí của các thành phần khớp giả. Sai số động thì khác nhau cho mỗi trục của hệ thống thu thập và từng thành phần khớp. Sai số động lớn nhất là theo trục thẳng đứng cho vị trí (RMSE = 2.42 mm) và theo trục giữa bên (vuông góc với chuyển động) cho hướng (RMSE = 0.95°). Như dự đoán, sai số phụ thuộc vào khoảng cách giữa khớp giả và nguồn trong hệ thống thu thập cũng như vận tốc tuyến tính và góc của chuyển động. Đo lường động học chính xác nhất được thực hiện xung quanh trọng tâm của hệ thống thu thập, trong khi việc đo động học gần các cảm biến X-quang cho sai số tồi tệ nhất.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Acker S, Li R, Murray H, John PS, Banks S, Mu S, Wyss U, Deluzio K (2011) Accuracy of single-plane fluoroscopy in determining relative position and orientation of total knee replacement components. J Biomech 44:784–787. doi:10.1016/j.jbiomech.2010.10.033
Akbarshahi M, Schache AG, Fernandez JW, Baker R, Banks S, Pandy MG (2010) Non-invasive assessment of soft-tissue artifact and its effect on knee joint kinematics during functional activity. J Biomech 43:1292–1301. doi:10.1016/j.jbiomech.2010.01.002
Anderst W, Zauel R, Bishop J, Demps E, Tashman S (2009) Validation of three-dimensional model-based tibio-femoral tracking during running. Med Eng Phys 31:10–16. doi:10.1016/j.medengphy.2008.03.003
Banks SA, Hodge WA (1996) Accurate measurement of three-dimensional knee replacement kinematics using single-plane fluoroscopy. IEEE Trans Biomed Eng 43:638–649. doi:10.1109/10.495283
Barre A, Thiran JP, Jolles BM, Theumann N, Aminian K (2013) Soft tissue artifact assessment during treadmill walking in subjects with total knee arthroplasty. IEEE Trans Biomed Eng 60:3131–3140. doi:10.1109/TBME.2013.2268938
Bing L, Acton ST (2007) Active contour external force using vector field convolution for image segmentation. IEEE Trans Image Process 16:2096–2106. doi:10.1109/TIP.2007.899601
Bingham J, Li G (2006) An optimized image matching method for determining in vivo TKA kinematics with a dual-orthogonal fluoroscopic imaging system. J Biomech Eng 128:588–595. doi:10.1115/1.2205865
Cappozzo A, Cappello A, Della Croce U, Pensalfini F (1997) Surface-marker cluster design criteria for 3-D bone movement reconstruction. IEEE Trans Biomed Eng 44:1165–1174. doi:10.1109/10.649988
Carr AJ, Robertsson O, Graves S, Price AJ, Arden NK, Judge A, Beard DJ (2012) Knee replacement. Lancet 379:1331–1340. doi:10.1016/S0140-6736(11)60752-6
Garling EH, Kaptein BL, Geleijns K, Nelissen RG, Valstar ER (2005) Marker configuration model-based roentgen fluoroscopic analysis. J Biomech 38:893–901. doi:10.1016/j.jbiomech.2004.04.026
Giphart JE, Zirker CA, Myers CA, Pennington WW, LaPrade RF (2012) Accuracy of a contour-based biplane fluoroscopy technique for tracking knee joint kinematics of different speeds. J Biomech 45:2935–2938. doi:10.1016/j.jbiomech.2012.08.045
Grood ES, Suntay WJ (1983) A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng 105:136–144
Horn BKP (1987) Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J Opt Soc Am A 4:629–642
Hsu C-P, Lin S-C, Shih K-S, Huang C-H, Lee C-H (2014) Predicting 3D pose in partially overlapped X-ray images of knee prostheses using model-based Roentgen stereophotogrammetric analysis (RSA). Med Biol Eng Comput 52:1061–1071. doi:10.1007/s11517-014-1206-2
Hurschler C, Seehaus F, Emmerich J, Kaptein BL, Windhagen H (2008) Accuracy of model-based RSA contour reduction in a typical clinical application. Clin Orthop Relat Res 466:1978–1986. doi:10.1007/s11999-008-0287-3
Iaquinto JM, Tsai R, Haynor DR, Fassbind MJ, Sangeorzan BJ, Ledoux WR (2014) Marker-based validation of a biplane fluoroscopy system for quantifying foot kinematics. Med Eng Phys 36:391–396. doi:10.1016/j.medengphy.2013.08.013
Kaptein BL, Valstar ER, Stoel BC, Rozing PM, Reiber JH (2004) Evaluation of three pose estimation algorithms for model-based roentgen stereophotogrammetric analysis. Proc Inst Mech Eng H 218:231–238
Komistek RD, Dennis DA, Mahfouz M (2003) In vivo fluoroscopic analysis of the normal human knee. Clin Orthop Relat Res. doi:10.1097/01.blo.0000062384.79828.3b
Lebel BP, Pineau V, Gouzy SL, Geais L, Parienti JJ, Dutheil JJ, Vielpeau CH (2011) Total knee arthroplasty three-dimensional kinematic estimation prevision. From a two-dimensional fluoroscopy acquired dynamic model. Orthop Traumatol Surg Res 97:111–120. doi:10.1016/j.otsr.2011.01.003
Lee J, Shin SY (2002) General construction of time-domain filters for orientation data. IEEE Trans Vis Comput Graph 8:119–128
Li G, Van de Velde SK, Bingham JT (2008) Validation of a non-invasive fluoroscopic imaging technique for the measurement of dynamic knee joint motion. J Biomech 41:1616–1622. doi:10.1016/j.jbiomech.2008.01.034
Li G, Kozanek M, Hosseini A, Liu F, Van de Velde SK, Rubash HE (2009) New fluoroscopic imaging technique for investigation of 6DOF knee kinematics during treadmill gait. J Orthop Surg Res 4:6. doi:10.1186/1749-799X-4-6
Mahfouz MR, Hoff WA, Komistek RD, Dennis DA (2003) A robust method for registration of three-dimensional knee implant models to two-dimensional fluoroscopy images. IEEE Trans Med Imaging 22:1561–1574. doi:10.1109/TMI.2003.820027
Miranda DL, Schwartz JB, Loomis AC, Brainerd EL, Fleming BC, Crisco JJ (2011) Static and dynamic error of a biplanar videoradiography system using marker-based and markerless tracking techniques. J Biomech Eng 133:121002. doi:10.1115/1.4005471
Selvik G (1989) Roentgen stereophotogrammetry. A method for the study of the kinematics of the skeletal system. Acta Orthop Scand Suppl 232:1–51
Stagni R, Fantozzi S, Cappello A, Leardini A (2005) Quantification of soft tissue artefact in motion analysis by combining 3D fluoroscopy and stereophotogrammetry: a study on two subjects. Clin Biomech 20:320–329. doi:10.1016/j.clinbiomech.2004.11.012
Tarroni G, Tersi L, Corsi C, Stagni R (2012) Prosthetic component segmentation with blur compensation: a fast method for 3D fluoroscopy. Med Biol Eng Compu 50:631–640. doi:10.1007/s11517-012-0884-x
Tersi L, Barré A, Fantozzi S, Stagni R (2013) In vitro quantification of the performance of model-based mono-planar and bi-planar fluoroscopy for 3D joint kinematics estimation. Med Biol Eng Comput 51:257–265. doi:10.1007/s11517-012-0987-4
Trozzi C, Kaptein BL, Garling EH, Shelyakova T, Russo A, Bragonzoni L, Martelli S (2008) Precision assessment of model-based RSA for a total knee prosthesis in a biplanar set-up. Knee 15:396–402. doi:10.1016/j.knee.2008.05.001
Tsai TY, Lu TW, Kuo MY, Hsu HC (2009) Quantification of three-dimensional movement of skin markers relative to the underlying bones during functional activities. Biomed Eng Appl Basis Commun 21:223–232
Walther BA, Moore JL (2005) The concepts of bias, precision and accuracy, and their use in testing the performance of species richness estimators, with a literature review of estimator performance. Ecography 28:815–829. doi:10.1111/j.2005.0906-7590.04112.x
Weinstein AM, Rome BN, Reichmann WM, Collins JE, Burbine SA, Thornhill TS, Wright J, Katz JN, Losina E (2013) Estimating the burden of total knee replacement in the United States. J Bone Joint Surg Am 95:385–392. doi:10.2106/JBJS.L.00206
Zihlmann MS, Gerber H, Stacoff A, Burckhardt K, Szekely G, Stussi E (2006) Three-dimensional kinematics and kinetics of total knee arthroplasty during level walking using single plane video-fluoroscopy and force plates: a pilot study. Gait Posture 24:475–481. doi:10.1016/j.gaitpost.2005.12.012