Detection of Kinematic Changes Induced by Sequential Lateral Collateral Ankle Ligament Section: A 4DCT Study.

Jildert Apperloo
Detectie van Kinematische Veranderingen na Opeenvolgende Sectie van de Laterale Collaterale Ligamenten van de Enkel: Een 4DCT Studie.
Een onderzoek naar de invloed van ligamentair letsel op de bewegingen in het enkelgewricht met 4DCT.

De 4D-CT scan: De nieuwe hardloopanalyse?

Iedereen kent hem wel. Die sportieveling met zijn nieuwe hardloopschoenen. Zijn voeten laten opmeten, een hardloopanalyse laten uitvoeren en een drukopname laten maken speciaal voor die extra prestatie, maar vooral omdat die schoen perfect past bij zijn voet. 

Maar hoe zit dat nu eigenlijk? Waarom heeft de een meer steun nodig voor zijn voet dan de ander? Beweegt jouw voet dan anders dan die van je vriend of vriendin? En hoe zit het met mensen met een blessure? Stel dat onze hardloper zijn voet heeft omgeslagen en zijn enkelbanden heeft gescheurd, beweegt zijn voet nu dan anders dan voordat hij geblesseerd raakte? Op deze vraag werd geprobeerd een antwoord te geven door onderzoek te doen naar bewegingen in de enkel en voet.  

Achtergrondinformatie

Enkelverzwikkingen zijn de meest voorkomende sportblessures ter wereld. Hierbij scheurt vaak een of meer van de drie buitenste enkelbanden. Deze enkelbanden sturen normaliter de botten in een bepaalde richting wanneer de voet beweegt. Een letsel aan dit systeem zou dus van invloed kunnen zijn op de manier waarop onze gewrichten bewegen. Om deze gewrichtsbeweging goed te kunnen analyseren is het belangrijk dat we een zo realistisch mogelijk beeld krijgen van wat er gebeurt in onze voet. Hiervoor werd er gebruik gemaakt van de hypermoderne vierdimensionale gecomputeriseerde tomografie oftewel 4D-CT. Dit is een CT-scanner die met behulp van röntgenstralen een driedimensionaal model van een gescande voet kan maken. De vierde dimensie die er aan toegevoegd wordt, is de tijd, waardoor er een live-video ontstaat van een bewegende voet. Deze techniek is echter nog erg nieuw en de vraag was of deze techniek wel de capaciteiten had voor het uit te voeren onderzoek.   

Hoe beschrijven we beweging

Belangrijk om te weten is dat elke beweging van eender welk object opgedeeld kan worden in zes verschillende componenten. Zo zijn er drie rotaties (draaiingen) en drie translaties (verschuivingen) nodig om van positie A naar positie B te bewegen. Deze drie rotaties en translaties vinden plaats rond en langs drie assen. In Figuur 1 is te zien hoe deze assen tijdens het onderzoek gepositioneerd waren. Om beweging te beschrijven benoemen we dan de rotaties rond de X-, Y- en Z-as in graden en de translaties langs deze assen in millimeters.  

Figuur 1

Wat werd er onderzocht

Tijdens het onderzoek werden vier verschillende scenario’s onderzocht. Eerst werd een scan gemaakt van een voet zonder letsels aan de enkelbanden (Scenario 1). Vervolgens werden er scans gemaakt van bewegingen met één gescheurde (Scenario 2), twee gescheurde (Scenario 3) en drie gescheurde (Scenario 4) enkelbanden.

Via software werden alle 2D-scanbeelden verwerkt tot een bewegend 3D-beeld (4D-beeld) van de botten in de voet. Op basis van dit 4D-beeld werden de bewegingen in het enkelgewricht (bovenste spronggewricht) en het gewricht tussen het sprongbeen en het hielbeen (onderste spronggewricht) geanalyseerd tijdens een enkelverzwikking (Figuur 2).  

Figuur 2

Wat waren de resultaten

Uit deze analyses kwamen interessante resultaten naar boven. Zo bleek dat hoe uitgebreider het letsel van de enkelbanden, hoe groter het verschil in rotaties was in vergelijking met intacte enkelbanden. Dit geldt zowel voor het bovenste als het onderste spronggewricht. Voor de translaties bleek in grote lijnen hetzelfde, op een aantal uitzonderingen na. Dit betekent dus dat hoe ernstiger het letsel van de enkelbanden is, hoe meer de beweging zal verschillen van de beweging van een enkel met intacte enkelbanden.

Opvallend hierin is dat de verschillen zich al voordoen tijdens het bewegen en niet alleen aan het eind van de beweging. Dit is dus waar de 4D-CT-techniek zich onderscheidt van de rest. De standaard röntgenfoto, CT- en MRI-scan hebben allemaal één ding gemeen en dat is hun statische karakter. Ze zijn in staat een momentopname te creëren van een bepaald punt tijdens het bewegen, maar een dynamische opname behoort niet tot de mogelijkheden. Deze technieken zouden dus ook falen in het vaststellen van de verschillen die tijdens het huidige onderzoek wel werden vastgesteld.

Daarnaast blijkt ook dat de gebruikte methode goed te herhalen en betrouwbaar is. Het maximale verschil wat vastgesteld werd tussen de herhalingen was namelijk slechts 1.01° voor de rotatie en 0.66mm voor de translatie. Dit zijn verwaarloosbaar kleine afwijkingen, wat dus bijdraagt aan bruikbaarheid van de techniek in praktijk.

Een laatste knelpunt met röntgenstraling is het stralingsrisico dat dit met zich meebrengt. We weten uit onderzoek dat de jaarlijkse achtergrondstraling in Amerika 3 millisievert per jaar is. Dit is dus de dosis straling die je jaarlijks over je heen krijgt in Amerika zonder dat je daar iets voor moet doen. De dosis tijdens ons onderzoek was 0.005 millisievert per scan. Dit is slecht 0.1% van de jaarlijkse achtergrondstraling! Ook hier doet de 4D-CT dus niet onder aan andere beeldvormingstechnieken. 

De conclusie

Op basis van deze resultaten kunnen we de conclusie trekken dat enkelbandletsel weldegelijk van invloed is op de beweging van de enkelgewrichten. Ook blijkt de 4D-CT-techniek een betrouwbare techniek om deze beweging zeer nauwkeurig en over het gehele traject te analyseren. Deze informatie is voor de dagelijkse medische praktijk zeer belangrijk. Hiermee kunnen artsen, chirurgen, kinesisten en andere medische specialisten hun onderzoek en behandeling beter afstemmen op de problematiek. Dit kan in het beste geval leiden tot een beter en spoediger herstel. Helaas is deze techniek nog niet wijdverspreid beschikbaar en is er zeker nog meer onderzoek nodig naar de toepasbaarheid van deze techniek.  Onze hardloper zal het dus voorlopig nog even met de ouderwetse hardloopanalyse bij zijn plaatselijke schoenenverkoper moeten doen, maar verandering komt er zeker aan.

 

Bibliografie

1.        Hamdan A, Guetta V, Konen E, et al (2012) Deformation dynamics and mechanical properties of the aortic annulus by 4-dimensional computed tomography: Insights into the functional anatomy of the aortic valve complex and implications for transcatheter aortic valve therapy. J Am Coll Cardiol 59:119–127 . doi: 10.1016/j.jacc.2011.09.045

2.        Schievano S, Capelli C, Young C, et al (2011) Four-dimensional computed tomography: A method of assessing right ventricular outflow tract and pulmonary artery deformations throughout the cardiac cycle. Eur Radiol 21:36–45 . doi: 10.1007/s00330-010-1913-5

3.        Beland MD, Monchik JM (2012) 4d ct – a diagnostic tool to localize an occultParathyroid adenoma in a Patient With PrimaryHyperparathyroidism. Med Heal R I 1–2

4.        Tan K V., Thomas R, Hardcastle N, et al (2015) Predictors of respiratory-induced lung tumour motion measured on four-dimensional computed tomography. Clin Oncol 27:197–204 . doi: 10.1016/j.clon.2014.12.001

5.        Gondim Teixeira PA, Formery AS, Hossu G, et al (2017) Evidence-based recommendations for musculoskeletal kinematic 4D-CT studies using wide area-detector scanners: a phantom study with cadaveric correlation. Eur Radiol 27:437–446 . doi: 10.1007/s00330-016-4362-y

6.        Kerkhof FD, Brugman E, D’Agostino P, et al (2016) Quantifying thumb opposition kinematics using dynamic computed tomography. J Biomech 49:1994–1999 . doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.05.008

7.        Tay SC, Primak AN, Fletcher JG, et al (2007) Four-dimensional computed tomographic imaging in the wrist: Proof of feasibility in a cadaveric model. Skeletal Radiol 36:1163–1169 . doi: 10.1007/s00256-007-0374-7

8.        Teixeira PAG, Gervaise A, Louis M, et al (2015) Musculoskeletal Wide-Detector CT Kinematic Evaluation: From Motion to Image. Semin Musculoskelet Radiol 19:456–462 . doi: 10.1055/s-0035-1569257

9.        Garcia-Elias M, Alomar Serrallach X, Monill Serra J (2014) Dart-throwing motion in patients with scapholunate instability: a dynamic four-dimensional computed tomography study. J Hand Surg (European Vol 39:346–352 . doi: 10.1177/1753193413484630

10.      Demehri S, Hafezi-Nejad N, Morelli JN, et al (2016) Scapholunate kinematics of asymptomatic wrists in comparison with symptomatic contralateral wrists using four-dimensional CT examinations: initial clinical experience. Skeletal Radiol 45:437–446 . doi: 10.1007/s00256-015-2308-0

11.      Repse SE, Koulouris G, Troupis JM (2015) Wide field of view computed tomography and mid carpal instability: The value of the sagittal radius-lunate-capitate axis - Preliminary experience. Eur J Radiol 84:908–914 . doi: 10.1016/j.ejrad.2015.01.020

12.      Repse SE, Amis B, Troupis JM (2014) Four-dimensional computed tomography and detection of dynamic capitate subluxation. J Med Imaging Radiat Oncol 59:1–5 . doi: 10.1111/1754-9485.12260

13.      Demehri S, Wadhwa V, Thawait GK, et al (2014) Dynamic Evaluation of Pisotriquetral Instability Using 4-dimensional Computed Tomography. J Comput Assist Tomogr 38:507–512 . doi: 10.1097/RCT.0000000000000074

14.      Halpenny D, Courtney K, Torreggiani WC (2012) Dynamic four-dimensional 320 section CT and carpal bone injury - A description of a novel technique to diagnose scapholunate instability. Clin Radiol 67:185–187 . doi: 10.1016/j.crad.2011.10.002

15.      Troupis JM, Amis B (2013) Four-dimensional computed tomography and trigger lunate syndrome. J Comput Assist Tomogr 37:639–43 . doi: 10.1097/RCT.0b013e31828b68ec

16.      Tanaka MJ, Elias JJ, Williams AA, et al (2016) Characterization of patellar maltracking using dynamic kinematic CT imaging in patients with patellar instability. Knee Surgery, Sport Traumatol Arthrosc 24:3634–3641 . doi: 10.1007/s00167-016-4216-9

17.      Tanaka MJ, Elias JJ, Williams AA, et al (2015) Correlation Between Changes in Tibial Tuberosity-Trochlear Groove Distance and Patellar Position During Active Knee Extension on Dynamic Kinematic Computed Tomographic Imaging. Arthroscopy 31:1748–1755 . doi: 10.1016/j.arthro.2015.03.015

18.      Williams AA, Elias JJ, Tanaka MJ, et al (2016) The Relationship Between Tibial Tuberosity-Trochlear Groove Distance and Abnormal Patellar Tracking in Patients With Unilateral Patellar Instability. Arthroscopy 32:55–61 . doi: 10.1016/j.arthro.2015.06.037

19.      Demehri S, Thawait GK, Williams AA, et al (2014) Imaging characteristics of contralateral asymptomatic patellofemoral joints in patients with unilateral instability. Radiology 273:821–30 . doi: 10.1148/radiol.14140295

20.      Tanaka MJ, Williams A, Elias JJ, et al (2015) Characterizing Patterns In Patellar Maltracking On Dynamic Kinematic CT Imaging. Orthop J Sport Med 3:2015 . doi: 10.1177/2325967115S00014

21.      Wassilew GI, Janz V, Heller MO, et al (2013) Real time visualization of femoroacetabular impingement and subluxation using 320-slice computed tomography. J Orthop Res 31:275–281 . doi: 10.1002/jor.22224

22.      Bell SN, Troupis JM, Miller D, et al (2015) Four-dimensional computed tomography scans facilitate preoperative planning in snapping scapula syndrome. J Shoulder Elb Surg 24:e83–e90 . doi: 10.1016/j.jse.2014.09.020

23.      Alta TD, Bell SN, Troupis JM, et al (2012) The new 4-dimensional computed tomographic scanner allows dynamic visualization and measurement of normal acromioclavicular joint motion in an unloaded and loaded condition. J Comput Assist Tomogr 36:749–54 . doi: 10.1097/RCT.0b013e31826dbc50

24.      Goh YP, Lau KK (2012) Functional Assessment of the Elbow Joint. Am J Orthop 20–22

25.      Teixeira PAG, Formery AS, Jacquot A, et al (2017) Quantitative analysis of subtalar joint motion with 4D CT: Proof of concept with cadaveric and healthy subject evaluation. Am J Roentgenol 208:150–158 . doi: 10.2214/AJR.16.16434

26.      Mat Jais IS, Tay SC (2017) Kinematic analysis of the scaphoid using gated four-dimensional CT. Clin Radiol 72:794.e1-794.e9 . doi: 10.1016/j.crad.2017.04.005

27.      Leng S, Zhao K, Qu M, et al (2011) Dynamic CT technique for assessment of wrist joint instabilities. Med Phys 38 Suppl 1:S50 . doi: 10.1118/1.3577759

28.      Zhao K, Breighner R, Holmes D, et al (2015) A Technique for Quantifying Wrist Motion Using Four-Dimensional Computed Tomography: Approach and Validation. J Biomech Eng 137:074501 . doi: 10.1115/1.4030405

29.      Goto A, Leng S, Sugamoto K, et al (2014) In vivo pilot study evaluating the thumb carpometacarpal joint during circumduction. In: Clinical Orthopaedics and Related Research. pp 1106–1113

30.      Demehri S, Hafezi-Nejad N, Thakur U, et al (2015) Evaluation of pisotriquetral motion pattern using four-dimensional CT: Initial clinical experience in asymptomatic wrists. Clin Radiol 70:1362–1369 . doi: 10.1016/j.crad.2015.07.007

31.      Yoo TS, Ackerman MJ, Lorensen WE, et al (2002) Engineering and algorithm design for an image processing API: A technical report on ITK - The Insight Toolkit. In: Studies in Health Technology and Informatics. pp 586–592

32.      Klein S, Staring M, Murphy K, et al (2010) Elastix: A toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Trans Med Imaging 29:196–205 . doi: 10.1109/TMI.2009.2035616

33.      Shamonin DP, Bron EE, Lelieveldt BPF, et al (2014) Fast parallel image registration on CPU and GPU for diagnostic classification of Alzheimer’s disease. Front Neuroinform 7:50 . doi: 10.3389/fninf.2013.00050

34.      Roos KG, Kerr ZY, Mauntel TC, et al (2017) The Epidemiology of Lateral Ligament Complex Ankle Sprains in National Collegiate Athletic Association Sports. Am J Sports Med 45:201–209 . doi: 10.1177/0363546516660980

35.      Wrixon AD (2008) New ICRP recommendations. J. Radiol. Prot. 28:161–168

36.      Saltybaeva N, Jafari ME, Hupfer M, Kalender W a (2014) Estimates of effective dose for CT scans of the lower extremities. Radiology 273:153–159 . doi: 10.1148/radiol.14132903

37.      Edirisinghe Y, Troupis JM, Patel M, et al (2014) Dynamic motion analysis of dart throwers motion visualized through computerized tomography and calculation of the axis of rotation. J Hand Surg (European Vol 39:364–372 . doi: 10.1177/1753193413508709

38.      Mat Jais IS, Liu X, An KN, Tay SC (2014) A method for carpal motion hysteresis quantification in 4-dimensional imaging of the wrist. Med Eng Phys 36:1699–1703 . doi: 10.1016/j.medengphy.2014.08.011

39.      Shores JT, Demehri S, Chhabra A (2013) Kinematic “4 Dimensional” CT Imaging in the Assessment of Wrist Biomechanics Before and After Surgical Repair. Eplasty 13:e9

40.      Choi YS, Lee YH, Kim S, et al (2013) Four-dimensional real-time cine images of wrist joint kinematics using dual source CT with minimal time increment scanning. Yonsei Med J 54:1026–1032 . doi: 10.3349/ymj.2013.54.4.1026

41.      Troupis JM, Amis B (2013) Four-dimensional Computed Tomography and Trigger Lunate Syndrome. J Comput Assist Tomogr 37:639–643 . doi: 10.1097/RCT.0b013e31828b68ec

42.      Tay SC, Primak AN, Fletcher JG, et al (2008) Understanding the Relationship Between Image Quality and Motion Velocity in Gated Computed Tomography:Preliminary Work for 4-Dimensional Musculoskeletal Imaging. J Comput Assist Tomogr 32:634–639 . doi: 10.1097/RCT.0b013e31815c5abc

43.      Forsberg D, Lindblom M, Quick P, Gauffin H (2016) Quantitative analysis of the patellofemoral motion pattern using semi-automatic processing of 4D CT data. Int J Comput Assist Radiol Surg 11:1731–1741 . doi: 10.1007/s11548-016-1357-8

44.      UNSCEAR. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (2000) Sources and Effects of Ionizing Radiation

45.      Biswas D, Bible JE, Bohan M, et al (2009) Radiation exposure from musculoskeletal computerized tomographic scans. J Bone Jt Surg - Ser A 91:1882–1889 . doi: 10.2106/JBJS.H.01199

46.      Thurston J (2010) NCRP Report No. 160: Ionizing Radiation Exposure of the Population of the United States. Phys Med Biol 55:6327 . doi: 10.1088/0952-4746/29/3/B01

 

 

Universiteit of Hogeschool
Master na Master Manuele Therapie
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Erik Cattrysse
Kernwoorden