JFIM  2013:  The  pelvis:  

An  anatomical  comparison  in  animal  species  and  evolu=on  

 

Jean-­‐Denis  Laredo  MSK  radiologist  Denis  Diderot  Paris  University    And  CNRS  7051  

Age  of  the  world  and  animals  •  Universe:  13.8  billion  years  («  Big  bang  »)  •  Earth:  4.54  billion  years  •  Vertebrates  :  500  million  years  (aqua=c  first)  •  Dinosaurus:  100-­‐50  million  years  •  Mammalians:  50  million  years  •  Primates  35  million  years  •  Hominidae-­‐Big  Monkeys  (Apes)  10-­‐15  million  years  •  Common  ancestor  to  big  monkeys  and  humans:  7  million  years  •  Australopithecus:  3  million  years  •  Homo  Habilis:  1.8  million  years  •  Homo  sapiens:  1  million  years  •  Homo  sapiens  sapiens:  100,000  years  

Primates=  simiens  &  prosimiens  

Simiens  

Catarrhiniens  

Hominoïdes  

Cercopithécoïdes  

Platyrrhiniens   Babouin,  Macaque  

Hominoïdes  

Gibbons  

Tall  Monkeys  (grands  singes)  «  Apes  »:  Orang-­‐outan,  Chimpanzé,  

Gorille  

Hominides  

Australopithecus   Homo  

Hominides  history  Foot  steps  in  Laetoli  (Tanzania)  

Australopithecus  afarensis  (Lucy),  3  million  years  

Rie  valley  &  Yves  Copens  theory  

Primate  habitat  

•  Most  primates  have  their  natural  environment  in  the  trees  

Primates  habitat  &  locomo=on  

Tree  Brachia=on  Tree  

Quadrupeds    

Ground  quadrupeds  Big  monkeys  

Ground  bipeds  Hominidae  

Gibbons  (hylobates)  

Bonobo  (chimpanzee)  

Bonobo  (chimpanzee)  

Tree  brachia=on  versus  quadrupedalism  

Gibbons  (hylobates)  Bonobo  (pan  paniscus,  small  chimpanzee)  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs?  

Bipeds  characteris=cs  

•  Hand  and  opposing  thumb  allowing  hand  grip?  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

•  Hand  and  opposing  thumb  allowing  hand  grip:  No!  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

1.  Foot!  Humans  have  a  specific  foot  anatomy  

The  Bonobo  has  4  hands  

Homo   Homo  :  M1-­‐M2  joint  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

1.  Foot!  highly  specialised  in  bipeds  

Bonobo   Homo,  hallux  valgus  

Foot  steps  in  Laetoli  (Tanzania)  

Australopithecus  afarensis  (Lucy),  3  million  years  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

                             Cow                                          Bonobo              Lucy(Australopithecus)    Homo  habilis            Homo  sapiens                                              

1.  Foot!  highly  specialised  in  bipeds  2.  Long  femoral  neck  

Human  femur  

•  Femoral  head:  2/3  of  a  sphere  •  Weight-­‐bearing                          

Human  femur  

•  Femoral  head:  2/3  of  a  sphere  •  Weight-­‐bearing                        Propensity  to  subchondral  fracture  

Human  femur  •  Femoral  head:  2/3  of  a  sphere  (extended  car=lage)  •  Poor  vascularisa=on                    Propensity  to  avascular  necrosis  

1.  Foot!  highly  specialised  in  bipeds  2.  Femoral  neck  3.  Pelvis  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

 Lucy   Homo  sapiens  

Cow   Bonobo  

Quadrupeds  

   Bipeds  

1.  Foot!  highly  specialised  in  bipeds  2.  Femoral  neck  3.  Pelvis  

Pelvis  muscles  

Lumbar  spine  extensionL.  

abdominal  wall  muscles  

Pelvis  equilibrium  

Thigh  muscles  

Lucy  Homo  

Homo  

Lucy  

Hip  joint  

•  Any  joint  is  a  compromise  between  mobility  and  stability  

•  Tree  quadrupeds  (Monkeys):            Mobility  >>  stability  

Human  hip  joint  •  Ground  bipeds  (homo):    ü Shoulder  :  mobility  >>  stability  ü Hip  joint  :  weight-­‐bearing                                              stability  >>  mobility                                              high  joint  congruence  

Human  hip  joint  

•  Weight-­‐bearing  •  High  congruence  •  High  fric=on                    Propensity  to  wearing  :  hip  osteoarthri=s  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

 Symphalangius   Homo  sapiens  

1.  Foot  2.  Femoral  neck  3.  Pelvis  4.  Lumbar  Lordosis  5.  Shorter  upper  limb                      (70%  of  the  lower    limb)  

Chimpanzee  

Human  (Bipeds)  anatomic  characteris=cs  

 Orang  Homo  sapiens  

1.  Foot  2.  Femoral  neck  3.  Pelvis  4.  Lumbar  Lordosis  5.  Shorter  upper  limb  6.  Foramen  magnum                  below  the  skull    

The  standing  posi=on  La  sta=on  debout  

Georges  Charpak  discovery:  Highly  sensi=ve  X-­‐ray  detector  in  a  gazeous  phase  

Low  dose  simultaneous  standing  AP  &  lateral  full  body  radiographs  

Human  pelvis  is  submired  to  high  compression  forces  

How  to  resist  to  these  compression  forces  ?  

G.  Morvan  

Economic equilibrium: • Lumbar lordosis • Thoracic kyphosis • C7 Plumb Line

C7 Plumb line

Pelvic  anteversion,  lumbar  lordosis  &  thoracic  kyphosis  allow  adapta=on  to  anterior  trunk  

bending  

Pelvic  incidence  (Duval-­‐Beaupère)  

How  to  resist  to  these  compression  forces  ?  

Pelvic  incidence:  mean  55°  (35-­‐70)  

How  to  resist  to  these  compression  forces  ?  

G.  Morvan  

Surgical  treatment  of  degenera=ve  sta=c  malalignements  of  the  spine  

•  Pierre  Guigui  Chief  of  Orthopaedic  surgery  Denis  Diderot  Paris  University  

1994   1994   1995  

2001  

2001   2001  

2001   2001  

2001   2002  

Extension  

Flexion  

2001   2002  

Extension  

Flexion  

2001   2002  

Extension  

Flexion  

Importance  du  grand  cliché  

Locomo=on  

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

Motion

Life  is  mo=on  

E"enne  Jules  Marey  (1830  –  1904)    

«  Le  mouvement  est  l’acte  le  plus  important  en  ce  sens  que  toutes  les  fonc5ons  empruntent  son  concours  pour  s’accomplir.  »  

«  Mo5on  is  at  the  root  of  all  ac5ons  »  

Primate  locomo=on  

Tree  Brachia=on  Tree  

Quadrupeds    

Ground  quadrupeds  Big  monkeys  

Ground  bipeds  Hominidae  

Bipedalism  locomo=on  

Homo  is  not  the  only  animal  using  bipedalism    La  bipédie  n’est  pas  le  propre  de  l’homme  

Foot  steps  in  Laetoli  (Tanzania)  

Australopithecus  afarensis  (Lucy),  3  million  years  

Big  monkeys:  quadrupeds  in  trees  and  on  the  ground  Occasionnal  bipeds  

Tree  brachia=on  versus  quadrupedalism  

Gibbons  (hylobates)  Bonobo  (pan  paniscus,  small  chimpanzee)  

Hallux  rigidus  

Humanoïde  Robot    

Jean -­‐Pau l   Laumond    

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

Faire  marcher  un  robot  

Synergie  sciences  de  la  vie  et  robo=que  

E n g u i s e d e c o n c l u s i o n

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

Capteurs  et  ac=onneurs  

H R P 2

DC Motor with Ironless Rotor

Pulley

Pulley

Timing BeltHarmonic Drive Gear

4  caméras  

Gyroscope  

Accéléromètres  

4  Capteurs  d’effort  

30  moteurs  

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

La  marche  d’HRP2  

L a m a r c h e : n i v e a u c o g n i t i f

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

La  marche  d’HRP2  

Kajita  et  al,  IEEE  ICRA,  2003  

Centre  de  pression  

Centre  de  masse  

S o u s – a c t i o n n e m e n t : l a m a r c h e

1960                              1970                                      1980                          1990                        2000                          2010  

Robot  and  human:  two  different  models  

Locomotion

A.  Berthoz,  T.  Pozzo,  Posture  and  Gaits  ,Elsevier,    1988  Kajita  et  al,  IEEE  ICRA,  2003   E"enne  Jules  Marey  ©  Cinémathèque  Française    

VALUE  OF  BILATERAL    STANDING  OBLIQUE  RADIOGRAPHS    («  FAUX  PROFIL  DE  LEQUESNE  »)    

IN  THE  DIAGNOSIS  OF    HIP  OSTEOARTHRITIS  

The  acetabulum  can  be  described  as  a  croissant  

 Posterior    Horn  

Apical  Roof  

Anterior    Horn  

Anterior  Roof  

 

However,  the  AP  radiograph  only  profiles  the  apical  roof  of  the  acetabulum.  

Apical  Roof  

X-­‐Ray  

65°  

Lequesne,  M.G.Laredo,  J.D.  The  faux  profil  (oblique  view)  of  the  hip  in  the  standing  posi5on.  Contribu5on  to  the  evalua5on  of  osteoarthri5s  of  the  adult  hip.  Ann  Rheum  Dis,  1998    

Standing  oblique  of  the  hip    «  faux-­‐profil  »  de  Lequesne  

Target  hip  

   The  SO  view  profiles  the  posterior  horn,  apical  roof  and  anterior  roof  of  the  hip  in  contact  with  the  radiographic  table,  the  “target”  hip.  

 

 Apical  Roof  

Right  Hip  

 

         

 

Target  Hip  

Anterior    Roof  

Posterior    Horn  

Anterior  Roof  

Normal   OA  

 The  Lequesne  Standing  Oblique  is  more  sensi=ve  than  the  AP  Pelvis  view  for  the  diagnosis  of  early  OA    Lequesne  M.  ARD  1998  Conrozier  T.  O&C  1998  Vignon  E.  J  Rheumatol  2004      

Pa=ent  posi=oning  in  Lyon  Schuss  (1)  Cassere,  (2)  feet  cushion,  (3)  Fluoroscopy  

   The  SO  view  profiles  the  posterior  horn,  apical  roof  and  anterior  roof  of  the  hip  in  contact  with  the  radiographic  table,  the  “target”  hip.  

 

 Apical  Roof  

Right  Hip  

 

         

 

Target  Hip  

Anterior    Roof  

Posterior    Horn  

Anterior  Roof  

Double  oblique  de  profil  Contre-­‐Faux-­‐Profil:  

Corne  antérieure  

Faux-­‐  Profil:  Corne  postérieure  

65°  

Lequesne,  M.G.Laredo,  J.D.  The  faux  profil  (oblique  view)  of  the  hip  in  the  standing  posi5on.  Contribu5on  to  the  evalua5on  of  osteoarthri5s  of  the  adult  hip.  Ann  Rheum  Dis,  1998    Laredo,  J.D.,  Le  contre-­‐faux-­‐profil  de  hanche.  en  cours  de  publica=on  

Target  Hip  

Non-­‐target  Hip  

 The  SO  view  profiles  the  apical  roof,  anterior  roof  and  anterior  horn  of  the  contralateral  hip,  distant  from  the  table,  the  “non-­‐target”  hip.    

 

Anterior  Horn  

 

Anterior  Roof  

Apical  Roof  

 

Right  Hip  Non-­‐target  Hip  

 Bilateral  standing  oblique  (SO)  radiographs  of  the  pelvis  profile  the  full  hip  joint  space.  

Anterior  Horn  

 

Anterior  Roof  

Apical  Roof  

 Apical  Roof  

Right  Hip  

 

         

 

Non-­‐target  Hip  Target  Hip  

Anterior    Roof  

Posterior    Horn  

Anterior  Horn  

 

Anterior  Roof  

Apical  Roof  

 Apical  Roof  

Right  Hip  

 

         

 

Non-­‐target  Hip  Target  Hip  

Anterior    Roof  

Posterior    Horn  

 Posterior  Horn  

Apical  Roof  

Anterior    Horn  

Anterior  Roof  

 

 

 

Anterior  Roof  

Results  1:    AP  view  

Normal  JSW  measurements:  JSW  gradient    

Measurement Point

Mean mm ± sd

L 5.02 ± 0.74

Vap 4.65 ± 1.1

M 4.28 ± 1.09

L  Vap  M  

AP  view  

Results  1:  Standing  Oblique  

Normal  JSW  measurements:  JSW  gradient  

 

     

SO  view  :  Target  Hip  

Measurement Point

Mean mm±sd

AR 5.18± 1.2

Vct 4.43± 0.92

PS 3.69± 0.69

PH 3± 0.55

AR/PH ratio 1.77± 0.48

AR   Vct  PS  

PH  

Results  1:  Descrip=ve  results  Contralateral  Standing  Oblique  

Normal  JSW  measurements  

 

 

SO  view  :  Non-­‐target    Hip  

Measurement Point

Mean mm ± sd

IAH 3.83 ± 0.23

SAH 5.34 ± 1.04

Vdt 5.39 ± 1.14

Vdt  SAH  

IAH  

Results  2  ANOVA:  Overt  OA  versus  Controls    

L  Vap  M  

 

     

SO  view:  Target  Hip  

AR   Vct  PS  

PH  

SO  view:  Non-­‐target  Hip  

Vdt  SAH  

IAH  

AP  

AP View Vap 0.0322*

Standing Oblique

Target Hip

AR 0.00458* Vct 0.0375* PH 0.00029*

AR/PH ratio 0.00007*

Standing Oblique

Non-target Hip

IAH 0.00969* SAH 0.0112*

Results  2  ANOVA:  Incipient  OA  versus  Controls  

L  Vap  M  

 

     

SO  view:  Target  Hip  

AR   Vct  PS  

PH  

SO  view:  Non-­‐target  Hip  

Vdt  SAH  

IAH  

AP  

Standing Oblique Target Hip

PH 0.02004* AR/PH ratio 0.00446*

Standing Oblique Target Hip

IAH 0.00128* SAH 0.0687

Results  3  Logis=c  regression  analysis  

Logistic Regression to predict

Incipient OA versus Controls

               

View Measurement Point OR[95%CI]

Antero-Posterior View - -

Standing  Oblique    Contact  Hip       PH 2.405 [1.184 ; 4.886]

    AR/PH ratio 0.273 [0.095 ; 0.787]

Standing  Oblique  Distant  Hip               SAH 0.556 [0.345 ; 0.894]

 

     

SO  view:  Target  Hip  

AR   Vct  PS  

PH  

SO  view:  Non-­‐target  Hip  

Vdt  SAH  

IAH  

Results  4  Thresholds  that  maximalize  accuracy  

View Measurement Point

Threshold that maximizes accuracy

(mm) Sensitivity Specificity PPV NPV ACCURACY

Target  Hip  SO  view  

AR 4.4 34,78 (16.38-57.27)

100 (87.66-100)

100 (63,06-100)

58.1 (44.8-70.5)

59.7 (47-71.5)

PH 50 (30.6-69.4)

91.9 (78.1-98.3)

82.4 (56.6-96.2)

70.8 (55.9-83)

73.8 (61.5-84)

AR/PH ratio 1 39,29 (21,5-59,42)

97,3 (85,84-99,03)

91,67 (61,52-99,7

9)

67,92 (53,68-80,0

8)

72,31 (59,81-82,69

)

Non-target Hip

SO view SAH 4,04 41,38

(23,52-61,06) 91,89

(78,09-98,3)

80 (51,91-95,6

7)

66,67 (52,08-79,2

4)

69,7 (57,15-41)

IAH 75 (34.9-96.8)

100 (71.5-100)

100 (54.1-100)

84.6 (54.6-98.1)

89.5 (66.9-98.7)

Conclusions  •  JSW  measurements  on  bilateral  SO  radiographs  allow  diagnosis  of  early  hip  OA  not  shown  by  the  standing  AP  pelvis  radiograph.    

•  Measurement  of  the  AR/PH  JSW  ra=o  provides  the  best  diagnos=c  performances.    

 

     

SO  view:  Target  Hip  

AR   Vct  PS  

PH  

SO  view:  Non-­‐target  Hip  

Vdt  SAH  

IAH  

antero-supero-

lateral OA

postero-infero-medial

OA

antero-supero-

medial OA

•  Three different anatomical types of hip osteoarthritis

Avant