Summary
Um sistema de engenharia reversa é empregado para registrar e obter dados detalhados e abrangentes de geometria de placas de terminais vertebrais. Modelos paramétricos de placa final vertebral são então desenvolvidos, que são benéficos para projetar implantes espinhais personalizados, fazendo diagnósticos clínicos, e desenvolvendo modelos precisos de elementos finitos.
Abstract
Dados geométricos detalhados e abrangentes de placas de fim de vértebras é importante e necessário para melhorar a fidelidade dos modelos de elementos finitos da coluna vertebral, projetar e melhorar os implantes espinhais, e compreender as alterações degenerativas e biomecânica. Neste protocolo, um varredor de alta velocidade e altamente exato é empregado para converter dados da morfologia de superfícies da placa de fim em uma nuvem digital do ponto. No sistema de software, a nuvem de pontos é processada e reconstruída em três dimensões. Em seguida, um protocolo de medição é realizado, envolvendo um sistema de coordenadas 3D definido para tornar cada ponto uma coordenada 3D, três curvas de superfície sagital e três frontais que estão simetricamente montadas na superfície da placa final, e 11 pontos equidistantes que são selecionada em cada curva. Medições e análises espaciais são finalmente realizadas para obter dados geométricos das placas finais. As equações paramétricas que representam a morfologia das curvas e superfícies são ajustadas com base nos pontos característicos. O protocolo sugerido, que é modular, fornece um método exato e reprodutível para obter dados geométricos de placas finais vertebrais e pode ajudar em uns estudos morfológicos mais sofisticados no futuro. Contribuirá também para projetar implantes espinhais personalizados, planejar atos cirúrgicos, fazer diagnósticos clínicos e desenvolver modelos precisos de elementos finitos.
Introduction
Uma placa final vertebral é o escudo superior ou inferior do corpo vertebral e serve como uma interface mecânica para transferir o stress entre o disco e o corpo vertebral1. Consiste na borda epifisária, que é um labrum ósseo forte e sólido em torno da borda externa do corpo vertebral, e a placa de terminais central, que é fina e porosa2.
A coluna vertebral está sujeita a uma ampla variedade de distúrbios degenerativos, traumáticos e neoplásicos, o que pode justificar a intervenção cirúrgica. Recentemente, dispositivos espinhais, como discos artificiais e gaiolas têm sido amplamente utilizados. Os parâmetros morfométricos exatos e detalhados de placas finais são necessários para o projeto e a melhoria de implantes espinais com o contato eficaz da prótese-vértebra e o potencial ingrowth do osso3. Além disso, a informação na forma exata e na geometria de placas finais vertebrais é importante para compreender a biomecânica. Embora a modelagem de elementos finitos permite a simulação das vértebras reais e tem sido amplamente utilizado para estudar as respostas fisiológicas da coluna vertebral para várias condições de carga4, esta técnica é paciente-específico e não generalizável a todos os Vértebras. Sugere-se que a variabilidade intrínseca da geometria das vértebras entre a população geral deva ser considerada ao desenvolver o modelo de elementos finitos5. Portanto, os parâmetros geométricos das placas finais são favoráveis à geração de malhas e ao aprimoramento da fidelidade na modelagem de elementos finitos.
Embora a importância da harmonização da geometria da placa final e da superfície do implante seja discutida em estudosprecedentes 6,7,8, os dados na morfologia de placas de terminais vertebrais são escassos. A maioria dos estudos anteriores não revelaram a natureza 3D da placa final9,10,11. Uma análise espacial é necessária para descrever melhor e totalmente a morfologia da placa final12,13,14. Além disso, a maioria dos estudosempregoutécnicas de mediçãode baixa precisão10,15,16. Além disso, a ampliação significativa foi relatada quando os parâmetros da geometria são medidos empregando a radiografia ou o tomography computado (CT)17,18. Embora a imagem latente de ressonância magnética (MRI) seja considerada não invasora, é menos exata em definir as margens precisas de estruturas ósseas11. Devido à falta de um protocolo de medição padronizado, há grandes diferenças entre os dados geométricos existentes.
Nos últimos anos, a engenharia reversa, que pode digitalizar as peças físicas existentes em modelos sólidos computadorizados, tem sido cada vez mais aplicada ao campo da medicina. A técnica torna viável para desenvolver uma representação exata do caráter anatômico de superfícies de vértebras sofisticadas. O sistema de engenharia reversa inclui dois subsistemas: o sistema de instrumentação e o sistema de software. O sistema de instrumentação adotado neste protocolo tem um scanner de mesa de alcance óptico sem contato 3D, que é de alta velocidade e altamente preciso (precisão 0, 2 mm, 1.628 x 1.236 pixels). O scanner pode eficientemente (tempo de entrada 3 s) capturar informações de morfologia de superfície do objeto de destino e convertê-lo em nuvem de pontos digitais. O sistema de software (ou seja, software de engenharia reversa) é um aplicativo de computador para processamento de dados em nuvem de pontos (consulte tabela de materiais), reconstrução de modelo de superfície 3D, edição de curva e superfície livre e processamento de dados (vide tabela de Materiais).
Os propósitos do presente relatório são (1) elaborar um protocolo de medição e um algoritmo para obter parâmetros quantitativos de placas terminais vertebrais com base em uma técnica de engenharia reversa, (2) desenvolver um modelo matemático que permita uma representação de placas finais vertebrais sem digitalizar muitos Marcos. Esses métodos serão benéficos para o planejamento de ato cirúrgico e modelagem de elementos finitos.
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Protocol
Este estudo foi aprovado pelo Conselho de ética em pesquisa em saúde do Instituto de autores. Porque os ossos vertebrais cervicais têm umas formas mais intricadas19, o protocolo usa as vértebras cervicais como uma ilustração para facilitar a pesquisa relevante.
1. preparação de materiais, digitalização e processamento de imagens
- Colete uma vértebra cervical seca sem deformação patológica ou partes quebradas.
- Coloque a vértebra verticalmente na plataforma do scanner (Figura 1, ver tabela de materiais), com a placa de fim voltada para a lente da câmera. Use a fonte de luz ativa do scanner. Em seguida, inicie o processo de digitalização para obter dados de nuvem de pontos (. Formato ASC).
Nota: de acordo com as imagens da pre-varredura, ajuste o varredor e a posição da vértebra para capturar tanta informação de superfície da morfologia como possível. - Abra o software especialmente utilizado para o processamento de nuvens de pontos (ver tabela de materiais). Clique em importar para importar os dados da nuvem de pontos e gerar o gráfico digital da vértebra. Defina a taxa de amostragem para 100%, selecione manter dados completos em amostra, selecione a unidade de dados como milímetros e clique em pontos de sombra. Use a ferramenta de seleção de laço para selecionar pontos redundantes no gráfico e, em seguida, clique em excluir para removê-los. Clique em reduzir ruído e defina o nível de suavidade para o seu máximo para reduzir o ruído e picos (Figura 2a, B).
Nota: Existem instruções básicas de operação de software na parte inferior da GUI (interface gráfica do usuário). Pontos de ruído com esporas afiadas evidentes lateralmente ou verticalmente devem ser removidos para reduzir o erro. - Clique em encapsular para empacotar os dados de imagem em arquivo de formato. STL para transformar a nuvem de pontos em malha, que converterá um objeto de ponto em um objeto de polígono.
Nota: o software de engenharia reversa geralmente aceita o formato 3D de estilo. STL. - Abra o software especialmente utilizado para reconstrução 3D e processamento de dados (ver tabela de materiais). Clique em arquivo e em novo no submenu. Selecione a parte na lista de tipos. Clique em Iniciar, em seguida, em forma no submenu, em seguida, Editor de forma digitalizada. Clique no ícone de importação na barra de ferramentas no lado direito da GUI. Na janela importar, selecione o arquivo de formato . STL e clique em aplicar > OK. Clique em ajustar tudo no ícone na barra de ferramentas na parte inferior para carregar a imagem reconstruída para a janela principal do software de apresentação.
Nota: as etapas 1.5 – 2.3.3 são executadas com o mesmo software. - Clique em Ativar na barra de ferramentas no lado direito. Na janela ativar, selecione modo de interceptação ≫ tipo poligonal > dentro da armadilha. Em seguida, selecione a placa de fim vertebral na imagem 3D para remover componentes vertebrais desnecessários, como os elementos posteriores e osteófitos (Figura 2C).
2. quantificação da morfologia 3D da placa de fim
- Definindo o sistema de coordenadas 3D de placa de fim
- Clique em iniciar > forma no submenu e, em seguida, em design de forma Generative. Clique no ícone de ponto na barra de ferramentas no lado direito. Marque três pontos de referência anatômicos na borda epifisária: os dois primeiros são os pontos de extremidade esquerdos e direito da borda final à direita da placa, respectivamente; o terceiro é o ponto mediano anterior.
- Clique no ícone de linha na barra de ferramentas no lado direito e selecione os dois pontos de extremidade de borda à direita para definir uma linha frontal posterior. Clique no ícone de plano , selecione o tipo de plano para ser normal a curva e, em seguida, selecione a linha frontal posterior e o ponto mediano anterior para definir o plano médio-sagital.
- Clique em iniciar > forma > reconstrução superficial rápida. Clique no ícone de seção planar , insira 1 na opção número e, em seguida, selecione a imagem da placa final e o plano médio-sagital para gerar uma curva de interseção. Clique em curva no ícone digitalizar e selecione a interseção da curva de interseção e da borda epifisária posterior. Defina a interseção como o ponto mediano posterior.
- Clique em iniciar > forma ≫ design de forma Generative. Clique no ícone de linha e selecione o ponto mediano anterior e o ponto mediano posterior para definir um diâmetro médio-sagital. Clique no ícone de ponto , em seguida, pontos e planos de repetição no submenu. Em seguida, selecione o diâmetro médio-sagital e insira 1 na opção Instance (s) para definir o ponto médio do diâmetro médio-sagital.
- Clique no ícone do sistema Axis na barra de ferramentas na parte inferior. Em seguida, selecione o ponto médio do diâmetro médio-sagital como a origem, a linha paralela à linha frontal posterior como eixo x, o diâmetro médio-sagital como eixo y e a linha apontando para frente e perpendicular ao plano x-y como eixo z (Figura 3 ).
Nota: os dois pontos finais de extremidade à direita são escolhidos como pontos de referência porque são consistentes e mostram uma variação mínima na presença de osteófitos10.
- Ajustar as curvas e pontos característicos na superfície da placa de fim (figura 4a – D)
- Clique no ícone de ponto , em seguida, pontos e planos de repetição no submenu. Selecione o diâmetro médio-sagital e insira 3 na opção de instância (s) para dividir o diâmetro médio-sagital igualmente em quatro partes.
- Clique em iniciar ≫ forma ≫ reconstrução de superfície rápida. Clique no ícone de seção planar , insira 1 na opção número e, em seguida, selecione a imagem da placa de fim e o plano x-z para gerar uma curva de interseção. Clique em curva no ícone digitalizar e selecione as duas intersecções do plano x-z e da borda epifisária.
- Defina a linha entre as duas intersecções como o diâmetro mid-frontal. Da mesma maneira, divida o diâmetro meados de-frontal ingualmente em quatro porções.
Nota: quando a placa de fim não é simétrica em relação ao plano med-sagital, escolha um dos dois pontos finais da curva mid-frontal que tem uma distância vertical mais curta para o plano z-y. Em seguida, defina o diâmetro mid-frontal como 2x o comprimento do menor, e dividi-lo igualmente em quatro partes. - Clique na medida entre o ícone na barra de ferramentas na parte inferior para medir o comprimento de um quarto do diâmetro médio-sagital. Clique no ícone de seção planar , insira 2 na opção número, insira o valor medido na opção etapa e, em seguida, selecione a imagem da placa de fim e o plano x-z para gerar duas curvas de encaixe em um lado da parte frontal. Clique em swap para gerar duas curvas de encaixe no outro lado. Da mesma forma, obter as outras três curvas de encaixe no plano sagital.
Nota: as duas curvas de encaixe do meio-frontal se sobrepõem com as duas curvas de encaixe médio-sagital. - Selecione 11 pontos equidistantes em cada curva para medições subsequentes. Método específico é o seguinte:
- Tomando a curva mid-sagittal como um exemplo, divida o diâmetro mid-sagittal ingualmente em 10 porções, tendo por resultado uma soma de 11 pontos, including nove pontos intermediários e dois valores-limite (refira as etapas 2.1.3 e 2.2.1).
- Passar por cada ponto equidistante, obter nove curvas de encaixe na superfície da placa de fim (consulte a etapa 2.2.2). Clique em curva no ícone digitalizar e selecione a interseção das curvas de encaixe e a curva mid-sagital. Finalmente, obter um total de 66 pontos em cada placa de fim (11 pontos por curva multiplicado por seis curvas). Clique no ícone de item de medida na barra de ferramentas na parte inferior para medir as coordenadas de cada ponto.
- Medição dos parâmetros morfológicos da placa final
- Parâmetro de linha:
- Clique na medida entre o ícone para medir o comprimento do parâmetro de linha que é a distância entre dois pontos medidos.
- Parâmetros da concavidade:
- Criar um plano paralelo ao plano x-y (Figura 5a): clique em iniciar > forma > design de forma Generative. Clique no ícone de esboço na barra de ferramentas no lado direito e, em seguida, clique no plano x-y. Clique no ícone círculo , clique em origem na superfície da placa de fim, arraste o cursor do mouse para uma distância apropriada e clique em. Clique no ícone sair do Workbench e, em seguida, no ícone de preenchimento e clique em.
- Clique no ícone de deslocamento , selecione o plano preenchido e insira um valor apropriado na opção de deslocamento até que ele seja tangente à parte mais côncava e aumente o zoom. Clique em iniciar > forma > reconstrução superficial rápida. Em seguida, clique no ícone de curva 3D para encontrar e criar o ponto mais côncavo. Clique no ícone item de medida para medir as coordenadas do ponto mais côncavo (Figura 5b).
- Clique na medida entre o ícone e, em seguida, selecione o ponto mais côncavo e o plano x-y para medir toda a profundidade da concavidade da placa final. Similarmente, encontre e crie a profundidade a mais côncava em um plano particular e meça suas coordenadas.
- Clique no ícone de projeção na barra de ferramentas no lado direito e, em seguida, selecione o ponto mais côncavo e o plano x-y para obter o ponto projetivo. Clique no ícone item de medida para medir as coordenadas do ponto projetivo e determinar sua distribuição com base nas coordenadas.
- Parâmetros da área de superfície:
- Clique no ícone inércia da medida na barra de ferramentas na parte inferior e clique na superfície da placa de fim para medir sua área. Clique no ícone Ativar e selecione a placa de fim central ao longo das margens internas do anel epifisário (consulte a etapa 1,6) e clique no ícone inércia da medida para medir sua área (Figura 5C). Clique no ícone Ativar , em seguida, a placa de fim central e, finalmente, o ícone de swap na janela Ativar para obter uma borda epifisária. Em seguida, medir a sua área.
- Parâmetro de linha:
3. desenvolvimento do modelo matemático de superfície da placa final
- Determinando a ordem de ajuste da equação paramétrica
- Abra o software de análise e visualização de dados (consulte a tabela de materiais). Entrada x = [dados correspondentes] na janela de comando. Clique em Enter.
Nota: os "dados correspondentes" referem-se aos dados de coordenadas x dos 11 pontos característicos em uma curva que foi medido nas etapas anteriores. Clique em ENTER após inserir cada comando, com o mesmo aplicando a operações subseqüentes. As etapas 3.1 – 5.5 são executadas uniformemente com o mesmo software. - Da mesma forma, insira z = [dados correspondentes].
- Insira o código para i = 1:5 Z2 = polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); If Sum ((Z-z). ^ 2) < 0.01 C =i Break; final o fim.
Nota: o protocolo define a soma dos quadrados de erro abaixo de 0, 1 para obter maior precisão, cujo valor pode ser readjustado para satisfazer várias demandas. - Clique em Enter para obter um valor C que é a ordem de ajuste desejada.
- Abra o software de análise e visualização de dados (consulte a tabela de materiais). Entrada x = [dados correspondentes] na janela de comando. Clique em Enter.
- Ajuste da equação do parâmetro
- Entrada cftool e clique entram para trazer acima a ferramenta de encaixe da curva.
- Insira as coordenadas de uma curva na janela de comando (consulte as etapas 3.1.1 e 3.1.2). Na ferramenta de encaixe de curva, selecione dados de coordenadas x ao encaixar curvas de plano frontal e dados de coordenadas y ao encaixar curvas de plano sagital na opção de dados x, selecione dados de coordenadas z na opção de dados y, selecione polinomiale insira a ordem de ajuste Obtido. Em seguida, o software irá gerar a equação paramétrica e a bondade do ajuste automaticamente.
Observação: como a curva é uma imagem 2D, a opção de trabalho padrão é as opções x e y na ferramenta de encaixe de curva ao encaixar uma curva. - Da mesma forma, insira as coordenadas 3D dos pontos 66 e combine os dados de coordenadas com as opções de eixo correspondentes. Selecione polinômio e insira a ordem de ajuste para obter a equação paramétrica da superfície da chapa de fim (Figura 6B).
4. aquisição de dados geométricos com base na equação paramétrica
- Valores de coordenada x e y de entrada de qualquer ponto na placa de fim na janela de comando.
- Entrada PX1, pX2, pX3....
Nota: PX são os parâmetros da equação paramétrica que foram montados usando polinômio nas etapas acima. - Introduza a equação e clique em Enter para obter o resultado (ou seja, formato de entrada: z = p00 + P10* x + p01* y + p20* x ^ 2 + p11* x * y + p02* y ^ 2 + p30* x ^ 3 + p21* x ^ 2 * y + p12 * x * y ^ 2 + p03* y ^ 3 + p40* x ^ 4 + p31* x ^ 3 * y + p22* x ^ 2 * y ^ 2 + P13* x * y ^ 3 + p04* y ^ 4).
5. representação da placa de fim com base na equação paramétrica
- Entrada PX1, pX2, pX3.... na janela de comando.
- Insira o código X = n1: 0.01: n2;.
Nota: N1– n2 é o intervalo de dados do eixo X (i.e., os valores dos dois pontos finais da curva themid-coronal). - Insira o código "Y = N3: 0.01: n4;".
- Insira a equação (i.e., z = @ (x, y) p00 + p10. * x + p01. * y + p20. * x. ^ 2 + P11. * x. * y + p02. * y. ^ 2 + p30. * x. ^ 3 + p21. * x. ^ 2. * y + p12. * x. * y. ^ 2 + p 03. * y. ^ 3 + p40. * x. ^ 4 + p31. * x. ^ 3. * y + p22. * x. ^ 2. * y. ^ 2 + p13. * x. * y. ^ 3 + p04. * y. ^ 4;).
- Insira o código ezmesh (z, [n1, n2, n3, n4]) para obter gráficos de simulação 3D (Figura 6C).
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Representative Results
Utilizando o scanner de mesa óptica 3D de alta precisão, as placas finais foram convertidas em mais de 45.000 pontos digitais, que caracterizam adequadamente a morfologia (Figura 2a, B).
No protocolo de mensuração, realizou-se a análise espacial das superfícies da placa final. As curvas representativas foram ajustadas e quantificadas na superfície para caracterizar a morfologia (Figura 4B). Os parâmetros lineares foram medidos calculando a distância entre dois pontos finais. As medições obtidas incluem a profundidade da concavidade e a localização do ápice da concavidade no plano médio-sagital, além daquelas de toda a concavidade da placa final e de qualquer seção específica (Figura 5b). Os componentes de placas finais, borda epifisária e placa de base central foram separados (Figura 5C), e seus comprimentos e áreas foram obtidos convenientemente.
Um total de 138 placas finais vertebrais cervicais foram digitalizados e analisados, e o modelo matemático da placa final foi estabelecido. O protocolo define as somas de erro quadrado abaixo de 0, 1, e concluiu-se que o uso da função polinomial de quatro ordens poderia atingir a satisfação.
A equação paramétrica de cada curva foi deduzada com base nas coordenadas de 11 pontos: f (x) = P1* x ^ 4 + p2* x ^ 3 + p3* x ^ 2 + p4* x + p5. P1, p2, p3, p4 e p5 foram os parâmetros, os valores exatos dos quais são mostrados na tabela 1.
A equação paramétrica que representa as características morfológicas da superfície da placa final é:
F (x, y) = P00 + p10* x + p01* y + p20* x ^ 2 + p11* x * y + p02* y ^ 2 + p30* x ^ 3 + p21* x ^ 2 * y + P12* x * y ^ 2 + p03* y ^ 3 + p40* x ^ 4 + p31* x ^ 3 * y + p22 * x ^ 2 * y ^ 2 + p13* x * y ^ 3 + p04* y ^ 4
Onde: PXYs são os parâmetros, que foram deduzados das coordenadas pré-medidos de 66 pontos (tabela 2).
Figura 1: o scanner de mesa de alcance óptico sem contato 3D. O scanner, que é baseado em heterodyne Multifrequency fase Shift 3D tecnologia de medição óptica, inclui medição óptica (integrando em torno de duas câmeras e um projetor) e dispositivos de controle. A precisão deste instrumento é 0, 2 milímetros, e os pixéis são 1628 x 1236. O scanner pode eficientemente (tempo de entrada 3 s) digitalizar a geometria da superfície de um objeto de destino. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: a nuvem de pontos da superfície vertebral e a reconstrução 3D da placa final. (A) e (B) são as superfícies inferiores e superiores de uma vértebra cervical gerada pelo software especialmente utilizado para o processamento de nuvens de pontos, respectivamente. (C) e (D) são a reconstrução 3D dos placas inferiores e superiores gerados pelo software especialmente utilizado para reconstrução 3D e processamento de dados, respectivamente. Os elementos posteriores e osteófitos são removidos das vértebras, deixando apenas a placa de fim. O plano de melhor ajuste é definido através dos pontos anterior-mais e posterior-a maioria dos processos uncinados bilaterais, e as duas curvas formadas pelo plano de melhor ajuste e placa de placa terminal são os limites da junção uncovertebral e da placa final caudal. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: definição do sistema de coordenadas 3D da placa de fim. Marcação de três marcos anatômicos na borda epifisária: os dois primeiros são os pontos de extremidade esquerdos e direito da borda final, respectivamente; o terceiro é o ponto mediano anterior. A linha frontal posterior é formada pelos dois pontos finais da borda final, que definem o plano médio-sagital com o ponto mediano anterior. O ponto mediano posterior é determinado pelo plano médio-sagital e pela borda epifisária posterior, que formam o diâmetro médio-sagital com o ponto mediano anterior. A origem é o ponto médio do diâmetro médio-sagital. O eixo y é determinado pelo diâmetro médio-sagital e apontando para frente. O eixo x é a linha paralela à linha frontal posterior. O eixo z é normal para o plano x-y. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: as etapas de montagem de curvas de características e pontos na superfície da placa de fim. (A) divida o diâmetro médio-sagital e o diâmetro meados de-frontal ingualmente em quatro porções. (B) passar por cada ponto equidistante, e escolher seis curvas de superfície simetricamente, três das quais são as curvas de interseção do plano frontal e da superfície da placa final, e os outros três no plano sagital. (C) divida o diâmetro médio-sagital ingualmente em 10 porções. (D) passando por cada ponto equidistante, os planos frontais e a curva mid-sagital formam nove cruzamentos, resultando em uma soma de 11 pontos, juntamente com os dois pontos finais. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: medição da profundidade da concavidade da placa final e da área de superfície. (A) criar um plano paralelo ao plano x-y. (B) deslocar o plano até que seja tangente ao ponto mais côncavo, e a profundidade da concavidade da placa final é a distância perpendicular entre o ponto mais côncavo e o plano x-y. (C) desenhe uma linha ao longo das margens internas do anel epifisário para particionar a placa final na placa central e na borda epifisária. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: a reconstrução 3D e representações de uma placa de fim inferior. (A) a reconstrução 3D da superfície de placa de fim inferior gerada pelo software especialmente utilizado para reconstrução 3D e processamento de dados. (B) e (C) são as representações da placa de fim inferior gerada pelo software de análise e visualização de dados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Nível de placa de fim | Curva | Parâmetros | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 superior | Fac | 0 | 0 | -0, 128 | -0, 28 | 0, 2523 |
| Fmc | 0 | 0 | -0, 199 | 0, 74 | 0,3693 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0, 329 | 0, 739 | 0,5323 | |
| Slc | 0 | 0, 176 | -0, 113 | -0, 419 | -0, 419 | |
| Smc | 0, 11 | 0, 232 | -0, 16 | -0, 986 | 0,4712 | |
| Src | 0 | 0, 179 | -0, 96 | 0, 4451 | -0, 394 | |
| C6 inferior | Fac | 0 | -0, 1 | -0, 225 | 0, 594 | 1,223 |
| Fmc | 0 | 0 | -0, 16 | -0, 82 | 1,729 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0, 33 | -0, 33 | 1,404 | |
| Slc | 0, 12 | 0, 87 | -0, 347 | -0, 962 | 1,448 | |
| Smc | 0, 25 | 0, 64 | -0, 495 | -0, 331 | 1,846 | |
| Src | 0 | 0, 79 | -0, 295 | -0, 828 | 1,362 | |
Tabela 1: os parâmetros da equação para representar a curva da superfície da placa final. Somente os dados da sexta placa de fim vertebral cervical são alistados. PX = os parâmetros da equação. Em cada placa de extremidade, seis curvas de superfície foram escolhidas simetricamente; três destes estavam no plano frontal e denominadas a curva anterior (FAC), a curva média (FMC), e a curva do posterior (FPC); os outros três no plano sagital foram denominados curva esquerda (SLC), curva média (SMC) e curva direita (SRC). Parâmetros com um valor absoluto inferior a 0, 1 são representados como 0 aqui.
| Parâmetros | C3 inf | Sup C4 | C4 inf | Sup C5 | C5 inf | C6 sup | C6 inf | C7 sup |
| P00 | 1,989 | 0,4187 | 2, 4 | 0,3383 | 1,913 | 0,4276 | 1,779 | 0,5674 |
| P10 | -0, 22 | -0, 43 | 0, 542 | -0, 208 | -0, 111 | 0, 12 | -0, 43 | -0, 52 |
| P01 | -0, 356 | -0, 868 | -0, 537 | -0, 826 | -0, 257 | -0, 98 | -0, 407 | -0, 642 |
| P20 | 0, 1286 | -0, 252 | -0, 146 | -0, 299 | -0, 253 | -0, 264 | -0, 175 | -0, 88 |
| P11 | 0, 92 | 0, 71 | -0, 9 | 0, 18 | -0, 2 | -0, 12 | 0, 117 | 0, 21 |
| P02 | -0, 529 | -0, 151 | -0, 525 | -0, 12 | -0, 418 | -0, 142 | -0, 396 | -0, 134 |
| p30 | 0 | -0, 1 | 0, 13 | 0, 24 | 0, 17 | 0 | 0 | 0 |
| P21 | -0, 11 | 0, 299 | -0, 12 | 0, 363 | -0, 21 | 0, 306 | -0, 19 | 0, 194 |
| P12 | 0 | 0, 48 | -0, 4 | 0, 33 | 0, 14 | 0 | -0, 1 | 0 |
| P03 | 0, 62 | 0, 204 | 0, 89 | 0, 206 | 0, 46 | 0, 208 | 0, 77 | 0, 115 |
| P40 | 0, 2 | 0 | 0, 2 | 0 | 0, 24 | 0 | 0 | 0 |
| P31 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| P22 | 0, 17 | 0, 13 | 0 | 0, 15 | 0, 15 | 0, 17 | 0, 32 | 0 |
| P13 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| P04 | 0, 23 | 0, 13 | 0, 24 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tabela 2: os parâmetros da equação paramétrica representando a morfologia da superfície da placa final. PX = os parâmetros da equação; INF = placa de fim inferior; sup = placa de fim superior. Parâmetros com um valor absoluto inferior a 0, 1 são representados como 0 aqui. Esta tabela foi modificada de uma publicação anterior3.
| Medidas | Confiabilidade intratest | Medidas | RE vs paquímetro | ||
| APD | Primeiro-remeasurement | 15.76 ± 1,3 | APD | Re | 16.47 ± 1.31 |
| Remedição | 15.86 ± 1,61 | Pinça | 16.26 ± 1,27 | ||
| Icc | 0,85 | Alfa de Cronbach | 0,99 | ||
| Cmd | Primeiro-remeasurement | 19.71 ± | Cmd | Re | 20,7 ± 3,05 |
| Remedição | 19.41 ± 2,43 | Pinça | 20.45 ± 3.21 | ||
| Icc | 0,96 | Alfa de Cronbach | 0,99 | ||
Tabela 3: fiabilidade das medições. Os dados foram médios ± desvio padrão (mm). ICC = coeficiente de correlação intraclasse; APD = Diâmetro antero-posterior; CMD = diâmetro mediolateral central; RE = o sistema de engenharia reversa. Esta tabela foi modificada de uma publicação anterior. 3. º
| Valor das medições | N | Valor da coordenada Z | T | P | R |
| Pontos originais | 15 | 1,75 ± 0,87 | 0,26 | 0,8 | 0,98 |
| Pontos de comparação | 15 | 1,74 ± 0,91 |
Tabela 4: a validade do modelo geométrico que representa a morfologia da placa final. Os dados são representados como média ± desvio padrão (mm). Os pontos originais são 15 pontos selecionados aleatoriamente na imagem de reconstrução 3D original. Pontos de comparação = pontos correspondentes gerados automaticamente a partir de equações paramétricas; R = coeficiente de correlação.
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Discussion
A engenharia reversa tem sido cada vez mais aplicada com sucesso ao campo da medicina, como a cranioplastia20, oral21, e implantes maxilo-faciais21. As medições de engenharia reversa, a saber digitalização de superfície do produto, referem-se à conversão de informações de superfície em dados de nuvem de pontos empregando equipamentos e métodos de medição específicos. Com base nesses dados, a modelagem de superfície complexa, a avaliação, as melhorias e a fabricação podem ser executadas. A medição digital e o processamento de dados são uma tecnologia básica e chave usada na engenharia reversa.
Neste protocolo, a informação exata e detalhada da morfologia de placas finais vertebrais é gravada usando um sistema ótico non-contact da varredura da escala 3D, que seja baseado no Multifrequency do heterodyne, fase-deslocamento, tecnologia ótica da medida 3D. O scanner é feito principalmente de dispositivos de controle e uma medição óptica integrando duas câmeras e um projetor. Comparado com outros instrumentos de medição, o scanner é altamente preciso e eficiente e evita a digitalização ponto a ponto. Ao capturar dados de nuvem de pontos, a cabeça de digitalização geralmente não está em contato com o objeto, de tal forma que não há efeitos de deformação. A confiabilidade, a validade e a precisão do scanner para o registro da morfologia superficial foram bem estabelecidas2,3,22. A replicabilidade dessas medições foi verificada.
Para verificar a acurácia das medições realizadas pelo sistema de engenharia reversa, 20 placas finais foram mensuradas por meio de um paquímetro digital e avaliadas utilizando alfa de Cronbach. Para a confiabilidade intragrupo, 16 placas finais foram selecionadas aleatoriamente a partir das placas terminais vertebrais 138 e medidas duas vezes em intervalos de 2 semanas, depois avaliadas por meio de um coeficiente de correlação intraclasse. Os resultados mostraram grande concordância e confiabilidade (tabela 3). O software de engenharia reversa envolve medições poderosas, processamento de dados, detecção de erros e funções de edição de curva e superfície gratuitas. Pode igualmente inteligentemente e eficientemente construir e ajustar curvas e superfícies, e a reconstrução do modelo de superfície 3D contribui às medidas exatas23.
Existem aplicações importantes e consideráveis para dados detalhados e abrangentes de anatomia das vértebras, como projetar implantes espinhais, melhorar a fidelidade dos modelos de elementos finitos da coluna vertebral e desenvolver modelos matemáticos. A placa final vertebral é essencial para manter a integridade e função do disco intervertebral, e também serve como uma interface mecânica para transferir o stress. Portanto, a quantificação da geometria da placa final é importante. Com a ajuda da engenharia reversa, a morfologia da placa final pode ser quantificada inteligentemente e compreensiva. Neste protocolo, seis curvas características são ajustadas na superfície de cada placa de fim, e um sistema de coordenadas 3D é estabelecido para quantificar a morfologia espacial.
Além disso, um modelo paramétrico da placa de fim é desenvolvido para instituir avaliações quantitativas precisas e reprodutíveis e desenvolver modelos de elementos finitos biomecânicos personalizados. O modelo paramétrico da superfície dos placas pode produzir representações rápidas, realistas e precisas que podem ser visualizadas e convenientemente analisadas pelos pesquisadores.
A inclusão de mais pontos de referência melhorará a precisão, mas é demorado e dispendioso. Neste protocolo, propõe-se que 66 pontos de seis curvas superficiais sejam adequados para descrever as características morfológicas. Testes de confiabilidade também são conduzidos comparando valores de coordenadas de 15 pontos selecionados aleatoriamente com valores correspondentes que são gerados automaticamente a partir de equações paramétricas. O resultado revela que o modelo paramétrico tem boa confiabilidade e reprodutibilidade pode servir como uma representação realista da superfície da placa final (tabela 4). Deve-se notar que o modelo paramétrico pode ser derivado com base em outras modalidades de imagem, como TC e RM.
Como os scanners sem contato são suscetíveis à luz ambiente, é essencial manter a luz ambiente estável e as fontes de luz ativas são recomendadas. Se houver graxa residual na superfície da placa de fim, o pó de talco infantil deve ser levemente daubed para evitar o risco de ser afetado por características de reflectância espacial da superfície do objeto. As vértebras cervicais subaxiais têm um componente especial: a articulação uncovertebral. Para distingui-lo da placa de fim, um plano de melhor ajuste é definido usando o método menos quadrado. Em seguida, a curva de interseção formada pelo plano de melhor ajuste e a superfície da placa de fim é o limite entre a junta uncovertebral e a placa de fim superior (Figura 2D).
A operação específica é a seguinte: clique em iniciar > forma ≫ design de forma Generative. Clique no ícone de ponto na barra de ferramentas no lado direito e, em seguida, selecione os pontos mais anteriores e posteriores dos processos uncinados bilaterais na imagem 3D. Clique no ícone de plano e selecione média através de pontos no tipo de plano para definir o plano de melhor ajuste. Clique em iniciar > forma > reconstrução superficial rápida. Clique no ícone de seção planar e selecione a imagem 3D e o plano de melhor ajuste.
A marcação exata dos três pontos anatômicos na superfície da placa final ao estabelecer o sistema de coordenadas 3D é crítica. O software de engenharia reversa permite o deslocamento flexível da imagem de reconstrução e melhora o contraste que ajuda a identificar os marcos. Alternativamente, é importante avaliar a adequação do sistema de coordenadas com base em se a linha de interseção dos planos mid-sagital e coronal definidos é perpendicular à seção da placa de fim e, em seguida, ajustar o sistema de acordo. O teste intraobservador também foi avaliado, e o resultado indicou boa confiabilidade (tabela 3).
Este protocolo requer várias habilidades e técnicas, incluindo aquisição e processamento de dados em nuvem de pontos, reconstrução e análise de imagens e desenvolvimento de modelos paramétricos. Para um novato, pode levar tempo para concluir todo o processo. No entanto, como apenas alguns módulos do software neste protocolo são usados e o procedimento é modular, requer uma curva de aprendizado curta para se tornar bem experiente.
Em conclusão, o protocolo descrito fornece um método exato e reprodutível para obter dados detalhados e abrangentes da geometria de placas finais vertebrais. Um modelo paramétrico também é desenvolvido sem digitalizar muitos Marcos, o que é benéfico para projetar implantes espinhais personalizados, planejar atos cirúrgicos, fazer diagnósticos clínicos e desenvolver modelos precisos de elementos finitos.
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Disclosures
Os autores não declaram interesses financeiros concorrentes.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pelo projeto chave da construção da disciplina da Secretaria de saúde de Pudong de Shanghai (PWZxk2017-08) e pela Fundação Nacional da ciência natural de China (81672199). Os autores gostariam de agradecer a Wang lei por sua ajuda na revisão de uma versão anterior e li Zhaoyang por sua ajuda no desenvolvimento do modelo paramétrico.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Catia | Dassault Systemes, Paris, France | https://www.3ds.com/products-services/catia/ | 3D surface model reconstruction, free curve and surface editing and data processing |
| Geomagic Studio | Geomagic Inc., Morrisville, NC | https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301 | point cloud data processing |
| MATLAB | The MathWorks Inc., Natick,USA | https://www.mathworks.com/ | analyze data, develop algorithms, and create models |
| Optical 3D range flatbed scanner | Xi’an XinTuo 3D Optical Measurement Technology Co.Ltd., Xi’an, Shaanxi, China | http://www.xtop3d.com/ | acquire surface geometric parameters and convert into digital points |
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