Summary
Een reverse engineering systeem wordt gebruikt om gedetailleerde en uitgebreide geometriegegevens van Vertebrale eindplaten op te nemen en te verkrijgen. Parametrische modellen van Vertebrale eindplaat worden vervolgens ontwikkeld, die gunstig zijn voor het ontwerpen van gepersonaliseerde spinale implantaten, het maken van klinische diagnoses, en het ontwikkelen van nauwkeurige eindige element modellen.
Abstract
Gedetailleerde en uitgebreide meetkundige gegevens van eindplaten van wervels zijn belangrijk en noodzakelijk om de getrouwheid van eindige-element modellen van de wervelkolom, het ontwerp en de verbetering van spinale implantaten te verbeteren, en om degeneratieve veranderingen en biomechanica te begrijpen. In dit protocol wordt een High-Speed en uiterst nauwkeurige scanner gebruikt om morfologische gegevens van eindplaat-oppervlakken om te zetten in een Digital Point Cloud. In het software systeem wordt de puntenwolk verder verwerkt en in drie dimensies gereconstrueerd. Vervolgens wordt een meetprotocol uitgevoerd met een 3D-coördinatensysteem dat is gedefinieerd om elk punt een 3D-coördinaat, drie sagittale en drie frontale oppervlakte curven te maken die symmetrisch op het eindoppervlak zijn aangebracht, en 11 equidistante punten die in elke curve geselecteerd. Metingen en ruimtelijke analyses worden uiteindelijk uitgevoerd om geometrische gegevens van de eindplaten te verkrijgen. Parametervergelijkingen die de morfologie van bochten en oppervlakken vertegenwoordigen, worden op basis van de karakteristieke punten aangebracht. Het voorgestelde protocol, dat modulair is, biedt een nauwkeurige en reproduceerbare methode om geometrische gegevens van Vertebrale eindplaten te verkrijgen en kan in de toekomst helpen bij meer verfijnde morfologische studies. Het zal ook bijdragen aan het ontwerpen van gepersonaliseerde spinale implantaten, het plannen van chirurgische handelingen, het maken van klinische diagnoses en het ontwikkelen van nauwkeurige eindige element modellen.
Introduction
Een Vertebrale eindplaat is de superieure of inferieure schaal van het wervellichaam en dient als een mechanische interface om stress tussen de schijf en het wervellichaam over te brengen1. Het bestaat uit de Epifysaire RIM, een sterk en solide Bony labrum rond de buitenste rand van het wervellichaam, en de centrale eindplaat, die dun en poreus2is.
De wervelkolom is onderhevig aan een breed scala aan degeneratieve, traumatische en neoplastische aandoeningen, die chirurgische interventie kunnen rechtvaardigen. Onlangs zijn spinale apparaten zoals kunstmatige schijven en kooien op grote schaal gebruikt. Nauwkeurige en gedetailleerde Morfometrische parameters van eindplaten zijn noodzakelijk voor het ontwerp en de verbetering van spinale implantaten met effectieve prothese-vertebra contact en bot Botingroei potentiële3. Bovendien is informatie over de exacte vorm en geometrie van Vertebrale eindplaten belangrijk voor het begrijpen van de biomechanica. Hoewel de eindige-element modellering het mogelijk maakt om de echte wervels te simuleren en op grote schaal is gebruikt om fysiologische reacties van de wervelkolom te bestuderen op verschillende belastingscondities4, is deze techniek patiëntspecifiek en niet generaliseerbaar voor alle Wervels. Er is gesuggereerd dat de intrinsieke variabiliteit van de geometrie van wervels onder de algemene populatie moet worden overwogen bij de ontwikkeling van het eindige-element model5. Daarom zijn de geometrische parameters van eindplaten bevorderlijk voor de mesh-generatie en getrouwheids verbetering in eindige-element modellering.
Hoewel het belang van de matching van de geometrie van de eindplaat en het implantaat oppervlak in voorgaande studies6,7,8is besproken, zijn gegevens over de morfologie van de wervel uiteinden schaars. De meeste eerdere studies hebben nagelaten om de 3D-aard van de eindplaat9,10,11te onthullen. Een ruimtelijke analyse is nodig om de eindplaat morfologie12,13,14beter en volledig te verbeelden. Bovendien, de meeste studies hebben gebruikt lagere precisie meettechnieken10,15,16. Bovendien is significante vergroting gerapporteerd wanneer geometrie parameters worden gemeten met gebruik van radiografie of computertomografie (CT)17,18. Hoewel magnetische resonantie imaging (MRI) wordt beschouwd als niet-invasief, is het minder nauwkeurig bij het definiëren van de precieze marges van osseeuze structuren11. Door het ontbreken van een gestandaardiseerd meetprotocol zijn er grote verschillen tussen de bestaande meetkundige gegevens.
In de afgelopen jaren is reverse engineering, die de bestaande fysieke onderdelen in computergestuurde Solid-modellen kan digitaliseren, steeds meer toegepast op het gebied van de geneeskunde. De techniek maakt het mogelijk om een accurate representatie van het anatomische karakter van verfijnde wervels oppervlakken te ontwikkelen. Het reverse engineering systeem omvat twee subsystemen: het instrumentatie systeem en het software systeem. Het instrumentatie systeem dat in dit protocol is goedgekeurd, heeft een contactloze optische 3D-serie flatbedscanner, die zeer nauwkeurig is (Precision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 pixels). De scanner kan efficiënt (ingangstijd 3 s) de oppervlakte-morfologie informatie van het doelobject vastleggen en omzetten in Digital Point Cloud. Het software systeem (d.w.z. reverse engineering software) is een computer toepassing voor puntenwolkgegevens verwerking (zie tabel met materialen), 3D oppervlak model reconstructie, vrije curve en oppervlaktebewerking, en gegevensverwerking (Zie tabel van Materialen).
De doelstellingen van dit verslag zijn om (1) een meetprotocol en algoritme te bedenken om kwantitatieve parameters van Vertebrale eindplaten te verkrijgen op basis van een reverse engineering-techniek, (2) een wiskundig model te ontwikkelen dat een realistische representatie van Vertebrale eindplaten zonder te veel bezienswaardigheden te digitaliseren. Deze methoden zullen gunstig zijn voor de planning van chirurgische handelingen en eindige-element modellering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deze studie werd goedgekeurd door de Raad voor gezondheidsonderzoek ethiek van het auteurs Instituut. Aangezien cervicale wervel beenderen meer ingewikkelde vormen19hebben, gebruikt het protocol de halswervels als illustratie om relevant onderzoek te faciliteren.
1. voorbereiding van materialen, Scanning en beeldverwerking
- Verzamel een droge halswervel zonder pathologische vervorming of gebroken delen.
- Plaats de wervel verticaal in het perron van de scanner (Figuur 1, Zie tabel met materialen), met de eindplaat naar de camera lens gericht. Gebruik de actieve lichtbron van de scanner. Start vervolgens het scanproces om puntenwolkgegevens te verkrijgen (. ASC-formaat).
Opmerking: pas de scanner en de positie van de wervel af volgens de pre-Scan beelden om zo veel mogelijk oppervlaktemorfologie informatie vast te leggen. - Open de software die speciaal wordt gebruikt voor het verwerken van punt wolken (Zie tabel met materialen). Klik op importeren om de puntenwolkgegevens te importeren en de digitale afbeelding van de wervel te genereren. Stel de samplefrequentie in op 100%, selecteer volledige gegevens bij bemonstering behouden, selecteer de gegevenseenheid als millimeters en klik op schaduw punten. Selecteer met het gereedschap Lasso selecteren overbodige punten op de afbeelding en klik op verwijderen om ze te verwijderen. Klik op Ruis reduceren en stel het gladheid niveau in op het maximum om ruis en pieken te reduceren (Figuur 2a, B).
Opmerking: er zijn basisinstructies voor de bediening van de software aan de onderkant van de GUI (Graphical User Interface). Lawaai punten met duidelijke scherpe sporen lateraal of verticaal moeten worden verwijderd om fouten te verminderen. - Klik op Inpakken om de afbeeldingsgegevens in het. stl-indelingsbestand te verpakken om de punt wolk om te zetten in mesh, waardoor een puntobject wordt omgezet in een veelhoek object.
Opmerking: reverse engineering-software accepteert meestal. stl-stijl 3D-indeling. - Open de software die speciaal wordt gebruikt voor 3D-reconstructie en gegevensverwerking (Zie tabel met materialen). Klik op bestand en vervolgens op Nieuw in het submenu. Selecteer onderdeel in de lijst met typen. Klik op Start, vervolgens op vorm in het submenu en vervolgens op gedigitaliseerde vorm-editor. Klik op het pictogram importeren in de werkbalk aan de rechterkant van de GUI. Selecteer in het venster importeren het . stl -indelingsbestand en klik op toepassen > OK. Klik op Alles aanpassen in het pictogram in de werkbalk onderaan om de gereconstrueerde afbeelding te laden in het hoofdvenster van de presentatie software.
Opmerking: stappen 1.5 – 2.3.3 worden uitgevoerd met dezelfde software. - Klik op activeren in de werkbalk aan de rechterkant. Selecteer in het venster activeren de trap modus ≫ veelhoekige type > binnentrap. Selecteer vervolgens de Vertebrale eindplaat op de 3D-afbeelding om overbodige wervel componenten te verwijderen, zoals de posterieure elementen en osteophyten (figuur 2c).
2. kwantificering van de 3D-morfologie van de eindplaat
- Het 3D-coördinatensysteem van de eindplaat definiëren
- Klik op > vorm starten in het submenu en vervolgens op generatief vorm ontwerp. Klik op het pictogram punt in de werkbalk aan de rechterkant. Markeer drie anatomische monumenten op de Epifysaire RIM: de eerste twee zijn de linker-en rechter eindpunten van de eindplaat, respectievelijk; de derde is het voorste mediane punt.
- Klik op het lijn pictogram in de werkbalk aan de rechterkant en selecteer de twee afsluitende rand eindpunten om een posterieure frontale lijn te definiëren. Klik op het vlak pictogram, selecteer het vliegtuigtype dat normaal is voor de curve, selecteer vervolgens de achterste frontale lijn en het voorste middenpunt om het mid-sagittale vlak te definiëren.
- Klik op Start > shape > snelle reconstructie van het oppervlak. Klik op het Planar sectie -pictogram, Voer 1 in de getal optie en selecteer vervolgens de eindplaat afbeelding en mid-Sagittaal vlak om een kruisende curve te genereren. Klik op Curve in het Scan pictogram en selecteer het snijpunt van de kruisende curve en de achterste epifydiserim. Definieer de kruising als het achterste mediane punt.
- Klik op begin > vorm ≫ generatieve vorm ontwerp. Klik op het lijn pictogram en selecteer het voorste middenpunt en het achterste middenpunt om een mid-sagittale diameter te definiëren. Klik op het pictogram punt en vervolgens op de herhaling van punten en vlakken in het submenu. Selecteer vervolgens de mid-sagittale diameter en voer 1 in de instantie (s) optie om het middelpunt van de mid-sagittale diameter te definiëren.
- Klik op het pictogram Axis System in de werkbalk onderaan. Selecteer vervolgens het middelpunt van de mid-sagittale diameter als de oorsprong, de lijn evenwijdig aan de achterste frontale lijn als de x-as, de mid-sagittale diameter als de y-as, en de lijn naar voren gericht en loodrecht op het x-y-vlak als de z-as (Figuur 3 ).
Opmerking: de twee afsluitende Edge-eindpunten worden gekozen als referentiepunten omdat ze consistent zijn en minimale variatie vertonen in de aanwezigheid van osteophyten10.
- Montage van karakteristieke curven en punten op het eindoppervlak (figuur 4a – D)
- Klik op het pictogram punt en vervolgens op de herhaling van punten en vlakken in het submenu. Selecteer de mid-sagittale diameter en voer 3 in de instantie (s) optie in om de mid-sagittale diameter gelijkmatig in vier delen te verdelen.
- Klik op Start ≫ Shape ≫ snelle reconstructie van het oppervlak. Klik op het Planar-sectie pictogram, Voer 1 in de getal optie in en selecteer vervolgens de eindplaat afbeelding en het x-z-vlak om een kruisende curve te genereren. Klik op Curve in het Scan pictogram en selecteer de twee kruisingen van het x-z-vlak en de Epifysaire RIM.
- Definieer de lijn tussen de twee kruispunten als de mid-frontale diameter. Verdeel op dezelfde manier de mid-frontale diameter gelijkmatig in vier delen.
Opmerking: wanneer de eindplaat niet symmetrisch is ten opzichte van het vlak van de med-sagittal, kiest u een van de twee eindpunten van de mid-frontale kromme die een kortere verticale afstand tot het z-y-vlak heeft. Definieer vervolgens de mid-frontale diameter als 2x de lengte van de kortere, en verdeel het gelijkmatig in vier delen. - Klik op het pictogram meten tussen in de werkbalk onderaan om de lengte van een kwart van de mid-sagittale diameter te meten. Klik op het Planar sectie -pictogram, Voer 2 in de getal optie, voer de gemeten waarde in de stap optie en selecteer vervolgens de eindplaat afbeelding en het x-z-vlak om twee aanpassings curven aan één kant van het frontale deel te genereren. Klik op wisselen om twee aanpassings curven aan de andere kant te genereren. Op dezelfde manier, verkrijgen van de andere drie fitting curven in het sagittale vlak.
Opmerking: de twee mid-frontale fitting curven overlappen met de twee mid-sagittal fitting curven. - Selecteer 11 equidistante punten in elke curve voor volgende metingen. De specifieke methode is als volgt:
- Als u de mid-sagittale curve als voorbeeld neemt, verdeelt u de mid-sagittale diameter gelijkmatig in 10 delen, wat resulteert in een som van 11 punten, waaronder negen tussenliggende punten en twee endpoints (zie stap 2.1.3 en 2.2.1).
- Ga door elk equidistante punt en verkrijg negen passende curven op het oppervlak van het eindplaat (zie stap 2.2.2). Klik op Curve in het Scan pictogram en selecteer het snijpunt van de fitting curves en de mid-sagittale curve. Tot slot, verkrijgen van een totaal van 66 punten op elke eindplaat (11 punten per curve vermenigvuldigd met zes curven). Klik op het pictogram item meten in de werkbalk onderaan om de coördinaten van elk punt te meten.
- Meting van de morfologische parameters van de eindplaat
- Regel parameter:
- Klik op het pictogram meten tussen om de lengte van de regel parameter te meten die de afstand tussen twee gemeten punten is.
- Parameters voor de concaviteit:
- Een vlak maken dat evenwijdig is aan het x-y-vlak (figuur 5a): Klik op Start ≫ vorm > generatief vorm ontwerp. Klik op het schets pictogram in de werkbalk aan de rechterkant en klik vervolgens op het x-y-vlak. Klik op het cirkel pictogram, klik op oorsprong op het oppervlak van de eindplaat, Sleep de cursor van de muis naar de gewenste afstand en klik vervolgens op. Klik op het pictogram Workbench afsluiten , vervolgens op het pictogram vulling en klik vervolgens op.
- Klik op het pictogram verschuiving , selecteer het gevulde vlak en voer een geschikte waarde in de optie verschuiving in totdat deze raakt aan het meest holle deel en zoom in. Klik op Start > shape > snelle reconstructie van het oppervlak. Klik vervolgens op het 3D-Curve pictogram om het meest holle punt te vinden en te maken. Klik op het pictogram van het meet item om de coördinaten van het meest holle punt te meten (Figuur 5b).
- Klik op het pictogram meten tussen en selecteer vervolgens het meest holle punt en het x-y-vlak om de diepte van de hele eindplaat te meten. Op dezelfde manier u de meest holle diepte op een bepaald vlak vinden en maken en de coördinaten ervan meten.
- Klik op het projectie pictogram in de werkbalk aan de rechterkant en selecteer vervolgens het meest holle punt en het x-y-vlak om het projectieve punt te verkrijgen. Klik op het pictogram meet item om de coördinaten van het projectieve punt te meten en bepaal de verdeling op basis van de coördinaten.
- Parameters voor Surface Area:
- Klik op het pictogram traagheids meting in de werkbalk onderaan en klik op het oppervlak van de eindplaat om het gebied te meten. Klik op het pictogram activeren en selecteer de centrale eindplaat langs de binnenste marges van de Epifysaire ring (zie stap 1,6) en klik vervolgens op het pictogram traagheids meting om het gebied te meten (figuur 5c). Klik op het pictogram activeren , vervolgens op de centrale eindplaat en ten slotte op het pictogram wisselen in het venster activeren om een Epifysaire RIM te verkrijgen. Meet dan zijn gebied.
- Regel parameter:
3. ontwikkeling van het eindplaat oppervlak wiskundig model
- Bepalen van de volgorde van de parametervergelijking
- Open de software voor gegevensanalyse en visualisatie (Zie tabel met materialen). Invoer x = [corresponderende gegevens] in het opdrachtvenster. Klik op Enter.
Opmerking: de "corresponderende gegevens" verwijst naar x-coördinaat gegevens van de 11 karakteristieke punten in één curve die in de vorige stappen is gemeten. Klik op Enter na het invoeren van elke opdracht, met hetzelfde toepassen op de volgende bewerkingen. De stappen 3.1 – 5.5 worden uniform uitgevoerd met dezelfde software. - Op dezelfde manier, input z = [bijbehorende gegevens].
- Voer de code in voor i = 1:5 Z2 = polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); als som ((Z-z). ^ 2) < 0.01 C =i break; eind einde.
Opmerking: het protocol stelt de fout som van de kwadraten onder 0,01 om een hogere precisie te verkrijgen, waarvan de waarde kan worden aangepast om te voldoen aan verschillende eisen. - Klik op Enter om een C-waarde te verkrijgen die de gewenste volgorde is.
- Open de software voor gegevensanalyse en visualisatie (Zie tabel met materialen). Invoer x = [corresponderende gegevens] in het opdrachtvenster. Klik op Enter.
- Parameter vergelijking passend
- Invoer cftool en klik op Enter om de curve fitting tool te brengen.
- Voer de coördinaten van een curve in het opdrachtvenster in (Zie de stappen 3.1.1 en 3.1.2). Selecteer in het gereedschap curve aanpassen x-coördinaat gegevens bij het monteren van frontale vlak curven en y-coördinaat gegevens bij het monteren van sagittale vlak curven in de x-gegevens optie, selecteer z-coördinaat gegevens in de y-gegevens optie, selecteer veeltermen voer de fit-volgorde in Verkregen. Vervolgens zal de software de parametervergelijking en de goedheid van fit automatisch uitvoeren.
Notes: omdat de curve een 2D-afbeelding is, is de standaardwerk optie de x-en y-opties in het gereedschap curve aanpassen bij het aanpassen van een curve. - Voer op dezelfde manier de 3D-coördinaten van de 66 punten in en match de coördinaten gegevens met de corresponderende Asopties. Selecteer veelterm en voer de passende volgorde in om de parametervergelijking van het eindplaat oppervlak te verkrijgen (Figuur 6b).
4. verwerving van geometrische gegevens op basis van parametervergelijking
- Voer x-en y-coördinaatwaarden in van elk punt op de eindplaat in het opdrachtvenster.
- Ingang Px1, px2, px3....
Opmerking: PX is de parameters van de parametervergelijking die zijn aangebracht met behulp van veelterm in de bovenstaande stappen. - Voer de vergelijking in en klik op Enter om het resultaat te verkrijgen (dat wil zeggen, invoerformaat: 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. weergave van de eindplaat op basis van parametervergelijking
- Ingang Px1, px2, px3.... in het opdrachtvenster.
- Voer de code in X = N1: 0.01: N2;.
Opmerking: N1– n2 is het bereik van X-as-gegevens (d.w.z. de waarden van de twee eindpunten van de themid-coronale curve). - Voer de code in "Y = N3: 0.01: N4;".
- Voer de vergelijking in (d.w.z. 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;).
- Voer de code ezmesh (z, [n1, n2, n3, n4]) in om 3D-simulatie afbeeldingen te verkrijgen (figuur 6c).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Met behulp van de uiterst nauwkeurige Optical 3D Range flatbedscanner werden de eindplaten omgebouwd tot meer dan 45.000 digitale punten, die de morfologie adequaat karakteriseren (Figuur 2a, B).
In het Measurement protocol werd de ruimtelijke analyse van eindplaat oppervlakken uitgevoerd. Representatieve bochten werden op het oppervlak aangebracht en gekwantificeerd om de morfologie te karakteriseren (figuur 4b). De lineaire parameters werden gemeten door de afstand tussen twee eindpunten te berekenen. De verkregen metingen omvatten de diepte van de concaat en de plaats van de Apex in het midden van het Sagittaal vlak, naast die van de gehele holte van het eind plaatje en een specifieke sectie (Figuur 5b). De componenten van eindplaten, Epifysaire RIM en centrale eindplaat werden gescheiden (figuur 5c), en hun lengtes en gebieden werden gemakkelijk verkregen.
Een totaal van 138 halswervel eindplaten werden gedigitaliseerd en geanalyseerd, en het wiskundige model van de eindplaat werd vastgesteld. Het protocol stelt de som van de kwadratische fout onder 0,01, en werd geconcludeerd dat het gebruik van de vier-orde polynomiale functie tevredenheid kon bereiken.
De parametervergelijking van elke curve werd afgeleid op basis van de coördinaten van 11 punten: f (x) = P1* x ^ 4 + P2* x ^ 3 + p3* x ^ 2 + p4* x + P5. P1, p2, p3, p4 en p5 waren de parameters, waarvan de exacte waarden worden weergegeven in tabel 1.
De parametervergelijking die de morfologische eigenschappen van het eindplaat oppervlak weergeeft, is:
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
Waar: PXYs zijn de parameters, die werden afgeleid uit de vooraf gemeten coördinaten van 66 punten (tabel 2).
Afbeelding 1: het contactloze optische 3D-bereik flatbedscanner. De scanner, die is gebaseerd op hetero Dyne Multifrequentie phase shift 3D optische meettechnologie, omvat optische meting (integratie rond twee camera's en een projector) en bedieningsapparaten. De precisie van dit instrument is 0,02 mm en de pixels zijn 1628 x 1236. De scanner kan efficiënt (ingangstijd 3 s) de oppervlakte geometrie van een doelobject digitaliseren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: de punt wolk van het wervel oppervlak en de 3D-reconstructie van de eindplaat. A) en (B) de inferieure en superieure oppervlakken zijn van een halswervel die wordt gegenereerd door de software die speciaal wordt gebruikt voor het verwerken van punt wolken, respectievelijk. (C) en (D) zijn de 3D-reconstructie van de inferieure en superieure eindplaten die worden gegenereerd door de software die speciaal wordt gebruikt voor respectievelijk 3D-reconstructie en gegevensverwerking. De posterieure elementen en osteophyten worden uit de wervels verwijderd, waardoor alleen de eindplaat wordt verlaten. Het best passende vlak wordt gedefinieerd door de voorste-meest en achterste-meeste punten van de bilaterale uncinate processen, en de twee curven gevormd door de best-fit vlak en eindplaat zijn de grenzen van de uncovertebrale gewricht en caudal eindplaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: definitie van het eindplaat 3D-coördinatensysteem. Markering van drie anatomische monumenten op de Epifysaire RIM: de eerste twee zijn de linker-en rechter eindpunten van respectievelijk de eind rand van de eindplaat; de derde is het voorste mediane punt. De achterste frontale lijn wordt gevormd door de twee afsluitende rand eindpunten, die het mid-sagittale vlak met het voorste mediane punt definiëren. Het achterste middenpunt wordt bepaald door het mid-sagittale vlak en de achterste epifydiale rand, die de mid-sagittale diameter vormt met het voorste mediane punt. De oorsprong is het middelpunt van de mid-sagittale diameter. De y-as wordt bepaald door de mid-sagittale diameter en naar voren gericht. De x-as is de lijn evenwijdig aan de achterste frontale lijn. De z-as is normaal voor het x-y-vlak. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: de stappen van het monteren van karakteristieke bochten en punten op het oppervlak van de eindplaat. A) verdeel de mid-sagittale diameter en de mid-frontale diameter gelijkmatig in vier delen. (B) Ga door elk equidistante punt en kies zes oppervlakte curven symmetrisch, waarvan er drie de snij curven van het frontale vlak en het eindplaat oppervlak zijn, en de andere drie in het sagittale vlak. C) verdeel de mid-sagittale diameter gelijkmatig in 10 delen. D) het doorlopen van elk equidistante punt, de frontale vlakken en de mid-sagittale curve vormen negen kruisingen, resulterend in een som van 11 punten, samen met de twee eindpunten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: meting van de diepte van de eindplaat en het oppervlak. A) een vlak maken dat evenwijdig is aan het x-y-vlak. B) het vlak verschuiven totdat het het meest holle punt raakt, en de diepte van de eindplaat concaaf is de loodrechte afstand tussen het meest holle punt en het x-y vlak. (C) Trek een lijn langs de binnenmarges van de epifylose ring om de eindplaat in de centrale eindplaat en epifylose velg te partitioneren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: de 3D-reconstructie en representaties van een inferieure eindplaat. A) de 3D-reconstructie van het inferieure eindplaat-oppervlak dat wordt gegenereerd door de software die speciaal wordt gebruikt voor 3D-reconstructie en gegevensverwerking. B) en (C) zijn de representaties van de inferieure eindplaat die wordt gegenereerd door de software voor gegevensanalyse en visualisatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Niveau van eindplaat | Curve | Parameters | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 Superior | Fac | 0 | 0 | -0,0128 | -0,0028 | 0,02523 |
| Fmc | 0 | 0 | -0,0199 | 0,00074 | 0,3693 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0,0329 | 0,00739 | 0,5323 | |
| Slc | 0 | 0,00176 | -0,0113 | -0,0419 | -0,0419 | |
| Smc | 0,00011 | 0,00232 | -0,016 | -0,0986 | 0,4712 | |
| Src | 0 | 0,00179 | -0,0096 | 0,04451 | -0,0394 | |
| C6 inferieur | Fac | 0 | -0,0001 | -0,0225 | 0,00594 | 1,223 |
| Fmc | 0 | 0 | -0,016 | -0,0082 | 1,729 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0,0033 | -0,0033 | 1,404 | |
| Slc | 0,00012 | 0,00087 | -0,0347 | -0,0962 | 1,448 | |
| Smc | 0,00025 | 0,00064 | -0,0495 | -0,0331 | 1,846 | |
| Src | 0 | 0,00079 | -0,0295 | -0,0828 | 1,362 | |
Tabel 1: de parameters van de vergelijking om de curve van het eindplaat oppervlak weer te geven. Alleen de gegevens van de zesde halswervel eindplaat worden vermeld. PX = de parameters van de vergelijking. Op elke eindplaat werden zes oppervlakte curves symmetrisch gekozen; drie van deze waren in het frontale vlak en noemde de voorste kromme (FAC), middelste kromme (FMC) en posterieure curve (FPC); de andere drie in het sagittale vlak werden de linker kromme (SLC), middelste curve (SMC) en rechter curve (SRC) genoemd. Parameters met een absolute waarde van minder dan 0,0001 worden hier weergegeven als 0.
| Parameters | C3 inf | C4 sup | C4 inf | C5 sup | C5 inf | C6 sup | C6 inf | C7 sup |
| P00 | 1,989 | 0,4187 | 2,004 | 0,3383 | 1,913 | 0,4276 | 1,779 | 0,5674 |
| P10 | -0,0022 | -0,0043 | 0,00542 | -0,0208 | -0,0111 | 0,0012 | -0,0043 | -0,0052 |
| P01 | -0,0356 | -0,0868 | -0,0537 | -0,0826 | -0,0257 | -0,098 | -0,0407 | -0,0642 |
| P20 | 0,01286 | -0,0252 | -0,0146 | -0,0299 | -0,0253 | -0,0264 | -0,0175 | -0,0088 |
| p11 | 0,00092 | 0,00071 | -0,0009 | 0,00018 | -0,0002 | -0,0012 | 0,00117 | 0,00021 |
| P02 | -0,0529 | -0,0151 | -0,0525 | -0,012 | -0,0418 | -0,0142 | -0,0396 | -0,0134 |
| P30 | 0 | -0,0001 | 0,00013 | 0,00024 | 0,00017 | 0 | 0 | 0 |
| P21 | -0,0011 | 0,00299 | -0,0012 | 0,00363 | -0,0021 | 0,00306 | -0,0019 | 0,00194 |
| P12 | 0 | 0,00048 | -0,0004 | 0,00033 | 0,00014 | 0 | -0,0001 | 0 |
| p03 | 0,00062 | 0,00204 | 0,00089 | 0,00206 | 0,00046 | 0,00208 | 0,00077 | 0,00115 |
| P40 | 0,0002 | 0 | 0,0002 | 0 | 0,00024 | 0 | 0 | 0 |
| P31 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| P22 | 0,00017 | 0,00013 | 0 | 0,00015 | 0,00015 | 0,00017 | 0,00032 | 0 |
| P13 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| p04 | 0,00023 | 0,00013 | 0,00024 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tabel 2: de parameters van de parametervergelijking die de morfologie van het eindplaat oppervlak representeren. PX = de parameters van de vergelijking; inf = inferieure eindplaat; sup = superieure eindplaat. Parameters met een absolute waarde van minder dan 0,0001 worden hier weergegeven als 0. Deze tabel is gewijzigd van een vorige publicatie3.
| Metingen | Intratste betrouwbaarheid | Metingen | RE VS remklauw | ||
| Apd | Eerste hermeting | 15.76 ± 1,3 | Apd | Opnieuw | 16.47 ± 1.31 |
| Herwaardering nettopensioenverplichting | 15.86 ± 1.61 | Remklauw | 16.26 ± 1.27 | ||
| Icc | 0,85 | Cronbach alpha | 0,99 | ||
| Cmd | Eerste hermeting | 19.71 ± 2.47 | Cmd | Opnieuw | 20,7 ± 3,05 |
| Herwaardering nettopensioenverplichting | 19.41 ± 2.43 | Remklauw | 20.45 ± 3.21 | ||
| Icc | 0,96 | Cronbach alpha | 0,99 | ||
Tabel 3: betrouwbaarheid van de metingen. De gegevens waren gemiddeld ± standaarddeviatie (mm). ICC = intra-klasse correlatiecoëfficiënt; APD = Antero-posterieure diameter; CMD = Center Mediolaterale diameter; RE = het reverse engineering systeem. Deze tabel is gewijzigd van een vorige publicatie. 3
| Meetwaarde | N | Z-coördinaat waarde | T | P | R |
| Originele punten | 15 | 1.75 ± 0,87 | 0,26 | 0,8 | 0,98 |
| Vergelijkingspunten | 15 | 1,74 ± 0.91 |
Tabel 4: de geldigheid van het geometrische model dat de eindplaat morfologie weergeeft. De gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± standaarddeviatie (mm). De oorspronkelijke punten zijn 15 willekeurig geselecteerde punten op de originele 3D reconstructie afbeelding. Vergelijkingspunten = overeenkomstige punten automatisch gegenereerd uit parametervergelijkingen; R = correlatiecoëfficiënt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Reverse engineering is steeds en met succes toegepast op het gebied van de geneeskunde, zoals cranioplastiën20, Oral21, en maxillofaciale implantaten21. Reverse engineering-metingen, namelijk productoppervlak digitalisering, verwijst naar de conversie van oppervlakte informatie naar puntenwolkgegevens die gebruikmaken van specifieke meetapparatuur en-methoden. Op basis van dergelijke gegevens kunnen complexe oppervlakte modellering, evaluatie, verbeteringen en fabricage worden uitgevoerd. Digitale meting en gegevensverwerking zijn een basis-en sleuteltechnologie die wordt gebruikt in reverse engineering.
In dit protocol worden nauwkeurige en gedetailleerde morfologie informatie van Vertebrale eindplaten geregistreerd met behulp van een contactloze optische 3D-bereik scanning systeem, dat is gebaseerd op hetero Dyne Multifrequentie, Phase-shift, 3D optische meettechnologie. De scanner is voornamelijk gemaakt van bedieningsapparaten en een optische meting die twee camera's en een projector integreert. Vergeleken met andere meetinstrumenten is de scanner uiterst nauwkeurig en efficiënt en vermijdt u point-by-Point scanning. Bij het vastleggen van puntenwolkgegevens is de scankop meestal niet in contact met het object, zodat er geen vervormingseffecten zijn. De betrouwbaarheid, geldigheid en nauwkeurigheid van de scanner voor het vastleggen van de morfologie van het oppervlak zijn goed vastgesteld op2,3,22. De replicabiliteit van deze metingen is geverifieerd.
Om de nauwkeurigheid van metingen door het reverse engineering systeem te controleren, werden 20 eindplaten gemeten met behulp van een digitale remklauw en geëvalueerd met behulp van Cronbach alpha. Voor de intra-test betrouwbaarheid werden 16 eindplaten willekeurig geselecteerd uit de 138 Vertebrale eindplaten en tweemaal gemeten met intervallen van 2 weken, vervolgens beoordeeld met behulp van een intra-klasse correlatiecoëfficiënt. De resultaten toonden grote instemming en betrouwbaarheid (tabel 3). Reverse engineering-software omvat krachtige metingen, gegevensverwerking, foutdetectie en vrije curve-en oppervlakte bewerkingsfuncties. Het kan ook op intelligente en efficiënte wijze curven en oppervlakken construeren en aanpassen, en de reconstructie van het 3D-oppervlakte model draagt bij aan nauwkeurige metingen23.
Er zijn belangrijke en aanzienlijke toepassingen voor gedetailleerde en uitgebreide anatomie gegevens van wervels, zoals het ontwerpen van spinale implantaten, het verbeteren van de getrouwheid van eindige element modellen van de wervelkolom, en het ontwikkelen van wiskundige modellen. De wervel eindplaat is essentieel voor het behoud van de integriteit en functie van de tussenwervelschijf, en het fungeert ook als een mechanische interface voor overdracht van stress. Daarom is de kwantificering van de geometrie van de eindplaat belangrijk. Met behulp van reverse engineering kan de eindplaat morfologie intelligent en uitvoerig worden gekwantificeerd. In dit protocol worden zes karakteristieke curven op het oppervlak van elke eindplaat aangebracht en wordt een 3D-coördinatensysteem ingesteld om de ruimtelijke morfologie te kwantificeren.
Daarnaast is een parametrisch model van de eindplaat ontwikkeld om nauwkeurige en reproduceerbare kwantitatieve evaluaties te maken en om gepersonaliseerde biomechanische eindige-element modellen te ontwikkelen. Het parametrische model van platen Surface kan snelle, realistische en nauwkeurige representaties produceren die door onderzoekers kunnen worden gevisualiseerd en gemakkelijk geanalyseerd.
Het opnemen van meer bezienswaardigheden zal de precisie verbeteren, maar het is tijdrovend en kostbaar. In dit protocol wordt voorgesteld dat 66 punten van zes oppervlakte curves toereikend zijn om de morfologische kenmerken te beschrijven. Betrouwbaarheidstests worden ook uitgevoerd door het vergelijken van coördinaatwaarden van 15 willekeurig geselecteerde punten met bijbehorende waarden die automatisch worden gegenereerd uit parametervergelijkingen. Het resultaat blijkt dat het parametrische model een goede betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid heeft, kan dienen als een realistische weergave van het eindplaat oppervlak (tabel 4). Opgemerkt moet worden dat het parametrische model kan worden afgeleid op basis van andere beeldvormings modaliteiten zoals CT en MRI.
Omdat contactloze scanners gevoelig zijn voor omgevingslicht, is het van cruciaal belang om het omgevingslicht stabiel te houden, en actieve lichtbronnen worden aanbevolen. Als er residu vet op het oppervlak van de eindplaat, infantiele talkpoeder moet worden daubed zachtjes om te voorkomen dat het risico van wordt beïnvloed door ruimtelijke reflectie kenmerken van het object oppervlak. De subaxiale halswervels hebben een speciale component: het uncovertebrale gewricht. Om het te onderscheiden van de eindplaat, wordt een Best passend vlak gedefinieerd met behulp van de minst-kwadratische methode. Vervolgens is de snij curve gevormd door het best passende vlak en het eindoppervlak is de grens tussen de uncovertebrale verbinding en de superieure eindplaat (figuur 2D).
De specifieke bewerking is als volgt: Klik op Start > vorm ≫ generatieve vorm ontwerp. Klik op het punt pictogram in de werkbalk aan de rechterkant en selecteer vervolgens de voorste-meest en achterste-meeste punten van de bilaterale uncinate processen op de 3D-afbeelding. Klik op het vlak pictogram en selecteer gemiddelde door punten in het vlak type om het best passende vlak te definiëren. Klik op Start > shape > snelle reconstructie van het oppervlak. Klik op het Planar-sectie pictogram en selecteer vervolgens de 3D-afbeelding en het best passende vlak.
Nauwkeurige markering van de drie anatomische punten op het oppervlak van de eindplaat bij het vaststellen van het 3D-coördinatensysteem is van cruciaal belang. De reverse engineering software zorgt voor een flexibele verschuiving van de reconstructie beeld en verbetert het contrast dat helpt bij het identificeren van de bezienswaardigheden. Als alternatief is het belangrijk om de geschiktheid van het coördinatenstelsel te beoordelen op basis van de vraag of de kruisende lijn van de gedefinieerde mid-sagittale en coronale vlakken loodrecht op het eindplaat gedeelte staat en vervolgens het systeem dienovereenkomstig aan te passen. Ook de intra-Observer testen werden beoordeeld en het resultaat gaf een goede betrouwbaarheid aan (tabel 3).
Dit protocol vereist meerdere vaardigheden en technieken, waaronder puntenwolkgegevens verzameling en-verwerking, beeld reconstructie en-analyse, en parametrische modelontwikkeling. Voor een beginner kan het tijd duren om het hele proces te voltooien. Echter, omdat slechts een paar modules van de software in dit protocol worden gebruikt en de procedure modulair is, vereist het een korte leercurve om goed ervaren te worden.
Concluderend, het beschreven protocol biedt een nauwkeurige en reproduceerbare methode om gedetailleerde en uitgebreide geometriegegevens van Vertebrale eindplaten te verkrijgen. Er wordt ook een parametrisch model ontwikkeld zonder te veel bezienswaardigheden te digitaliseren, wat gunstig is voor het ontwerpen van gepersonaliseerde spinale implantaten, het plannen van chirurgische handelingen, het maken van klinische diagnoses en het ontwikkelen van nauwkeurige eindige element modellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door Key discipline bouw project van Pudong Health Bureau van Shanghai (PWZxk2017-08) en de National Natural Science Foundation of China (81672199). De auteurs willen Wang Lei bedanken voor zijn hulp bij het proeflezen van een eerdere versie en Li Zhaoyang voor zijn hulp bij het ontwikkelen van het parametrische model.
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 |
References
- Wang, Y., Battie, M. C., Boyd, S. K., Videman, T. The osseous endplates in lumbar vertebrae: Thickness, bone mineral density and their associations with age and disk degeneration. Bone. 48, 804-809 (2011).
- Wang, Y., Battie, M. C., Videman, T. A morphological study of lumbar vertebral endplates: radiographic, visual and digital measurements. European Spine Journal. 21, 2316-2323 (2012).
- Feng, H., et al. Morphometry evaluations of cervical osseous endplates based on three dimensional reconstructions. International Orthopaedics. , (2018).
- Liebschner, M. A., Kopperdahl, D. L., Rosenberg, W. S., Keaveny, T. M. Finite element modeling of the human thoracolumbar spine. Spine (Phila Pa 1976). 28, 559-565 (2003).
- Niemeyer, F., Wilke, H. J., Schmidt, H. Geometry strongly influences the response of numerical models of the lumbar spine--a probabilistic finite element analysis. Journal of Biomechanics. 45, 1414-1423 (2012).
- Lin, C. Y., Kang, H., Rouleau, J. P., Hollister, S. J., Marca, F. L. Stress analysis of the interface between cervical vertebrae end plates and the Bryan, Prestige LP, and ProDisc-C cervical disc prostheses: an in vivo image-based finite element study. Spine (Phila Pa 1976). 34, 1554-1560 (2009).
- Cao, J. M., et al. Clinical and radiological outcomes of modified techniques in Bryan cervical disc arthroplasty. Journal of Clinical Neuroscience. 18, 1308-1312 (2011).
- de Beer, N., Scheffer, C. Reducing subsidence risk by using rapid manufactured patient-specific intervertebral disc implants. The Spine Journal. 12, 1060-1066 (2012).
- Chen, H., Zhong, J., Tan, J., Wu, D., Jiang, D. Sagittal geometry of the middle and lower cervical endplates. European Spine Journal. 22, 1570-1575 (2013).
- Tan, S. H., Teo, E. C., Chua, H. C. Quantitative three-dimensional anatomy of cervical, thoracic and lumbar vertebrae of Chinese Singaporeans. European Spine Journal. 13, 137-146 (2004).
- Zhou, S. H., McCarthy, I. D., McGregor, A. H., Coombs, R. R., Hughes, S. P. Geometrical dimensions of the lower lumbar vertebrae--analysis of data from digitised CT images. European Spine Journal. 9, 242-248 (2000).
- Cukovic, S., Devedzic, G., Ivanovic, L., Lukovic, T. Z., Subburaj, K. Development of 3D Kinematic Model of the Spine for Idiopathic Scoliosis Simulation. Computer-Aided Design and Applications. 7, 153-161 (2010).
- Cukovic, S., Devedzic, G. 3D modeling and simulation of scoliosis: An integrated knowledgeware approach. , 411-415 (2015).
- Ćuković, S., et al. Non-Ionizing Three-Dimensional Estimation of Axial Vertebral Rotations in Adolescents Suffering from Idiopathic Scoliosis. , (2018).
- Panjabi, M. M., Duranceau, J., Goel, V., Oxland, T., Takata, K. Cervical human vertebrae. Quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions. Spine (Phila Pa 1976). 16, 861-869 (1991).
- Panjabi, M. M., et al. Thoracic human vertebrae. Quantitative three-dimensional anatomy. Spine (Phila Pa 1976). 16, 888-901 (1991).
- Ravi, B., Rampersaud, R. Clinical magnification error in lateral spinal digital radiographs. Spine (Phila Pa 1976). 33, E311-E316 (2008).
- Silva, M. J., Wang, C., Keaveny, T. M., Hayes, W. C. Direct and computed tomography thickness measurements of the human, lumbar vertebral shell and endplate. Bone. 15, 409-414 (1994).
- Langrana, N. A., Kale, S. P., Edwards, W. T., Lee, C. K., Kopacz, K. J. Measurement and analyses of the effects of adjacent end plate curvatures on vertebral stresses. The Spine Journal. 6, 267-278 (2006).
- Chrzan, R., et al. Cranioplasty prosthesis manufacturing based on reverse engineering technology. Medical Science Monitor. 18, (2012).
- De Santis, R., et al. Reverse engineering of mandible and prosthetic framework: Effect of titanium implants in conjunction with titanium milled full arch bridge prostheses on the biomechanics of the mandible. Journal of Biomechanics. 47, 3825-3829 (2014).
- Keating, A. P., Knox, J., Bibb, R., Zhurov, A. I. A comparison of plaster, digital and reconstructed study model accuracy. Journal of Orthodontics. 35, 191-201 (2008).
- Numajiri, T., et al. Designing CAD/CAM Surgical Guides for Maxillary Reconstruction Using an In-house Approach. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
