Summary
Vertebral uç plakaların ayrıntılı ve kapsamlı geometri verilerini kaydetmek ve elde etmek için bir ters mühendislik sistemi kullanılır. Daha sonra kişiselleştirilmiş spinal implantların tasarlanması, klinik tanılar konması ve doğru sonlu eleman modelleri geliştirilmesinde yararlı olan vertebral uç plakanın parametrik modelleri geliştirilmiştir.
Abstract
Omurga, tasarım ve iyileştirilmesi spinal implantların sonlu eleman modellerinin sadakatini artırmak ve dejeneratif değişiklikleri ve biyomekanik anlamak için vertebra uç plakalarının ayrıntılı ve kapsamlı geometrik verileri önemlidir ve gereklidir. Bu protokolde, son plaka yüzeylerinin morfoloji verilerini dijital nokta bulutuna dönüştürmek için yüksek hızlı ve son derece hassas bir tarayıcı kullanılmaktadır. Yazılım sisteminde, nokta bulutu daha da işlenir ve üç boyuta dönüştürülr. Daha sonra, her noktayı 3B koordinat yapmak için tanımlanan bir 3B koordinat sistemi, son plaka yüzeyine simetrik olarak monte edilmiş üç sagital ve üç frontal yüzey eğrisi ve 11 eşit uzaklık noktasını içeren bir ölçüm protokolü gerçekleştirilir. her eğride seçilir. Son plakaların geometrik verilerini elde etmek için ölçüm ve mekansal analizler nihayet gerçekleştirilir. Eğrilerin ve yüzeylerin morfolojisini temsil eden parametrik denklemler karakteristik noktalara göre monte edilir. Modüler olan önerilen protokol, vertebral uç plakaların geometrik verilerini elde etmek için doğru ve tekrarlanabilir bir yöntem sağlar ve gelecekte daha karmaşık morfolojik çalışmalara yardımcı olabilir. Ayrıca kişiselleştirilmiş spinal implantların tasarlanmasına, cerrahi eylemlerin planlanmasına, klinik tanıların alınmasına ve doğru sonlu eleman modelleri geliştirilmesine katkıda bulunacaktır.
Introduction
Vertebral uç plaka vertebral gövdenin üstün veya alt kabuk ve disk ve vertebral vücut1arasında stres aktarmak için mekanik bir arayüz olarak hizmet vermektedir. Bu epifiz jant oluşur, hangi vertebral vücudun dış kenarı çevreleyen güçlü ve katı kemiklabrum, ve merkezi endplate, ince ve gözenekli2.
Omurga dejeneratif, travmatik ve neoplastik bozukluklar geniş bir dizi tabidir, hangi cerrahi müdahale gerektirebilir. Son zamanlarda yapay diskler ve kafesler gibi spinal cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Etkili protez-vertebra kontağı ve kemik büyüme potansiyeli olan spinal implantların tasarımı ve iyileştirilmesi için endplates'in doğru ve ayrıntılı morfometrik parametreleri gereklidir3. Ayrıca, vertebral uç plakaların tam şekli ve geometrisi hakkında bilgi biyomekanik anlamak için önemlidir. Sonlu elemanmodellemesi gerçek omurların simülasyonuna olanak sağlamasına ve omurganın çeşitli yükleme koşullarına fizyolojik tepkilerini incelemek için yaygın olarak kullanılmasına rağmen4, bu teknik hastaya özgüdür ve herkese genelleştirilebilir değildir Vertebra. Sonlu elemanlar modeli5'igeliştirirken omur geometrisinin genel popülasyon arasındaki içsel değişkenliğinin göz önünde bulundurulması gerektiği ileri sürülmüştür. Bu nedenle, sonlu plakaların geometrik parametreleri sonlu elemanlar modellemede kafes üretimine ve sadakat geliştirmesine elverişlidir.
Daha önceki çalışmalarda son plaka geometrisi ve implant yüzeyinin eşleşmesinin önemi tartışılsa da6,7,8, vertebral uç plakaların morfolojisi ile ilgili veriler azdır. En önceki çalışmalar da uç plaka9,10,113D doğasını ortaya çıkarmak için başarısız oldu. Bir mekansal analiz daha iyi ve tam olarak endplate morfolojisi12,13,14tasvir etmek için gereklidir. Buna ek olarak, çoğu çalışma da düşük hassasiyet ölçüm teknikleri10,15,16istihdam var. Ayrıca geometri parametreleri radyografi veya bilgisayarlı tomografi (BT)17,18ile ölçüldüğünde önemli büyütme bildirilmiştir. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) non-invaziv olarak kabul edilse de, ozseöz yapıların kesin kenar boşluklarını tanımlamada daha az doğrudur11. Standart bir ölçüm protokolü olmaması nedeniyle, mevcut geometrik veriler arasında büyük farklılıklar vardır.
Son yıllarda, mevcut fiziksel parçaları bilgisayarlı katı modellere dijitalleştirebilen tersine mühendislik, tıp alanında giderek daha fazla uygulanmaktadır. Bu teknik, gelişmiş omur yüzeylerinin anatomik karakterinin doğru bir temsilini geliştirmeyi mümkün kılar. Ters mühendislik sistemi iki alt sistemiçerir: enstrümantasyon sistemi ve yazılım sistemi. Bu protokolde benimsenen enstrümantasyon sistemi, yüksek hızlı ve son derece hassas (hassas 0.02 mm, 1.628 x 1.236 piksel) temassız optik 3D menzilli düz yataklı tarayıcıya sahiptir. Tarayıcı, hedef nesnenin yüzey morfolojisi bilgilerini verimli bir şekilde (giriş süresi 3 s) yakalayabilir ve dijital nokta bulutuna dönüştürebilir. Yazılım sistemi (örneğin, ters mühendislik yazılımı) nokta bulutveri işleme (Malzeme Tablosu),3D yüzey modeli rekonstrüksiyonu, serbest eğri ve yüzey düzenleme ve veri işleme için bir bilgisayar uygulamasıdır (bkz. Malzemeler).
Bu raporun amacı (1) bir ters mühendislik tekniğine dayalı vertebral uç plakaların nicel parametreleri elde etmek için bir ölçüm protokolü ve algoritma hazırlamak, (2) gerçekçi bir matematiksel model geliştirmek çok fazla simgesel sayısallaştırma olmadan vertebral endplates temsili. Bu yöntemler cerrahi hareket planlaması ve sonlu eleman modellemesi için yararlı olacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu çalışma yazarlar enstitüsünün sağlık araştırma etik kurulu tarafından onaylanmıştır. Servikal vertebra lüsleri daha karmaşık şekillere sahip olduğu için19, protokol ilgili araştırma kolaylaştırmak için bir örnek olarak servikal vertebra kullanır.
1. Malzemelerin hazırlanması, taranması ve görüntü işleme
- Patolojik deformasyon veya kırık parçalar olmadan kuru bir servikal vertebra toplayın.
- Omurları tarayıcıplatformuna dikey olarak yerleştirin(Şekil 1, bkz. Malzemeler Tablosu),son plaka kamera merceği ile karşı karşıya. Tarayıcının aktif ışık kaynağını kullanın. Daha sonra, nokta bulutu verilerini elde etmek için tarama işlemini başlatın (. ASC biçimi).
NOT: Ön tarayın görüntülerine göre, mümkün olduğunca çok yüzey morfolojisi bilgi yakalamak için tarayıcı ve vertebra konumunu ayarlayın. - Nokta bulutlarını işlemek için özel olarak kullanılan yazılımı açın (bkz. Malzeme Tablosu). Nokta bulutverilerini almak ve omurların dijital grafiğini oluşturmak için İçe Aktar'ı tıklatın. Örnekoranını %100'e ayarlayın, Tam Veri Örneklemede Tutun'useçin, veri birimini milimetre olarak seçin ve Gölge Noktaları'nıtıklatın. Grafikteki gereksiz noktaları seçmek için Kement Seçim Aracı'nı kullanın ve ardından bunları kaldırmak için Sil'i tıklatın. Gürültüyü azalt'ı tıklatın ve gürültü ve ani artışları azaltmak için pürüzsüzlük düzeyini maksimuma ayarlayın(Şekil 2A,B).
NOT: GUI'nin (grafik kullanıcı arabirimi) alt kısmında temel yazılım işlem talimatları vardır. Hatayı azaltmak için yanal veya dikey olarak belirgin keskin mahmuzlara sahip gürültü noktaları kaldırılmalıdır. - Nokta bulutunu kafese dönüştürmek için görüntüleme verilerini .stl biçimi dosyasına paketlemek için Kaydır'ı tıklatın ve bu da bir nokta nesnesini çokgen bir nesneye dönüştürür.
NOT: Ters mühendislik yazılımı genellikle .stl tarzı 3D biçimini kabul eder. - 3B yeniden yapılandırma ve veri işleme için özel olarak kullanılan yazılımı açın (bkz. Malzeme Tablosu). Alt menüde Dosya'yı sonra Yeni'yi tıklatın. Türler Listesinde Bölüm'ü seçin. Başlat'ıtıklatın, ardından alt menüde Şekil, ardından Sayısallaştırılmış Şekil Düzenleyicisi. GUI'nin sağ tarafındaki araç çubuğundaki İçe Aktar simgesini tıklatın. İçe Aktarma penceresinde .stl biçimi dosyasını seçin ve ardından Uygula > Tamam'ı tıklatın. Yeniden oluşturulmuş görüntüyü sunu yazılımının ana penceresine yüklemek için alttaki araç çubuğundaki Tümleri Sığdır'ı tıklatın.
NOT: 1.5-2.3.3 adımları aynı yazılımla gerçekleştirilir. - Sağ taraftaki araç çubuğunda Etkinleştir'i tıklatın. Etkinleştir penceresinde, Bindirme Modu > Çokgen Türü > İç Kapan'ıseçin. Daha sonra, arka elemanlar ve osteofitler gibi gereksiz vertebra bileşenlerini kaldırmak için 3B görüntüdeki vertebral uç plakayı seçin(Şekil 2C).
2. Uç plakanın 3Boyutlu morfolojisinin nicelleştirilmesi
- Uç plaka 3B koordinat sisteminin tanımlanması
- Alt menüde Başlat > Şekil'i tıklatın, ardından Generative Shape Design. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Point simgesine tıklayın. Epifiz kenarına üç anatomik işaret işareti: ilk ikisi sırasıyla bitiş plakası son kenarının sol ve sağ uç noktalarıdır; üçüncü ön ortanca noktasıdır.
- Sağ taraftaki araç çubuğundaki Çizgi simgesini tıklatın ve arka cephe hattını tanımlamak için iki kenar uç noktasını seçin. Düzlem simgesini tıklatın, eğri normal olacak düzlem türünü seçin, sonra orta sagittal düzlemi tanımlamak için arka cephe ve ön ortanca noktası seçin.
- Başlangıç > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'natıklayın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, sayı seçeneğine 1 girin, ardından kesişen eğri oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve orta sagittal düzlemi seçin. Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve kesişen eğri ve arka epiphyseal jantın kesişme sini seçin. Kesişimi arka ortanokta olarak tanımlayın.
- Başlat > Şekil > Üretken Şekil Tasarımı'nıtıklatın. Satır simgesini tıklatın ve orta sagital çapı tanımlamak için ön orta nokta ve posterior median noktasını seçin. Alt menüde Nokta simgesini, ardından Puanlar ve Düzlemler Yineleme'yi tıklatın. Daha sonra, orta sagital çapı seçin ve orta sagital çapı orta noktasını tanımlamak için Örnek (ler) seçeneğine 1 girin.
- Alttaki araç çubuğundaki Eksen Sistemi simgesini tıklatın. Daha sonra, başlangıç olarak orta sagital çapın orta noktasını, x ekseni olarak arka cephe çizgisine paralel çizgiyi, y ekseni olarak orta sagital çapı ve z ekseni olarak x-y düzlemine doğru ileri ve dik olan çizgiyi seçin (Şekil 3 ).
NOT: İki sondaki kenar uç noktaları, tutarlı oldukları ve osteofit10varlığında minimum varyasyon gösterdikleri için referans noktaları olarak seçilir.
- Son plaka yüzeyine karakteristik eğriler ve noktalar uydurması (Şekil 4A-D)
- Alt menüde Nokta simgesini, ardından Puanlar ve Düzlemler Yineleme'yi tıklatın. Orta sagital çapı seçin ve orta sagital çapı eşit olarak dört parçaya bölmek için Örnek(ler) seçeneğine 3 girin.
- Başlangıç > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'natıklayın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, Sayı seçeneğine 1 girin, ardından kesişen eğri oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve x-z düzlemini seçin. Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve x-z düzleminin ve epifiz kenarının iki kesişimini seçin.
- İki kavşak arasındaki çizgiyi orta frontal çap olarak tanımlayın. Aynı şekilde, orta frontal çapı eşit olarak dört parçaya bölün.
NOT: Son plaka med-sagital düzleme göre simetrik olmadığında, z-y düzlemine daha kısa dikey uzaklığı olan orta frontal eğrinin iki uç noktasından birini seçin. Daha sonra, orta ön çapı 2x kısa uzunluğu olarak tanımlayın ve eşit olarak dört bölüme bölün. - Orta sagital çapının dörtte birinin uzunluğunu ölçmek için alttaki araç çubuğundaki Ara düzey arasındaki ölçü simgesini tıklatın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, Sayı seçeneğine 2 girin, Adım seçeneğine ölçülen değeri girin, ardından ön kısmın bir tarafında iki montaj eğrisi oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve x-z düzlemini seçin. Diğer tarafta iki montaj eğrisi oluşturmak için Takas'ı tıklatın. Aynı şekilde, sagital düzlemde diğer üç montaj eğrileri elde.
NOT: İki orta frontal montaj eğrisi iki orta sagittal montaj eğrisi ile örtüşmektedir. - Sonraki ölçümler için her eğride 11 eşit uzaklık noktası seçin. Özel yöntem aşağıdaki gibidir:
- Örnek olarak orta sagital eğriyi ele alarak, orta sagital çapı eşit olarak 10 parçaya bölün, dokuz ara nokta ve iki uç nokta da dahil olmak üzere 11 puan (2.1.3 ve 2.2.1 adımlarına bakın) toplamı elde edin.
- Her eşit uzaklık noktasından geçin, uç plaka yüzeyinde dokuz montaj eğrisi edinin (adım 2.2.2'ye bakın). Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve montaj eğrilerinin kesişme sini ve orta sagital eğrisini seçin. Son olarak, her uç plakaüzerinde toplam 66 nokta elde edin (eğri başına 11 puan altı eğriyle çarpılır). Her noktanın koordinatlarını ölçmek için alttaki araç çubuğundaki Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
- Son plaka morfolojik parametrelerinin ölçümü
- Çizgi parametresi:
- Ölçülen iki nokta arasındaki uzaklık olan çizgi parametresinin uzunluğunu ölçmek için Aralar simgesini tıklatın.
- Konkavitparametreleri:
- x-y düzlemine paralel bir düzlem oluşturma(Şekil 5A): Başlat > Şekil > Generatif Şekil Tasarımı'nıtıklatın. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Çizim simgesine tıklayın ve ardından x-y düzlemini tıklatın. Daire simgesine tıklayın, son plaka yüzeyinde Başlangıç'ı tıklatın, farenin imlecini uygun bir mesafeye sürükleyin ve ardından tıklatın. Çalışma Tezgahı'nı Çıkar simgesini, ardından Dolgu simgesini tıklatın ve sonra tıklatın.
- Ofset simgesini tıklatın, dolu düzlemi seçin ve en içbükey kısmına teğet olana kadar ofset seçeneğine uygun bir değer girin ve yakınlaştırın. Başlat > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'na tıklayın. Ardından, en içbükey noktayı bulmak ve oluşturmak için 3B eğri simgesini tıklatın. En içbükey noktanın(Şekil 5B)koordinatlarını ölçmek için Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
- Arayla Ölçü simgesini tıklatın ve ardından tüm uç plaka concavity derinliğini ölçmek için en içbükey nokta ve x-y düzlemini seçin. Benzer şekilde, belirli bir düzlemde en içbükey derinliği bulun ve oluşturun ve koordinatlarını ölçün.
- Sağ taraftaki araç çubuğundaki Projeksiyon simgesini tıklatın ve ardından projektif noktayı elde etmek için en içbükey noktayı ve x-y düzlemini seçin. Projektör noktasının koordinatlarını ölçmek ve koordinatları temel almak için Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
- Yüzey alanı parametreleri:
- Alttaki araç çubuğundaki Ölçü Ataleti simgesini tıklatın ve alanını ölçmek için son plaka yüzeyini tıklatın. Etkinleştir simgesini tıklatın ve epifiz halkasının iç kenar boşlukları boyunca merkezi bitiş plakasını seçin (adım 1.6'ya bakın), sonra alanını ölçmek için Inatertia Ölçüsimgesini tıklatın(Şekil 5C). Bir epifiz jantı elde etmek için Etkinleştir simgesini, ardından merkezi bitiş plakasını ve son olarak Etkinleştir penceresindeki Swap simgesini tıklatın. Sonra, alanını ölçün.
- Çizgi parametresi:
3. Uç plaka yüzey matematiksel modelin geliştirilmesi
- Parametrik denklemin uygun sırasını belirleme
- Veri analizi ve görselleştirme yazılımını açın (bkz. Malzemeler Tablosu). Giriş x = [karşılık gelen veriler] komut penceresinde. Enter'utıklatın.
NOT: "Karşılık gelen veriler", bir eğrideki 11 karakteristik noktanın önceki adımlarında ölçülen x-koordinat verilerini ifade eder. Sonraki işlemleriçin aynı uygulama ile, her komutu girdikten sonra Enter'u tıklatın. 3.1-5.5 adımları aynı yazılımla aynı şekilde gerçekleştirilir. - Aynı şekilde, giriş z = [karşılık gelen veri].
- i=1:5 z2=polyfit(x,z,i) kodunu girin; Z=polival(z2,x); if sum((Z-z).^2)<0.01 C=i break; sonu; sonu.
NOT: Protokol, daha yüksek hassasiyet elde etmek için 0,01'in altındaki karelerin hata toplamını ayarlar ve değeri çeşitli talepleri karşılamak için düzeltilebilir. - İstenilen uygun sıraolan Bir C değeri elde etmek için Enter'u tıklatın.
- Veri analizi ve görselleştirme yazılımını açın (bkz. Malzemeler Tablosu). Giriş x = [karşılık gelen veriler] komut penceresinde. Enter'utıklatın.
- Parametre denklemi uydurma
- Enterput cftool ve Eğri Montaj Aracı getirmek için Enter'a tıklayın.
- Komut penceresinde bir eğrinin koordinatlarını girdi (3.1.1 ve 3.1.2 adımlarına bakın). Eğri Montaj Aracı'nda, x veri seçeneğine sagittal düzlem eğrileri takıldığında frontal düzlem eğrilerini ve y-koordinat verilerini yeralırken x-koordinat verilerini seçin, y veri seçeneğinde z-koordinat verilerini seçin, polinom'useçin ve uygun sırayı girin Elde. Daha sonra, yazılım parametrik denklemi ve otomatik olarak uygun iyilik çıktı olacaktır.
NOT: Eğri 2B görüntü olduğundan, varsayılan çalışma seçeneği eğriyi takarken Eğri Montaj Aracı'ndaki x ve y seçenekleridir. - Benzer şekilde, 66 noktanın 3B koordinatlarını girve koordinat verilerini ilgili eksen seçenekleriyle eşleştirin. Polinomu seçin ve bitiş plaka yüzeyinin parametrik denklemini elde etmek için uygun sırayı girin (Şekil 6B).
4. Parametrik denkleme dayalı geometrik verilerin elde edilmesi
- Komut penceresinde ki bitiş plakasındaki herhangi bir noktanın x- ve y-koordinat değerlerini girin.
- Giriş PX1, PX2, PX3....
NOT: Px yukarıdaki adımlarda polinom kullanılarak monte edilmiş parametrik denklemin parametreleridir. - Denklemi girin ve sonucu elde etmek için Enter tuşuna basın (yani, giriş biçimi: 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. Parametrik denkleme dayalı son plakanın gösterimi
- Giriş PX1, PX2, PX3.... komut penceresinde.
- X=N1:0.01:N2kodunu girin; .
NOT: N1–N2, X ekseni veri aralığıdır (yani, orta koronal eğrinin iki uç noktasının değerleri). - "Y=N3:0.01:N4;" kodunu girin.
- Denklemi (yani, z=@(x,y)P00 + P10.*x + P01.*y + P20.*x.^2 + P11.*x.*y + P02.*y.^2 + P30.*x.^3 + P21.*x.^2.*y+ P.*x.^2.*y.**P + 03.*y.^3 + P40.*x.^4 + P31.*x.^3.*y + P22.*x.^2.*y.^2+ P13.*x.*y.^3 + P04.*y.^4;).
- 3B simülasyon grafikleri elde etmek için ezmesh(z, [N1,N2,N3,N4]) kodunu girin (Şekil 6C).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Son derece hassas optik 3D menzilli düz yataklı tarayıcı kullanılarak, son plakalar morfolojiyi yeterince karakterize eden 45.000'den fazla dijital noktaya dönüştürüldü(Şekil 2A,B).
Ölçüm protokolünde, son plaka yüzeylerinin mekansal analizi yapılmıştır. Temsili eğriler morfolojiyi karakterize etmek için yüzeye monte edilmiş ve ölçüldü (Şekil 4B). Doğrusal parametreler iki uç nokta arasındaki uzaklık hesaplanarak ölçüldü. Elde edilen ölçümler, tüm uç plaka konkavitesine ve herhangi bir özel kesite ek olarak, orta sagital düzlemde konkavitderinliği ve konkavite apeks konumunu içerir(Şekil 5B). Uç plaka, epifiz jantı ve merkezi uç plaka bileşenleri(Şekil 5C)ayrılmış ve uzunlukları ve alanları uygun bir şekilde elde edilmiştir.
Toplam 138 servikal vertebral uç plaka sayısallaştırılmış ve analiz edilmiş ve son plakanın matematiksel modeli oluşturulmuştur. Protokol, kare hata toplamlarını 0,01'in altına ayarlar ve dört sıralı polinom işlevinin kullanılmasının tatmin olabileceği sonucuna varılmıştır.
Her eğrinin parametrik denklemi 11 noktanın koordinatlarına göre çıkarıldı: f(x) = P1*x^4 + P2*x^3 + P3*x^2 + P4*x + P5. P1, P2, P3, P4 ve P5 parametreleri vardı, tam değerleri Tablo 1'degösterilmiştir .
Son plaka yüzeyinin morfolojik özelliklerini temsil eden parametrik denklem:
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 +P *x^2*y^2 + P13*x*y^3 + P04*y^4
Nerede: PXYs 66 noktanın önceden ölçülen koordinatlarından çıkarılan parametrelerdir(Tablo 2).
Şekil 1: Temassız optik 3D aralıklı düz yataklı tarayıcı. Heterodyne çok frekanslı faz kaydırma 3D optik ölçüm teknolojisine dayanan tarayıcı, optik ölçüm (iki kamera ve bir projektör etrafında entegre) ve kontrol cihazları içerir. Bu cihazın hassasiyeti 0,02 mm ve pikselsayısı 1628 x 1236'dır. Tarayıcı, hedef nesnenin yüzey geometrisini verimli bir şekilde (giriş süresi 3 s) sayısallaştırabilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Vertebrayüzeyinin nokta bulutu ve uç plakanın 3Boyutlu rekonstrüksiyonu. (A) ve(B), nokta bulutlarının işlenmesi için özel olarak kullanılan yazılım tarafından üretilen servikal vertebranın alt ve üst yüzeyleridir. (C) ve(D), sırasıyla 3B rekonstrüksiyon ve veri işleme için özel olarak kullanılan yazılım tarafından oluşturulan alt ve üstün uç plakaların 3Boyutlu yeniden inşasıdır. Posterior elementler ve osteofitler vertebradan çıkarılır, geriye sadece uç plaka kalır. En uygun düzlem, bilateral unsinat süreçlerin ön ve en uç noktaları ile tanımlanır ve en uygun düzlem ve uç plakanın oluşturduğu iki eğri, uncovertebral eklem ve kaudal uç plakanın sınırlarıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Uç plaka 3B koordinat sisteminin tanımı. Epifiz kenarı üzerinde üç anatomik işaret işaretlerinin işaretlenmesi: ilk ikisi sırasıyla bitiş plakası son kenarının sol ve sağ uç noktalarıdır; üçüncü ön ortanca noktasıdır. Arka cephe çizgisi, ön ortanca nokta ile orta sagittal düzlemi tanımlayan iki son kenar uç noktası tarafından oluşturulur. Posterior median noktası orta sagital düzlem ve posterior epiffigon jant tarafından belirlenir, hangi anterior median noktası ile orta sagital çapı oluşturan. Kökeni orta sagital çapın orta noktasıdır. Y ekseni orta sagital çap ve ileri ye doğru işaret ederek belirlenir. X ekseni arka cephe çizgisine paralel çizgidir. z ekseni x-y düzlemine göre normaldir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Son plaka yüzeyinde karakteristik eğriler ve noktalar uydurma adımları. (A)Orta sagital çapı ve orta frontal çapı eşit olarak dört parçaya bölün. (B) Her eşit uzaklık noktasından geçin ve simetrik olarak altı yüzey eğrisi seçin, bunlardan üçü frontal düzlemin ve uç plaka yüzeyinin kesişme eğrileri, diğer üçü ise sagital düzlemde. (C) Orta sagital çapı 10 parçaya eşit olarak bölün. (D) Her eşit uzaklık noktasından geçen frontal düzlemler ve orta sagittal eğri dokuz kesişme noktası oluşturur ve iki uç nokta ile birlikte 11 nokta ile sonuçlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Son plaka konkavite derinliği ve yüzey alanının ölçümü. (A) X-y düzlemine paralel bir düzlem oluşturun. (B) Düzlemi en içbükey noktaya teğet olana kadar dengeleyin ve uç plaka concavity derinliği en içbükey nokta ile x-y düzlemi arasındaki dik uzaklıktır. (C) Epifiz halkasının iç kenarları boyunca bir çizgi çizerek son plakayı merkezi uç plakaya ve epifiz jantına bölün. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: 3B rekonstrüksiyon ve alt uç levha gösterimleri. (A) 3D rekonstrüksiyon ve veri işleme için özel olarak kullanılan yazılım tarafından oluşturulan alt uç plaka yüzeyinin 3Boyutlu yeniden inşası. (B) ve(C) veri analizi ve görselleştirme yazılımı tarafından oluşturulan alt uç plakanın temsilleridir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Uç Plaka Düzeyi | Eğri | Parametre | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 üstün | Fac | 0 | 0 | -0.0128 | -0.0028 | 0.02523 |
| Myk | 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 alt | Fac | 0 | -0.0001 | -0.0225 | 0.00594 | 1.223 |
| Myk | 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 | |
Tablo 1: Son plaka yüzeyinin eğrisini temsil eden denklem parametreleri. Sadece altıncı servikal vertebral endplate verileri listelenir. Px = denklemin parametreleri. Her bir uç plakada, altı yüzey eğrisi simetrik olarak seçilmiştir; bunlardan üçü frontal düzlemde ydi ve ön eğri (FAC), orta eğri (FMC) ve posterior eğri (FPC) olarak adlandırDı; sagital düzlemdeki diğer üçüne sol eğri (SLC), orta eğri (SMC) ve sağ eğri (SRC) olarak adlandırılılır. Mutlak değeri 0,0001'den az olan parametreler burada 0 olarak temsil edilir.
| Parametre | 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 |
Tablo 2: Uç plaka yüzeyinin morfolojisini temsil eden parametrik denklemparametreleri. Px = denklemin parametreleri; inf = alt uç levha; sup = üstün uç plaka. Mutlak değeri 0,0001'den az olan parametreler burada 0 olarak temsil edilir. Bu tablo önceki bir yayından değiştirildi3.
| Ölçüm | Test içi güvenilirlik | Ölçüm | RE vs Caliper | ||
| Apd | İlk yeniden ölçüm | 15.76±1.3 | Apd | Re | 16.47±1.31 |
| Yeniden Ölçüm | 15.86±1.61 | Kaliper | 16.26±1.27 | ||
| ıcc | 0.85 | Cronbach alfa | 0.99 | ||
| Cmd | İlk yeniden ölçüm | 19.71±2.47 | Cmd | Re | 20.7±3.05 |
| Yeniden Ölçüm | 19.41±2.43 | Kaliper | 20.45±3.21 | ||
| ıcc | 0.96 | Cronbach alfa | 0.99 | ||
Tablo 3: Ölçümlerin güvenilirliği. Veriler ortalama ± standart sapma (mm) idi. ICC = sınıf içi korelasyon katsayısı; APD = antero-posterior çapı; CMD = merkezi mediolateral çapı; RE = ters mühendislik sistemi. Bu tablo önceki bir yayından değiştirildi. 3.2.2
| Ölçüm değeri | N | Z koordinat değeri | T | P | R |
| Orijinal noktalar | 15 | 1.75±0,87 | 0.26 | 0.8 | 0.98 |
| Karşılaştırma noktaları | 15 | 1.74±0,91 |
Tablo 4: Uç plaka morfolojisini temsil eden geometrik modelin geçerliliği. Veriler ortalama ± standart sapma (mm) olarak temsil edilir. Orijinal noktalar, orijinal 3B yeniden yapılandırma görüntüsünde rastgele seçilmiş 15 noktadır. Karşılaştırma noktaları = parametrik denklemlerden otomatik olarak oluşturulan karşılık gelen noktalar; R = korelasyon katsayısı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ters mühendislik giderek ve başarıyla tıp alanında uygulanmıştır, kranioplasti gibi20, oral21, ve maksillofasiyal implantlar21. Ters mühendislik ölçümleri, yani ürün yüzeysayısallaştırması, yüzey bilgilerinin belirli ölçüm ekipmanı ve yöntemlerini kullanan nokta bulut verilerine dönüştürülmesianlamına gelir. Bu verilere dayanarak, karmaşık yüzey modelleme, değerlendirme, iyileştirmeler ve üretim yapılabilir. Dijital ölçüm ve veri işleme, tersine mühendislikte kullanılan temel ve temel bir teknolojidir.
Bu protokolde vertebral uç plakaların doğru ve detaylı morfoloji bilgileri, heterodyne çok frekanslı, faz kaydırma, 3D optik ölçüm teknolojisine dayanan temassız optik 3D aralık lı tarama sistemi kullanılarak kaydedilir. Tarayıcı öncelikle kontrol cihazları ve iki kamera ve bir projektör entegre bir optik ölçüm yapılır. Diğer ölçüm cihazlarıyla karşılaştırıldığında, tarayıcı son derece doğru ve verimlidir ve noktadan noktaya taramadan kaçınır. Nokta bulutu verilerini yakalarken, tarama kafası genellikle nesneyle temas halinde değildir, çünkü deformasyon etkisi yoktur. Yüzey morfolojisi kaydetmek için tarayıcının güvenilirliği, geçerliliği ve hassasiyeti2,3,22olarak belirlenmiştir. Bu ölçümlerin çoğaltılazlığı doğrulandı.
Ters mühendislik sistemi tarafından yapılan ölçümlerin doğruluğunu doğrulamak için 20 uç plaka dijital kaliper kullanılarak ölçüldü ve Cronbach alfa kullanılarak değerlendirildi. Test içi güvenilirlik için 138 vertebral uç plakadan rastgele 16 uç plaka seçildi ve 2 haftalık aralıklarla iki kez ölçüldü, daha sonra sınıf içi korelasyon katsayısı kullanılarak değerlendirildi. Sonuçlar büyük bir anlaşma ve güvenilirlik gösterdi (Tablo 3). Ters mühendislik yazılımı güçlü ölçümler, veri işleme, hata algılama ve serbest eğri ve yüzey düzenleme işlevleri içerir. Ayrıca akıllıca ve verimli bir şekilde eğrileri ve yüzeyleri inşa edebilir ve ayarlayabilir ve 3D yüzey modeli rekonstrüksiyonu doğru ölçümlere katkıda bulunur23.
Spinal implantların tasarlanması, omurganın sonlu eleman modellerinin doğruluğunun iyileştirilmesi ve matematiksel modellerin geliştirilmesi gibi vertebraların ayrıntılı ve kapsamlı anatomi verileri için önemli ve önemli uygulamalar vardır. Vertebral uç plaka intervertebral diskin bütünlüğünü ve işlevini korumak için gereklidir, ve aynı zamanda stres aktarmak için mekanik bir arayüz olarak hizmet vermektedir. Bu nedenle, son plaka geometrisinin nicelemesi önemlidir. Ters mühendislik yardımıyla, son plaka morfolojisi akıllıca ve kapsamlı bir şekilde ölçülebilir. Bu protokolde, her bir uç plakanın yüzeyine altı karakteristik eğri takılır ve mekansal morfolojiyi ölçmek için bir 3B koordinat sistemi kurulur.
Buna ek olarak, doğru ve tekrarlanabilir kantitatif değerlendirmeleri yapmak ve kişiselleştirilmiş biyomekanik sonlu eleman modelleri geliştirmek için son plakanın parametrik bir modeli geliştirilmiştir. Son plaka yüzeyinin parametrik modeli, araştırmacılar tarafından görselleştirilebilen ve uygun şekilde analiz edilebilen hızlı, gerçekçi ve doğru temsiller üretebilir.
Daha fazla yer işaretleri dahil hassasiyeti artıracaktır, ancak zaman alıcı ve pahalı. Bu protokolde, altı yüzey eğrisinden 66 noktanın morfolojik özellikleri tanımlamak için yeterli olduğu önerilmektedir. Güvenilirlik testleri, rasgele seçilmiş 15 noktanın koordinat değerleri ile parametrik denklemlerden otomatik olarak oluşturulan karşılık gelen değerler karşılaştırılarak da gerçekleştirilir. Sonuç, parametrik modelin iyi bir güvenilirliğe sahip olduğunu ve tekrarlanabilirliğin uç plaka yüzeyinin gerçekçi bir temsili olabileceğini ortaya koymaktadır(Tablo 4). Parametrik modelin BT ve MRG gibi diğer görüntüleme yöntemlerine göre türetilebileceği unutulmamalıdır.
Temassız tarayıcılar ortam ışığına duyarlı olduğundan, ortam ışığını sabit tutmak çok önemlidir ve aktif ışık kaynakları önerilir. Uç plaka yüzeyinde artık gres varsa, nesne yüzeyinin mekansal yansıma özelliklerinden etkilenme riskini önlemek için infantil talk pudrası hafifçe daubed edilmelidir. Subaksiyel servikal vertebraözel bir bileşeni vardır: uncovertebral eklem. Son plakadan ayırt etmek için en uygun düzlem en az kare yöntemi kullanılarak tanımlanır. Daha sonra, en uygun düzlem tarafından oluşturulan kavşak eğrisi ve uç plaka yüzeyi uncovertebral eklem ve üstün uç plaka arasındaki sınırdır(Şekil 2D).
Belirli işlem aşağıdaki gibidir: Başlat > Şekil > Generative Şekil Tasarımı'nıtıklatın. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Point simgesine tıklayın ve ardından 3B görüntüdeki ikili uncinate işlemlerin anterior-en ve posterior most noktalarını seçin. Düzlem simgesini tıklatın ve en uygun düzlemi tanımlamak için düzlem türündeki Puanları Paylaş'ı seçin. Başlangıç > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'natıklayın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın ve ardından 3B görüntüyü ve en uygun düzlemi seçin.
3B koordinat sistemi kurulurken uç plaka yüzeyindeki üç anatomik noktanın doğru şekilde işaretlenmesi önemlidir. Ters mühendislik yazılımı yeniden yapılanma görüntüsünün esnek bir şekilde kaydırılmasına olanak tanır ve simgesel yapıların belirlenmesine yardımcı olan kontrastı geliştirir. Alternatif olarak, tanımlanan orta sagital ve koronal düzlemlerin kesişen hattının uç plaka bölümüne dik olup olmadığına göre koordinat sisteminin uygunluğunu değerlendirmek ve sistemi buna göre ayarlamak önemlidir. Gözlemci içi testler de değerlendirildi ve sonuç iyi bir güvenilirlik gösterdi (Tablo 3).
Bu protokol, nokta bulutveri toplama ve işleme, görüntü yeniden yapılandırma ve analizi ve parametrik model geliştirme dahil olmak üzere birden çok beceri ve teknik gerektirir. Bir acemi için, tüm süreci tamamlamak için zaman alabilir. Ancak, bu protokoldeki yazılımın sadece birkaç modülü kullanıldığından ve yordam modüler olduğundan, deneyimli olmak için kısa bir öğrenme eğrisi gerekir.
Sonuç olarak, açıklanan protokol vertebral uç plakaların ayrıntılı ve kapsamlı geometri verilerini elde etmek için doğru ve tekrarlanabilir bir yöntem sağlar. Parametrik bir model de kişiselleştirilmiş spinal implantlar tasarımı için yararlıdır çok fazla yerler, sayısallaştırma olmadan geliştirilmiştir, cerrahi eylemler planlama, klinik tanılar yapma, ve doğru sonlu eleman modelleri geliştirmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarları beyan.
Acknowledgments
Bu çalışma Şangay Pudong Sağlık Bürosu (PWZxk2017-08) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (81672199) Anahtar Disiplin İnşaat Projesi tarafından finanse edilmiştir. Yazarlar, daha önceki bir versiyonu düzeltmede yardımcı olduğu için Wang Lei'ye ve parametrik modeli geliştirmedeki yardımları için Li Zhaoyang'a teşekkür etmek istiyor.
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).
