Name: Präzisionsmessungen und parametrische Modelle von Wirbelendplatten (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-17T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 s
Description: Erfahren Sie, wie ein Reverse-Engineering-System präzise Geometriedaten von Wirbelendplatten erfasst und parametrische Modelle für personalisierte Implantate entwickelt. Diese Methode unterstützt chirurgische Planung und klinische Diagnostik.

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Diese Arbeit wurde von Key Discipline Construction Project des Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017-08) und der National Natural Science Foundation of China (81672199) finanziert. Die Autoren danken Wang Lei für seine Hilfe beim Korrekturlesen einer früheren Version und Li Zhaoyang für seine Hilfe bei der Entwicklung des parametrischen Modells.

Diese Studie wurde von der Ethikkommission der Gesundheitsforschung des Autoreninstituts genehmigt. Da Halswirbelknochen kompliziertere Formenhaben 19, verwendet das Protokoll die Halswirbel als Illustration, um relevante Forschung zu erleichtern.
1. Aufbereitung von Materialien, Scannen und Bildverarbeitung
<ol><li>Sammeln Sie einen trockenen Halswirbel ohne pathologische Verformung oder gebrochene Teile.</li>
	<li>Platzieren Sie den Wirbel vertikal in der Plattform des Scanners (Abbildung 1, siehe Materialtabelle), mit der Endplatte zur Kameralinse. Verwenden Sie die aktive Lichtquelle des Scanners. Starten Sie dann den Scanvorgang, um Punktwolkendaten (. ASC-Format). HINWEIS: Passen Sie gemäß den Vorscan-Bildern den Scanner und die Position des Wirbels an, um so viele Informationen zur Oberflächenmorphologie wie möglich zu erfassen.</li>
	<li>Öffnen Sie die Speziell für die Verarbeitung von Punktwolken verwendete Software (siehe Materialtabelle). Klicken Sie auf Importieren, um die Punktwolkendaten zu importieren und die digitale Grafik des Wirbels zu generieren. Legen Sie die Abtastrate auf 100 % fest, wählen Sie Vollständige Daten bei Sampling beibehaltenaus , wählen Sie die Dateneinheit als Millimeter aus, und klicken Sie auf Schattenpunkte. Verwenden Sie das Lasso-Auswahlwerkzeug, um redundante Punkte in der Grafik auszuwählen, und klicken Sie dann auf Löschen, um sie zu entfernen. Klicken Sie auf Rauschen reduzieren und stellen Sie den Glättungsgrad auf das Maximum ein, um Rauschen und Spitzen zu reduzieren (Abbildung 2A,B). HINWEIS: Am unteren Rand der GUI (grafische Benutzeroberfläche) befinden sich grundlegende Anleitungen zur Bedienung der Software. Rauschpunkte mit offensichtlich scharfen Sporen seitlich oder vertikal sollten entfernt werden, um Fehler zu reduzieren.</li>
	<li>Klicken Sie auf Wrap, um die Bilddaten in die Datei im Stl-Format zu packen, um die Punktwolke in Einnetze zu transformieren, wodurch ein Punktobjekt in ein Polygonobjekt konvertiert wird. HINWEIS: Reverse Engineering Software akzeptiert in der Regel .stl-Stil 3D-Format.</li>
	<li>Öffnen Sie die speziell für die 3D-Rekonstruktion und Datenverarbeitung verwendete Software (siehe Materialtabelle). Klicken Sie im Untermenü auf Datei und dann neu. Wählen Sie Teil in der Liste der Typen aus. Klicken Sie auf Start, dann Shape im Untermenü und dann auf Digitalized Shape Editor. Klicken Sie auf das Importsymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite der GUI. Wählen Sie im Fenster Importieren die .stl-Formatdatei aus, und klicken Sie dann auf Anwenden > OK. Klicken Sie im Symbol in der Symbolleiste unten auf Alle anpassen, um das rekonstruierte Bild in das Hauptfenster der Präsentationssoftware zu laden. HINWEIS: Die Schritte 1.5–2.3.3 werden mit derselben Software durchgeführt.</li>
	<li>Klicken Sie in der Symbolleiste auf der rechten Seite auf Aktivieren. Wählen Sie im Fenster Aktivieren Trap-Modus > Polygontyp > Innere Falleaus. Wählen Sie dann die Wirbelendplatte auf dem 3D-Bild aus, um nicht benötigte Wirbelkomponenten wie die hinteren Elemente und Osteophyten zu entfernen (Abbildung 2C).</li>
</ol>2. Quantifizierung der 3D-Morphologie der Endplatte
<ol><li>Definieren des Endplatten-3D-Koordinatensystems<ol>
<li>Klicken Sie im Untermenü auf Start > Shape und dann auf Generative Shape Design. Klicken Sie auf das Punktsymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite. Markieren Sie drei anatomische Landmarken auf dem epiphysealen Rand: die ersten beiden sind die linken und rechten Endpunkte der Endplatte hinterder Kante; der dritte ist der vordere Medianpunkt.</li>
		<li>Klicken Sie auf das Liniensymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und wählen Sie die beiden nachgestellten Kantenendpunkte aus, um eine hintere Frontlinie zu definieren. Klicken Sie auf das Ebenensymbol, wählen Sie den Ebenentyp aus, der normal in Kurve sein soll, und wählen Sie dann die hintere Frontlinie und den vorderen Medianpunkt aus, um die mittelsagittale Ebene zu definieren.</li>
		<li>Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Abschnitt", geben Sie 1 in die Option Zahlen ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die mittelsagittale Ebene aus, um eine sich schneidende Kurve zu generieren. Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der sich schneidenden Kurve und des hinteren epiphysealen Rands aus. Definieren Sie den Schnittpunkt als hinteren Medianpunkt.</li>
		<li>Klicken Sie auf Starten > Form > Generatives Shape-Design. Klicken Sie auf das Liniensymbol, und wählen Sie den vorderen Medianpunkt und den hinteren Medianpunkt aus, um einen mittleren Sagittaldurchmesser zu definieren. Klicken Sie auf das Punktsymbol und dann auf Punkte und Ebenen wiederholung im Untermenü. Wählen Sie dann den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 1 in die Option Instanz(en) ein, um den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers zu definieren.</li>
		<li>Klicken Sie unten auf das Symbol Achsensystem in der Symbolleiste. Wählen Sie dann den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers als Ursprung, die Parallellinie parallel zur hinteren Frontlinie als x-Achse, den mittleren Sagittaldurchmesser als y-Achse und die Linie, die vorwärts und senkrecht zur x-y-Ebene als Z-Achse zeigt(Abbildung 3 ). HINWEIS: Die beiden nachfolgenden Kantenendpunkte werden als Referenzpunkte ausgewählt, da sie konsistent sind und minimale Variationen in Gegenwart von Osteophyten10aufweisen.</li>
	</ol></li>
	<li>Anpassen von Kennlinien und Punkten auf der Endplattenoberfläche (Abbildung 4A–D)<ol>
<li>Klicken Sie auf das Punktsymbol und dann auf Punkte und Ebenen wiederholung im Untermenü. Wählen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 3 in die Option Instanz(e) ein, um den mittleren Sagittaldurchmesser gleichmäßig in vier Teile zu teilen.</li>
		<li>Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Abschnitt", geben Sie 1 in die Option Zahl ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die x-z-Ebene aus, um eine sich schneidende Kurve zu generieren. Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie die beiden Schnittpunkte der x-z-Ebene und der epiphysealen Felge aus.</li>
		<li>Definieren Sie die Linie zwischen den beiden Kreuzungen als mittleren Frontdurchmesser. Auf die gleiche Weise, teilen Sie den mittleren Frontaldurchmesser gleichmäßig in vier Teile. ANMERKUNG: Wenn die Endplatte nicht symmetrisch zur med-sagittalen Ebene ist, wählen Sie einen der beiden Endpunkte der mittleren Frontalkurve aus, die einen kürzeren vertikalen Abstand zur Z-y-Ebene hat. Definieren Sie dann den mittleren Frontaldurchmesser als 2x die Länge des Kürzeren, und teilen Sie ihn gleichmäßig in vier Teile auf.</li>
		<li>Klicken Sie unten auf das Symbol Zwischen messen, um die Länge eines Viertels des mittleren Sagittaldurchmessers zu messen. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Schnitt", geben Sie 2 in die Option Zahl ein, geben Sie den Messwert in die Option Schritt ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die x-z-Ebene aus, um zwei Anpassungskurven auf einer Seite des Frontalteils zu generieren. Klicken Sie auf Swap, um zwei Anpassungskurven auf der anderen Seite zu generieren. Auf die gleiche Weise erhalten Sie die anderen drei passenden Kurven in der sagittalen Ebene. HINWEIS: Die beiden mittelfrontalen Fittingkurven überlappen sich mit den beiden mittel-sagittalen Fitting-Kurven.</li>
		<li>Wählen Sie 11 äquidistante Punkte in jeder Kurve für nachfolgende Messungen aus. Spezifische Methode ist wie folgt:<ol>
<li>Am Beispiel der mittleren Sagittalkurve teilen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser gleichmäßig in 10 Teile auf, was zu einer Summe von 11 Punkten führt, einschließlich neun Zwischenpunkten und zwei Endpunkten (siehe Schritte 2.1.3 und 2.2.1).</li>
			<li>Gehen Sie durch jeden äquidistanten Punkt, erhalten Sie neun Anpassungskurven auf der Endplattenoberfläche (siehe Schritt 2.2.2). Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der Anpassungskurven und der mittleren Sagittalkurve aus. Schließlich erhalten Sie insgesamt 66 Punkte auf jeder Endplatte (11 Punkte pro Kurve multipliziert mit sechs Kurven). Klicken Sie auf das Symbol Element messen in der Symbolleiste unten, um die Koordinaten der einzelnen Punkte zu messen.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>Messung der morphologischen Endplattenparameter<ol>
<li>Linienparameter:<ol>
<li>Klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen, um die Länge des Linienparameters zu messen, der den Abstand zwischen zwei gemessenen Punkten beträgt.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Konkavitätsparameter:<ol>
<li>Erstellen Sie eine Ebene parallel zur x-y-Ebene(Abbildung 5A): Klicken Sie auf Start > Shape > Generative Shape Design. Klicken Sie auf das Skizzensymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und klicken Sie dann auf die x-y-Ebene. Klicken Sie auf das Kreissymbol, klicken Sie auf Origin auf der Endplattenoberfläche, ziehen Sie den Mauszeiger in einen entsprechenden Abstand und klicken Sie dann. Klicken Sie auf das Symbol Workbench beenden, dann auf das Füllsymbol, und klicken Sie dann.</li>
			<li>Klicken Sie auf das Symbol Versatz, wählen Sie die ausgefüllte Ebene aus, und geben Sie einen geeigneten Wert in die Versatzoption ein, bis er tangential zum konkavsten Teil ist, und zoomen Sie hinein. Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie dann auf das 3D-Kurvensymbol, um den konkavePunkt zu finden und zu erstellen. Klicken Sie auf das Symbol Element messen, um die Koordinaten des konkavsten Punktes zu messen (Abbildung 5B).</li>
			<li>Klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen, und wählen Sie dann den konkave Punkt und die x-y-Ebene aus, um die gesamte Endplattenkonkavitätstiefe zu messen. In ähnlicher Weise finden und erstellen Sie die konkave Tiefe auf einer bestimmten Ebene und messen Sie ihre Koordinaten.</li>
			<li>Klicken Sie auf das Projektionssymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und wählen Sie dann den konkavsten Punkt und die x-y-Ebene aus, um den Projektivpunkt zu erhalten. Klicken Sie auf das Symbol Element messen, um die Koordinaten des Projektivpunkts zu messen und seine Verteilung basierend auf den Koordinaten zu bestimmen.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Oberflächenparameter:<ol>
<li>Klicken Sie unten auf das Symbol Trägheitsmessung in der Symbolleiste, und klicken Sie auf die Oberfläche der Endplatte, um deren Fläche zu messen. Klicken Sie auf das Symbol Aktivieren und wählen Sie die zentrale Endplatte entlang der inneren Ränder des Epiphysealrings aus (siehe Schritt 1.6), und klicken Sie dann auf das Symbol Trägheitsmessung messen, um dessen Fläche zu messen (Abbildung 5C). Klicken Sie auf das Symbol Aktivieren, dann auf die zentrale Endplatte und schließlich auf das Swap-Symbol im Fenster Aktivieren, um einen epiphysealen Rand zu erhalten. Messen Sie dann ihre Fläche.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. Entwicklung des mathematischen Endplattenoberflächenmodells
<ol><li>Bestimmen der Anpassungsreihenfolge der parametrischen Gleichung<ol>
<li>Öffnen Sie die Datenanalyse- und Visualisierungssoftware (siehe Materialtabelle). Eingabe x = [entsprechende Daten] im Befehlsfenster. Klicken Sie auf Enter. HINWEIS: Die "entsprechenden Daten" beziehen sich auf x-Koordinatendaten der 11 Kennpunkte in einer Kurve, die in den vorherigen Schritten gemessen wurden. Klicken Sie nach der Eingabe jedes Befehls auf Enter, wobei derselbe auf nachfolgende Vorgänge angewendet wird. Die Schritte 3.1–5.5 werden einheitlich mit derselben Software durchgeführt.</li>
		<li>Auf die gleiche Weise geben Sie z = [entsprechende Daten]ein.</li>
		<li>Geben Sie den Code für i=1:5 z2=polyfit(x,z,i); Z=polyval(z2,x); if sum((Z-z).'2)<0.01 C=i break; Ende; Ende. HINWEIS: Das Protokoll legt die Fehlersumme von Quadraten unter 0,01 fest, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten, deren Wert angepasst werden kann, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen.</li>
		<li>Klicken Sie auf Enter, um einen C-Wert zu erhalten, der die gewünschte Anpassungsreihenfolge ist.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Parametergleichungsanpassung<ol>
<li>Geben Sie cftool ein, und klicken Sie auf Enter, um das Kurvenanpassungswerkzeug aufzuführen.</li>
		<li>Geben Sie die Koordinaten einer Kurve in das Befehlsfenster ein (siehe Schritte 3.1.1 und 3.1.2). Wählen Sie im Werkzeug Kurvenanpassung x-Koordinatendaten aus, wenn Sie frontale Ebenenkurven und y-Koordinatendaten anpassen, wenn Sie sagittale Ebenenkurven in die x-Datenoption einfügen, wählen Sie z-Koordinatendaten in der y-Datenoption aus, wählen Sie Polynomaus, und geben Sie die Anpassungsreihenfolge ein. Erhalten. Dann gibt die Software automatisch die parametrische Gleichung und die Güte der Anpassung aus. HINWEIS: Da es sich bei der Kurve um ein 2D-Bild handelt, ist die Standardarbeitsoption die x- und y-Optionen im Kurvenanpassungswerkzeug beim Anpassen einer Kurve.</li>
		<li>Geben Sie auf ähnliche Weise die 3D-Koordinaten der 66 Punkte ein und stimmen die Koordinatendaten mit den entsprechenden Achsenoptionen überein. Wählen Sie Polynom aus, und geben Sie die Anpassungsreihenfolge ein, um die parametrische Gleichung der Endplattenoberfläche zu erhalten (Abbildung 6B).</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. Erfassung geometrischer Daten auf Basis parametrischer Gleichung
<ol><li>Geben Sie x- und y-Koordinatenwerte eines beliebigen Punktes auf der Endplatte im Befehlsfenster ein.</li>
	<li>Eingang PX1, PX2, PX3.... HINWEIS: Px ist der Parameter der parametrischen Gleichung, die mit Polynom in den obigen Schritten angepasst wurden.</li>
	<li>Geben Sie die Gleichung ein und klicken Sie auf Enter, um das Ergebnis zu erhalten (d.h. Eingabeformat: 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*y3 + P40*x'4 + P31*x'3*y + P22*x'2*y'2 + P13*x*y'3 + P04*y'4).</li>
</ol>5. Darstellung der Endplatte auf Basis parametrischer Gleichung
<ol><li>Eingang PX1, PX2, PX3.... im Befehlsfenster.</li>
	<li>Geben Sie den Code X=N1:0.01:N2;. ANMERKUNG: N1–N2 ist der Bereich der X-Achsendaten (d. h. die Werte der beiden Endpunkte der mittleren koronalen Kurve).</li>
	<li>Geben Sie den Code "Y=N3:0.01:N4;" ein.</li>
	<li>Geben Sie die Gleichung ein (d.h. z=-(x,y)P00 + P10.*x + P01.*y + P20.*x.2 +P11.*x.*y + P02.*y. 03.*y .3 + P40.*x.4 + P31.*x.*y + P22.*x.*y.2+ P13.*x.*y.*3 + P04.*y.</li>
	<li>Geben Sie den Code ezmesh(z, [N1,N2,N3 ,N4]) ein, um 3D-Simulationsgrafiken zu erhalten (Abbildung 6C).</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.

Reverse Engineering wurde zunehmend und erfolgreich auf dem Gebiet der Medizin angewendet, wie Cranioplastik20, oral21und maxillofacial implants21. Reverse-Engineering-Messungen, nämlich die Produktoberflächendigitalisierung, beziehen sich auf die Umwandlung von Oberflächeninformationen in Punktwolkendaten mit speziellen Messgeräten und Methoden. Auf der Grundlage solcher Daten können komplexe Oberflächenmodellierung, Auswertung, Verbesserungen und F...

Eine Wirbelendplatte ist die überlegene oder untere Schale des Wirbelkörpers und dient als mechanische Schnittstelle, um Spannung zwischen Scheibe und Wirbelkörper zu übertragen1. Es besteht aus dem epiphysealen Rand, einem starken und festen knöchernen Labrum, das den äußeren Rand des Wirbelkörpers umgibt, und der zentralen Endplatte, die dünn und porös ist2.
Die Wirbelsäule unterliegt einer Vielzahl degenerativer, traumatischer und neoplastischer Erkrankungen, die einen chirurgischen Eingriff rechtfertigen können. In letzter Zeit sind Wirbelsäulengeräte wie künstliche Scheiben und Käfige weit verbreitet. Genaue und detaillierte morphometrische Parameter von Endplatten sind für die Gestaltung und Verbesserung von Wirbelsäulenimplantaten mit effektivem Prothesen-Wirbel-Kontakt und Knocheneinwuchspotenzial3notwendig. Darüber hinaus sind Informationen über die genaue Form und Geometrie von Wirbelendplatten wichtig für das Verständnis der Biomechanik. Obwohl die Finite-Elemente-Modellierung die Simulation der realen Wirbel ermöglicht und weit verbreitet ist, um physiologische Reaktionen der Wirbelsäule auf verschiedene Belastungsbedingungen zu untersuchen4, ist diese Technik patientenspezifisch und nicht für alle verallgemeinerbar Wirbel. Es wurde vorgeschlagen, dass die intrinsische Variabilität der Wirbelgeometrie in der allgemeinen Population bei der Entwicklung des Finite-Elemente-Modells5berücksichtigt werden sollte. Daher sind die geometrischen Parameter von Endplatten förderlich für die Netzgenerierung und Dietreueverbesserung bei der Finite-Elemente-Modellierung.
Obwohl die Bedeutung des Abgleichs von Endplattengeometrie und Implantatoberfläche in früheren Studien6,7,8diskutiert wurde, sind Daten über die Morphologie von Wirbelendplatten rar. Die meisten früheren Studien haben die 3D-Natur der Endplatte9,10,11nicht enthüllt. Eine räumliche Analyse ist erforderlich, um die Endplattenmorphologie12,13,14besser und vollständig darzustellen. Darüber hinaus haben die meisten Studien niedrigere Präzision Simeme10,15,16eingesetzt. Darüber hinaus wurde eine signifikante Vergrößerung gemeldet, wenn Geometrieparameter mit Hilfe von Radiographie oder Computertomographie (CT)17,18gemessen werden. Obwohl Magnetresonanztomographie (MRT) als nicht-invasiv gilt, ist sie bei der Definition der genauen Ränder osseöser Strukturen weniger genau11. Aufgrund des Fehlens eines standardisierten Messprotokolls gibt es große Unterschiede zwischen vorhandenen geometrischen Daten.
In den letzten Jahren wurde Reverse Engineering, das die vorhandenen physischen Teile in computergestützte Festkörpermodelle digitalisieren kann, zunehmend auf dem Gebiet der Medizin eingesetzt. Die Technik macht es möglich, eine genaue Darstellung des anatomischen Charakters anspruchsvoller Wirbeloberflächen zu entwickeln. Das Reverse Engineering System umfasst zwei Subsysteme: das Instrumentierungssystem und das Softwaresystem. Das in diesem Protokoll übernommene Instrumentierungssystem verfügt über einen berührungslosen optischen Flachbettscanner mit 3D-Bereich, der hochschnell und hochpräzise ist (Präzision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 Pixel). Der Scanner kann effizient (Eingabezeit 3 s) Oberflächenmorphologieinformationen des Zielobjekts erfassen und in eine digitale Punktwolke umwandeln. Das Softwaresystem (d.h. Reverse Engineering Software) ist eine Computeranwendung für die Punktwolkendatenverarbeitung (siehe Tabelle der Materialien),die Rekonstruktion von 3D-Oberflächenmodellen, die freie Kurven- und Oberflächenbearbeitung sowie die Datenverarbeitung (siehe Tabelle Materialien).
Zweck des vorliegenden Berichts ist es, (1) ein Messprotokoll und einen Algorithmus zu entwickeln, um quantitative Parameter von Wirbelendplatten auf der Grundlage einer Reverse-Engineering-Technik zu erhalten, (2) ein mathematisches Modell zu entwickeln, das eine realistische Darstellung von Wirbelendplatten, ohne zu viele Landmarken zu digitalisieren. Diese Methoden werden vorteilhaft für die chirurgische Aktplanung und Finite-Elemente-Modellierung sein.

<table><tbody><tr><td>Catia</td><td>Dassault Systèmes, Paris, Frankreich</td> https://www.3ds.com/products-services/catia/ <td>Rekonstruktion von 3D-Oberflächenmodellen, kostenlose Kurven- und Oberflächenbearbeitung und Datenverarbeitung</td><td></td></tr> <tr><td>Geomagic Studio</td><td>Geomagic Inc., Morrisville, NC</td><td>https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301</td><td>Punktwolken-Datenverarbeitung</td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>The MathWorks Inc., Natick, USA</td><td>https://www.mathworks.com/</td> <td>Daten analysieren, Algorithmen entwickeln und Modelle erstellen</td></tr><tr><td>Optischer 3D-Flachbettscanner</td><td>Xi" an XinTuo 3D Optical Measurement Technology Co.Ltd., Xi' an, Shaanxi, China</td><td>http://www.xtop3d.com/</td> <td>geometrische Oberflächenparameter erfassen und in digitale Punkte umwandeln</td></tr></tbody></table>

präzisionsmessungen und parametrische modelle von wirbelendplatten

Precision Measurements and Parametric Models of Vertebral Endplates

Detaillierte und umfassende geometrische Daten von Wirbelendplatten sind wichtig und notwendig, um die Genauigkeit von Endliche-Elemente-Modellen der Wirbelsäule zu verbessern, Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen und zu verbessern und degenerative Veränderungen und Biomechanik zu verstehen. In diesem Protokoll wird ein Hochgeschwindigkeits- und hochpräziser Scanner eingesetzt, um Morphologiedaten von Endplattenoberflächen in eine digitale Punktwolke umzuwandeln. Im Softwaresystem wird die Punktwolke weiterverarbeitet und in drei Dimensionen rekonstruiert. Anschließend wird ein Messprotokoll durchgeführt, das ein 3D-Koordinatensystem beinhaltet, das definiert ist, um jeden Punkt zu einer 3D-Koordinate zu machen, drei sagittale und drei frontale Flächenkurven, die symmetrisch auf der Endplattenoberfläche angebracht sind, und 11 äquidistante Punkte, die in jeder Kurve ausgewählt. Schließlich werden Messungen und räumliche Analysen durchgeführt, um geometrische Daten der Endplatten zu erhalten. Parametrische Gleichungen, die die Morphologie von Kurven und Flächen darstellen, werden basierend auf den Merkmalspunkten angepasst. Das vorgeschlagene Protokoll, das modular aufgebaut ist, bietet eine genaue und reproduzierbare Methode, um geometrische Daten von Wirbelendplatten zu erhalten und kann in Zukunft bei ausgefeilteren morphologischen Studien helfen. Es wird auch dazu beitragen, personalisierte Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen, chirurgische Handlungen zu planen, klinische Diagnosen zu erstellen und genaue Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln.

Mit dem hochpräzisen optischen 3D-Bereich-Flachbettscanner wurden die Endplatten in mehr als 45.000 digitale Punkte umgewandelt, die die Morphologie angemessen charakterisieren (Abbildung 2A,B).
Im Messprotokoll wurde die räumliche Analyse von Endplattenoberflächen durchgeführt. Repräsentative Kurven wurden an der Oberfläche angepasst und quantifiziert, um die Morphologie zu charakterisieren (<strong class="xfig...

Ein Reverse Engineering-System wird eingesetzt, um detaillierte und umfassende Geometriedaten von Wirbelendplatten aufzuzeichnen und zu erhalten. Anschließend werden parametrische Modelle der Wirbelendplatte entwickelt, die für die Entwicklung personalisierter Wirbelsäulenimplantate, die Erstellung klinischer Diagnosen und die Entwicklung präziser Finite-Elemente-Modelle von Vorteil sind.

Präzisionsmessungen und parametrische Modelle von Wirbelendplatten

Detailed and comprehensive geometric data of vertebrae endplates is important and necessary to improve the fidelity of finite element models of the spine, ...

Diese genaue und reproduzierbare Methode kann verwendet werden, um detaillierte und umfassende Geometriedaten aus Wirbelendplatten zu erhalten und ein parametrisches Modell zu entwickeln, ohne zu viele Landmarken zu digitalisieren. Mit diesem Reverse Engineering-System kann effizient eine genaue Darstellung des anatomischen Charakters anspruchsvoller Wirbeloberflächen mit guter Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit entwickelt werden. Dieses Protokoll kann zur Entwicklung personalisierter Wirbelsäulenimplantate, der chirurgischen Planung, der klinischen Diagnosen und der Entwicklung präziser Finite-Elemente-Modelle beitragen.Die Methode kann für die ausgeklügelten morphologischen Studien verwendet werden und das parametrische Modell kann auf andere bildgebende Modalitäten wie Computertomographie und MRT angewendet werden. Obwohl ein Anfänger zusätzliche Zeit benötigen kann, um das Verfahren abzuschließen, erfordert die Technik eine kurze Lernkurve insgesamt, um zu meistern. Demonstrieren datilisch wird Hang Feng, ein Arzt aus meinem Labor.Bevor Sie mit dem Eingriff beginnen, legen Sie einen trockenen Halswirbel ohne pathologische Verformung oder gebrochene Teile vertikal auf die Plattform des Scanners, wobei die Endplatte auf die Kameralinse gerichtet ist. Starten Sie den Scanvorgang, um CloudPoint-Daten abzuerhalten, und öffnen Sie die Software für die Verarbeitung von Punktwolken. Klicken Sie auf Importieren, um die Punktwolkendaten zu importieren und eine digitale Grafik des Wirbels zu generieren.Klicken Sie auf Wrap, um die Bilddaten in eine STL-Formatdatei zu packen, um die Punktwolke in Mesh umzuwandeln, wodurch ein Punktobjekt in ein Polygonobjekt konvertiert wird und ein entsprechendes 3D-Rekonstruktions- und Datenverarbeitungssoftwareprogramm geöffnet wird. Klicken Sie im Untermenü Neu auf Datei, und wählen Sie In der Liste der Typen Die Option "Teil" aus. Klicken Sie auf Start und Shape und Digitalized Shape Editor.Klicken Sie dann auf das Importsymbol, wählen Sie die STL-Formatdatei aus und klicken Sie auf Übernehmen und "Okay". Um das Endplatten-3D-Koordinatensystem zu definieren, markieren Sie ein anatomisches Wahrzeichen auf jedem linken und rechten Endpunkt des epiphysialen Rands und markieren Sie das Landmark auf dem vorderen Medianpunkt. Klicken Sie auf das Liniensymbol, und wählen Sie die beiden nachgestellten Kantenendpunkte aus, um eine hintere Frontlinie zu definieren.Klicken Sie auf das Ebenensymbol, um den Ebenentyp auf normal in der Kurve festzulegen, und wählen Sie die hintere Frontlinie im vorderen Medianpunkt aus, um die Mittelsagittalebene zu definieren. Klicken Sie auf Start, Shape und Quick Surface Reconstruction. Um eine sich schneidende Kurve zu generieren, geben Sie in der Option Zahlen 1 auf das Symbol "Planarer Schnitt" ein, und wählen Sie das Endplattenbild und die Mittelsagittalebene aus.Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der sich schneidenden Kurve und des hinteren epiphysialen Rands aus, indem Sie den Schnittpunkt als den hinteren Medianpunkt definieren. Klicken Sie auf das Punktsymbol, Punkte und Ebenen Wiederholung. Wählen Sie dann den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 1 in die Option Instanzen ein, um den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers zu definieren.Klicken Sie auf das Symbol Achsensystem, und wählen Sie den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers als Ursprung aus. Die Parallellinie parallel zur hinteren Frontlinie als x-Achse, der mittelsagittaler Durchmesser als y-Achse und die Linie, die vorwärts und senkrecht zur X-Y-Ebene als Z-Achse zeigt Die Angemessenheit des Koordinatensystems kann danach bestimmt werden, ob der Schnitt punktgleich mit der definierten mittelsagittalen Ebenenlinie und der koronalen Ebene senkrecht zum Endplattenabschnitt verläuft. Um die charakteristischen Kurven und Punkte auf der Endplattenoberfläche anzupassen, wählen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 3 in die Option Instanzen ein, um den Durchmesser des Mittleren Sagittals gleichmäßig in vier Teile zu teilen.Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Abschnitt", geben Sie 1 in die Option Zahlen ein, und wählen Sie das Endplattenbild und die X-Z-Ebene aus, um eine sich schneidende Kurve zu generieren. Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie die beiden Schnittpunkte der X-Z-Ebene und des epiphysealen Rands aus. Definieren Sie die Linie zwischen den beiden Kreuzungen als mittleren Frontdurchmesser und teilen Sie den mittleren Frontdurchmesser gleichmäßig in vier Teile.Um die Länge eines Viertels des mittleren Sagittaldurchmessers zu messen, klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen. Um zwei Anpassungskurven zu generieren, klicken Sie auf einer Seite des Frontalteils auf das Symbol "Planarer Schnitt", geben Sie 2 in die Option Zahl ein, und geben Sie den Messwert in die Option Schritt ein, und wählen Sie das Endplattenbild und die X-Z-Ebene aus. Klicken Sie dann auf Swap, um auf der anderen Seite zwei Anpassungskurven zu generieren.Wählen Sie als Nächstes 11 äquidistante Punkte in jeder Kurve aus, und erhalten Sie neun Anpassungskurven auf der Endplattenoberfläche, wie gezeigt. Klicken Sie dann im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der Anpassungskurven und der mittleren Sagittalkurve aus, um insgesamt 66 Punkte auf jeder Endplatte zu erhalten. Um die Länge des Linienparameters zu messen, der den Abstand zwischen zwei gemessenen Punkten beträgt, klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen.Um die Konkavitätsparameter zu messen, klicken Sie auf Start, Form und generatives Shape-Design, und klicken Sie auf das Skizzensymbol und die X-Y-Ebene. Klicken Sie auf das Kreissymbol und den Ursprung, und ziehen Sie den Mauszeiger in einen angemessenen Abstand, bevor Sie klicken. Klicken Sie dann auf das Symbol Workbench beenden.Klicken Sie auf das Symbol Versatz, wählen Sie die ausgefüllte Ebene aus, und geben Sie einen geeigneten Wert in die Versatzoption ein, bis er tangential zum konkavsten Teil ist. Zoomen Sie hinein, und klicken Sie auf Start, Shape und Quick Surface Reconstruction, gefolgt vom Symbol 3D-Kurve, um den konkavsten Punkt zu suchen und zu erstellen. Klicken Sie dann auf das Symbol Zwischen messen, und wählen Sie den konkave Punkt und die X-Y-Ebene aus, um die gesamte Endplattenkonkavitätstiefe zu messen.Um die Flächenparameter zu quantifizieren, klicken Sie auf das Symbol Trägheitsmessung messen, und klicken Sie auf endplate surface, um die Oberfläche zu messen. Um die Anpassungsreihenfolge der parametrischen Gleichung zu bestimmen, öffnen Sie die Datenanalyse- und Visualisierungssoftware, und geben Sie X die entsprechenden Daten in das Befehlsfenster ein. Klicken Sie auf Geben Sie die entsprechenden Daten ein und geben Sie Z ein.Geben Sie dann den Code wie angegeben ein. Geben Sie für die Parametergleichungsanpassung cftool ein" und klicken Sie auf Enter, um das Kurvenanpassungswerkzeug aufzuführen. Geben Sie dann die Koordinaten einer Kurve in das Befehlsfenster ein, wie gezeigt.Wählen Sie Polynom aus, und geben Sie die Anpassungsreihenfolge ein, um die parametrische Gleichung der Endplattenoberfläche zu erhalten. Um die geometrischen Daten zu erhalten, geben Sie die X- und Y-Koordinatenwerte eines beliebigen Punktes auf der Endplatte im Befehlsfenster ein, und geben Sie die Parameter der Gleichung ein, die mit dem Polynom-Werkzeug angepasst wurden. Geben Sie dann die Gleichung ein, und klicken Sie auf Enter, um das Ergebnis zu erhalten.Um die 3D-Simulationsgrafiken zu erhalten, geben Sie die Polynomparameter in das Befehlsfenster ein, und geben Sie den Code wie angegeben ein. Geben Sie den angegebenen Code und die angegebene Gleichung ein. Geben Sie dann den angegebenen Code ein.Mit einem hochpräzisen optischen 3D-Bereich-Flachbettscanner wurden diese repräsentativen Endplatten, wie gezeigt, in mehr als 4500 digitale Punkte umgewandelt, um ihre Morphologie angemessen zu charakterisieren. Anhand des gezeigten Messprotokolls wurde eine räumliche Analyse der Endplattenoberflächen durchgeführt und repräsentative Kurven an der Oberfläche angepasst und quantifiziert, um jede Endplattenmorphologie zu charakterisieren. Die Messungen umfassten die Konkavitätstiefe und konkavitätsapity-Spitzenposition in der Mittelsagittalebene.Zusätzlich zu denen der gesamten Endplattenkonkavität und alle spezifischen Abschnitte von Interesse. Als nächstes wurden die Komponenten der Endplatten, der epiphysealen Felge und der zentralen Endplatte getrennt und ihre Längen und Bereiche erhalten. Die parametrische Gleichung jeder Kurve wurde dann abgeleitet, basierend auf den Koordinaten von 11 Punkten.Die Definition eines 3D-koordinierten Systems für jede Endplatte ist entscheidend für den Erfolg des Protokolls. Das unkovertebrale Gelenk kann von der Endplatte unterschieden werden, indem eine am besten fitte Ebene definiert wird, in Bezug auf die vorder- und hintersten Punkte der bilateralen nichtzinnierten Prozesse. Dieses Protokoll bietet eine genaue und reproduzierbare Methode für die Durchführung einer morphologischen Untersuchung komplexer Oberflächen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Medicine

Medizin

Wir entwickelten ein Lumbar-Bandscheibendegeneration Maus-Modell durch Resektion von L3–L5 Spinnprozesse zusammen mit supra- und inter-spinous Bänder und Ablösung von paraspinous Muskeln.

Ein Mausmodell der Lumbar Spine Instability

Ziel dieser Studie ist es, ein 3D-gedrucktes Modell eines patientenspezifischen Lendenwirbels zu erstellen, das sowohl die Wirbel- als auch die Spinalnervenmodelle enthält, die aus hochauflösenden Computertomographie- (HRCT) und MRT-Dixon-Daten fusioniert wurden.

3D-Druckmodell eines patientenspezifischen Lendenwirbels

In diesem Protokoll werden zwei Ansätze beschrieben, um die uniaxiale Kompressionsprüfung von Lendenwirbeln von Mäusen leichter zugänglich zu machen. Zunächst wird der Umbau einer Dreipunktbiegemaschine zu einer Druckprüfmaschine beschrieben. Zweitens wird ein Einbettungsverfahren zur Vorbereitung der Belastungsfläche, das Knochenzement verwendet, für die Lendenwirbel von Mäusen angepasst.

Maus Lendenwirbel Uniaxiale Kompressionsprüfung mit Einbettung der Belastungsfläche

Im Folgenden stellen wir eine "Nine-Grid Area Division Method" für die perkutane Vertebroplastie vor. Als Fallstudie wurde ein Patient mit einer L1-Wirbelkompressionsfraktur ausgewählt.

Neun-Raster-Flächenteilungsmethode: Eine neue ideale Knochenpunktionsregion für die perkutane Vertebroplastie in der Lendenwirbelsäule 

Tiermodelle werden häufig genutzt, um Krebs Metastasen in Knochen zu untersuchen. In diesem Protokoll werden wir zwei gängige Methoden der Tumorinokulation für Knochenmetastasen Studien beschreiben und beschreiben Sie kurz einige Analysen genutzt werden, um zu überwachen und zu quantifizieren diese Modelle.

Models von Knochenmetastasen

Wirbelkörperstabilisierung ist zur Minimierung Variabilität und für die Erstellung von konsistenten experimentellen Rückenmarksverletzungen notwendig. Mit einem maßgeschneiderten Stabilisierungsvorrichtung in Verbindung mit der NYU / Mascis Impaktor Gerät, haben wir hier die richtige Ausrüstung und Verfahren zur Erzeugung von reproduzierbaren halb kontusive zervikalen (C5) Rückenmarksverletzungen bei erwachsenen Ratten nachgewiesen.

A Novel Wirbelstabilisierungsverfahren zur Herstellung Gequetscht Rückenmarksverletzungen

Wir beschreiben, wie man MRT- und PET-Bildgebung des Mausherzens durchführt. Das Protokoll ist auf die Beurteilung der Behandlungswirksamkeit in Modellen für Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz zugeschnitten.

MRT und PET in Mausmodellen des Myokardinfarkts

Neueste Entwicklungen in der Gen-Targeting-Tools macht die Produktion von Knockout (KO) Kaninchen möglich. In der vorliegenden Arbeit haben wir einen fünf Apolipoprotein (Apo) C-III KO Kaninchen mit Zink-Finger-Nukleasen (ZFN). Diese Arbeit zeigte, dass ZFN ist eine hocheffiziente Methode, um KO Kaninchen zu produzieren.

Die Produktion von Apolipoprotein C-III-Knockout Kaninchen mit Zink-Finger-Nukleasen

Hypoxische Lungenvasokonstriktion (HPV) ist ein wichtiges physiologisches Phänomen, durch das bei alveolarer Hypoxie-Lungenperfusion auf die Beatmung abgestimmt wird. Das wichtigste Gefäßsegment, das zu HPV beiträgt, ist die Intra-Acinar-Arterie. Hier beschreiben wir unser Protokoll zur Analyse von HPV von murinen Lungengefäßen mit Durchmessern von 20-100 m.

Videomorphometrische Analyse der hypoxischen Lungenvasokonstriktion der intrapulmonalen Arterien mit Murine Precision Cut Lung Slices

Genauigkeit ist eine wichtige Forderung in der Zahnmedizin. Um die Genauigkeit zu überprüfen, werden Referenz Scanner benötigt. Dieser Artikel stellt eine neue Referenz-Scanner mit einer eingestellten Scan-Methode, um eine breite Vielzahl von zahnärztlichen Morphologien mit hoher Richtigkeit und Präzision zu erwerben.

Genauigkeit in Zahnmedizin, einen neuen Weg zu Richtigkeit und Präzision messen

Erfahren Sie, wie ein Reverse-Engineering-System präzise Geometriedaten von Wirbelendplatten erfasst und parametrische Modelle für personalisierte Implantate entwickelt. Diese Methode unterstützt chirurgische Planung und klinische Diagnostik.

Präzisionsmessungen und parametrische Modelle von Wirbelendplatten

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