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Article de méthode

Mesures de précision et modèles paramétriques des plaques vertébrales

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DOI :

10.3791/59371

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17 septembre 2019

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1Department of Spinal Surgery, Shanghai East Hospital, Tongji University School of Medicine

Dans cet article

Résumé

Un système d'ingénierie inverse est utilisé pour enregistrer et obtenir des données géométriques détaillées et complètes des plaques vertébrales. Des modèles paramétriques de la plaque vertébrale sont ensuite développés, qui sont bénéfiques à la conception d'implants rachidiens personnalisés, à la réalisation de diagnostics cliniques et au développement de modèles précis d'éléments finis.

Résumé

Des données géométriques détaillées et complètes des plaques d'extrémité des vertèbres sont importantes et nécessaires pour améliorer la fidélité des modèles d'éléments finis de la colonne vertébrale, concevoir et améliorer les implants rachidiens, et comprendre les changements dégénératifs et la biomécanique. Dans ce protocole, un scanner haute vitesse et très précis est utilisé pour convertir les données de morphologie des surfaces d'extrémité en un nuage de points numériques. Dans le système logiciel, le nuage de points est traité et reconstruit en trois dimensions. Ensuite, un protocole de mesure est effectué, impliquant un système de coordonnées 3D défini pour faire de chaque point une coordonnées 3D, trois courbes de surface sagittale et trois courbes frontales qui sont symétriquement montés sur la surface de la plaque d'extrémité, et 11 points équidistants qui sont sélectionnés dans chaque courbe. Des mesures et des analyses spatiales sont enfin effectuées pour obtenir des données géométriques des plaques d'extrémité. Les équations paramétriques représentant la morphologie des courbes et des surfaces sont ajustées en fonction des points caractéristiques. Le protocole proposé, qui est modulaire, fournit une méthode précise et reproductible pour obtenir des données géométriques des plaques vertébrales et peut aider à des études morphologiques plus sophistiquées à l'avenir. Il contribuera également à la conception d'implants rachidiens personnalisés, à la planification d'actes chirurgicaux, à la réalisation de diagnostics cliniques et à l'élaboration de modèles précis d'éléments finis.

Introduction

Une plaque vertébrale est la coquille supérieure ou inférieure du corps vertébral et sert d'interface mécanique pour transférer le stress entre le disque et le corps vertébral1. Il se compose de la jante épiphysher, qui est un labrum osseux fort et solide entourant le bord externe du corps vertébral, et la plaque d'extrémité centrale, qui est mince et poreuse2.

La colonne vertébrale est sujette à un large éventail de troubles dégénératifs, traumatiques et néoplastiques, qui peuvent justifier une intervention chirurgicale. Récemment, les dispositifs de colonne vertébrale tels que les disques artificiels et les cages ont été largement utilisés. Des paramètres morphométriques précis et détaillés des plaques d'extrémité sont nécessaires pour la conception et l'amélioration des implants spinaux avec le contact efficace de prothèse-vertèbre et le potentiel de croissance d'os3. En outre, l'information sur la forme et la géométrie exactes des plaques vertébrales est importante pour comprendre la biomécanique. Bien que la modélisation des éléments finis permet la simulation des vertèbres réelles et a été largement utilisé pour étudier les réponses physiologiques de la colonne vertébrale à diverses conditions de chargement4, cette technique est spécifique au patient et non généralisable à tous les Vertèbres. Il a été suggéré que la variabilité intrinsèque de la géométrie des vertèbres au sein de la population générale devrait être prise en considération lors du développement du modèle d'élément fini5. Par conséquent, les paramètres géométriques des plaques d'extrémité sont propices à la génération de mailles et à l'amélioration de la fidélité dans la modélisation des éléments finis.

Bien que l'importance de l'appariement de la géométrie de la plaque d'extrémité et de la surface de l'implant ait été discutée dans des études antérieures6,7,8, les données sur la morphologie des plaques vertébrales sont rares. La plupart des études précédentes n'ont pas révélé la nature 3D de la plaque d'extrémité9,10,11. Une analyse spatiale est nécessaire pour mieux et bien représenter la morphologie de la plaque d'extrémité12,13,14. En outre, la plupart des études ont employé des techniques de mesure de précision inférieure10,15,16. En outre, un grossissement significatif a été rapporté lorsque les paramètres de géométrie sont mesurés en utilisant la radiographie ou la tomographie calculée (CT)17,18. Bien que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) soit considérée comme non invasive, elle est moins précise dans la définition des marges précises des structures ossées11. En raison de l'absence d'un protocole de mesure normalisé, il existe de grandes différences entre les données géométriques existantes.

Ces dernières années, l'ingénierie inverse, qui peut numériser les pièces physiques existantes en modèles solides informatisés, a été de plus en plus appliquée dans le domaine de la médecine. La technique permet de développer une représentation précise du caractère anatomique des surfaces vertébiennes sophistiquées. Le système d'ingénierie inverse comprend deux sous-systèmes : le système d'instrumentation et le système logiciel. Le système d'instrumentation adopté dans ce protocole est muni d'un scanner à plat optique de portée 3D sans contact, à grande vitesse et très précis (précision de 0,02 mm, 1 628 x 1 236 pixels). Le scanner peut capturer efficacement (temps d'entrée 3 s) des informations de morphologie de surface de l'objet cible et le convertir en nuage de points numériques. Le système logiciel (c.-à-d. logiciel d'ingénierie inversée) est une application informatique pour le traitement des données en nuage de points (voir Tableau des matériaux),la reconstruction du modèle de surface 3D, l'édition de courbes et de surface libres, et le traitement des données (voir tableau de Matériaux).

Les objectifs du présent rapport sont (1) de concevoir un protocole de mesure et un algorithme pour obtenir des paramètres quantitatifs des terminaisons vertébrales basés sur une technique d'ingénierie inversée, (2) développer un modèle mathématique qui permet un modèle réaliste représentation des plaques vertébrales sans numériser trop de repères. Ces méthodes seront bénéfiques à la planification de l'acte chirurgical et à la modélisation des éléments finis.

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Protocole

Cette étude a été approuvée par le comité d'éthique de la recherche en santé de l'institut des auteurs. Comme les os vertébraux cervicaux ont des formes plus complexes19, le protocole utilise les vertèbres cervicales comme une illustration pour faciliter la recherche pertinente.

1. Préparation des matériaux, numérisation et traitement d'image

  1. Recueillir une vertèbre cervicale sèche sans déformation pathologique ou pièces cassées.
  2. Placez la vertèbre verticalement dans la plate-forme du scanner (Figure 1, voir Tableau des matériaux), avec la plaque d'extrémité face à l'objectif de la caméra. Utilisez la source de lumière active du scanner. Ensuite, démarrez le processus de numérisation pour obtenir des données de cloud point (. format ASC).
    REMARQUE : Selon les images de pré-scan, ajustez le scanner et la position de la vertèbre pour capturer autant d'informations de morphologie de surface que possible.
  3. Ouvrez le logiciel spécialement utilisé pour le traitement des nuages de points (voir Tableau des matériaux). Cliquez sur Import pour importer les données du cloud point et générer le graphique numérique de la vertèbre. Définir le taux d'échantillonnage à 100%, sélectionnez Garder des données complètes sur l'échantillonnage, sélectionnez l'unité de données en tant que millimètres, et cliquez sur Points d'ombre. Utilisez l'outil de sélection Lasso pour sélectionner les points redondants sur le graphique, puis cliquez sur Supprimer pour les supprimer. Cliquez sur Réduire le bruit et définir le niveau de douceur à son maximum pour réduire le bruit et les pointes ( Figure2A, B).
    REMARQUE : Il existe des instructions de fonctionnement logicielles de base au bas de l'interface graphique (interface utilisateur graphique). Les points de bruit avec des éperons pointus évidents latéralement ou verticalement doivent être enlevés pour réduire l'erreur.
  4. Cliquez sur Envelopper pour emballer les données d'imagerie dans un fichier de format .stl pour transformer le nuage de points en maille, qui convertira un objet point en un objet polygone.
    REMARQUE : Le logiciel d'ingénierie inversée accepte généralement le format 3D de type .stl.
  5. Ouvrez le logiciel spécialement utilisé pour la reconstruction 3D et le traitement des données (voir Tableau des matériaux). Cliquez sur Fichier puis Nouveau dans le sous-menu. Sélectionnez partie dans la liste des types. Cliquez sur Démarrer, puis Forme zetez dans le sous-menu, puis Digitized Shape Editor. Cliquez sur l'icône Import dans la barre d'outils sur le côté droit de l'interface graphique. Dans la fenêtre Import, sélectionnez le fichier de format .stl, puis cliquez sur Appliquer 'gt; OK. Cliquez sur Fit All dans l'icône dans la barre d'outils en bas pour charger l'image reconstruite à la fenêtre principale du logiciel de présentation.
    REMARQUE : Les étapes 1.5 à 2.3.3 sont exécutées avec le même logiciel.
  6. Cliquez sur Activer dans la barre d'outils à droite. Dans la fenêtre Activer, sélectionnez Mode Piège 'gt; Type polygonal 'gt; Inside Trap. Ensuite, sélectionnez la plaque vertébrale sur l'image 3D pour enlever les composants vertébraux inutiles, tels que les éléments postérieurs et les ostéophytes (Figure 2C).

2. Quantification de la morphologie 3D de la plaque d'extrémité

  1. Définition du système de coordonnées 3D de la plaque d'extrémité
    1. Cliquez sur Démarrer 'gt; Forme dans le sous-menu, puis Generative Shape Design. Cliquez sur l'icône Point dans la barre d'outils à droite. Marquez trois repères anatomiques sur la jante épiphysher : les deux premiers sont les points d'extrémité gauche et droit du bord de fuite de la plaque d'extrémité, respectivement; le troisième est le point médian antérieur.
    2. Cliquez sur l'icône De ligne dans la barre d'outils sur le côté droit et sélectionnez les deux points de terminaison de bord de fuite pour définir une ligne frontale postérieure. Cliquez sur l'icône Plan, sélectionnez le type d'avion pour qu'il soit normal de la courbe, puis sélectionnez la ligne frontale postérieure et le point médian antérieur pour définir le plan mi-sagittal.
    3. Cliquez sur Démarrer 'gt; Forme 'gt; Reconstruction de surface rapide. Cliquez sur l'icône de la section planaire, entrez 1 dans l'option de numéro, puis sélectionnez l'image de la plaque d'extrémité et le plan mi-sagittal pour générer une courbe qui se croise. Cliquez sur Courbe de l'icône Scan et sélectionnez l'intersection de la courbe qui se croise et de la jante épiphysétique postérieure. Définissez l'intersection comme le point médian postérieur.
    4. Cliquez sur Démarrer 'gt; Forme 'gt; Generative Shape Design. Cliquez sur l'icône Ligne et sélectionnez le point médian antérieur et le point médian postérieur pour définir un diamètre mi-sagittal. Cliquez sur l'icône Point, puis Points et Planes Répétition dans le sous-menu. Ensuite, sélectionnez le diamètre mi-sagittal et entrez 1 dans l'option Instance(s) pour définir le point médian du diamètre mi-sagittal.
    5. Cliquez sur l'icône Axis System dans la barre d'outils en bas. Ensuite, sélectionnez le point médian du diamètre mi-sagittal comme origine, la ligne parallèle à la ligne frontale postérieure comme l'axe x, le diamètre mi-sagittal comme l'axe y, et la ligne pointant vers l'avant et perpendiculaireau au plan x-y comme l'axe z(Figure 3 ).
      REMARQUE : Les deux points de terminaison de bord de fuite sont choisis comme points de référence parce qu'ils sont cohérents et montrent une variation minimale en présence d'ostéophytes10.
  2. Ajustement des courbes et des points caractéristiques sur la surface de la plaque d'extrémité (Figure 4A-D)
    1. Cliquez sur l'icône Point, puis Points et Planes Répétition dans le sous-menu. Sélectionnez le diamètre mi-sagittal et entrez 3 dans l'option Instance(s) pour diviser le diamètre mi-sagittal également en quatre parties.
    2. Cliquez sur Démarrer 'gt; Forme 'gt; Reconstruction de surface rapide. Cliquez sur l'icône de la section planaire, entrez 1 dans l'option Nombre, puis sélectionnez l'image de la plaque d'extrémité et le plan x-z pour générer une courbe qui se croise. Cliquez sur Courbe de l'icône Scan et sélectionnez les deux intersections du plan x-z et de la jante épiphysher.
    3. Définissez la ligne entre les deux intersections comme étant le diamètre mi-frontal. De la même manière, diviser le diamètre mi-frontal également en quatre parties.
      REMARQUE : Lorsque la plaque d'extrémité n'est pas symétrique par rapport au plan médio-sagittal, choisissez l'un des deux points d'extrémité de la courbe mi-frontale qui a une distance verticale plus courte par rapport au plan z-y. Ensuite, définissez le diamètre mi-frontal comme 2 fois la longueur du plus court, et divisez-le également en quatre parties.
    4. Cliquez sur la mesure entre l'icône dans la barre d'outils en bas pour mesurer la longueur d'un quart du diamètre mi-sagittal. Cliquez sur l'icône de la section planaire, entrez 2 dans l'option Nombre, entrez la valeur mesurée dans l'option Étape, puis sélectionnez l'image de la plaque d'extrémité et le plan x-z pour générer deux courbes d'ajustement d'un côté de la partie frontale. Cliquez sur Swap pour générer deux courbes d'ajustement de l'autre côté. De la même manière, obtenir les trois autres courbes d'ajustement dans le plan sagittal.
      REMARQUE : Les deux courbes d'ajustement mi-frontales se chevauchent avec les deux courbes d'ajustement mi-sagittal.
    5. Sélectionnez 11 points équidistants dans chaque courbe pour les mesures ultérieures. La méthode spécifique est la suivante:
      1. Si l'on prend l'exemple de la courbe mi-sagittale, divisez également le diamètre mi-sagittal en 10 parties, ce qui se traduit par une somme de 11 points, dont neuf points intermédiaires et deux points d'évaluation (se référer aux étapes 2.1.3 et 2.2.1).
      2. Passez par chaque point équidistant, obtenez neuf courbes d'ajustement sur la surface de la plaque d'extrémité (voir l'étape 2.2.2). Cliquez sur Courbe de l'icône Scan et sélectionnez l'intersection des courbes d'ajustement et de la courbe mi-sagittale. Enfin, obtenir un total de 66 points sur chaque plaque d'extrémité (11 points par courbe multipliée par six courbes). Cliquez sur l'icône mesurez l'élément dans la barre d'outils en bas pour mesurer les coordonnées de chaque point.
  3. Mesure des paramètres morphologiques de la plaque d'extrémité
    1. Paramètre de ligne :
      1. Cliquez sur la mesure entre l'icône pour mesurer la longueur du paramètre de ligne qui est la distance entre deux points mesurés.
    2. Paramètres de concavité :
      1. Créer un plan parallèle à l'avion x-y (Figure 5A):cliquez sur Démarrer 'gt; Forme 'gt; Generative Shape Design. Cliquez sur l'icône Sketch dans la barre d'outils sur le côté droit, puis cliquez sur le plan x-y. Cliquez sur l'icône Cercle, cliquez sur Origine sur la surface de la plaque d'extrémité, faites glisser le curseur de la souris à une distance appropriée, puis cliquez. Cliquez sur l'icône Du banc de sortie, puis l'icône Remplir, puis cliquez.
      2. Cliquez sur l'icône Offset, sélectionnez le plan rempli et entrez une valeur appropriée dans l'option offset jusqu'à ce qu'elle soit tangente à la partie la plus concave, et zoomez. Cliquez sur Démarrer 'gt; Forme 'gt; Reconstruction de surface rapide. Ensuite, cliquez sur l'icône de courbe 3D pour trouver et créer le point le plus concave. Cliquez sur l'icône Mesure zona pour mesurer les coordonnées du point le plus concave (figure 5B).
      3. Cliquez sur la mesure entre l'icône, puis sélectionnez le point le plus concave et le plan x-y pour mesurer toute la profondeur de la concavité de la plaque d'extrémité. De même, trouver et créer la profondeur la plus concave sur un plan particulier et mesurer ses coordonnées.
      4. Cliquez sur l'icône Projection dans la barre d'outils sur le côté droit, puis sélectionnez le point le plus concave et le plan x-y pour obtenir le point projectif. Cliquez sur l'icône Mesure zona pour mesurer les coordonnées du point de projection et déterminer sa distribution en fonction des coordonnées.
    3. Paramètres de surface :
      1. Cliquez sur l'icône d'inertie de mesure dans la barre d'outils en bas et cliquez sur la surface de la plaque d'extrémité pour mesurer sa surface. Cliquez sur l'icône Activer et sélectionnez la plaque d'extrémité centrale le long des marges intérieures de l'anneau épiphysélausé (voir l'étape 1.6), puis cliquez sur l'icône d'inertie de mesure pour mesurer sa zone (Figure 5C). Cliquez sur l'icône Activer, puis la plaque d'extrémité centrale, et enfin l'icône Swap dans la fenêtre Activer pour obtenir une jante épiphysher. Ensuite, mesurez sa superficie.

3. Développement du modèle mathématique de surface de surface de plaque d'extrémité

  1. Détermination de l'ordre d'ajustement de l'équation paramétrique
    1. Ouvrez le logiciel d'analyse et de visualisation des données (voir Tableau des matériaux). Entrée x [données correspondantes] dans la fenêtre de commande. Cliquez sur Entrez.
      REMARQUE : Les « données correspondantes » se réfèrent aux données x-coordonnées des 11 points caractéristiques d'une courbe qui ont été mesurées dans les étapes précédentes. Cliquez sur Entrez après la saisie de chaque commande, la même application aux opérations ultérieures. Les étapes 3.1 à 5.5 sont exécutées uniformément avec le même logiciel.
    2. De la même manière, l'entrée z '[données correspondantes].
    3. Entrée du code pour i'1:5 z2'polyfit(x,z,i); Z-polyval (z2,x); si la somme (Z-z). fin; fin.
      REMARQUE : Le protocole fixe la somme d'erreur des carrés en dessous de 0,01 pour obtenir une précision plus élevée, dont la valeur peut être réajustée pour satisfaire diverses demandes.
    4. Cliquez sur Entrez pour obtenir une valeur C qui est l'ordre d'ajustement souhaité.
  2. Ajustement d'équation de paramètre
    1. Input cftool et cliquez sur Entrez pour mettre en place l'outil de montage de courbe.
    2. Entrez les coordonnées d'une courbe dans la fenêtre de commande (se référer aux étapes 3.1.1 et 3.1.2). Dans l'outil curve Fitting, sélectionnez les données x-coordonnées lors de l'ajustement des courbes d'avion frontales et des données y-coordinate lors de l'ajustement des courbes d'avion sagittal dans l'option de données x, sélectionnez les données z-coordonnées dans l'option de données y, sélectionnez polynomial, et entrez l'ordre d'ajustement Obtenu. Ensuite, le logiciel produira automatiquement l'équation paramétrique et la bonté de l'ajustement.
      REMARQUE : Comme la courbe est une image 2D, l'option de travail par défaut est les options x et y dans l'outil d'ajustement de courbe lors de l'ajustement d'une courbe.
    3. De la même manière, entrez les coordonnées 3D des 66 points et faites correspondre les données de coordonnées aux options d'axe correspondantes. Sélectionnez polynomial et entrez dans l'ordre d'ajustement pour obtenir l'équation paramétrique de la surface de la plaque d'extrémité (figure 6B).

4. Acquisition de données géométriques basées sur l'équation paramétrique

  1. Entrée x- et y-coordonner les valeurs de n'importe quel point sur la plaque d'extrémité dans la fenêtre de commande.
  2. Entrée PX1, PX2, PX3....
    REMARQUE: Px est les paramètres de l'équation paramétrique qui ont été installés à l'aide polynomiale dans les étapes ci-dessus.
  3. Entrez l'équation et cliquez Sur Entrez pour obtenir le résultat (c.-à-d., format d'entrée : z ' P00 ' P10'x 'P01'y ' P20'x '2 ' P11'x 'y 'p02'y '2 ' P30'x '3 ' P21'x '2 'y ' P12 P2 p. 3,P40x 4, P31x 3,5 , P22x 2,p.

5. Représentation de la plaque d'extrémité basée sur l'équation paramétrique

  1. Entrée PX1, PX2, PX3.... dans la fenêtre de commande.
  2. Entrée du code X-N1:0.01:N2;.
    REMARQUE : N1-N2 est la gamme de données de l'axe X (c.-à-d., les valeurs des deux points de terminaison de la courbe du milieu de la couronne).
  3. Entrée du code "Y-N 3:0.01:N4;".
  4. Entrée de l'équation (c.-à-d., z '(x,y)P00 ' P10.x 'P01. . . ' P20. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 03. . . . . 3 P40. . x.4 p31. . . . . . . .. P22. . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  5. Entrée du code ezmesh(z, [N1,N2,N3,N4]) pour obtenir des graphiques de simulation 3D (Figure 6C).

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Résultats

À l'aide du scanner à plate-forme optique 3D très précis, les plaques d'extrémité ont été converties en plus de 45 000 points numériques, qui caractérisent adéquatement la morphologie (Figure 2A,B).

Dans le protocole de mesure, l'analyse spatiale des surfaces d'extrémité a été effectuée. Des courbes représentatives ont été ajustées et quantifiées à la surface pour caractériser la morphologie (

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Discussion

L'ingénierie inverse a été appliquée de plus en plus et avec succès dans le domaine de la médecine, comme la cranioplastie20, orale21, et les implants maxillo-faciaux21. Les mesures d'ingénierie inversées, à savoir la numérisation de surface du produit, se réfèrent à la conversion des informations de surface en données de cloud de point utilisant des équipements et des méthodes de mesure spécifiques. Sur la base de ces données, la modélisation, l'éva...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent.

Remerciements

Ces travaux ont été financés par Key Discipline Construction Project du Pudong Health Bureau de Shanghai (PWZxk2017-08) et par la National Natural Science Foundation of China (81672199). Les auteurs tiens à remercier Wang Lei pour son aide dans la relecture d'une version antérieure et Li Zhaoyang pour son aide dans le développement du modèle paramétrique.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
CatiaDassault Systèmes, Paris, Francehttps://www.3ds.com/products-services/catia/Reconstruction de modèles de surface 3D, édition de courbes libres et de surfaces et traitement de données
Geomagic StudioGeomagic Inc., Morrisville, Caroline du Nordhttps://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301traitement de données de nuages de points
MATLABThe MathWorks Inc., Natick, États-Unishttps://www.mathworks.com/Analyser des données, développer des algorithmes et créer des modèles
Scanner optique 3D à platXi' an XinTuo 3D Optical Measurement Technology Co.Ltd., Xi' an, Shaanxi, Chinehttp://www.xtop3d.com/acquérir des paramètres géométriques de surface et les convertir en points numériques

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Réimpressions et autorisations

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