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Articolo metodologico

Misurazioni di precisione e modelli parametrici delle piastre posteriori vertebrali

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DOI:

10.3791/59371

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17 settembre 2019

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

In questo articolo

Sommario

Un sistema di reverse engineering viene impiegato per registrare e ottenere dati geometrici dettagliati e completi delle piastre vertebrali. Vengono quindi sviluppati modelli parametrici di estremità vertebrale, che sono utili per la progettazione di impianti spinali personalizzati, la realizzazione di diagnosi cliniche e lo sviluppo di modelli di elementi finiti accurati.

Abstract

Dati geometrici dettagliati e completi delle piastre vertebrali sono importanti e necessari per migliorare la fedeltà dei modelli di elementi finiti della colonna vertebrale, progettare e migliorare gli impianti spinali e comprendere i cambiamenti degenerativi e la biomeccanica. In questo protocollo, viene utilizzato uno scanner ad alta velocità e altamente accurato per convertire i dati di morfologia delle superfici di fascia in una nuvola di punti digitale. Nel sistema software, la nuvola di punti viene ulteriormente elaborata e ricostruita in tre dimensioni. Quindi, viene eseguito un protocollo di misurazione, che coinvolge un sistema di coordinate 3D definito per rendere ogni punto una coordinata 3D, tre curve di superficie frontale e tre curve frontali che sono montate simmetricamente sulla superficie dell'estremità e 11 punti equidistanti che sono selezionato in ogni curva. La misurazione e le analisi spaziali vengono infine eseguite per ottenere i dati geometrici delle piastre finali. Le equazioni parametriche che rappresentano la morfologia di curve e superfici vengono adattate in base ai punti caratteristici. Il protocollo suggerito, che è modulare, fornisce un metodo preciso e riproducibile per ottenere dati geometrici di piastre vertebrali e può aiutare in studi morfologici più sofisticati in futuro. Contribuirà anche alla progettazione di impianti spinali personalizzati, alla pianificazione di atti chirurgici, alla creazione di diagnosi cliniche e allo sviluppo di accurati modelli di elementi finiti.

Introduzione

Un'estremità vertebrale è il guscio superiore o inferiore del corpo vertebrale e serve come interfaccia meccanica per trasferire lo stress tra il disco e il corpo vertebrale1. È costituito dal bordo epifise, che è un labbro osseo forte e solido che circonda il bordo esterno del corpo vertebrale, e l'estremità centrale, che è sottile e porosa2.

La colonna vertebrale è soggetta a una vasta gamma di disturbi degenerativi, traumatici e neoplastici, che possono giustificare un intervento chirurgico. Recentemente, dispositivi spinali come dischi artificiali e gabbie sono stati ampiamente utilizzati. Parametri morfometrici accurati e dettagliati delle piastre finali sono necessari per la progettazione e il miglioramento degli impianti spinali con efficace contatto protesi-vertebra lepreda e potenziale di crescita ossea3. Inoltre, le informazioni sulla forma esatta e sulla geometria delle piastre vertebrali sono importanti per comprendere la biomeccanica. Sebbene la modellazione degli elementi finiti consenta la simulazione delle vertebre reali ed è stata ampiamente utilizzata per studiare le risposte fisiologiche della colonna vertebrale alle varie condizioni di carico4, questa tecnica è specifica per il paziente e non è generalizzabile per tutti Vertebre. È stato suggerito che la variabilità intrinseca della geometria vertebrale tra la popolazione generale dovrebbe essere considerata quando si sviluppa il modello di elemento finito5. Pertanto, i parametri geometrici delle piastre finali favoriscono la generazione della mesh e il miglioramento della fedeltà nella modellazione degli elementi finiti.

Sebbene l'importanza della corrispondenza della geometria della piastra d'estremità e della superficie dell'impianto sia stata discussa negli studi precedenti6,7,8, i dati sulla morfologia delle piastre vertebrali sono scarsi. La maggior parte degli studi precedenti non sono riusciti a rivelare la natura 3D dell'estremità9,10,11. Un'analisi spaziale è necessaria per meglio e rappresentare completamente la morfologia di fascia12,13,14. Inoltre, la maggior parte degli studi hanno impiegato tecniche di misurazione di precisione più bassa10,15,16. Inoltre, è stato riportato un ingrandimento significativo quando i parametri della geometria vengono misurati impiegando la radiografia o la tomografia computerizzata (TC)17,18. Anche se la risonanza magnetica (RM) è considerata non invasiva, è meno precisa nella definizione dei margini precisi delle strutture osseoe11. A causa della mancanza di un protocollo di misurazione standardizzato, ci sono grandi differenze tra i dati geometrici esistenti.

Negli ultimi anni, il reverse engineering, in grado di digitalizzare le parti fisiche esistenti in modelli solidi computerizzati, è stato sempre più applicato al campo della medicina. La tecnica rende possibile sviluppare una rappresentazione accurata del carattere anatomico delle sofisticate superfici vertebrali. Il sistema di reverse engineering comprende due sottosistemi: il sistema di strumentazione e il sistema software. Il sistema di strumentazione adottato in questo protocollo dispone di uno scanner piano a gamma 3D ottico non a contatto, che è ad alta velocità e altamente preciso (precisione 0,02 mm, 1.628 x 1.236 pixel). Lo scanner è in grado di acquisire in modo efficiente (tempo di ingresso 3 s) le informazioni sulla morfologia della superficie dell'oggetto di destinazione e convertirlo in nuvola di punti digitali. Il sistema software (cioè software di reverse engineering) è un'applicazione informatica per l'elaborazione dei dati della nuvola di punti (vedere Tabella dei materiali),la ricostruzione del modello di superficie 3D, l'editing gratuito di curve e superfici e l'elaborazione dei dati (vedere Tabella di Materiali).

Gli scopi della presente relazione sono (1) elaborare un protocollo di misurazione e un algoritmo per ottenere parametri quantitativi delle piaghe vertebrali sulla base di una tecnica di reverse engineering, (2) sviluppare un modello matematico che consenta un rappresentazione delle endplates vertebrali senza digitalizzare troppi punti di riferimento. Questi metodi saranno utili per la pianificazione dell'atto chirurgico e la modellazione degli elementi finiti.

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Protocollo

Questo studio è stato approvato dal comitato etico della ricerca sanitaria dell'istituto degli autori. Poiché le ossa cervicali hanno forme più intricate19, il protocollo utilizza le vertebre cervicali come illustrazione per facilitare la ricerca rilevante.

1. Preparazione dei materiali, scansione ed elaborazione delle immagini

  1. Raccogliere una vertebra cervicale secca senza deformazioni patologiche o parti rotte.
  2. Posizionare la vertebra verticalmente nella piattaforma dello scanner (Figura 1, vedere Tabella dei materiali), con l'estremità rivolta verso l'obiettivo della fotocamera. Utilizzare la sorgente luminosa attiva dello scanner. Quindi, avviare il processo di scansione per ottenere i dati della nuvola di punti (. formato ASC).
    NOTA: In base alle immagini pre-scansione, regolare lo scanner e la posizione della vertebra per acquisire quante più informazioni di morfologia della superficie possibile.
  3. Aprire il software appositamente utilizzato per l'elaborazione di nuvole di punti (vedere Tabella dei materiali). Fare clic su Importa per importare i dati della nuvola di punti e generare l'elemento grafico digitale della vertebra. Impostare la frequenza di campionamento su 100%, selezionare Mantieni dati completi al campionamento, selezionare l'unità di dati come millimetri e fare clic su Punti ombreggiatura. Usate lo strumento selezione con lazo per selezionare punti ridondanti sull'elemento grafico, quindi fate clic su Elimina per rimuoverli. Fate clic su Riduci rumore (Reduce Noise) e impostate il livello massimo di levigatezza per ridurre il rumore e i picchi (Figura 2A, B).
    NOTA: nella parte inferiore della GUI (interfaccia utente grafica) sono disponibili istruzioni di funzionamento software di base. I punti di rumore con evidenti speroni taglienti lateralmente o verticalmente devono essere rimossi per ridurre gli errori.
  4. Fare clic su Acapo per creare un pacchetto dei dati di imaging in un file in formato .stl per trasformare la nuvola di punti in mesh, che convertirà un oggetto punto in un oggetto poligono.
    NOTA: il software di ingegneria inversa di solito accetta il formato 3D in stile .stl.
  5. Aprire il software appositamente utilizzato per la ricostruzione 3D e l'elaborazione dei dati (vedere Tabella dei materiali). Fare clic su File, quindi su Nuovo nel sottomenu. Selezionare Parte nell'elenco dei tipi. Fare clic su Start, quindi su Forma nel sottomenu, quindi su Editor forme digitalizzate. Fare clic sull'icona Importa nella barra degli strumenti sul lato destro della GUI. Nella finestra Importa, selezionare il file di formato .stl, quindi fare clic su Applica > OK. Fare clic su Adatta tutto nell'icona nella barra degli strumenti in basso per caricare l'immagine ricostruita nella finestra principale del software di presentazione.
    NOTA: i passaggi da 1.5–2.3.3 vengono eseguiti con lo stesso software.
  6. Fare clic su Attiva nella barra degli strumenti sul lato destro. Nella finestra Attiva, selezionare Modalità trap > Tipo poligonale > Trappola interna. Quindi, selezionare la fascia vertebrale sull'immagine 3D per rimuovere i componenti vertebrali non necessari, come gli elementi posteriori e gli osteofiti (Figura 2C).

2. Quantificazione della morfologia 3D dell'estremità

  1. Definizione del sistema di coordinate 3D della piastra terminale
    1. Fare clic su Start > Forma nel sottomenu, quindi su Progettazione forma generativa. Fare clic sull'icona Punto nella barra degli strumenti a destra. Segna tre punti di riferimento anatomici sul bordo epifisico: i primi due sono rispettivamente i punti finali sinistro e destro del bordo finale della piastra finale; il terzo è il punto mediano anteriore.
    2. Fare clic sull'icona Linea nella barra degli strumenti sul lato destro e selezionare i due punti finali del bordo finale per definire una linea frontale posteriore. Fare clic sull'icona Piano, selezionare il tipo di piano da normale a curva, quindi selezionare la linea frontale posteriore e il punto mediano anteriore per definire il piano medio-sagittale.
    3. Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida della superficie. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 1 nell'opzione relativa al numero, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano sagittale medio per generare una curva intersecante. Fare clic su Curva dall'icona Scansione e selezionare l'intersezione della curva intersecante e del bordo epifisio posteriore. Definire l'intersezione come punto mediano posteriore.
    4. Fare clic su Start > Forma > Disegno forma generativa. Fare clic sull'icona Linea e selezionare il punto mediano anteriore e il punto mediano posteriore per definire un diametro medio-sagittale. Fare clic sull'icona Punto, quindi su Ripetizione punti e piani nel sottomenu. Quindi, selezionare il diametro medio-sagittale e immettere 1 nell'opzione Istanza(e) per definire il punto medio del diametro medio-sagittale.
    5. Fare clic sull'icona Sistema asse nella barra degli strumenti in basso. Quindi, selezionare il punto medio del diametro medio-sagittale come origine, la linea parallela alla linea frontale posteriore come asse x, il diametro medio-sagittale come asse y e la linea che punta in avanti e perpendicolare al piano x-y come asse z (Figura 3 ).
      NOTA: i due punti finali del bordo finale vengono scelti come punti di riferimento perché sono coerenti e mostrano variazioni minime in presenza di osteofiti10.
  2. Montaggio di curve e punti caratteristici sulla superficie di estremità(Figura 4A-D)
    1. Fare clic sull'icona Punto, quindi su Ripetizione punti e piani nel sottomenu. Selezionate il diametro medio-sagittale e immettete 3 nell'opzione Istanza(e) per dividere equamente il diametro medio sagittale in quattro parti.
    2. Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida della superficie. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 1 nell'opzione Numero, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano x-z per generare una curva intersecante. Fate clic su Curva (Curve) dall'icona Scansione (Scan) e selezionate le due intersezioni del piano x-z e del bordo epifisico.
    3. Definire la linea tra le due intersezioni come diametro frontale medio. Allo stesso modo, dividere il diametro medio frontale equamente in quattro parti.
      NOTA: Quando la piastra finale non è simmetrica rispetto al piano med-sagittale, scegliere uno dei due punti finali della curva frontale centrale con una distanza verticale più corta rispetto al piano z-y. Quindi, definite il diametro medio frontale come 2 x la lunghezza del più corto e dividetelo equamente in quattro parti.
    4. Fate clic sull'icona Misura tra nella barra degli strumenti in basso per misurare la lunghezza di un quarto del diametro medio sagittale. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 2 nell'opzione Numero, immettere il valore misurato nell'opzione Passo, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano x-z per generare due curve di raccordo su un lato della parte frontale. Fare clic su Scambia per generare due curve di raccordo sull'altro lato. Allo stesso modo, ottenere le altre tre curve di raccordo nel piano sagittale.
      NOTA: le due curve di raccordo centro-frontale si sovrappongono alle due curve di raccordo medio-sagittale.
    5. Selezionare 11 punti equidistanti in ogni curva per le misurazioni successive. Il metodo specifico è il seguente:
      1. Prendendo ad esempio la curva medio-sagittale, dividere equamente il diametro medio sagittale in 10 parti, ottenendo una somma di 11 punti, inclusi nove punti intermedi e due punti finali (fare riferimento ai punti 2.1.3 e 2.2.1).
      2. Attraversare ogni punto equidistante, ottenere nove curve di raccordo sulla superficie dell'estremità (fare riferimento al punto 2.2.2). Fate clic su Curva (Curve) dall'icona Scansione (Scan) e selezionate l'intersezione delle curve di raccordo e della curva mid-sagittal. Infine, ottenere un totale di 66 punti su ogni piastra finale (11 punti per curva moltiplicati per sei curve). Fare clic sull'icona Misura elemento nella barra degli strumenti nella parte inferiore per misurare le coordinate di ogni punto.
  3. Misurazione dei parametri morfologici di fascia
    1. Parametro linea:
      1. Fare clic sull'icona Misura tra per misurare la lunghezza del parametro della linea che è la distanza tra due punti misurati.
    2. Parametri di concavità:
      1. Creare un piano parallelo al piano x-y (Figura 5A):fare clic su Inizio > Forma > Disegno forma generativa. Fare clic sull'icona Schizzo nella barra degli strumenti a destra, quindi fare clic sul piano x-y. Fare clic sull'icona Cerchio, fare clic su Origine sulla superficie della piastra terminale, trascinare il cursore del mouse a una distanza appropriata, quindi fare clic. Fare clic sull'icona Exit Workbench, quindi sull'icona Riempimento e infine fare clic.
      2. Fate clic sull'icona Scostamento (Offset), selezionate il piano riempito e immettete un valore appropriato nell'opzione di scostamento fino a quando non sarà tangente alla parte più concava, quindi ingrandite. Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida delle superfici. Quindi, fare clic sull'icona della curva 3D per trovare e creare il punto più concavo. Fare clic sull'icona Misura elemento per misurare le coordinate del punto più concavo (Figura 5B).
      3. Fare clic sull'icona Misura tra, quindi selezionare il punto più concavo e il piano x-y per misurare l'intera profondità della concavità della piastra finale. Allo stesso modo, trovare e creare la profondità più concava su un particolare piano e misurarne le coordinate.
      4. Fate clic sull'icona Proiezione nella barra degli strumenti a destra, quindi selezionate il punto più concavo e il piano x-y per ottenere il punto proiettivo. Fare clic sull'icona Misura elemento per misurare le coordinate del punto proiettivo e determinarne la distribuzione in base alle coordinate.
    3. Parametri dell'area della superficie:
      1. Fare clic sull'icona Misura inerzia nella barra degli strumenti in basso e fare clic su superficie di fine piastra per misurare l'area. Fare clic sull'icona Attiva e selezionare l'estremità centrale lungo i margini interni dell'anello epifisico (fare riferimento al passaggio 1.6), quindi fare clic sull'icona Misura inerzia per misurare l'area (Figura 5C). Fare clic sull'icona Attiva, quindi sull'estremità centrale e infine sull'icona Scambia nella finestra Attiva per ottenere un cerchio epifisico. Quindi, misurare la sua area.

3. Sviluppo del modello matematico della superficie di fascia

  1. Determinazione dell'ordine di adattamento dell'equazione parametrica
    1. Aprire il software di analisi e visualizzazione dei dati (vedere Tabella dei materiali). Input x : [dati corrispondenti] nella finestra di comando. Fare clic su Invio.
      NOTA: i "dati corrispondenti" si riferiscono ai dati delle coordinate x degli 11 punti caratteristici in una curva misurati nei passaggi precedenti. Fare clic su Invio dopo l'immissione di ogni comando, con la stessa applicazione alle operazioni successive. I passaggi da 3.1 a 5.5 vengono eseguiti in modo uniforme con lo stesso software.
    2. Allo stesso modo, l'input z e [dati corrispondenti].
    3. Inserire il codice per i-1:5 z2-polyfit(x,z,i); polivalso(z2;x); if sum((z-z). fine; fine.
      NOTA: Il protocollo imposta la somma di errore dei quadrati al di sotto di 0,01 per ottenere una maggiore precisione, il cui valore può essere regolato per soddisfare varie esigenze.
    4. Fare clic su Invio per ottenere un valore C che corrisponde all'ordine di adattamento desiderato.
  2. Adattamento dell'equazione dei parametri
    1. Immettere cftool e fare clic su Invio per visualizzare l'utensile di adattamento della curva.
    2. Immettere le coordinate di una curva nella finestra di comando (fare riferimento ai passaggi 3.1.1 e 3.1.2). Nello strumento Adattamento curva, selezionare i dati delle coordinate x quando si montano curve piane dolose e dati delle coordinate y quando si montano curve piane sagittali nell'opzione x data, selezionare i dati delle coordinate z nell'opzione dati y, selezionare polinomioe immettere l'ordine di adattamento Ottenuto. Quindi, il software emetterà automaticamente l'equazione parametrica e la bontà della vestibilità.
      NOTA: Poiché la curva è un'immagine 2D, l'opzione di lavoro di default è l'opzione x e y nello strumento Adattamento curva quando si monta una curva.
    3. Allo stesso modo, immettere le coordinate 3D dei 66 punti e associare i dati delle coordinate alle opzioni dell'asse corrispondenti. Selezionare polinomio e immettere l'ordine di adattamento per ottenere l'equazione parametrica della superficie di fascia (Figura 6B).

4. Acquisizione di dati geometrici basati su equazione parametrica

  1. Immettere i valori delle coordinate x e y di qualsiasi punto sulla piastra terminale nella finestra di comando.
  2. Ingresso PX1, PX2, PX3....
    NOTA: Px è i parametri dell'equazione parametrica che sono stati adattati utilizzando il polinomio nei passaggi precedenti.
  3. Immettere l'equazione e fare clic su Invio per ottenere il risultato (ad es. "x", "x" e P03, "y"3", p40x ,4, P31,x ,3, y , P22x 2 , y , 2 , P13x y, 3 , P04y , 4).

5. Rappresentazione dell'endplate in base all'equazione parametrica

  1. Ingresso PX1, PX2, PX3.... nella finestra di comando.
  2. Inserire il codice X-N1:0.01:N2 ;
    NOTA: N1–N2 è l'intervallo di dati dell'asse X (cioè i valori dei due punti finali della curva centro-coronale).
  3. Inserire il codice "Y-N3:0.01:N4;".
  4. Immettere l'equazione (ad es. 03. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  5. Inserire il codice ezmesh(z, [N1,N2,N3,N4]) per ottenere la grafica di simulazione 3D (Figura 6C).

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Risultati

Utilizzando lo scanner ottico 3D flatbed altamente preciso, le piastre finali sono state convertite in più di 45.000 punti digitali, che caratterizzano adeguatamente la morfologia (Figura 2A,B).

Nel protocollo di misurazione è stata condotta l'analisi spaziale delle superfici di fascia. Le curve rappresentative sono state montate e quantificate in superficie per caratterizzare la morfologia (

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Discussione

L'ingegneria inversa è stata sempre più e con successo applicata al campo della medicina, come cranioplastica20, orale21e impianti maxillo-facciali21. Le misurazioni di ingegneria inversa, vale a dire la digitalizzazione della superficie del prodotto, si riferiscono alla conversione delle informazioni sulla superficie in dati della nuvola di punti che impiegano attrezzature e metodi di misurazione specifici. Sulla base di tali dati, è possibile esegu...

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Dichiarazioni

Gli autori non dichiarano interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato finanziato da Key Discipline Construction Project del Pudong Health Bureau di Shanghai (PW-xk2017-08) e dalla National Natural Science Foundation of China (81672199). Gli autori desiderano ringraziare Wang Lei per il suo aiuto nella revisione di una versione precedente e Li haoyang per il suo aiuto nello sviluppo del modello parametrico.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
CatiaDassault Systèmes, Parigi, Franciahttps://www.3ds.com/products-services/catia/Ricostruzione di modelli di superfici 3D, modifica ed elaborazione dati di curve e superfici gratuite
Geomagic StudioGeomagic Inc., Morrisville, NCElaborazione dati dinuvole di punti
https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301 MATLABThe MathWorks Inc., Natick,USAhttps://www.mathworks.com/Analizza i dati, sviluppa algoritmi e crea modelli
Scanner piano ottico 3D Xi" una tecnologia di misurazione ottica 3D XinTuo Co.Ltd., Xi' an, Shaanxi, Cinahttp://www.xtop3d.com/acquisire parametri geometrici di superficie e convertirli in punti digitali

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