역설계 시스템은 척추 종단의 상세하고 포괄적인 지오메트리 데이터를 기록하고 얻기 위해 사용됩니다. 그런 다음 척추 종단 판의 파라메트릭 모델이 개발되어 맞춤형 척추 임플란트 를 설계하고 임상 진단을 내리고 정확한 유한 요소 모델을 개발하는 데 도움이됩니다.
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이 논문에서
요약
초록
척추 종단의 상세하고 포괄적 인 기하학적 데이터는 척추의 유한 요소 모델의 충실도를 개선하고 척추 임플란트를 설계및 개량하고 퇴행성 변화와 생체 역학을 이해하는 데 중요하고 필요합니다. 이 프로토콜에서는 엔드플레이트 표면의 형태 데이터를 디지털 포인트 클라우드로 변환하기 위해 고속 의 고정밀 스캐너가 사용됩니다. 소프트웨어 시스템에서 포인트 클라우드는 추가로 처리되고 3차원으로 재구성됩니다. 그런 다음 각 점을 3D 좌표로 만들기 위해 정의된 3D 좌표계, 엔드플레이트 표면에 대칭적으로 장착된 3개의 시상 및 3개의 정면 표면 곡선, 11개의 등거리 점을 포함하는 측정 프로토콜이 수행됩니다. 각 곡선에서 선택됩니다. 최종 측점의 기하학적 데이터를 얻기 위해 측정 및 공간 분석이 마지막으로 수행됩니다. 곡선과 곡면의 형태를 나타내는 파라메트릭 방정식은 특성 점을 기반으로 장착됩니다. 모듈식 프로토콜은 척추 종단판의 기하학적 데이터를 얻기 위한 정확하고 재현 가능한 방법을 제공하며 향후 보다 정교한 형태학적 연구를 지원할 수 있습니다. 또한 맞춤형 척추 임플란트 설계, 수술 계획, 임상 진단 및 정확한 유한 요소 모델 개발에 기여할 것입니다.
서론
척추 단부판은 척추체의 우수하거나 열등한 쉘이며 디스크와 척추 몸체 사이의 응력 전달을 위한 기계적 인터페이스로서 작용한다1. 그것은 척추 몸의 바깥 쪽 테두리를 둘러싼 강하고 단단한 뼈 음순인 에피 씰 림과 얇고 다공성 인 중앙 단부판으로구성됩니다.
척추는 수술 적 개입을 보증 할 수있는 퇴행성, 외상 성 및 신 생물 성 질환의 광범위한 배열의 대상이됩니다. 최근에는 인공 디스크나 케이지 와 같은 척추 장치가 널리 사용되고 있습니다. 엔드 플레이트의 정확하고 상세한 형태 매개 변수는 효과적인 보철 척추 접촉 및 뼈 내성장잠재력3척추임플란트의 설계 및 개량에 필요합니다. 또한 척추 종단의 정확한 모양과 기하학에 대한 정보는 생체 역학을 이해하는 데 중요합니다. 유한 요소 모델링은 실제 척추의 시뮬레이션을 허용하고 다양한 하중 조건에 척추의 생리적 반응을 연구하는 데 널리 사용되어 왔지만4,이기술은 환자 별이며 모든 사람에게 일반화되지 않습니다. 척추. 유한 요소 모델5를개발할 때 일반 집단 중 척추 기하학의 본질적 변동성을 고려해야 한다고 제안되었습니다. 따라서 엔드플레이트의 기하학적 파라미터는 유한 요소 모델링에서 메시 생성 및 충실도 향상에 도움이 됩니다.
종단 형상과 임플란트 표면의 일치의 중요성은 이전 연구에서 논의되었지만6,7,8,척추 종단 판의 형태에 대한 데이터는 부족하다. 대부분의 이전 연구는 엔드 플레이트9,10,11의3D 특성을 밝히지 못했습니다. 공간 분석은 엔드 플레이트 형태12,13,14를더 잘 그리고 완전히 묘사하기 위해 필요합니다. 또한, 대부분의 연구는 낮은 정밀도 측정 기술을채택했다 10,15,16. 더욱이, 기하학적 파라미터가 방사선 촬영 또는 컴퓨터 단층 촬영(CT)17,18을사용하여 측정될 때 상당한 배율이 보고되었다. 자기 공명 영상(MRI)은 비침습적이라고 여겨지지만, 오스서오스구조물(11)의정확한 마진을 정의하는 데있어 정확도가 떨어지다. 표준화된 측정 프로토콜이 없기 때문에 기존 기하학적 데이터 간에큰 차이가 있습니다.
최근에는 기존의 물리적 부품을 전산화된 고체 모델로 디지털화할 수 있는 역공학이 의학 분야에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 이 기술은 정교한 척추 표면의 해부학 적 특성을 정확하게 표현하는 것이 가능합니다. 리버스 엔지니어링 시스템에는 계측 시스템과 소프트웨어 시스템의 두 개의 하위 시스템이 포함됩니다. 이 프로토콜에 채택된 계측 시스템에는 고속 및 매우 정확한 비접촉 광학 3D 레인지 평판 스캐너(정밀도 0.02mm, 1,628 x 1,236픽셀)가 있습니다. 스캐너는 대상 물체의 표면 형태 정보를 효율적으로 캡처하고 디지털 포인트 클라우드로 변환할 수 있습니다. 소프트웨어 시스템(즉, 리버스 엔지니어링 소프트웨어)은 포인트 클라우드 데이터 처리(재료 표참조), 3D 표면 모델 재구성, 자유 곡선 및 표면 편집 및 데이터 처리를 위한 컴퓨터 응용 프로그램입니다(의 표 참조) 재료)를참조하십시오.
본 보고서의 목적은 (1) 역공학 기술에 기초한 척추 종단판의 정량적 파라미터를 얻기 위한 측정 프로토콜 및 알고리즘을 고안하고, (2) 현실적인 수학적 모델을 개발하는 것이다. 너무 많은 랜드 마크를 디지털화하지 않고 척추 끝의 표현. 이러한 방법은 외과 행위 계획 및 유한 요소 모델링에 도움이 될 것입니다.
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프로토콜
이 연구는 저자 연구소의 건강 연구 윤리 위원회에 의해 승인되었다. 자궁 경부 척추 뼈는 더 복잡한 모양(19)을가지고, 프로토콜은 관련 연구를 용이하게하기 위해 그림으로 자궁 경부 척추를 사용합니다.
1. 재료 준비, 스캔 및 이미지 처리
- 병리학적 변형이나 부러진 부분없이 건조한 자궁 경부 척추를 수집하십시오.
- 척추를 스캐너 의 플랫폼에 수직으로 놓습니다(그림1, 재료 표참조)와 끝판이 카메라 렌즈를 향하게 합니다. 스캐너의 활성 광원을 사용합니다. 그런 다음 스캔 프로세스를 시작하여 포인트 클라우드 데이터를 가져옵니다(. ASC 형식)을 참조하십시오.
참고: 사전 스캔 이미지에 따르면 스캐너와 척추 위치를 조정하여 가능한 한 많은 표면 형태 정보를 캡처합니다. - 포인트 클라우드 처리에 특별히 사용되는 소프트웨어를 엽니다(재료 표참조). 가져오기를 클릭하여 점 구름 데이터를 가져오고 척추의 디지털 그래픽을 생성합니다. 샘플 속도를 100%로 설정하고 샘플링시 전체 데이터 유지를선택하고 데이터 단위를 밀리미터로 선택한 다음 음영 점을 클릭합니다. 올가미 선택 도구를 사용하여 그래픽에서 중복 점을 선택한 다음 삭제를 클릭하여 제거합니다. 노이즈 줄이기를 클릭하고 부드러움 레벨을 최대로 설정하여 노이즈 및 스파이크를 줄입니다(그림2A,B).
참고: GUI 의 하단에는 기본 소프트웨어 작업 지침(그래픽 사용자 인터페이스)이 있습니다. 뚜렷한 날카로운 스퍼가 있는 노이즈 포인트는 측면 또는 수직으로 제거하여 오류를 줄여야 합니다. - [랩핑]을 클릭하여 이미징 데이터를 .stl 형식 파일로 패키징하여 점 구름을 메시로 변환하여 점 오브젝트를 다각형 오브젝트로 변환합니다.
참고: 리버스 엔지니어링 소프트웨어는 일반적으로 .stl 스타일 3D 형식을 허용합니다. - 3D 재구성 및 데이터 처리에 특별히 사용되는 소프트웨어를 엽니다(재료 표참조). 하위 메뉴에서 파일을 클릭한 다음 새 파일을 클릭합니다. 유형 목록에서 부품을 선택합니다. 시작을클릭한 다음 하위 메뉴에서 셰이프를 클릭한 다음 디지털화된 모양 편집기를 클릭합니다. GUI의 오른쪽에 있는 도구 모음에서 가져오기 아이콘을 클릭합니다. 가져오기 창에서 .stl 형식 파일을 선택한 다음 > 확인 을 클릭합니다. 아래쪽의 도구 모음의 아이콘에 모두 맞추기를 클릭하여 재구성된 이미지를 프레젠테이션 소프트웨어의 주 창에 로드합니다.
참고: 단계 1.5-2.3.3은 동일한 소프트웨어로 수행됩니다. - 오른쪽의 도구 모음에서 활성화를 클릭합니다. 활성화 창에서 트랩 모드 > 다각형 유형 > 내부 트랩을선택합니다. 그런 다음 3D 이미지에서 척추 단부판을 선택하여 후방 원소 및 골형성과 같은 불필요한 척추 구성 요소를 제거합니다(도2C).
2. 엔드 플레이트의 3D 형태정량화
- 엔드플레이트 3D 좌표계 정의
- 하위 메뉴에서 시작 > 셰이프를 클릭한 다음 생성 모양 디자인을클릭합니다. 오른쪽에 있는 도구 모음에서 점 아이콘을 클릭합니다. epiphyseal 테두리에 세 개의 해부학 적 랜드 마크를 표시 : 처음 두 는 각각 끝판 후행 가장자리의 왼쪽과 오른쪽 끝점입니다; 세 번째는 전방 중앙값입니다.
- 오른쪽 도구 모음에서 선 아이콘을 클릭하고 후행 가장자리 끝점을 두 개 선택하여 후방 정면선을 정의합니다. 평면 아이콘을 클릭하고 곡선에 수직으로 평면 유형을 선택한 다음 후방 정면선과 앞쪽 중앙값을 선택하여 시상 평면 을 정의합니다.
- 시작을 클릭합니다 > 모양 > 빠른 표면 재구성. 평면 단면 아이콘을 클릭하고 숫자 옵션에 1을 입력한 다음 끝판 이미지와 시상 면 중간을 선택하여 교차 곡선을 생성합니다. 스캔 아이콘에서 곡선을 클릭하고 교차하는 곡선과 후방 골피씰 림의 교차를 선택합니다. 교차를 후방 중앙분리대로 정의합니다.
- 시작 > 모양 > 생성 모양 디자인을클릭합니다. 선 아이콘을 클릭하고 전방 중앙분리대 점과 후방 중앙분리대를 선택하여 시상 시상 지름 을 정의합니다. 포인트 아이콘을 클릭한 다음 하위 메뉴에서 점 및 평면 반복을 클릭합니다. 그런 다음 중간 시상 지름을 선택하고 인스턴스(들) 옵션에 1을 입력하여 중간 시상 지름의 중간점을 정의합니다.
- 아래쪽의 도구 모음에서 축 시스템 아이콘을 클릭합니다. 그런 다음 중간 시상 직경의 중간점을 원점으로 선택하고, 후방 정면선에 평행한 선을 x축으로, y축으로 중간 시상 직경을 선택하고, x-y 평면을 x축으로 앞과 수직으로 가리키는 선을 z축(그림 3)으로 선택합니다. ).
참고: 두 후행 가장자리 끝점은 일관되고 골형성체10이있는 경우 최소 변동을 나타내기 때문에 참조점으로 선택됩니다.
- 엔드플레이트 표면에 특성 곡선 및 점맞추기(그림 4A-D)
- 포인트 아이콘을 클릭한 다음 하위 메뉴에서 점 및 평면 반복을 클릭합니다. 중간 시상 지름을 선택하고 인스턴스(들) 옵션에 3을 입력하여 중간 시상 직경을 4개의 부분으로 균등하게 분할합니다.
- 시작을 클릭합니다 > 모양 > 빠른 표면 재구성. 평면 단면 아이콘을 클릭하고 번호 옵션에 1을 입력한 다음 끝판 이미지와 x-z 평면을 선택하여 교차 곡선을 생성합니다. 스캔 아이콘에서 곡선을 클릭하고 x-z 평면과 에피필 림의 두 교차를 선택합니다.
- 두 교차점 사이의 선을 중간 정면 지름으로 정의합니다. 같은 방법으로, 중간 정면 직경을 네 부분으로 동등하게 나눕니다.
주: 단부판이 메드 시상 평면을 기준으로 대칭이 아닌 경우 z-y 평면에 대한 수직 거리가 짧은 중간 정면 곡선의 두 끝점 중 하나를 선택합니다. 그런 다음 중간 정면 지름을 짧은 길이의 2배로 정의하고 네 부분으로 균등하게 나눕니다. - 하단의 도구 모음에서 사이 측정 아이콘을 클릭하여 시상 중간 지름의 분기 길이를 측정합니다. 평면 단면 아이콘을 클릭하고 숫자 옵션에 2를 입력한 다음 단계 옵션에 측정값을 입력한 다음 끝판 이미지와 x-z 평면을 선택하여 정면 부분의 한쪽에 두 개의 피팅 곡선을 생성합니다. 스왑을 클릭하여 다른 쪽에 두 개의 피팅 커브를 생성합니다. 같은 방법으로 시상 평면에서 다른 세 개의 피팅 커브를 구합니다.
주: 두 개의 중간 정면 피팅 곡선이 두 개의 중간 시상 피팅 곡선과 겹칩니다. - 후속 측정을 위해 각 곡선에서 11개의 등거리 점을 선택합니다. 구체적인 방법은 다음과 같습니다.
- 예를 들어 중간 시상 곡선을 예로 들어, 중간 시상 직경을 10부분으로 균등하게 나누어 9개의 중간 점과 2개의 끝점을 포함하여 11개의 포인트의 합계를 생성합니다(단계 2.1.3 및 2.2.1 참조).
- 각 등거리 점을 통과하여 엔드플레이트 표면에 9개의 피팅 커브를 구합니다(2.2.2단계 참조). 스캔 아이콘에서 곡선을 클릭하고 피팅 커브와 시상 중간 곡선의 교차를 선택합니다. 마지막으로 각 엔드플레이트에서 총 66점을 얻습니다(커브당 11포인트+ 6개의 커브). 아래쪽의 도구 모음에서 항목 측정 아이콘을 클릭하여 각 점의 좌표를 측정합니다.
- 엔드플레이트 형태학적 파라미터 측정
- 선 매개변수:
- 사이 측정 아이콘을 클릭하여 두 측정점 사이의 거리인 선 매개변수의 길이를 측정합니다.
- 정복 매개 변수:
- x-y 평면에 평행한 평면만들기(그림 5A): 시작 > 모양 > 생성 셰이프 디자인을클릭합니다. 오른쪽 도구 모음에서 스케치 아이콘을 클릭한 다음 x-y 평면을 클릭합니다. 원 아이콘을 클릭하고 끝판 표면에서 원예를 클릭하고 마우스 커서를 적절한 거리로 드래그한 다음 클릭합니다. 작업대 종료 아이콘을 클릭한 다음 채우기 아이콘을 클릭한 다음 클릭합니다.
- 간격띄우기 아이콘을 클릭하고 채워진 평면을 선택하고 가장 오목한 부분에 접선이 될 때까지 간격띄우기 옵션에 적절한 값을 입력하고 확대합니다. 시작을 클릭합니다 > 모양 > 빠른 표면 재구성. 그런 다음 3D 곡선 아이콘을 클릭하여 가장 오목한 점을 찾아 만듭니다. 항목 측정 아이콘을 클릭하여 가장 오목한 점의 좌표를측정합니다(그림 5B).
- 사이 측정 아이콘을 클릭한 다음 가장 오목한 점과 x-y 평면을 선택하여 전체 엔드플레이트 콘화 깊이를 측정합니다. 마찬가지로 특정 평면에서 가장 오목한 깊이를 찾아 작성하고 좌표를 측정합니다.
- 오른쪽 도구 모음에서 투영 아이콘을 클릭한 다음 가장 오목한 점과 x-y 평면을 선택하여 투영점을 가져옵니다. 항목 측정 아이콘을 클릭하여 투영점의 좌표를 측정하고 좌표를 기반으로 분포를 결정합니다.
- 표면적 매개변수:
- 하단의 도구 모음에서 관성 측정 아이콘을 클릭하고 끝판 표면을 클릭하여 해당 영역을 측정합니다. 활성화 아이콘을 클릭하고 epiphyseal 링의 내부 여백을 따라 중앙 끝판을 선택한 다음(1.6단계를 참조) 측정 관성 아이콘을 클릭하여 해당 영역을측정합니다(그림 5C). 활성화 아이콘을 클릭한 다음 중앙 끝판을 클릭하고 활성화 창에서 스왑 아이콘을 클릭하여 에피필 림을 얻습니다. 그런 다음 면적을 측정합니다.
- 선 매개변수:
3. 엔드 플레이트 표면 수학적 모델의 개발
- 파라메트릭 방정식의 맞춤 순서 결정
- 데이터 분석 및 시각화 소프트웨어를 엽니다(재료 표참조). 명령 창에서 입력 x = [해당 데이터]. Enter 를 클릭합니다.
참고: "해당 데이터"는 이전 단계에서 측정된 한 곡선의 11개 특성 점의 x 좌표 데이터를 나타냅니다. 각 명령을 입력한 후 입력을 클릭하고 후속 작업에 동일하게 적용됩니다. 단계 3.1-5.5는 동일한 소프트웨어로 균일하게 수행됩니다. - 같은 방법으로 입력 z = [해당 데이터].
- i=1:5 z2=폴리핏(x, z, i)에 대한 코드를 입력합니다. Z=폴리발(z2,x); 합계 (Z-z).^2)<0.01 C=i break; 끝; 끝.
참고: 프로토콜은 높은 정밀도를 얻기 위해 0.01 미만의 제곱의 오차 합을 설정하며, 그 값은 다양한 요구를 충족하도록 재조정될 수 있습니다. - 입력을 클릭하여 원하는 맞춤 순서인 C 값을 구합니다.
- 데이터 분석 및 시각화 소프트웨어를 엽니다(재료 표참조). 명령 창에서 입력 x = [해당 데이터]. Enter 를 클릭합니다.
- 매개변수 방정식 피팅
- 입력 cftool을 클릭하고 입력을 클릭하여 곡선 피팅 도구를 불러올 수 있습니다.
- 명령 창에서 곡선의 좌표를 입력합니다(3.1.1 및 3.1.2 단계 참조). 곡선 피팅 도구에서 x 데이터 옵션에서 시상 평면 곡선을 피팅할 때 정면 평면 곡선과 y 좌표 데이터를 피팅할 때 x 좌표 데이터를 선택하고 y 데이터 옵션에서 z 좌표 데이터를 선택하고 다항식을선택하고 맞춤 순서를 입력합니다. 얻은. 그런 다음 소프트웨어가 파라메트릭 방정식과 적합성의 장점을 자동으로 출력합니다.
주: 곡선이 2D 이미지이기 때문에 곡선피팅 도구에서 곡선 피팅 도구의 x 및 y 옵션은 곡선을 피팅할 때 기본 작업 옵션입니다. - 마찬가지로 66개 점의 3D 좌표를 입력하고 좌표 데이터를 해당 축 옵션과 일치시다. 다항식을 선택하고 맞춤 순서를 입력하여 엔드플레이트 표면의 파라메트릭 방정식을 얻습니다(그림6B).
4. 파라메트릭 방정식을 기반으로 한 기하학적 데이터 수집
- 명령 창의 끝판에 있는 모든 점의 입력 x- 및 y 좌표 값입니다.
- 입력 PX1, PX2, PX3....
참고: Px는 위의 단계에서 다항식을 사용하여 장착된 파라메트릭 방정식의 매개변수입니다. - 방정식을 입력하고 입력을 클릭하여 결과를 얻습니다(예: z = P00 + P10*x + P01*y + P 20 *x *Y + P20* X *y + P02* Y + P30+ X^3 + P 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. 파라메트릭 방정식을 기반으로 한 엔드플레이트 표현
- 입력 PX1, PX2, PX3.... 명령 창에서.
- 입력 코드 X = N1:0.01 : N2;.
주: N1– N2는 X축 데이터의 범위입니다(즉, 중간-코로나 곡선의 두 끝점의 값). - "Y=N3:0.01:N4;"를입력합니다.
- 방정식을 입력 (즉, z=@(x,y)P00 + P10.*x + P01.*y + P20.*^2 + P11.*x.**y + Y + P02.**y.^2+ P 30.*x^3 + P21** x 2.* x. 03.*y.^3 + P40.*x.^4 + P31.*3.*y + P22.*x.^2.*y.^2+ P 13.**y.^3 + P04.*y.^4;
- 코드 ezmesh (z, [N1,N2,N3,N4]를 입력하여 3D 시뮬레이션 그래픽을 얻습니다(그림 6C).
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결과
고정밀 광학 3D 레인지 평판 스캐너를 사용하여 엔드플레이트를 45,000개 이상의 디지털 포인트로 변환하여 형태학을 적절히 특성화했습니다(그림2A, B).
측정 프로토콜에서, 엔드플레이트 표면의 공간 분석이 수행되었다. 대표적인 곡선을 표면상에 장착하고 정량화하여 형태를 특성화하였다(도4B). 선형 파라미터는 두 끝점 사이의 거리를 계산하여 측정되었다. 얻어진 측정은 전체 종단 판 의 concavity 및 임의의 특정 섹션의 그 외에 중간 시상 평면에서 의 오목 깊이 및 concavity 정점 위치를 포함한다(그림 5B). 종단판, 에피씰 림 및 중앙 단부판의 성분을 분리하였다(도5C),<...
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토론
역공학은 두개골 성형술20,구강21,악안면 임플란트21과 같은 의학 분야에 점점 더 성공적으로 적용되고 있다. 리버스 엔지니어링 측정, 즉 제품 표면 디지털화는 특정 측정 장비 및 방법을 사용하는 점 구름 데이터로 표면 정보를 변환하는 것을 말합니다. 이러한 데이터를 기반으로 복잡한 표면 모델링, 평가, 개선 및 제조를 수행할 수 있습니다. 디지털 측정 및 데이터 처리는 리버스 엔지니어링에 사용되는 기본 및 핵심 기술입니다.
이 프로토콜에서는 헤테로다인 다주파수, 위상 시프트, 3D 광학 측정 기술을 기반으로 하는 비접촉식 광학 3D 범위 스캐닝 시스템을 사용하여 척추 종단판의 정확하고 상세한 형태학적 정보를 기록합니다. 이 스캐너는 주로 제어 장치와 두 대의 카메라와 프로젝터를 통합하는 광학 측정장치로 구성됩니다. 다른 측정 기기와 비교하여 스캐너는 ...
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공개 사항
저자는 경쟁적인 재정적 이익을 선언하지 않습니다.
감사의 글
이 작품은 상하이 푸동 보건국 (PWZxk2017-08)과 중국 국립 자연 과학 재단 (81672199)의 주요 분야 건설 프로젝트에 의해 지원되었습니다. 저자는 파라메트릭 모델을 개발하는 데 도움을 준 이전 버전과 리 자오양을 교정하는 데 도움을 준 왕 레이에게 감사를 표하고 싶습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Catia | Dassault Systemes, 프랑스 파리 | https://www.3ds.com/products-services/catia/ | 3D 곡면 모델 재구성, 자유 곡선 및 곡면 편집 및 데이터 처리 |
| Geomagic Studio | Geomagic Inc., 노스캐롤라이나주 모리스빌 | https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301 | 포인트 클라우드 데이터 처리 |
| MATLAB | The MathWorks Inc., Natick, USA | https://www.mathworks.com/ | 데이터 분석, 알고리즘 개발 및 모델 생성 |
| 광학 3D 범위 평판 스캐너 | Xi' XinTuo 3D 광학 측정 기술 Co.Ltd., Xi' an, Shaanxi, China | http://www.xtop3d.com/ | 표면 기하학적 매개 변수를 획득하고 디지털 점으로 변환 |
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