Um sistema de engenharia reversa é empregado para registrar e obter dados detalhados e abrangentes de geometria de placas de terminais vertebrais. Modelos paramétricos de placa final vertebral são então desenvolvidos, que são benéficos para projetar implantes espinhais personalizados, fazendo diagnósticos clínicos, e desenvolvendo modelos precisos de elementos finitos.
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Artigo de método
Medições de precisão e modelos paramétricos de placas finais vertebrais
Neste artigo
Resumo
Resumo
Dados geométricos detalhados e abrangentes de placas de fim de vértebras é importante e necessário para melhorar a fidelidade dos modelos de elementos finitos da coluna vertebral, projetar e melhorar os implantes espinhais, e compreender as alterações degenerativas e biomecânica. Neste protocolo, um varredor de alta velocidade e altamente exato é empregado para converter dados da morfologia de superfícies da placa de fim em uma nuvem digital do ponto. No sistema de software, a nuvem de pontos é processada e reconstruída em três dimensões. Em seguida, um protocolo de medição é realizado, envolvendo um sistema de coordenadas 3D definido para tornar cada ponto uma coordenada 3D, três curvas de superfície sagital e três frontais que estão simetricamente montadas na superfície da placa final, e 11 pontos equidistantes que são selecionada em cada curva. Medições e análises espaciais são finalmente realizadas para obter dados geométricos das placas finais. As equações paramétricas que representam a morfologia das curvas e superfícies são ajustadas com base nos pontos característicos. O protocolo sugerido, que é modular, fornece um método exato e reprodutível para obter dados geométricos de placas finais vertebrais e pode ajudar em uns estudos morfológicos mais sofisticados no futuro. Contribuirá também para projetar implantes espinhais personalizados, planejar atos cirúrgicos, fazer diagnósticos clínicos e desenvolver modelos precisos de elementos finitos.
Introdução
Uma placa final vertebral é o escudo superior ou inferior do corpo vertebral e serve como uma interface mecânica para transferir o stress entre o disco e o corpo vertebral1. Consiste na borda epifisária, que é um labrum ósseo forte e sólido em torno da borda externa do corpo vertebral, e a placa de terminais central, que é fina e porosa2.
A coluna vertebral está sujeita a uma ampla variedade de distúrbios degenerativos, traumáticos e neoplásicos, o que pode justificar a intervenção cirúrgica. Recentemente, dispositivos espinhais, como discos artificiais e gaiolas têm sido amplamente utilizados. Os parâmetros morfométricos exatos e detalhados de placas finais são necessários para o projeto e a melhoria de implantes espinais com o contato eficaz da prótese-vértebra e o potencial ingrowth do osso3. Além disso, a informação na forma exata e na geometria de placas finais vertebrais é importante para compreender a biomecânica. Embora a modelagem de elementos finitos permite a simulação das vértebras reais e tem sido amplamente utilizado para estudar as respostas fisiológicas da coluna vertebral para várias condições de carga4, esta técnica é paciente-específico e não generalizável a todos os Vértebras. Sugere-se que a variabilidade intrínseca da geometria das vértebras entre a população geral deva ser considerada ao desenvolver o modelo de elementos finitos5. Portanto, os parâmetros geométricos das placas finais são favoráveis à geração de malhas e ao aprimoramento da fidelidade na modelagem de elementos finitos.
Embora a importância da harmonização da geometria da placa final e da superfície do implante seja discutida em estudosprecedentes 6,7,8, os dados na morfologia de placas de terminais vertebrais são escassos. A maioria dos estudos anteriores não revelaram a natureza 3D da placa final9,10,11. Uma análise espacial é necessária para descrever melhor e totalmente a morfologia da placa final12,13,14. Além disso, a maioria dos estudosempregoutécnicas de mediçãode baixa precisão10,15,16. Além disso, a ampliação significativa foi relatada quando os parâmetros da geometria são medidos empregando a radiografia ou o tomography computado (CT)17,18. Embora a imagem latente de ressonância magnética (MRI) seja considerada não invasora, é menos exata em definir as margens precisas de estruturas ósseas11. Devido à falta de um protocolo de medição padronizado, há grandes diferenças entre os dados geométricos existentes.
Nos últimos anos, a engenharia reversa, que pode digitalizar as peças físicas existentes em modelos sólidos computadorizados, tem sido cada vez mais aplicada ao campo da medicina. A técnica torna viável para desenvolver uma representação exata do caráter anatômico de superfícies de vértebras sofisticadas. O sistema de engenharia reversa inclui dois subsistemas: o sistema de instrumentação e o sistema de software. O sistema de instrumentação adotado neste protocolo tem um scanner de mesa de alcance óptico sem contato 3D, que é de alta velocidade e altamente preciso (precisão 0, 2 mm, 1.628 x 1.236 pixels). O scanner pode eficientemente (tempo de entrada 3 s) capturar informações de morfologia de superfície do objeto de destino e convertê-lo em nuvem de pontos digitais. O sistema de software (ou seja, software de engenharia reversa) é um aplicativo de computador para processamento de dados em nuvem de pontos (consulte tabela de materiais), reconstrução de modelo de superfície 3D, edição de curva e superfície livre e processamento de dados (vide tabela de Materiais).
Os propósitos do presente relatório são (1) elaborar um protocolo de medição e um algoritmo para obter parâmetros quantitativos de placas terminais vertebrais com base em uma técnica de engenharia reversa, (2) desenvolver um modelo matemático que permita uma representação de placas finais vertebrais sem digitalizar muitos Marcos. Esses métodos serão benéficos para o planejamento de ato cirúrgico e modelagem de elementos finitos.
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Protocolo
Este estudo foi aprovado pelo Conselho de ética em pesquisa em saúde do Instituto de autores. Porque os ossos vertebrais cervicais têm umas formas mais intricadas19, o protocolo usa as vértebras cervicais como uma ilustração para facilitar a pesquisa relevante.
1. preparação de materiais, digitalização e processamento de imagens
- Colete uma vértebra cervical seca sem deformação patológica ou partes quebradas.
- Coloque a vértebra verticalmente na plataforma do scanner (Figura 1, ver tabela de materiais), com a placa de fim voltada para a lente da câmera. Use a fonte de luz ativa do scanner. Em seguida, inicie o processo de digitalização para obter dados de nuvem de pontos (. Formato ASC).
Nota: de acordo com as imagens da pre-varredura, ajuste o varredor e a posição da vértebra para capturar tanta informação de superfície da morfologia como possível. - Abra o software especialmente utilizado para o processamento de nuvens de pontos (ver tabela de materiais). Clique em importar para importar os dados da nuvem de pontos e gerar o gráfico digital da vértebra. Defina a taxa de amostragem para 100%, selecione manter dados completos em amostra, selecione a unidade de dados como milímetros e clique em pontos de sombra. Use a ferramenta de seleção de laço para selecionar pontos redundantes no gráfico e, em seguida, clique em excluir para removê-los. Clique em reduzir ruído e defina o nível de suavidade para o seu máximo para reduzir o ruído e picos (Figura 2a, B).
Nota: Existem instruções básicas de operação de software na parte inferior da GUI (interface gráfica do usuário). Pontos de ruído com esporas afiadas evidentes lateralmente ou verticalmente devem ser removidos para reduzir o erro. - Clique em encapsular para empacotar os dados de imagem em arquivo de formato. STL para transformar a nuvem de pontos em malha, que converterá um objeto de ponto em um objeto de polígono.
Nota: o software de engenharia reversa geralmente aceita o formato 3D de estilo. STL. - Abra o software especialmente utilizado para reconstrução 3D e processamento de dados (ver tabela de materiais). Clique em arquivo e em novo no submenu. Selecione a parte na lista de tipos. Clique em Iniciar, em seguida, em forma no submenu, em seguida, Editor de forma digitalizada. Clique no ícone de importação na barra de ferramentas no lado direito da GUI. Na janela importar, selecione o arquivo de formato . STL e clique em aplicar > OK. Clique em ajustar tudo no ícone na barra de ferramentas na parte inferior para carregar a imagem reconstruída para a janela principal do software de apresentação.
Nota: as etapas 1.5 – 2.3.3 são executadas com o mesmo software. - Clique em Ativar na barra de ferramentas no lado direito. Na janela ativar, selecione modo de interceptação ≫ tipo poligonal > dentro da armadilha. Em seguida, selecione a placa de fim vertebral na imagem 3D para remover componentes vertebrais desnecessários, como os elementos posteriores e osteófitos (Figura 2C).
2. quantificação da morfologia 3D da placa de fim
- Definindo o sistema de coordenadas 3D de placa de fim
- Clique em iniciar > forma no submenu e, em seguida, em design de forma Generative. Clique no ícone de ponto na barra de ferramentas no lado direito. Marque três pontos de referência anatômicos na borda epifisária: os dois primeiros são os pontos de extremidade esquerdos e direito da borda final à direita da placa, respectivamente; o terceiro é o ponto mediano anterior.
- Clique no ícone de linha na barra de ferramentas no lado direito e selecione os dois pontos de extremidade de borda à direita para definir uma linha frontal posterior. Clique no ícone de plano , selecione o tipo de plano para ser normal a curva e, em seguida, selecione a linha frontal posterior e o ponto mediano anterior para definir o plano médio-sagital.
- Clique em iniciar > forma > reconstrução superficial rápida. Clique no ícone de seção planar , insira 1 na opção número e, em seguida, selecione a imagem da placa final e o plano médio-sagital para gerar uma curva de interseção. Clique em curva no ícone digitalizar e selecione a interseção da curva de interseção e da borda epifisária posterior. Defina a interseção como o ponto mediano posterior.
- Clique em iniciar > forma ≫ design de forma Generative. Clique no ícone de linha e selecione o ponto mediano anterior e o ponto mediano posterior para definir um diâmetro médio-sagital. Clique no ícone de ponto , em seguida, pontos e planos de repetição no submenu. Em seguida, selecione o diâmetro médio-sagital e insira 1 na opção Instance (s) para definir o ponto médio do diâmetro médio-sagital.
- Clique no ícone do sistema Axis na barra de ferramentas na parte inferior. Em seguida, selecione o ponto médio do diâmetro médio-sagital como a origem, a linha paralela à linha frontal posterior como eixo x, o diâmetro médio-sagital como eixo y e a linha apontando para frente e perpendicular ao plano x-y como eixo z (Figura 3 ).
Nota: os dois pontos finais de extremidade à direita são escolhidos como pontos de referência porque são consistentes e mostram uma variação mínima na presença de osteófitos10.
- Ajustar as curvas e pontos característicos na superfície da placa de fim (figura 4a – D)
- Clique no ícone de ponto , em seguida, pontos e planos de repetição no submenu. Selecione o diâmetro médio-sagital e insira 3 na opção de instância (s) para dividir o diâmetro médio-sagital igualmente em quatro partes.
- Clique em iniciar ≫ forma ≫ reconstrução de superfície rápida. Clique no ícone de seção planar , insira 1 na opção número e, em seguida, selecione a imagem da placa de fim e o plano x-z para gerar uma curva de interseção. Clique em curva no ícone digitalizar e selecione as duas intersecções do plano x-z e da borda epifisária.
- Defina a linha entre as duas intersecções como o diâmetro mid-frontal. Da mesma maneira, divida o diâmetro meados de-frontal ingualmente em quatro porções.
Nota: quando a placa de fim não é simétrica em relação ao plano med-sagital, escolha um dos dois pontos finais da curva mid-frontal que tem uma distância vertical mais curta para o plano z-y. Em seguida, defina o diâmetro mid-frontal como 2x o comprimento do menor, e dividi-lo igualmente em quatro partes. - Clique na medida entre o ícone na barra de ferramentas na parte inferior para medir o comprimento de um quarto do diâmetro médio-sagital. Clique no ícone de seção planar , insira 2 na opção número, insira o valor medido na opção etapa e, em seguida, selecione a imagem da placa de fim e o plano x-z para gerar duas curvas de encaixe em um lado da parte frontal. Clique em swap para gerar duas curvas de encaixe no outro lado. Da mesma forma, obter as outras três curvas de encaixe no plano sagital.
Nota: as duas curvas de encaixe do meio-frontal se sobrepõem com as duas curvas de encaixe médio-sagital. - Selecione 11 pontos equidistantes em cada curva para medições subsequentes. Método específico é o seguinte:
- Tomando a curva mid-sagittal como um exemplo, divida o diâmetro mid-sagittal ingualmente em 10 porções, tendo por resultado uma soma de 11 pontos, including nove pontos intermediários e dois valores-limite (refira as etapas 2.1.3 e 2.2.1).
- Passar por cada ponto equidistante, obter nove curvas de encaixe na superfície da placa de fim (consulte a etapa 2.2.2). Clique em curva no ícone digitalizar e selecione a interseção das curvas de encaixe e a curva mid-sagital. Finalmente, obter um total de 66 pontos em cada placa de fim (11 pontos por curva multiplicado por seis curvas). Clique no ícone de item de medida na barra de ferramentas na parte inferior para medir as coordenadas de cada ponto.
- Medição dos parâmetros morfológicos da placa final
- Parâmetro de linha:
- Clique na medida entre o ícone para medir o comprimento do parâmetro de linha que é a distância entre dois pontos medidos.
- Parâmetros da concavidade:
- Criar um plano paralelo ao plano x-y (Figura 5a): clique em iniciar > forma > design de forma Generative. Clique no ícone de esboço na barra de ferramentas no lado direito e, em seguida, clique no plano x-y. Clique no ícone círculo , clique em origem na superfície da placa de fim, arraste o cursor do mouse para uma distância apropriada e clique em. Clique no ícone sair do Workbench e, em seguida, no ícone de preenchimento e clique em.
- Clique no ícone de deslocamento , selecione o plano preenchido e insira um valor apropriado na opção de deslocamento até que ele seja tangente à parte mais côncava e aumente o zoom. Clique em iniciar > forma > reconstrução superficial rápida. Em seguida, clique no ícone de curva 3D para encontrar e criar o ponto mais côncavo. Clique no ícone item de medida para medir as coordenadas do ponto mais côncavo (Figura 5b).
- Clique na medida entre o ícone e, em seguida, selecione o ponto mais côncavo e o plano x-y para medir toda a profundidade da concavidade da placa final. Similarmente, encontre e crie a profundidade a mais côncava em um plano particular e meça suas coordenadas.
- Clique no ícone de projeção na barra de ferramentas no lado direito e, em seguida, selecione o ponto mais côncavo e o plano x-y para obter o ponto projetivo. Clique no ícone item de medida para medir as coordenadas do ponto projetivo e determinar sua distribuição com base nas coordenadas.
- Parâmetros da área de superfície:
- Clique no ícone inércia da medida na barra de ferramentas na parte inferior e clique na superfície da placa de fim para medir sua área. Clique no ícone Ativar e selecione a placa de fim central ao longo das margens internas do anel epifisário (consulte a etapa 1,6) e clique no ícone inércia da medida para medir sua área (Figura 5C). Clique no ícone Ativar , em seguida, a placa de fim central e, finalmente, o ícone de swap na janela Ativar para obter uma borda epifisária. Em seguida, medir a sua área.
- Parâmetro de linha:
3. desenvolvimento do modelo matemático de superfície da placa final
- Determinando a ordem de ajuste da equação paramétrica
- Abra o software de análise e visualização de dados (consulte a tabela de materiais). Entrada x = [dados correspondentes] na janela de comando. Clique em Enter.
Nota: os "dados correspondentes" referem-se aos dados de coordenadas x dos 11 pontos característicos em uma curva que foi medido nas etapas anteriores. Clique em ENTER após inserir cada comando, com o mesmo aplicando a operações subseqüentes. As etapas 3.1 – 5.5 são executadas uniformemente com o mesmo software. - Da mesma forma, insira z = [dados correspondentes].
- Insira o código para i = 1:5 Z2 = polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); If Sum ((Z-z). ^ 2) < 0.01 C =i Break; final o fim.
Nota: o protocolo define a soma dos quadrados de erro abaixo de 0, 1 para obter maior precisão, cujo valor pode ser readjustado para satisfazer várias demandas. - Clique em Enter para obter um valor C que é a ordem de ajuste desejada.
- Abra o software de análise e visualização de dados (consulte a tabela de materiais). Entrada x = [dados correspondentes] na janela de comando. Clique em Enter.
- Ajuste da equação do parâmetro
- Entrada cftool e clique entram para trazer acima a ferramenta de encaixe da curva.
- Insira as coordenadas de uma curva na janela de comando (consulte as etapas 3.1.1 e 3.1.2). Na ferramenta de encaixe de curva, selecione dados de coordenadas x ao encaixar curvas de plano frontal e dados de coordenadas y ao encaixar curvas de plano sagital na opção de dados x, selecione dados de coordenadas z na opção de dados y, selecione polinomiale insira a ordem de ajuste Obtido. Em seguida, o software irá gerar a equação paramétrica e a bondade do ajuste automaticamente.
Observação: como a curva é uma imagem 2D, a opção de trabalho padrão é as opções x e y na ferramenta de encaixe de curva ao encaixar uma curva. - Da mesma forma, insira as coordenadas 3D dos pontos 66 e combine os dados de coordenadas com as opções de eixo correspondentes. Selecione polinômio e insira a ordem de ajuste para obter a equação paramétrica da superfície da chapa de fim (Figura 6B).
4. aquisição de dados geométricos com base na equação paramétrica
- Valores de coordenada x e y de entrada de qualquer ponto na placa de fim na janela de comando.
- Entrada PX1, pX2, pX3....
Nota: PX são os parâmetros da equação paramétrica que foram montados usando polinômio nas etapas acima. - Introduza a equação e clique em Enter para obter o resultado (ou seja, formato de entrada: z = p00 + P10* x + p01* y + p20* x ^ 2 + p11* x * y + p02* y ^ 2 + p30* x ^ 3 + p21* x ^ 2 * y + p12 * x * y ^ 2 + p03* y ^ 3 + p40* x ^ 4 + p31* x ^ 3 * y + p22* x ^ 2 * y ^ 2 + P13* x * y ^ 3 + p04* y ^ 4).
5. representação da placa de fim com base na equação paramétrica
- Entrada PX1, pX2, pX3.... na janela de comando.
- Insira o código X = n1: 0.01: n2;.
Nota: N1– n2 é o intervalo de dados do eixo X (i.e., os valores dos dois pontos finais da curva themid-coronal). - Insira o código "Y = N3: 0.01: n4;".
- Insira a equação (i.e., z = @ (x, y) p00 + p10. * x + p01. * y + p20. * x. ^ 2 + P11. * x. * y + p02. * y. ^ 2 + p30. * x. ^ 3 + p21. * x. ^ 2. * y + p12. * x. * y. ^ 2 + p 03. * y. ^ 3 + p40. * x. ^ 4 + p31. * x. ^ 3. * y + p22. * x. ^ 2. * y. ^ 2 + p13. * x. * y. ^ 3 + p04. * y. ^ 4;).
- Insira o código ezmesh (z, [n1, n2, n3, n4]) para obter gráficos de simulação 3D (Figura 6C).
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Resultados
Utilizando o scanner de mesa óptica 3D de alta precisão, as placas finais foram convertidas em mais de 45.000 pontos digitais, que caracterizam adequadamente a morfologia (Figura 2a, B).
No protocolo de mensuração, realizou-se a análise espacial das superfícies da placa final. As curvas representativas foram ajustadas e quantificadas na superfície para caracterizar a morfologia (Figura 4B
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Discussão
A engenharia reversa tem sido cada vez mais aplicada com sucesso ao campo da medicina, como a cranioplastia20, oral21, e implantes maxilo-faciais21. As medições de engenharia reversa, a saber digitalização de superfície do produto, referem-se à conversão de informações de superfície em dados de nuvem de pontos empregando equipamentos e métodos de medição específicos. Com base nesses dados, a modelagem de superfície complexa, a avaliação, as melhorias...
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Divulgações
Os autores não declaram interesses financeiros concorrentes.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelo projeto chave da construção da disciplina da Secretaria de saúde de Pudong de Shanghai (PWZxk2017-08) e pela Fundação Nacional da ciência natural de China (81672199). Os autores gostariam de agradecer a Wang lei por sua ajuda na revisão de uma versão anterior e li Zhaoyang por sua ajuda no desenvolvimento do modelo paramétrico.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Catia | Dassault Systemes, Paris, França | https://www.3ds.com/products-services/catia/ | Reconstrução de modelo de superfície 3D, edição de curva livre e superfície e processamento de dados |
| Geomagic Studio | Geomagic Inc., Morrisville, NC | Processamento de dados de nuvem de | pontos |
| MATLAB | The MathWorks Inc., Natick, EUA | https://www.mathworks.com/ | analisar dados, desenvolver algoritmos e criar modelos |
| Scanner óptico de mesa de alcance 3D | Xi' uma tecnologia ótica da medida 3D de XinTuo Co.Ltd., Xi' an, Shaanxi, China | http://www.xtop3d.com/ | adquira parâmetros geométricos de superfície e converta em pontos digitais |
Referências
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Reimpressões e permissões
