Summary
Для регистрации и получения подробных и всеобъемлющих геометрических данных позвоночных плит используется система обратной инженерии. Затем разрабатываются параметрические модели эндплоцповыпок позвонков, которые полезны для проектирования персонализированных спинальных имплантатов, проведения клинических диагнозов и разработки точных моделей конечных элементов.
Abstract
Подробные и всеобъемлющие геометрические данные конечных плит позвонков важны и необходимы для улучшения точности конечных элементов моделей позвоночника, проектирования и улучшения спинальных имплантатов, а также понимания дегенеративных изменений и биомеханики. В этом протоколе используется высокоскоростной и высокоточный сканер для преобразования морфологических данных поверхностей конечных пластин в цифровое облако точек. В программной системе облако точек дополнительно обрабатывается и реконструируется в три измерения. Затем выполняется протокол измерения, включающий систему 3D-координат, определяемую для того, чтобы сделать каждую точку 3D-координат, три сагиттальные и три кривые фронтальной поверхности, которые симметрично установлены на поверхности конечных пластин, и 11 равноудаленных точек, которые выбран в каждой кривой. Измерения и пространственный анализ, наконец, выполняются для получения геометрических данных конечных плит. Параметрические уравнения, представляющие морфологию кривых и поверхностей, устанавливаются на основе характерных точек. Предлагаемый протокол, который является модульным, обеспечивает точный и воспроизводимый метод получения геометрических данных позвоночных плит и может помочь в более сложных морфологических исследованиях в будущем. Это также будет способствовать разработке персонализированных спинальных имплантатов, планирование хирургических актов, делая клинические диагнозы, и разработка точных моделей конечных элементов.
Introduction
Конечная позвоночная пластина является превосходной или нижней оболочки тела позвонка и служит в качестве механического интерфейса для передачи стресса между диском и позвоночным телом1. Он состоит из эпифиза обода, который является сильным и твердым костлявый labrum окружающих внешний край тела позвонка, и центральной конечной пластины, которая является тонкой и пористой2.
Позвоночник подвержен широкому спектру дегенеративных, травматических и неопластических расстройств, которые могут потребовать хирургического вмешательства. В последнее время широко используются спинномозговые устройства, такие как искусственные диски и клетки. Точные и подробные морфометрические параметры эндплит необходимы для проектирования и улучшения спинальных имплантатов с эффективным контактом протеза-позвонка и потенциалом вращения костей3. Кроме того, для понимания биомеханики важна информация о точной форме и геометрии конечных плит позвонков. Хотя конечное моделирование элементов позволяет моделирование реальных позвонков и широко используется для изучения физиологических реакций позвоночника на различные условия загрузки4, этот метод является конкретным пациентом и не обобщается для всех Позвонков. Было высказано мнение о том, что при разработке конечного элемента модели5следует учитывать внутреннюю изменчивость геометрии позвонков среди населения в целом. Таким образом, геометрические параметры конечных плит способствуют генерации сетки и повышению точности в моделировании конечного элемента.
Хотя важность сопоставления геометрии конечных плит и поверхности имплантата обсуждалась в предыдущих исследованиях6,7,8, данные о морфологии позвоночных плит не хватает. Большинство предыдущих исследований не смогли выявить 3D характер endplate9,10,11. Пространственный анализ необходим для лучшего и полного изображения морфологии конечныхпластин 12,13,14. Кроме того, большинство исследований использовали методы измерения более низкой точности10,15,16. Кроме того, было зарегистрировано значительное увеличение, когда параметры геометрии измеряются с помощью радиографии или компьютерной томографии (КТ)17,18. Хотя магнитно-резонансная томография (МРТ) считается неинвазивной, она менее точна в определении точных полей косых структур11. Из-за отсутствия стандартизированного протокола измерений между существующими геометрическими данными существуют значительные различия.
В последние годы в области медицины все чаще применяется обратная инженерия, которая может оцифровать существующие физические детали в компьютеризированные твердые модели. Техника позволяет разработать точное представление анатомического характера сложных поверхностей позвонков. Система обратной инженерии включает в себя две подсистемы: приборостроенную систему и программную систему. Приборная система, принятая в этом протоколе, имеет бесконтактный оптический 3D-сканер, который является высокоскоростным и высокоточным (точность 0,02 мм, 1628 x 1236 пикселей). Сканер может эффективно (время ввода 3 с) улавливать информацию о морфологии поверхности целевого объекта и преобразовывать его в цифровое облако точек. Программное обеспечение (т.е. программное обеспечение обратной инженерной) представляет собой компьютерное приложение для обработки данных облака точечных (см. Таблица Материалов),реконструкции 3D поверхностной модели, свободной кривой и редактирования поверхности, а также обработки данных (см. таблицу Материалы).
Цель настоящего доклада состоит в том, чтобы (1) разработать протокол измерения и алгоритм для получения количественных параметров конечных плит позвоночных на основе метода обратной инженерии, (2) разработать математическую модель, которая позволяет реалистично представление позвоночных конечных пластин без оцифровки слишком много ориентиров. Эти методы будут полезны для хирургического планирования акта и конечного моделирования элементов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Это исследование было одобрено советом по этике исследований в области здравоохранения Института авторов. Как шейных позвонков кости имеют более сложные формы19, протокол использует шейных позвонков в качестве иллюстрации для облегчения соответствующих исследований.
1. Подготовка материалов, сканирование и обработка изображений
- Соберите сухой шейный позвонок без патологической деформации или сломанных частей.
- Поместите позвонок вертикально на платформе сканера(рисунок 1, см. Таблица материалов), с конечной панели перед объективом камеры. Используйте активный источник света сканера. Затем запустите процесс сканирования для получения данных облака точек (. формат ASC).
ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно предварительному сканированию изображений, отрегулируйте сканер и положение позвонка, чтобы захватить как можно больше информации о морфологии поверхности. - Откройте программное обеспечение, специально используемое для обработки облаков точек (см. Таблица Материалов). Нажмите «Импорт», чтобы импортировать данные облака точек и создавать цифровую графику позвонка. Установите частоту выборки до 100%, выберите Keep Full Data On Sample,выберите единицу данных в виде миллиметров и нажмите Shade Points. Используйте инструмент lasso Selection Tool, чтобы выбрать лишние точки на графике, а затем нажмите Удалить их. Нажмите Уменьшить шум и установить уровень гладкости до максимального, чтобы уменьшить шум и шипы(рисунок 2A, B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Есть основные инструкции по эксплуатации программного обеспечения в нижней части ГРАФИЧЕСКОго интерфейса (графический пользовательский интерфейс). Точки шума с очевидными острыми шпорами боково или вертикально должны быть удалены, чтобы уменьшить ошибку. - Нажмите Wrap, чтобы упаковать данные изображения в файл формата .stl, чтобы превратить облако точек в сетку, которая преобразует объект точки в многоугольный объект.
ПРИМЕЧАНИЕ: Обратное инженерное программное обеспечение обычно принимает 3D-формат в стиле .stl. - Откройте программное обеспечение, специально используемое для 3D-реконструкции и обработки данных (см. Таблицу Материалов). Нажмите файл, то новые в подменю. Выберите часть в списке типов. Нажмите Начало, затем форма в подменю, а затем оцифрованный редактор формы. Нажмите значок Импорта в панели инструментов на правой стороне графического интерфейса. В окне импорта выберите файл формата .stl, а затем нажмите Применить Нажмите Fit All в значок в панели инструментов в нижней части для загрузки реконструированного изображения в главном окне презентации программного обеспечения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 1.5-2.3.3 выполняются с тем же программным обеспечением. - Нажмите Активировать в панели инструментов на правой стороне. В окне активации, выберите режим ловушки (gt; полигональный тип) Затем выберите позвоночные endplate на 3D-изображении, чтобы удалить ненужные компоненты позвоночника, такие как задние элементы и остеофиты(рисунок 2C).
2. Количественная оценка 3D морфологии конечной пластины
- Определение системы 3D-координат endplate
- Нажмите Кнопка Начало (ru) Форма в подменю, а затем генеративной формы дизайна. Нажмите значок точки в панели инструментов с правой стороны. Отметьте три анатомические ориентиры на ободке эпифиза: первые две являются левой и правой конечными точками задней кромки конечной панели, соответственно; третья – передняя медианная точка.
- Нажмите значок линии в панели инструментов с правой стороны и выберите две конечные точки заднего края, чтобы определить заднюю фронтальную линию. Нажмите значок плоскости, выберите тип плоскости, чтобы быть нормальным, чтобы кривой, а затем выберите заднюю фронтальную линию и переднюю среднюю точку, чтобы определить середине sagittal плоскости.
- Нажмите Кнопка Начало (ru) и форма (RuGT; Быстрая реконструкция поверхности). Нажмите значок Planar Section, введите 1 в опции числа, затем выберите изображение endplate и середину плоскости для создания пересекающейся кривой. Нажмите Кривая от значка сканирования и выберите пересечение пересекающейся кривой и заднего ободка эпифиза. Определите пересечение как заднюю среднюю точку.
- Нажмите Кнопка Начало (ru) и форма (г.г.) и генеративный дизайн формы. Нажмите значок линии и выберите переднюю среднюю точку и заднюю среднюю точку, чтобы определить средне-сагиттальный диаметр. Нажмите значок точки, а затем очки и самолеты повторения в подменю. Затем выберите средне-сагиттальный диаметр и введите 1 в опции Instance (s) для определения средней точки среднего диаметра.
- Нажмите значок системы Axis в панели инструментов внизу. Затем выберите середину средне-сагиттального диаметра в качестве происхождения, линию, параллельную задней фронтальной линии, как x-оси, средне-сагиттальный диаметр как y-оси, и линию, указывающую вперед и перпендикулярно плоскости x-y как z-оси (Рисунок 3 ).
ПРИМЕЧАНИЕ: Две задние конечные точки края выбираются в качестве ориентиров, потому что они последовательны и показывают минимальные различия в присутствии остеофитов10.
- Установка характерные кривые и точки на поверхности endplate(Рисунок 4A-D)
- Нажмите значок точки, а затем очки и самолеты повторения в подменю. Выберите средне-сагиттальный диаметр и введите 3 в опции Instance (s), чтобы разделить диаметр среднего согитального диаметра поровну на четыре части.
- Нажмите Кнопка Начало (ru) и форма (RuGT; Быстрая реконструкция поверхности). Нажмите значок Planar Section, введите 1 в опции «Число», а затем выберите изображение endplate и плоскость x-z для создания пересекающейся кривой. Нажмите Кривая от значка сканирования и выберите два пересечения плоскости x-z и обод капин.
- Определите линию между двумя пересечениями как среднефронтальный диаметр. Таким же образом, разделить среднефронтальный диаметр поровну на четыре части.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда конечная плита не симметрична по отношению к меди-сагиттальной плоскости, выберите одну из двух конечных точек среднефронтальной кривой, которая имеет более короткое вертикальное расстояние до плоскости z-y. Затем определите среднефронтальный диаметр как 2x длина короче, и разделить его поровну на четыре части. - Нажмите на значок «Мера между иконками» в панели инструментов внизу, чтобы измерить длину четверти диаметра среднего диаметра. Нажмите значок Planar Section, введите 2 в опции Number, введите измеренное значение в опции Step, затем выберите изображение endplate и плоскость x-z для создания двух кривых установки на одной стороне фронтальной части. Нажмите Swap для создания двух фитинга кривых на другой стороне. Таким же образом, получить другие три установки кривых в sagittal плоскости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Две среднефронтальные кривые фитинга перекрываются с двумя кривыми фитинга середины-сагитта. - Для последующих измерений выберите 11 равноудаленных точек в каждой кривой. Конкретный метод заключается в следующем:
- Взяв в качестве примера среднестаточной кривой, разделите диаметр среднего стагитального диаметра поровну на 10 частей, в результате чего сумма составила 11 баллов, включая девять промежуточных точек и две конечные точки (обратитесь к шагам 2.1.3 и 2.2.1).
- Пройдите через каждую равномерную точку, получите девять кривых фитинга на поверхности endplate (отсылай к шагу 2.2.2). Нажмите кривой от значка сканирования и выберите пересечение кривых фитинга и средне-сагиттальной кривой. Наконец, получить в общей сложности 66 баллов на каждой конечной панели (11 пунктов за кривую умножается на шесть кривых). Нажмите значок измерения пункта в панели инструментов внизу, чтобы измерить координаты каждой точки.
- Измерение морфологических параметров эндплэймты
- Параметр строки:
- Нажмите на значок Измерения Между иконами, чтобы измерить длину параметра линии, которая представляет собой расстояние между двумя измеренными точками.
- Параметры вогнутости:
- Создайте плоскость параллельно x-y плоскости (Рисунок 5A): нажмите Кнопка Начало Нажмите значок эскиза в панели инструментов с правой стороны, а затем нажмите на плоскость x-y. Нажмите значок Круга, нажмите Origin на поверхности конечной панели, перетащите курсор мыши на соответствующее расстояние, а затем нажмите кнопку. Нажмите значок Выхода Workbench, затем значок Fill, а затем нажмите кнопку.
- Нажмите значок Offset, выберите заполненную плоскость и введите соответствующее значение в смещении опции до тех пор, пока она не будет касательной к самой вогнутой части, и увеличить. Нажмите Кнопка Начало (ru) и форма (RuGT; Быстрая реконструкция поверхности). Затем щелкните значок 3D кривой, чтобы найти и создать самую вогнутую точку. Нажмите значок «Элемент измерения» для измерения координат самой вогнутой точки(рисунок 5B).
- Нажмите на значок Измерения между иконой, а затем выберите самую вогнутую точку и плоскость x-y для измерения всей глубины вогнутости конца. Точно так же найдите и создайте наиболее вогнутую глубину на определенной плоскости и измерьте ее координаты.
- Нажмите значок проекции в панели инструментов справа, а затем выберите наиболее вогнутой точки и x-Y плоскости для получения проектной точки. Нажмите значок Элемента измерения, чтобы измерить координаты проектной точки и определить ее распределение на основе координат.
- Параметры площади поверхности:
- Нажмите значок измерения инерции в панели инструментов в нижней части и нажмите на поверхность конечных плит для измерения его области. Нажмите значок активировать и выберите центральную конечную панель вдоль внутренних краев кольца эпифиза (обратитесь к шагу 1.6), затем нажмите значок измерения инерции для измерения его области(рисунок 5C). Нажмите значок активировать, затем центральную конечную панель и, наконец, значок Swap в окне активации, чтобы получить обод эпифиза. Затем измерьте его площадь.
- Параметр строки:
3. Разработка математической модели поверхности эндплиты
- Определение порядка соответствия параметрического уравнения
- Откройте программное обеспечение для анализа и визуализации данных (см. Таблицу материалов). Вход x ( «соответствующие данные» в окне команды. Нажмите Введите.
ПРИМЕЧАНИЕ: "Соответствующие данные" относятся к данным x-координы 11 характерных точек в одной кривой, которые были измерены в предыдущих шагах. Нажмите Enter после ввода каждой команды, с тем же применением к последующим операциям. Шаги 3.1-5.5 выполняются равномерно с тем же программным обеспечением. - Таким же образом, входные данные z и «соответствующие данные».
- Ввеккодай код для i'1:5 z2'polyfit (x,z,i); Пополиваль (z2,x); если сумма ((з-з). конец; конец.
ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол устанавливает сумму ошибок квадратов ниже 0,01 для получения более высокой точности, значение которых может быть скорректировано для удовлетворения различных требований. - Нажмите Enter, чтобы получить значение C, которое является желаемым порядком подгонки.
- Откройте программное обеспечение для анализа и визуализации данных (см. Таблицу материалов). Вход x ( «соответствующие данные» в окне команды. Нажмите Введите.
- Установка параметра уравнения
- Ввод cftool и нажмите Введите, чтобы поднять кривой Fitting Tool.
- Ввешайте координаты кривой в окно команды (отсылайте к шагам 3.1.1 и 3.1.2). В инструменте установки кривых выберите данные x-координата при установке кривых фронтальной плоскости и данных y-координы при установке сагиттальных кривых плоскости в опции x data, выберите данные z-координации в опции y данных, выберите полиномиальныйзаказ и введите порядок соответствия Получить. Затем, программное обеспечение будет вывод параметрического уравнения и добра подходят автоматически.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку кривая представляет собой 2D-изображение, опцией работы по умолчанию является x и y параметры в инструменте установки кривого параметра при установке кривой. - Аналогичным образом ввешайте 3D-координаты 66 точек и сопоставьте данные координат с соответствующими вариантами оси. Выберите полиномиальный и введите порядок подгонки, чтобы получить параметрическое уравнение поверхности конечной пластины(рисунок 6B).
4. Приобретение геометрических данных на основе параметрического уравнения
- Значения ввода x- и y-координы любой точки на конечной панели в окне команды.
- Вход Ный PX1, PX2, PX3....
ПРИМЕЧАНИЕ: Px является параметры параметрического уравнения, которые были установлены с использованием полиномиальных в шагах выше. - Введите уравнение и нажмите Введите, чтобы получить результат (т.е. формат ввода: z » P00 » P10х p01y й20х 2 Чюй2 - P03Зю3 - P40Хх 4 - P31х3 йоха, P22хх2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 х2 хх-х3 хх-х3 -04зюй4).
5. Представление конечной панели на основе параметрического уравнения
- Вход Ный PX1, PX2, PX3.... в командном окне.
- Ввейте код X'N1:0.01:N2;.
ПРИМЕЧАНИЕ: N1-N2 — это диапазон данных X-оси (т.е. значения двух конечных точек среднекорональной кривой). - Ввейте код "Y'N 3:0.01:N4;".
- Ввешьте уравнение (т.е., z'(x,y)P00 - P10.'x P01.-"P20.'x. 03.'y.-3 - P40.'x.-4 - P31.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- Ввеки кода ezmesh (z, N1,N2,N3,N4) для получения графики 3D-моделирования(рисунок 6C).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Используя высокоточный оптический 3D-сканер, конечные панели были преобразованы в более чем 45 000 цифровых точек, которые адекватно характеризуют морфологию(рисунок 2A,B).
В протоколе измерений был проведен пространственный анализ поверхностей конечных плит. Репрезентативые кривые были установлены и количественно на поверхности, чтобы охарактеризовать морфологию(рисунок 4B). Линейные параметры измерялись путем расчета расстояния между двумя конечными точками. Полученные измерения включают глубину вогнутости и расположение вершины вогнутости в середине сагитальной плоскости, в дополнение к тем из всей нарастания конечной панели и любого конкретного раздела(рисунок 5B). Компоненты endplates, обод эпифиза, и центральная endplate были отделены(рисунок 5C),и их длины и области были получены удобно.
В общей сложности было оцифровано и проанализировано 138 эндплитов шейных позвонков, а также установлена математическая модель эндплиты. Протокол устанавливает суммы квадратной ошибки ниже 0,01, и был сделан вывод, что использование четырехпорядкной полиномальной функции может достичь удовлетворения.
Параметрическое уравнение каждой кривой было выведено на основе координат 11точек: f(x) P1, P2, P3,P4 и P5 были параметрами, точные значения которых отображаются в таблице 1.
Параметрическое уравнение, представляющее морфологические характеристики поверхности конечной пластины:
F (x, y) P00 P10х х х и P01Квай- P 2,P11хх-йо, P02х 2 х х30х 3 х 3 х х 2 х х 2 х х 2 хх-х Чх2хю2 х 2 p13хх-йо3 и P04
Где: PXYs являются параметрами, которые были выведены из предварительно измеренных координат 66 пунктов(таблица 2).
Рисунок 1: Бесконтактный оптический 3D-сканер. Сканер, основанный на гетеродинской многочастотной фазе 3D оптической технологии измерения, включает оптические измерения (интеграция двух камер и проектора) и контрольных устройств. Точность этого прибора составляет 0,02 мм, а пикселей 1628 x 1236. Сканер может эффективно (время ввода 3 с) оцифровать геометрию поверхности целевого объекта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Точечное облако поверхности позвонков и 3D-реконструкция конечной панели. (A) и ( (B) являются нижними и превосходными поверхностями шейного позвонка, генерируемыми программным обеспечением, специально используемым для обработки точек облаков, соответственно. (C) и (D) являются 3D-реконструкция нижних и превосходных конечных пластин, генерируемых программным обеспечением, специально используемым для 3D-реконструкции и обработки данных, соответственно. Задние элементы и остеофиты удаляются из позвонков, оставляя только конечную панель. Наиболее подгонка плоскости определяется через передний-большинство и задние большинство точек двусторонних нецинативных процессов, и две кривые, образованные наиболее подходящей плоскости и endplate являются границами некопозвоночных суставов и каудальной конечной панели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Определение системы 3D-координат endplate. Маркировка трех анатомических ориентиров на ободке эпифиза: первые две являются левой и правой конечными точками задней кромки конечной пластины, соответственно; третья – передняя медианная точка. Задняя фронтальная линия формируется двумя конечными точками заднего края, которые определяют середину сагитальной плоскости с передней средней точкой. Задняя медианная точка определяется среднесагитальной плоскостью и задним ободком эпифителя, которые образуют средне-сагиттальный диаметр с передней средней точкой. Происхождение представляет собой середину средне-сагиттального диаметра. Оси y определяется по средне-сагиттальному диаметру и указывая вперед. X-оси является линией параллельно задней фронтальной линии. оси z является нормальным для плоскости x-y. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Шаги установки характерных кривых и точек на поверхности конечной панели. (A)Разделите средне-сагиттальный диаметр и среднефронтальный диаметр поровну на четыре части. (B) Пройдите через все равномерные точки и выберите шесть кривых поверхности симметрично, три из которых являются кривыми пересечения фронтальной плоскости и поверхности конечной панели, а остальные три в сагитальной плоскости. (C) Разделите средне-сагиттальный диаметр поровну на 10 частей. (D) Проходя через каждую равномерную точку, фронтальные плоскости и средне-сагитальная кривая образуют девять пересечений, в результате чего сумма 11 баллов, вместе с двумя конечными точками. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Измерение глубины и поверхности поверхности поверхности. (A) Создайте плоскость параллельно плоскости x-y. (B) Смещение плоскости до тех пор, пока она не будет касательной к самой вогнутой точке, а глубина вогнутости конца должна быть перпендикулярным расстоянием между самой вогнутой точкой и плоскостью x-y. (C) Нарисуйте линию вдоль внутренних краев эпифиза кольца, чтобы разделить конечную пластину в центральную конечную панель и обод эпифиза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: 3D-реконструкция и представления нижней конечной панели. (A) 3D-реконструкция нижней поверхности конечной панели, генерируемая программным обеспечением, специально используемым для 3D-реконструкции и обработки данных. (B) и(C) являются представлениями нижней конечной панели, генерируемой программным обеспечением анализа данных и визуализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Уровень эндплиты | Кривой | Параметры | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 начальник | Fac | 0 | 0 | -0.0128 | -0.0028 | 0.02523 |
| Fmc | 0 | 0 | -0.0199 | 0.00074 | 0.3693 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0.0329 | 0.00739 | 0.5323 | |
| Slc | 0 | 0.00176 | -0.0113 | -0.0419 | -0.0419 | |
| Smc | 0.00011 | 0.00232 | -0.016 | -0.0986 | 0.4712 | |
| Src | 0 | 0.00179 | -0.0096 | 0.04451 | -0.0394 | |
| C6 уступает | Fac | 0 | -0.0001 | -0.0225 | 0.00594 | 1.223 |
| Fmc | 0 | 0 | -0.016 | -0.0082 | 1.729 | |
| Fpc | 0 | 0 | -0.0033 | -0.0033 | 1.404 | |
| Slc | 0.00012 | 0.00087 | -0.0347 | -0.0962 | 1.448 | |
| Smc | 0.00025 | 0.00064 | -0.0495 | -0.0331 | 1.846 | |
| Src | 0 | 0.00079 | -0.0295 | -0.0828 | 1.362 | |
Таблица 1: Параметры уравнения, представляющие кривую поверхности конечной панели. Перечислены только данные шестого цервикального позвоночника. Px - параметры уравнения. На каждой конце пластины, шесть кривых поверхности были симметрично выбраны; три из них находились в фронтальной плоскости и назывались передней кривой (FAC), средней кривой (FMC) и задней кривой (FPC); остальные три в плоскости sagittal были названы левой кривой (SLC), средней кривой (SMC) и правой кривой (SRC). Параметры с абсолютным значением менее 0,0001 представлены как 0 здесь.
| Параметры | C3 inf | C4 суп | C4 inf | C5 суп | C5 inf | C6 суп | C6 inf | C7 суп |
| p00 | 1.989 | 0.4187 | 2.004 | 0.3383 | 1.913 | 0.4276 | 1.779 | 0.5674 |
| p10 | -0.0022 | -0.0043 | 0.00542 | -0.0208 | -0.0111 | 0.0012 | -0.0043 | -0.0052 |
| p01 | -0.0356 | -0.0868 | -0.0537 | -0.0826 | -0.0257 | -0.098 | -0.0407 | -0.0642 |
| p20 | 0.01286 | -0.0252 | -0.0146 | -0.0299 | -0.0253 | -0.0264 | -0.0175 | -0.0088 |
| p11 | 0.00092 | 0.00071 | -0.0009 | 0.00018 | -0.0002 | -0.0012 | 0.00117 | 0.00021 |
| p02 | -0.0529 | -0.0151 | -0.0525 | -0.012 | -0.0418 | -0.0142 | -0.0396 | -0.0134 |
| p30 | 0 | -0.0001 | 0.00013 | 0.00024 | 0.00017 | 0 | 0 | 0 |
| p21 | -0.0011 | 0.00299 | -0.0012 | 0.00363 | -0.0021 | 0.00306 | -0.0019 | 0.00194 |
| p12 | 0 | 0.00048 | -0.0004 | 0.00033 | 0.00014 | 0 | -0.0001 | 0 |
| p03 | 0.00062 | 0.00204 | 0.00089 | 0.00206 | 0.00046 | 0.00208 | 0.00077 | 0.00115 |
| p40 | 0.0002 | 0 | 0.0002 | 0 | 0.00024 | 0 | 0 | 0 |
| p31 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| p22 | 0.00017 | 0.00013 | 0 | 0.00015 | 0.00015 | 0.00017 | 0.00032 | 0 |
| P13 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| p04 | 0.00023 | 0.00013 | 0.00024 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Таблица 2: Параметры параметрического уравнения, представляющие морфологию поверхности конечной пластины. Px - параметры уравнения; inf - нижняя конечная панель; sup - превосходная конечная плита. Параметры с абсолютным значением менее 0,0001 представлены как 0 здесь. Эта таблица была изменена из предыдущей публикации3.
| Измерения | Неисчерданая надежность | Измерения | RE против Калипер | ||
| Apd | Первое измерение | 15,76 х 1,3 | Apd | Повторно | 16.47-1,31 |
| Переоценки | 15,86 х 1,61 | Суппорт | 16.26-1,27 | ||
| Icc | 0.85 | Кронбах альфа | 0.99 | ||
| Cmd | Первое измерение | 19,71 х 2,47 | Cmd | Повторно | 20,7х3,05 |
| Переоценки | 19.41-2.43 | Суппорт | 20.45-3.21 | ||
| Icc | 0.96 | Кронбах альфа | 0.99 | ||
Таблица 3: Надежность измерений. Данные были средними и стандартными отклонениями (мм). Коэффициент корреляции МЦК и внутриклассовых; APD - антеро-задний диаметр; CMD - центр посредственого диаметра; RE - обратная инженерная система. Эта таблица была изменена из предыдущей публикации. 3
| Значение измерений | N | Значение координат | T | P | R |
| Исходные точки | 15 | 1,75 х 0,87 | 0.26 | 0.8 | 0.98 |
| Точки сравнения | 15 | 1,74 х 0,91 |
Таблица 4: Действительность геометрической модели, представляющей морфологию конечных пластин. Данные представлены в виде среднего стандартного отклонения (мм). Исходные точки представляют 15 случайно выбранных точек на исходном изображении 3D-реконструкции. Точки сравнения - соответствующие точки, автоматически генерируемые из параметрических уравнений; Коэффициент корреляции R.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Обратная инженерия все чаще и успешно применяется в области медицины, таких как краниопластика20, устные21, и челюстно-лицевой имплантатов21. Обратные инженерные измерения, а именно оцифровка поверхности продукта, относится к преобразованию поверхностной информации в данные точечного облака с использованием специального измерительного оборудования и методов. На основе таких данных может быть выполнено сложное моделирование поверхности, оценка, усовершенствования и производство. Цифровые измерения и обработка данных являются основной и ключевой технологией, используемой в обратном проектировании.
В этом протоколе точная и подробная морфологическая информация о конечных плитах позвоночных записывается с помощью бесконтактной оптической системы 3D-сканирования, которая основана на гетеродинской многочастотной, фазовой смене, технологии оптического измерения 3D. Сканер в основном изготовлен из управляющих устройств и оптического измерения, объединяющего две камеры и проектор. По сравнению с другими измерительными приборами, сканер является высокоточным и эффективным и позволяет избежать точечного сканирования. При захвате данных облака точечного сканирования, как правило, не соприкасается с объектом, так что нет никаких эффектов деформации. Надежность, достоверность и точность сканера для записи морфологии поверхности были хорошо установлены2,3,22. Подтверждена релицируемость этих измерений.
Для проверки точности измерений, сделанных системой обратной инженерии, 20 конечных плит были измерены с помощью цифрового калибра и оценены с помощью альфа Cronbach. Для надежности внутритеставого тестирования 16 конечных плит были случайным образом отобраны из 138 конечных плит позвонков и измерены дважды с интервалом в 2 недели, а затем оценены с использованием коэффициента корреляции внутри класса. Результаты показали большое согласие и надежность(Таблица 3). Обратное инженерное программное обеспечение включает в себя мощные измерения, обработку данных, обнаружение ошибок, а также функции свободной кривой и редактирования поверхности. Он также может разумно и эффективно построить и настроить кривые и поверхности, и 3D реконструкция модели поверхности способствует точным измерениям23.
Есть важные и значительные приложения для подробных и всеобъемлющих анатомии данных позвонков, таких как проектирование спинномозговых имплантатов, улучшение верности конечных моделей элементов позвоночника, и разработка математических моделей. Конечная панель позвонка имеет важное значение для поддержания целостности и функции межпозвонкового диска, а также служит механическим интерфейсом для передачи стресса. Поэтому важна количественная оценка геометрии конечных плит. С помощью обратной инженерии, морфология конечных пластин может быть количественно разумно и всесторонне. В этом протоколе на поверхности каждой конечной панели установлены шесть характерных кривых, а для количественной оценки пространственной морфологии установлена система 3D-координат.
Кроме того, разработана параметрическая модель конечной панели для точного и воспроизводимого количественного оценок и разработки персонализированных биомеханических моделей конечных элементов. Параметрическая модель поверхности конечных плит может производить быстрые, реалистичные и точные представления, которые могут быть визуализированы и удобно проанализированы исследователями.
Включение большего числа ориентиров повысит точность, но это отнимает много времени и затрат. В этом протоколе предлагается, чтобы 66 точек из шести кривых поверхности были достаточными для описания морфологических особенностей. Тесты надежности также проводятся путем сравнения значений координат 15 случайно выбранных точек с соответствующими значениями, которые автоматически генерируются из параметрических уравнений. Результат показывает, что параметрическая модель имеет хорошую надежность и воспроизводимость может служить реалистичным представлением поверхности конечной пластины(таблица 4). Следует отметить, что параметрическая модель может быть получена на основе других методов визуализации, таких как КТ и МРТ.
Поскольку бесконтактные сканеры подвержены окружающему свету, очень важно поддерживать устойчивый свет окружающего, и рекомендуются активные источники света. Если на поверхности конечной пластины имеется остаточная смазка, то инфантильный тальк следует аккуратно обмазать, чтобы избежать риска заражения пространственным отражением поверхности объекта. Подаксиальные шейные позвонки имеет особый компонент: некопозвоночный сустав. Чтобы отличить его от конечных пластин, наиболее подходят плоскости определяется с помощью наименее квадратный метод. Затем кривая пересечения, образованная наиболее подходящей плоскостью, и поверхность конечных пластин является границей между некопозвоночным соединением и превосходной конечней(рисунок 2D).
Конкретная операция заключается в следующем: нажмите Кнопка Начало Нажмите значок Point в панели инструментов с правой стороны, а затем выберите передние-большинство и задние-большинство точек двусторонних несцинатных процессов на 3D-изображении. Нажмите значок плоскости и выберите средние точки в типе плоскости, чтобы определить наиболее подходящий самолет. Нажмите Кнопка Начало (ru) и форма (RuGT; Быстрая реконструкция поверхности). Нажмите значок Planar Section, затем выберите 3D-изображение и наиболее подходящий план.
Точная маркировка трех анатомических точек на поверхности конечной панели при создании системы 3D-координат имеет решающее значение. Программное обеспечение обратной инженерии позволяет гибкое смещение изображения реконструкции и улучшает контрастность, которая помогает определить ориентиры. Кроме того, важно оценить целесообразность системы координат на основе того, перпендикулярна ли пересекающаяся линия определенных средне-сагитальных и корональных плоскостей конечному сечению, а затем соответствующим образом отрегулировать систему. Было также оценено тестирование внутринаблюдателя, и результат показал хорошую надежность(таблица 3).
Этот протокол требует нескольких навыков и методов, включая получение и обработку данных облака точек, реконструкцию и анализ изображений, а также разработку параметрических моделей. Для новичка может потребоваться время, чтобы завершить весь процесс. Однако, поскольку используется лишь несколько модулей программного обеспечения в этом протоколе и процедура модульная, для того, чтобы стать хорошо опытным, требуется короткая кривая обучения.
В заключение, описанный протокол обеспечивает точный и воспроизводимый метод получения подробных и всеобъемлющих данных геометрии конечных пластин позвонков. Параметрическая модель также разработана без оцифровки слишком много ориентиров, что полезно для проектирования персонализированных спинальных имплантатов, планирование хирургических актов, делая клинические диагнозы, и разработка точных моделей конечных элементов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не заявляют о каких-либо конкурирующих финансовых интересах.
Acknowledgments
Эта работа была профинансирована ключевым проектом по строительству дисциплины Бюро здравоохранения Пудун в Шанхае (PW'xk2017-08) и Национальным фондом естественных наук Китая (81672199). Авторы хотели бы поблагодарить Ван Лэя за помощь в корректурова более ранней версии и Ли Чжаоян за помощь в разработке параметрической модели.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Catia | Dassault Systemes, Paris, France | https://www.3ds.com/products-services/catia/ | 3D surface model reconstruction, free curve and surface editing and data processing |
| Geomagic Studio | Geomagic Inc., Morrisville, NC | https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301 | point cloud data processing |
| MATLAB | The MathWorks Inc., Natick,USA | https://www.mathworks.com/ | analyze data, develop algorithms, and create models |
| Optical 3D range flatbed scanner | Xi’an XinTuo 3D Optical Measurement Technology Co.Ltd., Xi’an, Shaanxi, China | http://www.xtop3d.com/ | acquire surface geometric parameters and convert into digital points |
References
- Wang, Y., Battie, M. C., Boyd, S. K., Videman, T. The osseous endplates in lumbar vertebrae: Thickness, bone mineral density and their associations with age and disk degeneration. Bone. 48, 804-809 (2011).
- Wang, Y., Battie, M. C., Videman, T. A morphological study of lumbar vertebral endplates: radiographic, visual and digital measurements. European Spine Journal. 21, 2316-2323 (2012).
- Feng, H., et al. Morphometry evaluations of cervical osseous endplates based on three dimensional reconstructions. International Orthopaedics. , (2018).
- Liebschner, M. A., Kopperdahl, D. L., Rosenberg, W. S., Keaveny, T. M. Finite element modeling of the human thoracolumbar spine. Spine (Phila Pa 1976). 28, 559-565 (2003).
- Niemeyer, F., Wilke, H. J., Schmidt, H. Geometry strongly influences the response of numerical models of the lumbar spine--a probabilistic finite element analysis. Journal of Biomechanics. 45, 1414-1423 (2012).
- Lin, C. Y., Kang, H., Rouleau, J. P., Hollister, S. J., Marca, F. L. Stress analysis of the interface between cervical vertebrae end plates and the Bryan, Prestige LP, and ProDisc-C cervical disc prostheses: an in vivo image-based finite element study. Spine (Phila Pa 1976). 34, 1554-1560 (2009).
- Cao, J. M., et al. Clinical and radiological outcomes of modified techniques in Bryan cervical disc arthroplasty. Journal of Clinical Neuroscience. 18, 1308-1312 (2011).
- de Beer, N., Scheffer, C. Reducing subsidence risk by using rapid manufactured patient-specific intervertebral disc implants. The Spine Journal. 12, 1060-1066 (2012).
- Chen, H., Zhong, J., Tan, J., Wu, D., Jiang, D. Sagittal geometry of the middle and lower cervical endplates. European Spine Journal. 22, 1570-1575 (2013).
- Tan, S. H., Teo, E. C., Chua, H. C. Quantitative three-dimensional anatomy of cervical, thoracic and lumbar vertebrae of Chinese Singaporeans. European Spine Journal. 13, 137-146 (2004).
- Zhou, S. H., McCarthy, I. D., McGregor, A. H., Coombs, R. R., Hughes, S. P. Geometrical dimensions of the lower lumbar vertebrae--analysis of data from digitised CT images. European Spine Journal. 9, 242-248 (2000).
- Cukovic, S., Devedzic, G., Ivanovic, L., Lukovic, T. Z., Subburaj, K. Development of 3D Kinematic Model of the Spine for Idiopathic Scoliosis Simulation. Computer-Aided Design and Applications. 7, 153-161 (2010).
- Cukovic, S., Devedzic, G. 3D modeling and simulation of scoliosis: An integrated knowledgeware approach. , 411-415 (2015).
- Ćuković, S., et al. Non-Ionizing Three-Dimensional Estimation of Axial Vertebral Rotations in Adolescents Suffering from Idiopathic Scoliosis. , (2018).
- Panjabi, M. M., Duranceau, J., Goel, V., Oxland, T., Takata, K. Cervical human vertebrae. Quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions. Spine (Phila Pa 1976). 16, 861-869 (1991).
- Panjabi, M. M., et al. Thoracic human vertebrae. Quantitative three-dimensional anatomy. Spine (Phila Pa 1976). 16, 888-901 (1991).
- Ravi, B., Rampersaud, R. Clinical magnification error in lateral spinal digital radiographs. Spine (Phila Pa 1976). 33, E311-E316 (2008).
- Silva, M. J., Wang, C., Keaveny, T. M., Hayes, W. C. Direct and computed tomography thickness measurements of the human, lumbar vertebral shell and endplate. Bone. 15, 409-414 (1994).
- Langrana, N. A., Kale, S. P., Edwards, W. T., Lee, C. K., Kopacz, K. J. Measurement and analyses of the effects of adjacent end plate curvatures on vertebral stresses. The Spine Journal. 6, 267-278 (2006).
- Chrzan, R., et al. Cranioplasty prosthesis manufacturing based on reverse engineering technology. Medical Science Monitor. 18, (2012).
- De Santis, R., et al. Reverse engineering of mandible and prosthetic framework: Effect of titanium implants in conjunction with titanium milled full arch bridge prostheses on the biomechanics of the mandible. Journal of Biomechanics. 47, 3825-3829 (2014).
- Keating, A. P., Knox, J., Bibb, R., Zhurov, A. I. A comparison of plaster, digital and reconstructed study model accuracy. Journal of Orthodontics. 35, 191-201 (2008).
- Numajiri, T., et al. Designing CAD/CAM Surgical Guides for Maxillary Reconstruction Using an In-house Approach. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
