Summary
Ein Reverse Engineering-System wird eingesetzt, um detaillierte und umfassende Geometriedaten von Wirbelendplatten aufzuzeichnen und zu erhalten. Anschließend werden parametrische Modelle der Wirbelendplatte entwickelt, die für die Entwicklung personalisierter Wirbelsäulenimplantate, die Erstellung klinischer Diagnosen und die Entwicklung präziser Finite-Elemente-Modelle von Vorteil sind.
Abstract
Detaillierte und umfassende geometrische Daten von Wirbelendplatten sind wichtig und notwendig, um die Genauigkeit von Endliche-Elemente-Modellen der Wirbelsäule zu verbessern, Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen und zu verbessern und degenerative Veränderungen und Biomechanik zu verstehen. In diesem Protokoll wird ein Hochgeschwindigkeits- und hochpräziser Scanner eingesetzt, um Morphologiedaten von Endplattenoberflächen in eine digitale Punktwolke umzuwandeln. Im Softwaresystem wird die Punktwolke weiterverarbeitet und in drei Dimensionen rekonstruiert. Anschließend wird ein Messprotokoll durchgeführt, das ein 3D-Koordinatensystem beinhaltet, das definiert ist, um jeden Punkt zu einer 3D-Koordinate zu machen, drei sagittale und drei frontale Flächenkurven, die symmetrisch auf der Endplattenoberfläche angebracht sind, und 11 äquidistante Punkte, die in jeder Kurve ausgewählt. Schließlich werden Messungen und räumliche Analysen durchgeführt, um geometrische Daten der Endplatten zu erhalten. Parametrische Gleichungen, die die Morphologie von Kurven und Flächen darstellen, werden basierend auf den Merkmalspunkten angepasst. Das vorgeschlagene Protokoll, das modular aufgebaut ist, bietet eine genaue und reproduzierbare Methode, um geometrische Daten von Wirbelendplatten zu erhalten und kann in Zukunft bei ausgefeilteren morphologischen Studien helfen. Es wird auch dazu beitragen, personalisierte Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen, chirurgische Handlungen zu planen, klinische Diagnosen zu erstellen und genaue Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln.
Introduction
Eine Wirbelendplatte ist die überlegene oder untere Schale des Wirbelkörpers und dient als mechanische Schnittstelle, um Spannung zwischen Scheibe und Wirbelkörper zu übertragen1. Es besteht aus dem epiphysealen Rand, einem starken und festen knöchernen Labrum, das den äußeren Rand des Wirbelkörpers umgibt, und der zentralen Endplatte, die dünn und porös ist2.
Die Wirbelsäule unterliegt einer Vielzahl degenerativer, traumatischer und neoplastischer Erkrankungen, die einen chirurgischen Eingriff rechtfertigen können. In letzter Zeit sind Wirbelsäulengeräte wie künstliche Scheiben und Käfige weit verbreitet. Genaue und detaillierte morphometrische Parameter von Endplatten sind für die Gestaltung und Verbesserung von Wirbelsäulenimplantaten mit effektivem Prothesen-Wirbel-Kontakt und Knocheneinwuchspotenzial3notwendig. Darüber hinaus sind Informationen über die genaue Form und Geometrie von Wirbelendplatten wichtig für das Verständnis der Biomechanik. Obwohl die Finite-Elemente-Modellierung die Simulation der realen Wirbel ermöglicht und weit verbreitet ist, um physiologische Reaktionen der Wirbelsäule auf verschiedene Belastungsbedingungen zu untersuchen4, ist diese Technik patientenspezifisch und nicht für alle verallgemeinerbar Wirbel. Es wurde vorgeschlagen, dass die intrinsische Variabilität der Wirbelgeometrie in der allgemeinen Population bei der Entwicklung des Finite-Elemente-Modells5berücksichtigt werden sollte. Daher sind die geometrischen Parameter von Endplatten förderlich für die Netzgenerierung und Dietreueverbesserung bei der Finite-Elemente-Modellierung.
Obwohl die Bedeutung des Abgleichs von Endplattengeometrie und Implantatoberfläche in früheren Studien6,7,8diskutiert wurde, sind Daten über die Morphologie von Wirbelendplatten rar. Die meisten früheren Studien haben die 3D-Natur der Endplatte9,10,11nicht enthüllt. Eine räumliche Analyse ist erforderlich, um die Endplattenmorphologie12,13,14besser und vollständig darzustellen. Darüber hinaus haben die meisten Studien niedrigere Präzision Simeme10,15,16eingesetzt. Darüber hinaus wurde eine signifikante Vergrößerung gemeldet, wenn Geometrieparameter mit Hilfe von Radiographie oder Computertomographie (CT)17,18gemessen werden. Obwohl Magnetresonanztomographie (MRT) als nicht-invasiv gilt, ist sie bei der Definition der genauen Ränder osseöser Strukturen weniger genau11. Aufgrund des Fehlens eines standardisierten Messprotokolls gibt es große Unterschiede zwischen vorhandenen geometrischen Daten.
In den letzten Jahren wurde Reverse Engineering, das die vorhandenen physischen Teile in computergestützte Festkörpermodelle digitalisieren kann, zunehmend auf dem Gebiet der Medizin eingesetzt. Die Technik macht es möglich, eine genaue Darstellung des anatomischen Charakters anspruchsvoller Wirbeloberflächen zu entwickeln. Das Reverse Engineering System umfasst zwei Subsysteme: das Instrumentierungssystem und das Softwaresystem. Das in diesem Protokoll übernommene Instrumentierungssystem verfügt über einen berührungslosen optischen Flachbettscanner mit 3D-Bereich, der hochschnell und hochpräzise ist (Präzision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 Pixel). Der Scanner kann effizient (Eingabezeit 3 s) Oberflächenmorphologieinformationen des Zielobjekts erfassen und in eine digitale Punktwolke umwandeln. Das Softwaresystem (d.h. Reverse Engineering Software) ist eine Computeranwendung für die Punktwolkendatenverarbeitung (siehe Tabelle der Materialien),die Rekonstruktion von 3D-Oberflächenmodellen, die freie Kurven- und Oberflächenbearbeitung sowie die Datenverarbeitung (siehe Tabelle Materialien).
Zweck des vorliegenden Berichts ist es, (1) ein Messprotokoll und einen Algorithmus zu entwickeln, um quantitative Parameter von Wirbelendplatten auf der Grundlage einer Reverse-Engineering-Technik zu erhalten, (2) ein mathematisches Modell zu entwickeln, das eine realistische Darstellung von Wirbelendplatten, ohne zu viele Landmarken zu digitalisieren. Diese Methoden werden vorteilhaft für die chirurgische Aktplanung und Finite-Elemente-Modellierung sein.
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Protocol
Diese Studie wurde von der Ethikkommission der Gesundheitsforschung des Autoreninstituts genehmigt. Da Halswirbelknochen kompliziertere Formenhaben 19, verwendet das Protokoll die Halswirbel als Illustration, um relevante Forschung zu erleichtern.
1. Aufbereitung von Materialien, Scannen und Bildverarbeitung
- Sammeln Sie einen trockenen Halswirbel ohne pathologische Verformung oder gebrochene Teile.
- Platzieren Sie den Wirbel vertikal in der Plattform des Scanners (Abbildung 1, siehe Materialtabelle), mit der Endplatte zur Kameralinse. Verwenden Sie die aktive Lichtquelle des Scanners. Starten Sie dann den Scanvorgang, um Punktwolkendaten (. ASC-Format).
HINWEIS: Passen Sie gemäß den Vorscan-Bildern den Scanner und die Position des Wirbels an, um so viele Informationen zur Oberflächenmorphologie wie möglich zu erfassen. - Öffnen Sie die Speziell für die Verarbeitung von Punktwolken verwendete Software (siehe Materialtabelle). Klicken Sie auf Importieren, um die Punktwolkendaten zu importieren und die digitale Grafik des Wirbels zu generieren. Legen Sie die Abtastrate auf 100 % fest, wählen Sie Vollständige Daten bei Sampling beibehaltenaus , wählen Sie die Dateneinheit als Millimeter aus, und klicken Sie auf Schattenpunkte. Verwenden Sie das Lasso-Auswahlwerkzeug, um redundante Punkte in der Grafik auszuwählen, und klicken Sie dann auf Löschen, um sie zu entfernen. Klicken Sie auf Rauschen reduzieren und stellen Sie den Glättungsgrad auf das Maximum ein, um Rauschen und Spitzen zu reduzieren (Abbildung 2A,B).
HINWEIS: Am unteren Rand der GUI (grafische Benutzeroberfläche) befinden sich grundlegende Anleitungen zur Bedienung der Software. Rauschpunkte mit offensichtlich scharfen Sporen seitlich oder vertikal sollten entfernt werden, um Fehler zu reduzieren. - Klicken Sie auf Wrap, um die Bilddaten in die Datei im Stl-Format zu packen, um die Punktwolke in Einnetze zu transformieren, wodurch ein Punktobjekt in ein Polygonobjekt konvertiert wird.
HINWEIS: Reverse Engineering Software akzeptiert in der Regel .stl-Stil 3D-Format. - Öffnen Sie die speziell für die 3D-Rekonstruktion und Datenverarbeitung verwendete Software (siehe Materialtabelle). Klicken Sie im Untermenü auf Datei und dann neu. Wählen Sie Teil in der Liste der Typen aus. Klicken Sie auf Start, dann Shape im Untermenü und dann auf Digitalized Shape Editor. Klicken Sie auf das Importsymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite der GUI. Wählen Sie im Fenster Importieren die .stl-Formatdatei aus, und klicken Sie dann auf Anwenden > OK. Klicken Sie im Symbol in der Symbolleiste unten auf Alle anpassen, um das rekonstruierte Bild in das Hauptfenster der Präsentationssoftware zu laden.
HINWEIS: Die Schritte 1.5–2.3.3 werden mit derselben Software durchgeführt. - Klicken Sie in der Symbolleiste auf der rechten Seite auf Aktivieren. Wählen Sie im Fenster Aktivieren Trap-Modus > Polygontyp > Innere Falleaus. Wählen Sie dann die Wirbelendplatte auf dem 3D-Bild aus, um nicht benötigte Wirbelkomponenten wie die hinteren Elemente und Osteophyten zu entfernen (Abbildung 2C).
2. Quantifizierung der 3D-Morphologie der Endplatte
- Definieren des Endplatten-3D-Koordinatensystems
- Klicken Sie im Untermenü auf Start > Shape und dann auf Generative Shape Design. Klicken Sie auf das Punktsymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite. Markieren Sie drei anatomische Landmarken auf dem epiphysealen Rand: die ersten beiden sind die linken und rechten Endpunkte der Endplatte hinterder Kante; der dritte ist der vordere Medianpunkt.
- Klicken Sie auf das Liniensymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und wählen Sie die beiden nachgestellten Kantenendpunkte aus, um eine hintere Frontlinie zu definieren. Klicken Sie auf das Ebenensymbol, wählen Sie den Ebenentyp aus, der normal in Kurve sein soll, und wählen Sie dann die hintere Frontlinie und den vorderen Medianpunkt aus, um die mittelsagittale Ebene zu definieren.
- Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Abschnitt", geben Sie 1 in die Option Zahlen ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die mittelsagittale Ebene aus, um eine sich schneidende Kurve zu generieren. Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der sich schneidenden Kurve und des hinteren epiphysealen Rands aus. Definieren Sie den Schnittpunkt als hinteren Medianpunkt.
- Klicken Sie auf Starten > Form > Generatives Shape-Design. Klicken Sie auf das Liniensymbol, und wählen Sie den vorderen Medianpunkt und den hinteren Medianpunkt aus, um einen mittleren Sagittaldurchmesser zu definieren. Klicken Sie auf das Punktsymbol und dann auf Punkte und Ebenen wiederholung im Untermenü. Wählen Sie dann den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 1 in die Option Instanz(en) ein, um den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers zu definieren.
- Klicken Sie unten auf das Symbol Achsensystem in der Symbolleiste. Wählen Sie dann den Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers als Ursprung, die Parallellinie parallel zur hinteren Frontlinie als x-Achse, den mittleren Sagittaldurchmesser als y-Achse und die Linie, die vorwärts und senkrecht zur x-y-Ebene als Z-Achse zeigt(Abbildung 3 ).
HINWEIS: Die beiden nachfolgenden Kantenendpunkte werden als Referenzpunkte ausgewählt, da sie konsistent sind und minimale Variationen in Gegenwart von Osteophyten10aufweisen.
- Anpassen von Kennlinien und Punkten auf der Endplattenoberfläche (Abbildung 4A–D)
- Klicken Sie auf das Punktsymbol und dann auf Punkte und Ebenen wiederholung im Untermenü. Wählen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser aus, und geben Sie 3 in die Option Instanz(e) ein, um den mittleren Sagittaldurchmesser gleichmäßig in vier Teile zu teilen.
- Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Abschnitt", geben Sie 1 in die Option Zahl ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die x-z-Ebene aus, um eine sich schneidende Kurve zu generieren. Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie die beiden Schnittpunkte der x-z-Ebene und der epiphysealen Felge aus.
- Definieren Sie die Linie zwischen den beiden Kreuzungen als mittleren Frontdurchmesser. Auf die gleiche Weise, teilen Sie den mittleren Frontaldurchmesser gleichmäßig in vier Teile.
ANMERKUNG: Wenn die Endplatte nicht symmetrisch zur med-sagittalen Ebene ist, wählen Sie einen der beiden Endpunkte der mittleren Frontalkurve aus, die einen kürzeren vertikalen Abstand zur Z-y-Ebene hat. Definieren Sie dann den mittleren Frontaldurchmesser als 2x die Länge des Kürzeren, und teilen Sie ihn gleichmäßig in vier Teile auf. - Klicken Sie unten auf das Symbol Zwischen messen, um die Länge eines Viertels des mittleren Sagittaldurchmessers zu messen. Klicken Sie auf das Symbol "Planarer Schnitt", geben Sie 2 in die Option Zahl ein, geben Sie den Messwert in die Option Schritt ein, und wählen Sie dann das Endplattenbild und die x-z-Ebene aus, um zwei Anpassungskurven auf einer Seite des Frontalteils zu generieren. Klicken Sie auf Swap, um zwei Anpassungskurven auf der anderen Seite zu generieren. Auf die gleiche Weise erhalten Sie die anderen drei passenden Kurven in der sagittalen Ebene.
HINWEIS: Die beiden mittelfrontalen Fittingkurven überlappen sich mit den beiden mittel-sagittalen Fitting-Kurven. - Wählen Sie 11 äquidistante Punkte in jeder Kurve für nachfolgende Messungen aus. Spezifische Methode ist wie folgt:
- Am Beispiel der mittleren Sagittalkurve teilen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser gleichmäßig in 10 Teile auf, was zu einer Summe von 11 Punkten führt, einschließlich neun Zwischenpunkten und zwei Endpunkten (siehe Schritte 2.1.3 und 2.2.1).
- Gehen Sie durch jeden äquidistanten Punkt, erhalten Sie neun Anpassungskurven auf der Endplattenoberfläche (siehe Schritt 2.2.2). Klicken Sie im Scan-Symbol auf Kurve, und wählen Sie den Schnittpunkt der Anpassungskurven und der mittleren Sagittalkurve aus. Schließlich erhalten Sie insgesamt 66 Punkte auf jeder Endplatte (11 Punkte pro Kurve multipliziert mit sechs Kurven). Klicken Sie auf das Symbol Element messen in der Symbolleiste unten, um die Koordinaten der einzelnen Punkte zu messen.
- Messung der morphologischen Endplattenparameter
- Linienparameter:
- Klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen, um die Länge des Linienparameters zu messen, der den Abstand zwischen zwei gemessenen Punkten beträgt.
- Konkavitätsparameter:
- Erstellen Sie eine Ebene parallel zur x-y-Ebene(Abbildung 5A): Klicken Sie auf Start > Shape > Generative Shape Design. Klicken Sie auf das Skizzensymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und klicken Sie dann auf die x-y-Ebene. Klicken Sie auf das Kreissymbol, klicken Sie auf Origin auf der Endplattenoberfläche, ziehen Sie den Mauszeiger in einen entsprechenden Abstand und klicken Sie dann. Klicken Sie auf das Symbol Workbench beenden, dann auf das Füllsymbol, und klicken Sie dann.
- Klicken Sie auf das Symbol Versatz, wählen Sie die ausgefüllte Ebene aus, und geben Sie einen geeigneten Wert in die Versatzoption ein, bis er tangential zum konkavsten Teil ist, und zoomen Sie hinein. Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie dann auf das 3D-Kurvensymbol, um den konkavePunkt zu finden und zu erstellen. Klicken Sie auf das Symbol Element messen, um die Koordinaten des konkavsten Punktes zu messen (Abbildung 5B).
- Klicken Sie auf das Symbol Zwischen messen, und wählen Sie dann den konkave Punkt und die x-y-Ebene aus, um die gesamte Endplattenkonkavitätstiefe zu messen. In ähnlicher Weise finden und erstellen Sie die konkave Tiefe auf einer bestimmten Ebene und messen Sie ihre Koordinaten.
- Klicken Sie auf das Projektionssymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und wählen Sie dann den konkavsten Punkt und die x-y-Ebene aus, um den Projektivpunkt zu erhalten. Klicken Sie auf das Symbol Element messen, um die Koordinaten des Projektivpunkts zu messen und seine Verteilung basierend auf den Koordinaten zu bestimmen.
- Oberflächenparameter:
- Klicken Sie unten auf das Symbol Trägheitsmessung in der Symbolleiste, und klicken Sie auf die Oberfläche der Endplatte, um deren Fläche zu messen. Klicken Sie auf das Symbol Aktivieren und wählen Sie die zentrale Endplatte entlang der inneren Ränder des Epiphysealrings aus (siehe Schritt 1.6), und klicken Sie dann auf das Symbol Trägheitsmessung messen, um dessen Fläche zu messen (Abbildung 5C). Klicken Sie auf das Symbol Aktivieren, dann auf die zentrale Endplatte und schließlich auf das Swap-Symbol im Fenster Aktivieren, um einen epiphysealen Rand zu erhalten. Messen Sie dann ihre Fläche.
- Linienparameter:
3. Entwicklung des mathematischen Endplattenoberflächenmodells
- Bestimmen der Anpassungsreihenfolge der parametrischen Gleichung
- Öffnen Sie die Datenanalyse- und Visualisierungssoftware (siehe Materialtabelle). Eingabe x = [entsprechende Daten] im Befehlsfenster. Klicken Sie auf Enter.
HINWEIS: Die "entsprechenden Daten" beziehen sich auf x-Koordinatendaten der 11 Kennpunkte in einer Kurve, die in den vorherigen Schritten gemessen wurden. Klicken Sie nach der Eingabe jedes Befehls auf Enter, wobei derselbe auf nachfolgende Vorgänge angewendet wird. Die Schritte 3.1–5.5 werden einheitlich mit derselben Software durchgeführt. - Auf die gleiche Weise geben Sie z = [entsprechende Daten]ein.
- Geben Sie den Code für i=1:5 z2=polyfit(x,z,i); Z=polyval(z2,x); if sum((Z-z).'2)<0.01 C=i break; Ende; Ende.
HINWEIS: Das Protokoll legt die Fehlersumme von Quadraten unter 0,01 fest, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten, deren Wert angepasst werden kann, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen. - Klicken Sie auf Enter, um einen C-Wert zu erhalten, der die gewünschte Anpassungsreihenfolge ist.
- Öffnen Sie die Datenanalyse- und Visualisierungssoftware (siehe Materialtabelle). Eingabe x = [entsprechende Daten] im Befehlsfenster. Klicken Sie auf Enter.
- Parametergleichungsanpassung
- Geben Sie cftool ein, und klicken Sie auf Enter, um das Kurvenanpassungswerkzeug aufzuführen.
- Geben Sie die Koordinaten einer Kurve in das Befehlsfenster ein (siehe Schritte 3.1.1 und 3.1.2). Wählen Sie im Werkzeug Kurvenanpassung x-Koordinatendaten aus, wenn Sie frontale Ebenenkurven und y-Koordinatendaten anpassen, wenn Sie sagittale Ebenenkurven in die x-Datenoption einfügen, wählen Sie z-Koordinatendaten in der y-Datenoption aus, wählen Sie Polynomaus, und geben Sie die Anpassungsreihenfolge ein. Erhalten. Dann gibt die Software automatisch die parametrische Gleichung und die Güte der Anpassung aus.
HINWEIS: Da es sich bei der Kurve um ein 2D-Bild handelt, ist die Standardarbeitsoption die x- und y-Optionen im Kurvenanpassungswerkzeug beim Anpassen einer Kurve. - Geben Sie auf ähnliche Weise die 3D-Koordinaten der 66 Punkte ein und stimmen die Koordinatendaten mit den entsprechenden Achsenoptionen überein. Wählen Sie Polynom aus, und geben Sie die Anpassungsreihenfolge ein, um die parametrische Gleichung der Endplattenoberfläche zu erhalten (Abbildung 6B).
4. Erfassung geometrischer Daten auf Basis parametrischer Gleichung
- Geben Sie x- und y-Koordinatenwerte eines beliebigen Punktes auf der Endplatte im Befehlsfenster ein.
- Eingang PX1, PX2, PX3....
HINWEIS: Px ist der Parameter der parametrischen Gleichung, die mit Polynom in den obigen Schritten angepasst wurden. - Geben Sie die Gleichung ein und klicken Sie auf Enter, um das Ergebnis zu erhalten (d.h. Eingabeformat: 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*y3 + P40*x'4 + P31*x'3*y + P22*x'2*y'2 + P13*x*y'3 + P04*y'4).
5. Darstellung der Endplatte auf Basis parametrischer Gleichung
- Eingang PX1, PX2, PX3.... im Befehlsfenster.
- Geben Sie den Code X=N1:0.01:N2;.
ANMERKUNG: N1–N2 ist der Bereich der X-Achsendaten (d. h. die Werte der beiden Endpunkte der mittleren koronalen Kurve). - Geben Sie den Code "Y=N3:0.01:N4;" ein.
- Geben Sie die Gleichung ein (d.h. z=-(x,y)P00 + P10.*x + P01.*y + P20.*x.2 +P11.*x.*y + P02.*y. 03.*y .3 + P40.*x.4 + P31.*x.*y + P22.*x.*y.2+ P13.*x.*y.*3 + P04.*y.
- Geben Sie den Code ezmesh(z, [N1,N2,N3 ,N4]) ein, um 3D-Simulationsgrafiken zu erhalten (Abbildung 6C).
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Representative Results
Mit dem hochpräzisen optischen 3D-Bereich-Flachbettscanner wurden die Endplatten in mehr als 45.000 digitale Punkte umgewandelt, die die Morphologie angemessen charakterisieren (Abbildung 2A,B).
Im Messprotokoll wurde die räumliche Analyse von Endplattenoberflächen durchgeführt. Repräsentative Kurven wurden an der Oberfläche angepasst und quantifiziert, um die Morphologie zu charakterisieren (Abbildung 4B). Die linearen Parameter wurden durch Berechnung des Abstands zwischen zwei Endpunkten gemessen. Die erhaltenen Messungen umfassen die Konkavitätstiefe und konkavitätsapthenenspitzen Position in der mittel-sagittalen Ebene, zusätzlich zu denen der gesamten Endplattenkonkavität und eines bestimmten Abschnitts (Abbildung 5B). Die Komponenten der Endplatten, der epiphysealen Felge und der zentralen Endplatte wurden getrennt (Abbildung 5C), und ihre Längen und Bereiche wurden bequem erhalten.
Insgesamt wurden 138 Halswirbelendplatten digitalisiert und analysiert, und das mathematische Modell der Endplatte wurde erstellt. Das Protokoll legt die Summen des quadrierten Fehlers unter 0,01 fest, und es wurde der Schluss gezogen, dass die Verwendung der Polynomfunktion mit vier Ordnungen Zufriedenheit erreichen könnte.
Die parametrische Gleichung jeder Kurve wurde auf der Grundlage der Koordinaten von 11 Punkten abgeleitet: f(x) = P1*x-4 + P2*x-3 + P3*x-2 + P4*x + P5. P1, P2, P3, P4 und P5 waren die Parameter, deren genaue Werte in Tabelle 1dargestellt sind.
Die parametrische Gleichung, die die morphologischen Eigenschaften der Endplattenoberfläche darstellt, ist:
F(x, y) = P00 + P10*x + P01*y + P20*x2 + 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*y3 + P04*y4
Wo: PXYs sind die Parameter, die aus den vorgemessenen Koordinaten von 66 Punkten abgeleitet wurden (Tabelle 2).
Abbildung 1: Der berührungslose optische Flachbettscanner mit 3D-Bereich. Der Scanner, der auf heterodyne Multifrequenz-Phasen-3D-Technologie basiert, umfasst optische Messungen (Integration von zwei Kameras und einem Projektor) und Steuergeräte. Die Genauigkeit dieses Instruments beträgt 0,02 mm und die Pixel 1628 x 1236. Der Scanner kann effizient (Eingabezeit 3 s) die Oberflächengeometrie eines Zielobjekts digitalisieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Die Punktwolke der Wirbeloberfläche und die 3D-Rekonstruktion der Endplatte. (A) und(B) sind die unteren und überlegenen Oberflächen eines Halswirbels, die von der Software erzeugt werden, die speziell für die Verarbeitung von Punktwolken verwendet wird. (C) und (D) sind die 3D-Rekonstruktion der minderwertigen und übergeordneten Endplatten, die von der speziell für die 3D-Rekonstruktion bzw. Datenverarbeitung verwendeten Software erzeugt werden. Die hinteren Elemente und Osteophyten werden aus den Wirbeln entfernt, so dass nur die Endplatte übrig bleibt. Die am besten gepasste Ebene wird durch die vorderen und hintersten Punkte der bilateralen nichtzinnierten Prozesse definiert, und die beiden Kurven, die durch die am besten passierbare Ebene und Endplatte gebildet werden, sind die Grenzen des unkovertebralen Gelenks und der kaudalen Endplatte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Definition des Endplatten-3D-Koordinatensystems. Markierung von drei anatomischen Landmarken am epiphysealen Rand: Die ersten beiden sind die linken und rechten Endpunkte der Endplatte hinterder Kante; der dritte ist der vordere Medianpunkt. Die hintere Frontlinie wird durch die beiden nachfolgenden Kantenendpunkte gebildet, die die mittelsagittale Ebene mit dem vorderen Medianpunkt definieren. Der hintere Medianpunkt wird durch die mittelsagittale Ebene und den hinteren epiphysären Rand bestimmt, die den mittleren Sagittaldurchmesser mit dem vorderen Medianpunkt bilden. Der Ursprung ist der Mittelpunkt des mittleren Sagittaldurchmessers. Die y-Achse wird durch den mittleren Sagittaldurchmesser bestimmt und nach vorne zeigend. Die x-Achse ist die Linie parallel zur hinteren Frontlinie. Die Z-Achse ist normal zur x-y-Ebene. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Die Schritte der Anpassung von Kennlinien und Punkten auf der Endplattenoberfläche. (A) Teilen Sie den mittleren sagittalen Durchmesser und den mittleren Frontaldurchmesser gleichmäßig in vier Teile auf. (B) Gehen Sie durch jeden äquidistanten Punkt und wählen Sie sechs Flächenkurven symmetrisch, von denen drei die Schnittkurven der Frontebene und der Endplattenoberfläche und die anderen drei in der sagittalen Ebene sind. (C) Teilen Sie den mittleren Sagittaldurchmesser gleichmäßig in 10 Teile auf. (D) Durch jeden äquidistanten Punkt bilden die Frontalebenen und die mittelsagittale Kurve neun Schnittpunkte, was zu einer Summe von 11 Punkten zusammen mit den beiden Endpunkten führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Messung der Endplattenkonkavitätstiefe und -oberfläche. (A) Erstellen Sie eine Ebene parallel zur x-y-Ebene. (B) Verrechnen Sie die Ebene, bis sie tangential zum konkavesten Punkt ist, und die Endplattenkonkavitätstiefe ist der senkrechte Abstand zwischen dem konkavsten Punkt und der x-y-Ebene. (C) Zeichnen Sie eine Linie entlang der inneren Ränder des Epiphysealrings, um die Endplatte in die zentrale Endplatte und den epiphysischen Rand zu unterteilen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Die 3D-Rekonstruktion und Darstellungen einer minderwertigen Endplatte. (A) Die 3D-Rekonstruktion der minderwertigen Endplattenoberfläche, die von der speziell für die 3D-Rekonstruktion und Datenverarbeitung verwendeten Software erzeugt wird. (B) und (C) sind die Darstellungen der minderwertigen Endplatte, die von der Datenanalyse- und Visualisierungssoftware erzeugt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Endplattenebene | kurve | rahmen | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 überlegen | 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 minderwertig | 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 | |
Tabelle 1: Die Parameter der Gleichung, die die Kurve der Endplattenoberfläche darstellen soll. Nur die Daten der sechsten Halswirbelendplatte sind aufgeführt. Px = die Parameter der Gleichung. Auf jeder Stirnplatte wurden sechs Flächenkurven symmetrisch gewählt; drei davon befanden sich in der Frontebene und wurden als vordere Kurve (FAC), mittlere Kurve (FMC) und hintere Kurve (FPC) bezeichnet; Die anderen drei in der sagittalen Ebene wurden als linke Kurve (SLC), mittlere Kurve (SMC) und rechts (SRC) bezeichnet. Parameter mit einem absoluten Wert von weniger als 0,0001 werden hier als 0 dargestellt.
| rahmen | C3 inf | C4 sup | C4 inf | C5 sup | C5 inf | C6 sup | C6 inf | C7 sup |
| 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 |
Tabelle 2: Die Parameter der parametrischen Gleichung, die die Morphologie der Endplattenoberfläche darstellen. Px = die Parameter der Gleichung; inf = minderwertige Endplatte; sup = überlegene Endplatte. Parameter mit einem absoluten Wert von weniger als 0,0001 werden hier als 0 dargestellt. Diese Tabelle wurde aus einer früheren Publikation3geändert.
| Messungen | Intratest-Zuverlässigkeit | Messungen | RE gegen Kaliber | ||
| Apd | Erstbewertung | 15,76 bis 1,3 | Apd | betreffs | 16,47 bis 1,31 |
| Neubewertung | 15,86 bis 1,61 | Bremssattel | 16,26 bis 1,27 | ||
| Icc | 0.85 | Cronbach alpha | 0.99 | ||
| Cmd | Erstbewertung | 19,71 bis 2,47 | Cmd | betreffs | 20,7 bis 3,05 |
| Neubewertung | 19,41 bis 2,43 | Bremssattel | 20,45 bis 3,21 | ||
| Icc | 0.96 | Cronbach alpha | 0.99 | ||
Tabelle 3: Zuverlässigkeit der Messungen. Die Daten waren Mittelwert - Standardabweichung (mm). ICC = klasseninterner Korrelationskoeffizient; APD = antero-posterior Durchmesser; CMD = mittlerer mediolateraler Durchmesser; RE = das Reverse Engineering System. Diese Tabelle wurde aus einer früheren Publikation geändert. 3
| Messwert | N | Z-Koordinatenwert | T | seiten | R |
| Originalpunkte | 15 | 1,75 bis 0,87 | 0.26 | 0.8 | 0.98 |
| Vergleichspunkte | 15 | 1,74 bis 0,91 |
Tabelle 4: Die Gültigkeit des geometrischen Modells, das die Endplattenmorphologie darstellt. Die Daten werden als Mittelwert dargestellt, Standardabweichung (mm). Die ursprünglichen Punkte sind 15 zufällig ausgewählte Punkte auf dem ursprünglichen 3D-Rekonstruktionsbild. Vergleichspunkte = entsprechende Punkte, die automatisch aus parametrischen Gleichungen generiert werden; R = Korrelationskoeffizient.
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Discussion
Reverse Engineering wurde zunehmend und erfolgreich auf dem Gebiet der Medizin angewendet, wie Cranioplastik20, oral21und maxillofacial implants21. Reverse-Engineering-Messungen, nämlich die Produktoberflächendigitalisierung, beziehen sich auf die Umwandlung von Oberflächeninformationen in Punktwolkendaten mit speziellen Messgeräten und Methoden. Auf der Grundlage solcher Daten können komplexe Oberflächenmodellierung, Auswertung, Verbesserungen und Fertigung durchgeführt werden. Digitale Messung und Datenverarbeitung sind eine Grundlegende und Schlüsseltechnologie, die im Reverse Engineering eingesetzt wird.
In diesem Protokoll werden genaue und detaillierte Morphologieinformationen von Wirbelendplatten mit einem berührungslosen optischen 3D-Bereichs-Scanning-System aufgezeichnet, das auf heterodyn-Multifrequenz-, Phasenverschiebungs- und 3D-Optikmesstechnik basiert. Der Scanner besteht in erster Linie aus Steuergeräten und einer optischen Messung, die zwei Kameras und einen Projektor integriert. Im Vergleich zu anderen Messgeräten ist der Scanner hochpräzise und effizient und vermeidet Punkt-für-Punkt-Scannen. Beim Erfassen von Punktwolkendaten ist der Scankopf in der Regel nicht mit dem Objekt in Berührung kommen, sodass es keine Verformungseffekte gibt. Die Zuverlässigkeit, Gültigkeit und Präzision des Scanners für die Aufzeichnung der Oberflächenmorphologie haben sich etabliert2,3,22. Die Reproduziermenge dieser Messungen wurde überprüft.
Um die Genauigkeit der Messungen des Reverse Engineering Systems zu überprüfen, wurden 20 Endplatten mit einem digitalen Bremssattel gemessen und mit Cronbach alpha ausgewertet. Zur Zuverlässigkeit der Tests wurden 16 Endplatten nach dem Zufallsprinzip aus den 138 Wirbelendplatten ausgewählt und zweimal in Abständen von 2 Wochen gemessen und dann anhand eines intraklasseninternen Korrelationskoeffizienten bewertet. Die Ergebnisse zeigten große Übereinstimmung und Zuverlässigkeit (Tabelle 3). Reverse-Engineering-Software umfasst leistungsstarke Messungen, Datenverarbeitung, Fehlererkennung und freie Kurven- und Oberflächenbearbeitungsfunktionen. Es kann auch intelligent und effizient kurven- und flächendeckend konstruieren und anpassen, und die Rekonstruktion des 3D-Oberflächenmodells trägt zu genauen Messungen bei23.
Es gibt wichtige und umfangreiche Anwendungen für detaillierte und umfassende Anatomiedaten von Wirbeln, wie das Entwerfen von Wirbelsäulenimplantaten, die Verbesserung der Genauigkeit von Finite-Elemente-Modellen der Wirbelsäule und die Entwicklung mathematischer Modelle. Die Wirbelendplatte ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Integrität und Funktion der Bandscheibe, und es dient auch als mechanische Schnittstelle, um Stress zu übertragen. Daher ist die Quantifizierung der Endplattengeometrie wichtig. Mit Hilfe von Reverse Engineering kann die Endplattenmorphologie intelligent und umfassend quantifiziert werden. In diesem Protokoll werden sechs Charakteristische Kurven auf der Oberfläche jeder Endplatte angebracht, und es wird ein 3D-Koordinatensystem zur Quantifizierung der räumlichen Morphologie eingerichtet.
Darüber hinaus wird ein parametrisches Modell der Endplatte entwickelt, um genaue und reproduzierbare quantitative Auswertungen zu erstellen und personalisierte biomechanische Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln. Das parametrische Modell der Endplattenoberfläche kann schnelle, realistische und genaue Darstellungen erzeugen, die von Forschern visualisiert und bequem analysiert werden können.
Die Einbeziehung weiterer Sehenswürdigkeiten wird die Präzision verbessern, aber es ist zeitaufwändig und kostspielig. In diesem Protokoll wird vorgeschlagen, dass 66 Punkte aus sechs Oberflächenkurven für die Beschreibung der morphologischen Merkmale ausreichen. Zuverlässigkeitstests werden auch durchgeführt, indem Koordinatenwerte von 15 zufällig ausgewählten Punkten mit entsprechenden Werten verglichen werden, die automatisch aus parametrischen Gleichungen generiert werden. Das Ergebnis zeigt, dass das parametrische Modell eine gute Zuverlässigkeit hat und die Reproduzierbarkeit als realistische Darstellung der Endplattenoberfläche dienen kann (Tabelle 4). Es sollte beachtet werden, dass das parametrische Modell auf der Grundlage anderer bildgebender Verfahren wie CT und MRT abgeleitet werden kann.
Da berührungslose Scanner anfällig für Umgebungslicht sind, ist es wichtig, das Umgebungslicht stabil zu halten, und aktive Lichtquellen werden empfohlen. Wenn sich Restfett auf der Endplattenoberfläche befindet, sollte infantiles Talkumpulver vorsichtig ausgetrocknet werden, um das Risiko zu vermeiden, durch räumliche Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche beeinflusst zu werden. Der subaxiale Halswirbel hat eine besondere Komponente: das unkovertebrale Gelenk. Um sie von der Endplatte zu unterscheiden, wird eine Am tätbarste Ebene mit der Methode mit dem kleinsten Quadrat definiert. Dann ist die Schnittkurve, die von der am besten passenden Ebene gebildet wird, und die Endplattenoberfläche ist die Grenze zwischen dem unkovertebralen Gelenk und der oberen Endplatte (Abbildung 2D).
Der spezifische Vorgang ist wie folgt: Klicken Sie auf Start > Shape > Generative Shape Design. Klicken Sie auf das Punktsymbol in der Symbolleiste auf der rechten Seite, und wählen Sie dann die vorderen und hintersten Punkte der bilateralen nicht ziatierten Prozesse auf dem 3D-Bild aus. Klicken Sie auf das Ebenensymbol, und wählen Sie Mittelwertpunkte im Ebenentyp aus, um die am besten passende Ebene zu definieren. Klicken Sie auf Starten > Form > Schnelle Oberflächenrekonstruktion. Klicken Sie auf das Symbol Planar Erschnitt, und wählen Sie dann das 3D-Bild und die am besten passende Ebene aus.
Die genaue Markierung der drei anatomischen Punkte auf der Endplattenoberfläche beim Einrichten des 3D-Koordinatensystems ist entscheidend. Die Reverse-Engineering-Software ermöglicht eine flexible Verschiebung des Rekonstruktionsimages und verbessert den Kontrast, der hilft, die Sehenswürdigkeiten zu identifizieren. Alternativ ist es wichtig, die Angemessenheit des Koordinatensystems danach zu beurteilen, ob die sich schneidende Linie der definierten Mittel-Sagittal- und Koronalebene senkrecht zum Endplattenabschnitt ist, und dann das System entsprechend anzupassen. Auch die Intra-Beobachter-Tests wurden bewertet, und das Ergebnis deutete auf eine gute Zuverlässigkeit hin (Tabelle 3).
Dieses Protokoll erfordert mehrere Fähigkeiten und Techniken, einschließlich Punktwolkendatenerfassung und -verarbeitung, Bildrekonstruktion und -analyse sowie parametrische Modellentwicklung. Für einen Anfänger kann es einige Zeit dauern, den gesamten Prozess abzuschließen. Da jedoch nur wenige Module der Software in diesem Protokoll verwendet werden und das Verfahren modular ist, erfordert es eine kurze Lernkurve, um erfahren zu werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das beschriebene Protokoll eine genaue und reproduzierbare Methode bietet, um detaillierte und umfassende Geometriedaten von Wirbelendplatten zu erhalten. Ein parametrisches Modell wird auch entwickelt, ohne zu viele Meilensteine zu digitalisieren, was für die Entwicklung personalisierter Wirbelsäulenimplantate, die Planung chirurgischer Handlungen, die Erstellung klinischer Diagnosen und die Entwicklung präziser Finite-Elemente-Modelle von Vorteil ist.
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Disclosures
Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von Key Discipline Construction Project des Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017-08) und der National Natural Science Foundation of China (81672199) finanziert. Die Autoren danken Wang Lei für seine Hilfe beim Korrekturlesen einer früheren Version und Li Zhaoyang für seine Hilfe bei der Entwicklung des parametrischen Modells.
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 |
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