Summary
Ett bakåtkompileringssystem används för att registrera och erhålla detaljerade och heltäckande geometridata för vertebrala plåtar. Parametriska modeller av vertebrala och utvecklas sedan, vilket är fördelaktigt att designa personliga spinal implantat, göra kliniska diagnoser, och utveckla exakta finita element modeller.
Abstract
Detaljerade och omfattande geometriska data av Kotor ändplattor är viktigt och nödvändigt för att förbättra trohet av finita element modeller av ryggraden, design och förbättra spinal implantat, och förstå degenerativa förändringar och biomekanik. I detta protokoll används en hög hastighet och mycket noggrann skanner för att omvandla morfologiska data av och-ytor till ett digitalt punktmoln. I programvarusystemet bearbetas punktmolnet vidare och rekonstrueras i tre dimensioner. Därefter utförs ett mätnings protokoll som involverar ett 3D-koordinatsystem definierat för att göra varje punkt till en 3D-koordinat, tre sagittal och tre frontala ytkurvor som är symmetriskt monterade på plattans yta, och 11 lika avlägsna punkter som är väljas i varje kurva. Mätningar och rumsliga analyser utförs slutligen för att erhålla geometriska data om plattorna. Parametriska ekvationer som representerar morfologin av kurvor och ytor monteras baserat på de karakteristiska punkterna. Det föreslagna protokollet, som är modulärt, ger en korrekt och reproducerbar metod för att få geometriska data av vertebrala plåtar och kan hjälpa till i mer sofistikerade morfologiska studier i framtiden. Det kommer också att bidra till att utforma personliga spinal implantat, planering kirurgiska handlingar, göra kliniska diagnoser, och utveckla exakta finita element modeller.
Introduction
En vertebrala och är den överlägsna eller sämre skal av ryggraden kroppen och fungerar som ett mekaniskt gränssnitt för att överföra stress mellan skivan och vertebrala kroppen1. Den består av epiphyseal RIM, som är en stark och solid benig labrum kring den yttre kanten av ryggraden kroppen, och den centrala endplate, som är tunn och porös2.
Ryggraden är föremål för ett brett spektrum av degenerativa, traumatiska, och neoplastiska störningar, som kan motivera kirurgiska ingrepp. Nyligen har spinal enheter som konstgjorda skivor och burar använts i stor utsträckning. Noggranna och detaljerade morphometriska parametrar av kotkropparna är nödvändiga för utformningen och förbättringen av spinal implantat med effektiv protes-Kobra kontakt och ben inväxt potential3. Vidare, information om den exakta formen och geometrin hos vertebrala kotkropparna är viktigt för att förstå biomekanik. Även om finita element modellering möjliggör simulering av den verkliga Kotor och har allmänt använts för att studera fysiologiska svar av ryggraden till olika lastning villkor4, denna teknik är patientspecifik och inte generaliserbart till alla Kotor. Det har föreslagits att den inneboende variationen av Kotor geometri bland befolkningen i allmänhet bör övervägas när man utvecklar finita element modell5. Därför är de geometriska parametrarna för kotkropparna bidrar till mesh generation och Fidelity förbättring i finita element modellering.
Även om vikten av matchning av och geometri och implantat yta har diskuterats i tidigare studier6,7,8, data om morfologin av vertebrala kotkropparna är knappa. De flesta tidigare studier har misslyckats med att avslöja 3D-typ av och9,10,11. En rumslig analys krävs för att bättre och fullständigt skildra och morfologi12,13,14. Dessutom har de flesta studier använt lägre precision mätteknik10,15,16. Dessutom har signifikant förstoring rapporterats när geometri parametrar mäts genom att använda radiografi eller datortomografi (CT)17,18. Även magnetisk resonanstomografi (MRI) anses icke-invasiv, är det mindre exakt att definiera de exakta marginalerna för benfria strukturer11. På grund av avsaknaden av ett standardiserat mätprotokoll finns det stora skillnader mellan befintliga geometriska data.
Under de senaste åren, bakåtkompilering, som kan digitalisera de befintliga fysiska delarna i datoriserade solida modeller, har alltmer tillämpats på området för medicin. Tekniken gör det möjligt att utveckla en korrekt representation av den anatomiska karaktären hos sofistikerade Kotor ytor. Bakåtkompileringssystemet omfattar två delsystem: instrumenteringssystemet och programvarusystemet. Instrumenteringssystemet som antagits i detta protokoll har en beröringsfri optisk 3D-räckvidd flatbäddsskanner, som är hög hastighet och mycket noggrann (precision 0,02 mm, 1 628 x 1 236 pixlar). Skannern kan effektivt (input tid 3 s) fånga ytan morfologi information av målobjektet och omvandla den till digital punktmoln. Programvarusystemet (dvs. bakåtkompilering programvara) är en datorapplikation för punktmoln databehandling (se tabell över material), 3D-yta modell rekonstruktion, fri kurva och yta redigering och databehandling (se tabell över Material).
Syftet med denna rapport är att (1) utforma ett mätprotokoll och en algoritm för att erhålla kvantitativa parametrar för vertebrala kotkropparna baserade på en bakåtkompileringsteknik, (2) utveckla en matematisk modell som möjliggör en realistisk representation av vertebrala kotkropparna utan att digitalisera för många landmärken. Dessa metoder kommer att vara till nytta för kirurgisk Act planering och finita element modellering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denna studie godkändes av hälso forskningsetiska nämnden för författarnas institut. Som cervikal vertebrala ben har mer intrikata former19, använder protokollet livmoderhals Kotor som en illustration för att underlätta relevant forskning.
1. beredning av material, skanning och bildbehandling
- Samla en torr halskotan utan patologisk deformation eller trasiga delar.
- Placera kotan vertikalt i skannerns plattform (figur 1, se tabell över material), med plattan vänd mot kameralinsen. Använd skannerns aktiva ljuskälla. Starta sedan skanningsprocessen för att hämta punktmolnsdata (. ASC-format).
Obs: enligt pre-Scan bilder, justera skannern och placeringen av kotan för att fånga så mycket yta morfologi information som möjligt. - Öppna programvaran som används speciellt för bearbetning av punktmoln (se tabell över material). Klicka på Importera för att importera punkt molnets data och generera kotan digital grafik. Ställ in samplingsfrekvensen på 100%, Välj Behåll fullständig information om sampling, Välj data enheten som millimeter och klicka på skugga punkter. Använd markeringsverktyget lasso för att markera redundanta punkter på grafiken och klicka sedan på ta bort för att ta bort dem. Klicka på minska brus och Ställ in jämnhet nivå till dess maximum för att minska brus och spikar (figur 2A, B).
Obs: det finns grundläggande programvara driftinstruktioner längst ner i GUI (grafiskt användargränssnitt). Brus punkter med uppenbara skarpa sporrar i sidled eller vertikalt bör avlägsnas för att minska felet. - Klicka på Radbryt om du vill paketera avbildningsdata till formatfilen. stl om du vill omvandla punktmolnet till mesh, vilket konverterar ett punktobjekt till ett polygonobjekt.
Anmärkning: bakåtkompilerade programvara brukar accepterar. stl-stil 3D-format. - Öppna programvaran som används speciellt för 3D-rekonstruktion och databehandling (se tabell över material). Klicka på Arkiv och sedan på nytt i undermenyn. Välj en del i listan över typer. Klicka på Start, sedan på form i undermenyn och sedan på digitaliserad form redigerare. Klicka på ikonen Importera i verktygsfältet till höger i GUI. I fönstret Importera väljer du formatfilen . stl och klickar sedan på Verkställ > OK. Klicka på Anpassa alla i ikonen i verktygsfältet längst ned för att ladda den rekonstruerade bilden till huvudfönstret i presentationsprogrammet.
Anmärkning: steg 1.5 – 2.3.3 utförs med samma programvara. - Klicka på Aktivera i verktygsfältet på höger sida. I Aktivera fönster, Välj trap-läge ≫ polygonal typ > inuti fällan. Välj sedan ryggraden och på 3D-bilden för att ta bort onödiga vertebrala komponenter, såsom de bakre elementen och osteofyter (figur 2C).
2. kvantifiering av slutplattans 3D-morfologi
- Definiera och 3D koordinatsystem
- Klicka på Start > form i undermenyn och sedan på generativ form design. Klicka på punkt ikonen i verktygsfältet på höger sida. Markera tre anatomiska landmärken på epiphyseal RIM: de första två är de vänstra och högra ändpunkterna på endplates bakre kant, respektive; den tredje är den främre median punkten.
- Klicka på linje ikonen i verktygsfältet till höger och välj två avslutande ändpunkter för att definiera en bakre frontal linje. Klicka på planet ikonen, Välj den plan typ som ska vara normal till kurva, välj sedan den bakre frontal linjen och främre median punkt för att definiera Mid-sagittal planet.
- Klicka på Start > form > Snabb yta rekonstruktion. Klicka på ikonen planar sektion , ange 1 i nummer alternativet, välj sedan plattan bilden och Mid-sagittal plan för att generera en skär kurva. Klicka på kurva från Skanningsikonen och välj skärningspunkten mellan den korsande kurvan och den bakre epiphyseal-fälgen. Definiera skärningspunkten som den bakre median punkten.
- Klicka på Start > form ≫ generativ form design. Klicka på linje ikonen och välj den främre median punkten och den bakre median punkten för att definiera en mid-sagittal diameter. Klicka på punkt ikonen och sedan på upprepningar av punkter och plan i undermenyn. Välj sedan Mid-sagittal diameter och ange 1 i instansen (s) alternativ för att definiera mittpunkten i mitten av sagittal diameter.
- Klicka på axel system ikonen i verktygsfältet längst ned. Välj sedan mittpunkten i mitten av sagittal diameter som ursprung, linjen parallellt med den bakre frontala linjen som x-axeln, Mid-sagittal diameter som y-axeln, och linjen pekar framåt och vinkelrätt mot x-y planet som z-axeln (figur 3 ).
Anmärkningar: de två avslutande ändpunkterna väljs som referenspunkter eftersom de är konsekventa och visar minimal variation i närvaro av osteofyter10.
- Passande karakteristiska kurvor och punkter på plattans yta (figur 4a – D)
- Klicka på punkt ikonen och sedan på upprepningar av punkter och plan i undermenyn. Välj mitten av sagittal diameter och ange 3 i den instans (er) alternativ för att dela upp Mid-sagittal diameter lika i fyra delar.
- Klicka på Start ≫ form ≫ snabb yta rekonstruktion. Klicka på ikonen planar sektion , ange 1 i nummer alternativet, välj sedan plattan bilden och x-z plan för att generera en skär kurva. Klicka på kurva från Skanningsikonen och välj de två skärningspunkterna för x-z-planet och epiphyseal RIM.
- Definiera linjen mellan de två skärningspunkterna som mitten av frontal diametern. På samma sätt, dela upp mitten av frontal diametern lika i fyra delar.
Anmärkning: när änd plattan inte är symmetrisk i förhållande till med-sagittal-planet, Välj en av de två ändpunkterna i mitten av frontalkurvan som har ett kortare vertikalt avstånd till z-y-planet. Definiera sedan mitten av frontal diametern som 2x längden på den kortare, och dela den lika i fyra delar. - Klicka på måttet mellan ikonen i verktygsfältet längst ner för att mäta längden på en fjärdedel av mitten av sagittal diameter. Klicka på ikonen planar avsnitt , ange 2 i nummer alternativet, ange det uppmätta värdet i steg alternativet, välj sedan plattan bilden och x-z plan för att generera två passande kurvor på ena sidan av den främre delen. Klicka på Växla för att generera två passande kurvor på den andra sidan. På samma sätt, få de andra tre passande kurvor i sagittal planet.
Obs: de två mitten frontala passande kurvor överlappar de två Mid-sagittal passande kurvor. - Välj 11 lika avlägsna punkter i varje kurva för efterföljande mätningar. Särskild metod är följande:
- Med Mid-sagittal kurvan som ett exempel, dela Mid-sagittal diameter lika i 10 delar, vilket resulterar i en summa av 11 punkter, inklusive nio mellanliggande punkter och två ändpunkter (se steg 2.1.3 och 2.2.1).
- Gå igenom varje lika avlägsen punkt, få nio passande kurvor på plattans yta (se steg 2.2.2). Klicka på kurva från Skanningsikonen och välj skärningspunkten mellan de passande kurvorna och mitten av sagittal-kurvan. Slutligen, få totalt 66 punkter på varje och (11 Poäng per kurva multiplicerat med sex kurvor). Klicka på ikonen för Måttobjektet i verktygsfältet längst ned för att mäta koordinaterna för varje punkt.
- Mätning av morfologiska och-parametrar
- Rad parameter:
- Klicka på måttet mellan ikonen för att mäta längden på linje parametern som är avståndet mellan två uppmätta punkter.
- Parametrar för konkavitet:
- Skapa ett plan parallellt med x-y-planet (figur 5a): Klicka på Start ≫ form > generativ form design. Klicka på skiss ikonen i verktygsfältet till höger och klicka sedan på x-y-planet. Klicka på cirkel ikonen, klicka på Origin på plattans yta, dra muspekaren till ett lämpligt avstånd och klicka sedan på. Klicka på ikonen exit Workbench , sedan på Fyllnings ikonen och sedan på.
- Klicka på ikonen förskjutning , Välj det fyllda planet och ange ett lämpligt värde i alternativet offset tills det tangerar den mest konkava delen och zoomar in. Klicka på Start > form > Snabb yta rekonstruktion. Klicka sedan på ikonen 3D-kurva för att hitta och skapa den mest konkava punkten. Klicka på Mät objekts ikonen för att mäta koordinaterna för den mest konkava punkten (Figur 5b).
- Klicka på måttet mellan ikonen och välj sedan den mest konkava punkten och x-y-planet för att mäta hela och-konkavitetdjupet. På samma sätt kan du hitta och skapa det mest konkava djupet på ett visst plan och mäta dess koordinater.
- Klicka på Projektionssymbolen i verktygsfältet till höger och välj sedan den mest konkava punkten och x-y-planet för att få fram den projicerade punkten. Klicka på Mät objekts ikonen för att mäta projektionpunktens koordinater och bestäm dess fördelning baserat på koordinaterna.
- Parametrar för ytarea:
- Klicka på Mät tröghets ikonen i verktygsfältet längst ned och klicka på plattans yta för att mäta dess område. Klicka på ikonen Aktivera och välj den centrala plattan längs den inre marginalen på epifyseal-ringen (se steg 1,6) och klicka sedan på Mät tröghets ikonen för att mäta dess område (figur 5c). Klicka på ikonen Aktivera , sedan den centrala plattan, och slutligen byta ikon i Aktivera fönstret för att få en epiphyseal RIM. Mät sedan dess område.
- Rad parameter:
3. utveckling av och matematisk modell
- Bestämning av passform för parametrisk ekvation
- Öppna programvaran för dataanalys och visualisering (se tabell över material). Input x = [motsvarande data] i kommandofönstret. Klicka på RETUR.
Anmärkning: med "motsvarande data" avses x-koordinerade data för de 11 karakteristiska punkterna i en kurva som har mätts i föregående steg. Klicka på RETUR efter inmatning av varje kommando, med samma tillämpning på efterföljande åtgärder. Steg 3.1 – 5.5 utförs enhetligt med samma programvara. - På samma sätt, input z = [motsvarande data].
- Mata in koden för i = 1:5 Z2 = polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); om sum ((Z-z). ^ 2) < 0,01 C =jag går sönder; slutet änden.
ANMÄRKNINGAR: protokollet anger fel summan av kvadraterna under 0,01 för att få högre precision, vars värde kan justeras för att tillfredsställa olika krav. - Klicka på RETUR för att få ett C-värde som är önskad anpassad ordning.
- Öppna programvaran för dataanalys och visualisering (se tabell över material). Input x = [motsvarande data] i kommandofönstret. Klicka på RETUR.
- Anpassning av parameter ekvation
- Input cftool och klicka på Enter för att få upp verktyget kurva montering.
- Ange koordinaterna för en kurva i kommandofönstret (se steg 3.1.1 och 3.1.2). I verktyget Kurva passning väljer du x-koordinat data när du monterar kurvor och y-koordinerade data vid montering av sagittal-plankurvor i alternativet x-data väljer du z-samordna data i alternativet y-data, väljer polynomoch anger anpassa ordning Erhållits. Sedan kommer programvaran ut parametriska ekvationen och godhet Fit automatiskt.
Eftersom kurvan är en 2D-bild är standard arbets alternativet x-och y-alternativen i verktyget för kurv montering när du monterar en kurva. - På liknande sätt matar du in 3D-koordinaterna för 66-punkterna och matchar koordinatdata med motsvarande Axelalternativ. Välj polynom och ange lämplig ordning för att få den parametriska ekvationen för plattans yta (figur 6b).
4. förvärv av geometriska data baserade på parametrisk ekvation
- Mata in x-och y-koordinat värden för varje punkt på plattan i kommandofönstret.
- Ingång Px1, px2, px3 ....
Anm.: px är parametrarna för den parametriska ekvation som har monterats med polynom i stegen ovan. - Mata in ekvationen och klicka på Enter för att få resultatet (t. ex. inmatningsformat: 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. återgivning av plattan baserad på parametrisk ekvation
- Ingång Px1, px2, px3 .... i kommandofönstret.
- Mata in koden X = N1: 0,01: N2;.
Anmärkning: N1– n2 är intervallet av X-axeldata (dvs. värdena för de två ändpunkterna i den mellersta koronala kurvan). - Mata in koden "Y = N3: 0,01: N4;".
- Mata in ekvationen (dvs 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;).
- Mata in koden ezmesh (z, [n1, n2, n3, n4]) för att få 3D-simulering grafik (figur 6c).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Använda den mycket noggranna optiska 3D-serien flatbäddsskanner, var plattorna omvandlas till mer än 45 000 digitala punkter, som på lämpligt sätt karakterisera morfologin (figur 2A, B).
I Mät protokollet genomfördes en rumslig analys av plattans ytor. Representativa kurvor har monterats och kvantifierats på ytan för att karakterisera morfologin (figur 4b). De linjära parametrarna mättes genom beräkning av avståndet mellan två ändpunkter. De mätningar som erhålls inkluderar konkavitetdjupet och placeringen av konkaviteten vid mitten av sagittal-planet, utöver de som gäller för hela plåtens konkavitet och eventuella specifika avsnitt (Figur 5b). Komponenterna i endplates, epiphyseal rim och Central och separerades (figur 5c), och deras längder och områden erhölls bekvämt.
Totalt 138 cervikala kotfrakturer digitaliserades och analyserades, och den matematiska modellen av plattan fastställdes. Protokollet anger summan av kvadraten fel under 0,01, och det drogs slutsatsen att med hjälp av fyra-ordning polynom funktion kan uppnå tillfredsställelse.
Parametriska ekvationen för varje kurva utläsas baserat på koordinaterna för 11 punkter: f (x) = P1* x ^ 4 + p2* x ^ 3 + p3* x ^ 2 + p4* x + p5. P1, p2, p3, p4 och p5 var parametrarna, vars exakta värden visas i tabell 1.
Den parametriska ekvationen som representerar de morfologiska egenskaperna hos och-ytan är:
F (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 + p03* y ^ 3 + p40* x ^ 4 + p31* x ^ 3 * y + P22 * x ^ 2 * y ^ 2 + p13* x * y ^ 3 + p04* y ^ 4
Var: PXYs är parametrarna, som utläsas från de pre-uppmätta koordinaterna för 66 punkter (tabell 2).
Bild 1: den beröringsfria optiska 3D-serien flatbäddsskanner. Skannern, som är baserad på heterodyn multifrekventa fas Shift 3D optisk mätteknik, inkluderar optisk mätning (integrera runt två kameror och en projektor) och styrenheter. Instrumentets precision är 0,02 mm och pixlar 1628 x 1236. Skannern kan effektivt (input Time 3 s) digitalisera Ytgeometrin hos ett målobjektet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: punktmoln av ryggrads yta och 3D-rekonstruktion av endplate. (A) och (B) är sämre och överlägsen ytor av en cervikal kotan som genereras av programvaran speciellt används för bearbetning punktmoln, respektive. (C) och (D) är 3D rekonstruktion av sämre och överlägsen plåtar som genereras av programvaran speciellt används för 3D-rekonstruktion och databehandling, respektive. De bakre elementen och osteofyter avlägsnas från Kotor, vilket innebär att endast endplate. Den bäst lämpade planet definieras genom de främre-mest och posteriora-mest punkter i den bilaterala uncinate processer, och de två kurvor som bildas av de bäst lämpade planet och och är gränserna för uncovertebral gemensamma och caudal och. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: definition av och 3D koordinatsystem. Märkning av tre anatomiska landmärken på epifyseal RIM: de första två är vänster och höger ändpunkter i och avslutande kant, respektive; den tredje är den främre median punkten. Den bakre frontal linjen bildas av de två avslutande ändpunkterna, som definierar Mid-sagittal planet med den främre median punkten. Den bakre median punkten bestäms av Mid-sagittal planet och bakre epiphyseal RIM, som utgör Mid-sagittal diameter med den främre median punkten. Ursprunget är mittpunkten i mitten av sagittal diameter. Y-axeln bestäms av mitten sagittal diameter och pekar framåt. X-axeln är linjen parallellt med den bakre frontal linjen. Z-axeln är normal till x-y-planet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: stegen för att montera karakteristiska kurvor och punkter på och yta. (A) dela upp den mellersta sagittal diametern och mitten av frontal diametern lika i fyra delar. (B) gå igenom varje lika långt punkt, och välj sex ytkurvor symmetriskt, varav tre är skärnings kurvor av frontallyt och plattan ytan, och de andra tre i sagittal planet. C dela upp den mellersta sagittal diametern lika i 10 delar. D) genom att gå igenom varje likgående punkt bildar de främre planen och mitten av sagittal kurvan nio korsningar, vilket resulterar i en summa på 11 punkter, tillsammans med de två ändpunkterna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: mätning av slutplattans konkavitetskdjup och ytarea. (A) skapa ett plan parallellt med x-y-planet. (B) kompensera planet tills det är tangent till den mest konkava punkten, och plattan konkavitet djup är det vinkelräta avståndet mellan de mest konkava punkt och x-y plan. (C) dra en linje längs den inre marginalen av epifyseal ringen att partitionera plattan i den centrala och och epiphyseal RIM. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6:3D-rekonstruktion och representationer av en sämre endplate. (A) 3D-rekonstruktion av sämre och yta som genereras av programvaran speciellt används för 3D-rekonstruktion och databehandling. (B) och (C) är representationer av sämre och genereras av dataanalys och visualisering programvara. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Nivå på plattan | Kurva | Parametrar | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 Superior | 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 sämre | 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 | |
Tabell 1: parametrarna för ekvation som representerar kurvan för plattans yta. Endast data av den sjätte cervikala ryggraden och listas. Px = ekvationens parametrar. På varje Ändplatta valdes sex ytkurvor symmetriskt. tre av dessa var i främre planet och kallas den främre kurvan (FAC), mellersta kurvan (FMC), och posterior kurva (FPC); de andra tre i sagittal planet kallades vänster kurva (SLC), mellersta kurvan (SMC), och höger kurva (SRC). Parametrar med ett absolutvärde på mindre än 0,0001 representeras som 0 här.
| Parametrar | 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 |
Tabell 2: parametrarna för parametrisk ekvation som representerar morfologin hos plattans yta. Px = parametrarna för ekvationen; INF = sämre platta; SUP = överlägsen platta. Parametrar med ett absolutvärde på mindre än 0,0001 representeras som 0 här. Den här tabellen har ändrats från en tidigare publikation3.
| Mätningar | Intratest tillförlitlighet | Mätningar | RE vs Bromper | ||
| Apd | Första omvärderingen | 15.76 ± 1,3 | Apd | Re | 16.47 ± 1,31 |
| Omvärdering | 15.86 ± 1,61 | Bromsok | 16.26 ± 1,27 | ||
| Icc | 0,85 | Cronbach alpha | 0,99 | ||
| Cmd | Första omvärderingen | 19.71 ± 2.47 | Cmd | Re | 20,7 ± 3.05 |
| Omvärdering | 19.41 ± 2.43 | Bromsok | 20.45 ± 3,21 | ||
| Icc | 0,96 | Cronbach alpha | 0,99 | ||
Tabell 3: mätningars tillförlitlighet. Data var medelvärdet ± standardavvikelse (mm). ICC = korrelationskoefficient inom klassen; APD = Antero-bakre diameter; CMD = centrera snett diameter; RE = bakåtkompileringssystemet. Den här tabellen har ändrats från en tidigare publikation. 3
| Mätvärde | N | Z koordinatvärde | T | P | R |
| Ursprungliga Poäng | 15 | 1,75 ± 0,87 | 0,26 | 0,8 | 0,98 |
| Jämförelsepunkter | 15 | 1,74 ± 0,91 |
Tabell 4: giltigheten av den geometriska modell som representerar och-morfologin. Data representeras som medelvärdet ± standardavvikelse (mm). De ursprungliga punkterna är 15 slumpmässigt utvalda punkter på den ursprungliga 3D-rekonstruktion bilden. Jämförelsepunkter = motsvarande poäng automatiskt genererade från parametriska ekvationer; R = korrelationskoefficienten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bakåtkompilering har alltmer och framgångsrikt tillämpats på området för medicin, såsom kranioplastik20, oral21, och käk implantat21. Bakåtkompilerade mätningar, nämligen digitalisering av produktytor, avser omvandling av ytinformation till punktmolnsdata som använder särskild mätutrustning och metoder. På grundval av sådana data kan komplexa ytmodellering, utvärdering, förbättringar och tillverkning utföras. Digital mätning och databehandling är en grundläggande och viktig teknik som används i bakåtkompilering.
I detta protokoll, noggrann och detaljerad morfologi information av vertebrala kotkropparna registreras med hjälp av en beröringsfri optisk 3D-intervall scanning system, som bygger på heterodyn multifrequency, fas-Shift, 3D optisk mätteknik. Skannern är huvudsakligen tillverkad av manöverdon och en optisk mätning som integrerar två kameror och en projektor. Jämfört med andra mätinstrument är skannern mycket noggrann och effektiv och undviker punkt-för-punkt-skanning. När du fångar punkt-molndata, är skannings huvudet oftast inte i kontakt med objektet, så att det inte finns några deformationseffekter. Skannerns tillförlitlighet, validitet och precision för registrering av ytmorfologi har varit väl etablerad2,3,22. Replikerbarhet av dessa mätningar har verifierats.
För att kontrollera noggrannheten hos mätningar som vidtagits av det omvända ingenjörs systemet, mättes 20 plattor med hjälp av en digital bromsad och utvärderades med hjälp av Cronbach alpha. För intra-test tillförlitlighet valdes 16 plattor slumpmässigt från 138 vertebrala pinnplattorna och mättes två gånger vid 2 veckors mellanrum, sedan bedömas med hjälp av en intra-klass korrelationskoefficienten. Resultaten visade stor enighet och tillförlitlighet (tabell 3). Bakåtkompilering programvara innebär kraftfulla mätningar, databehandling, feldetektering, och fri kurva och ytan redigeringsfunktioner. Det kan också intelligent och effektivt konstruera och justera kurvor och ytor, och 3D-ytan modell rekonstruktion bidrar till noggranna mätningar23.
Det finns viktiga och avsevärda tillämpningar för detaljerade och omfattande anatomi data av Kotor, såsom att designa spinal implantat, förbättra trohet av finita element modeller i ryggraden, och utveckla matematiska modeller. Den vertebrala och är viktigt att bibehålla integriteten och funktionen hos den intervertebral disken, och det fungerar också som ett mekaniskt gränssnitt för att överföra stress. Därför är kvantifieringen av och geometri viktig. Med hjälp av bakåtkompilering kan och-morfologi kvantifieras på ett intelligent och heltäckande sätt. I detta protokoll är sex karakteristiska kurvor monterade på ytan av varje endplate, och ett 3D-koordinatsystem inrättas för att kvantifiera rumslig morfologi.
Dessutom är en parametrisk modell av och utvecklad för att inleda noggranna och reproducerbara kvantitativa utvärderingar och för att utveckla personliga biomekaniska finita element modeller. Den parametriska modellen av kotkropparna yta kan ge snabba, realistiska och noggranna representationer som kan visualiseras och bekvämt analyseras av forskare.
Införandet av fler landmärken kommer att förbättra precisionen, men det är tidskrävande och kostsamt. I detta protokoll föreslås att 66 punkter från sex ytkurvor är tillräckliga för att beskriva de morfologiska dragen. Tillförlitlighetstest utförs också genom att jämföra koordinatvärden på 15 slumpmässigt utvalda punkter med motsvarande värden som genereras automatiskt från parametriska ekvationer. Resultatet visar att parametriska modellen har god tillförlitlighet och reproducerbarhet kan fungera som en realistisk representation av och yta (tabell 4). Det bör noteras att parametriska modellen kan härledas baserat på andra Imaging metoder såsom CT och MRI.
Eftersom beröringsfria skannrar är mottagliga för omgivande ljus, är det viktigt att hålla det omgivande ljuset stadigt, och aktiva ljuskällor rekommenderas. Om det finns restfett på plattans yta ska infantil Talk-pulvret försiktigt undvikas för att undvika risken att påverkas av objektens rumsliga reflektansegenskaper. Den subaxial livmoderhals Kotor har en speciell komponent: den uncovertebral gemensamma. För att skilja den från plattan definieras ett bäst pass-plan med den minsta kvadratmetoden. Därefter skärnings kurvan som bildas av den bäst lämpade planet, och plattan ytan är gränsen mellan uncovertebral gemensamma och överlägsen och (figur 2D).
Den specifika operationen är som följer: Klicka på Start > form ≫ generativ form design. Klicka på ikonen punkt i verktygsfältet till höger, välj sedan den främre-mest och posteriort-de flesta punkter i den bilaterala uncinate processer på 3D-bilden. Klicka på plan ikonen och välj medelvärde genom punkter i plantypen för att definiera ett plan med bäst passform. Klicka på Start > form > Snabb yta rekonstruktion. Klicka på ikonen planar sektion och välj sedan 3D-bilden och det bäst lämpade planet.
Noggrann markering av de tre anatomiska punkterna på plattans yta när 3D-koordinatsystemet etableras är kritiskt. Bakåtkompilerade programvaran möjliggör flexibel växling av återuppbyggnads bilden och förbättrar kontrasten som hjälper till att identifiera landmärken. Alternativt, det är viktigt att bedöma lämpligheten av koordinatsystemet baserat på om korsande linjen av definierade Mid-sagittal och koronala plan är vinkelrät mot och avsnitt, och att sedan justera systemet därefter. Tester inom observatören bedömdes också, och resultatet visade god tillförlitlighet (tabell 3).
Detta protokoll kräver flera färdigheter och tekniker, inklusive punktmoln datainsamling och bearbetning, bild rekonstruktion och analys, och parametrisk modellutveckling. För en nybörjare kan det ta tid att slutföra hela processen. Men eftersom endast ett fåtal moduler av programvaran i detta protokoll används och förfarandet är modulärt, det kräver en kort inlärningskurva för att bli väl erfarna.
Sammanfattningsvis, det protokoll som beskrivs ger en korrekt och reproducerbar metod för att få detaljerade och omfattande geometridata av vertebrala endplates. En parametrisk modell är också utvecklad utan digitalisering alltför många landmärken, vilket är fördelaktigt att designa personliga spinal implantat, planering kirurgiska handlingar, göra kliniska diagnoser, och utveckla exakta finita element modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Detta arbete finansierades av viktiga disciplin byggprojekt av Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017) och National Natural Science Foundation i Kina (81672199). Författarna skulle vilja tacka Wang Lei för hans hjälp i korrekturläsning en tidigare version och Li Zhaoyang för hans hjälp med att utveckla parametriska modellen.
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).
