Summary
Et system for omvendt utvikling brukes til å registrere og innhente detaljerte og omfattende geometridata for vertebrale endplates. Parametriske modeller av vertebrale endplate er så utviklet, som er gunstig å designe personlige spinal implantater, noe som gjør kliniske diagnoser, og utvikle nøyaktig endelig element modeller.
Abstract
Detaljerte og omfattende geometriske data av virvler endplates er viktig og nødvendig for å forbedre troskap av endelig element modeller av ryggraden, design og bøte spinal implantater, og forstå degenerative forandringer og biomekanikk. I denne protokollen er en høyhastighets og svært nøyaktig skanner brukes til å konvertere morfologi data av endplate overflater til en digital punkt Sky. I programvaren systemet, er poenget skyen videre behandlet og rekonstruert i tre dimensjoner. Deretter utføres en målings protokoll som involverer et 3D-koordinatsystem definert for å gjøre hvert punkt til en 3D-koordinat, tre sagittal og tre frontal overflate kurver som er symmetrisk montert på endplate overflate, og 11 like langt punkter som er valgt i hver kurve. Måling og romlig analyse er endelig utført for å oppnå geometriske data av endplates. Parametriske ligninger som representerer morfologi av kurver og overflater er montert basert på karakteristiske punkter. Den foreslåtte protokollen, som er modulær, gir en nøyaktig og reproduserbar metode for å oppnå geometriske data av vertebrale endplates og kan bistå i mer sofistikerte morfologiske studier i fremtiden. Det vil også bidra til å designe personlige spinal implantater, planlegging kirurgiske handlinger, noe som gjør kliniske diagnoser, og utvikle nøyaktig endelig element modeller.
Introduction
En vertebrale endplate er overlegen eller mindreverdig skallet av vertebrale kroppen og fungerer som et mekanisk grensesnitt for å overføre stress mellom platen og vertebrale kropp1. Den består av epifysal rim, som er en sterk og solid bein labrum rundt den ytre kanten av vertebrale kroppen, og den sentrale endplate, som er tynn og porøs2.
Ryggraden er gjenstand for et bredt spekter av degenerative, traumatisk, og neoplastic lidelser, som kan rettferdiggjøre kirurgisk inngrep. Nylig har spinal enheter som kunstige plater og bur blitt mye brukt. Nøyaktige og detaljerte morphometric parametre for endplates er nødvendig for design og forbedring av spinal implantater med effektiv protese-vertebra kontakt og bein innvokst potensial3. Videre er informasjon om den eksakte formen og geometrien av vertebrale endplates viktig for å forstå biomekanikk. Selv om den endelige element modellering tillater simulering av den virkelige ryggsøylen og har vært mye brukt til å studere fysiologiske reaksjoner i ryggraden til ulike lasting forhold4, er denne teknikken pasient-spesifikk og ikke generaliserings til alle Ryggvirvler. Det har blitt antydet at den iboende variasjonen av ryggrad geometri blant befolkningen generelt bør vurderes ved utvikling av det endelige element modell5. Derfor er de geometriske parametrene av endplates bidrar til mesh generasjon og Fidelity ekstrautstyr i begrenset element modellering.
Selv om betydningen av Matching av endplate geometri og implantat overflaten har vært diskutert i tidligere studier6,7,8, data på morfologi av vertebrale endplates er knappe. De fleste tidligere studier har unnlatt å avdekke 3D natur endplate9,10,11. En romlig analyse er nødvendig for å bedre og fullt skildre endplate morfologi12,13,14. I tillegg har de fleste studier ansatt lavere presisjon måling teknikker10,15,16. Videre har betydelig forstørrelse blitt rapportert når geometri parametre måles ved å ansette radiografi eller beregnede tomografi (CT)17,18. Selv om magnetisk resonans imaging (MRI) regnes som ikke-invasiv, er det mindre nøyaktig i å definere presise marginer fluorose strukturer11. På grunn av mangel på en standardisert måle protokoll, er det store forskjeller blant eksisterende geometriske data.
I de senere årene, reverse engineering, som kan digitalisere eksisterende fysiske deler til datastyrte solide modeller, har blitt stadig mer brukt på feltet av medisin. Teknikken gjør det mulig å utvikle en nøyaktig representasjon av den anatomiske karakteren av sofistikerte ryggrad overflater. Det omvendte engineering-systemet omfatter to delsystemer: instrument systemet og programvaresystemet. Den instrumentering systemet vedtatt i denne protokollen har en ikke-kontakt optiske 3D-serien planskanner, som er høy hastighet og svært nøyaktig (presisjon 0,02 mm, 1 628 x 1 236 piksler). Skanneren kan effektivt (input tid 3 s) fange overflaten morfologi informasjon av målet objektet og konvertere den til digitale punkt Sky. Programvaren systemet (dvs. reverse engineering Software) er et dataprogram for punktskydata behandling (se tabell over materialer), 3D overflate modell rekonstruksjon, fri kurve og overflate redigering, og databehandling (se tabell over Materialer).
Formålene med denne rapporten er å (1) utarbeide en målings protokoll og algoritme for å innhente kvantitative parametre for vertebrale endplates basert på en omvendt ingeniør teknikk, (2) utvikle en matematisk modell som gir en realistisk representasjon av vertebrale endplates uten digitalisering for mange landemerker. Disse metodene vil være fordelaktig for kirurgisk handling planlegging og begrenset element modellering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne studien ble godkjent av helse forskning etikk styret i forfatternes Institutt. Som cervical vertebrale bein har mer intrikate figurer19, bruker protokollen cervical ryggsøylen som en illustrasjon for å lette relevant forskning.
1. utarbeidelse av materialer, skanning og bildebehandling
- Samle en tørr cervical vertebra uten patologisk deformasjon eller ødelagte deler.
- Plasser vertebra vertikalt i skannerens plattform (figur 1, se tabell over materialer), med endplate vendt mot kameralinsen. Bruk den aktive lyskilden til skanneren. Start deretter skanneprosessen for å få poeng Sky data (. ASC-format).
Merk: i henhold til pre-Scan bilder, justere skanneren og plasseringen av vertebra å fange så mye overflate morfologi informasjon som mulig. - Åpne programvaren som er spesielt brukt til å behandle punkt skyer (se tabell over materialer). Klikk Importer for å importere punkt skydataene og generere den digitale grafikken for vertebra. Angi samplingsfrekvensen til 100%, velg Behold fullstendige data på sampling, Velg dataenheten som millimeter, og klikk på skygge punkter. Bruk lasso Selection Tool til å velge overflødige punkter på grafikken, og klikk deretter Slett for å fjerne dem. Klikk på Reduser støy og sett det jevne nivået til det maksimale for å redusere støy og pigger (figur 2a, B).
Merk: det finnes grunnleggende instruksjoner for bruk av programvare på bunnen av GUI (grafisk brukergrensesnitt). Støy punkter med åpenbare skarpe sporer sideveis eller vertikalt bør fjernes for å redusere feil. - Klikk Bryt for å pakke bildedataene inn i filen STL-format for å transformere punkt skyen til nett, noe som vil konvertere et punkt objekt til et polygon objekt.
Merk: reverse engineering programvare vanligvis godtar. STL-stil 3D-format. - Åpne programvaren som er spesielt brukt til 3D-rekonstruksjon og databehandling (se tabell over materialer). Klikk på fil og deretter ny i undermenyen. Velg del i listen over typer. Klikk Start, deretter figur i undermenyen, deretter digitalisert Shape Editor. Klikk på import -ikonet i verktøylinjen på høyre side av GUI. I import-vinduet velger du STL -format-filen, og deretter klikker du på Bruk > OK. Klikk på Tilpass alt i ikonet på verktøylinjen nederst for å laste inn det rekonstruert bildet til hovedvinduet i presentasjonsprogram varen.
Merk: trinn 1.5 – 2.3.3 utføres med samme programvare. - Klikk på Aktiver i verktøylinjen på høyre side. I Aktiver-vinduet velger du overlappingsmodus ≫ polygon type > Inside Trap. Deretter velger du vertebrale endplate på 3D-bildet for å fjerne unødvendige vertebrale komponenter, for eksempel bakre elementer og osteofytter (figur 2C).
2. kvantifisering av 3D-morfologi av endplate
- Definere det endplate 3D-koordinatsystemet
- Klikk Start > figur på undermenyen, og deretter generative Shape design. Klikk på punkt -ikonet i verktøylinjen på høyre side. Merk tre anatomiske landemerker på epifysal RIM: de to første er venstre og høyre endepunktene på endplate etterfølgende kanten, henholdsvis; den tredje er det fremre median punktet.
- Klikk på linje ikonet i verktøylinjen på høyre side, og velg de to etterfølgende endepunktene for å definere en frontlinje foran. Klikk på Plane -ikonet, Velg plantypen for å være normal til kurve, og velg deretter bakre frontal linje og fremre median punkt for å definere mid-sagittal plan.
- Klikk Start > figur > rask Surface Rekonstruksjon. Klikk på Planar seksjon ikonet, Skriv inn 1 i nummer alternativet, velg deretter endplate bildet og mid-sagittal plan for å generere en kryssende kurve. Klikk kurve fra Skann-ikonet og velg skjæringspunktet mellom kryssende kurve og bakre epifysal rim. Definer skjæringspunktet som bakre median punkt.
- Klikk Start > figur > generative Shape design. Klikk på linje ikonet og velg det fremre median punktet og det bakre median punktet for å definere en mid-sagittal diameter. Klikk på punkt -ikonet, deretter poeng og fly gjentakelser i undermenyen. Deretter velger du den mid-sagittal diameter og skriv inn 1 i forekomst (s) alternativet for å definere midtpunktet av mid-sagittal diameter.
- Klikk ikonet for akse-systemet på verktøylinjen nederst. Deretter velger midtpunktet av mid-sagittal diameter som opprinnelse, linjen parallelt med bakre frontal linjen som x-aksen, mid-sagittal diameter som y-aksen, og linjen som peker fremover og vinkelrett på x-y flyet som z-aksen (Figur 3 ).
Merk: de to bakre kant endepunktene er valgt som referansepunkt fordi de er konsekvente og viser minimum variasjon i nærvær av osteofytter10.
- Tilpasse karakteristiske kurver og punkter på endplate overflate (figur 4a – D)
- Klikk på punkt -ikonet, deretter poeng og fly gjentakelser i undermenyen. Velg den mid-sagittal diameter og Skriv 3 i forekomst (s) alternativ for å dele mid-sagittal diameter like inn i fire deler.
- Klikk Start ≫ figur ≫ rask Surface Rekonstruksjon. Klikk på Planar seksjon ikonet, Skriv inn 1 i nummer alternativet, velg deretter det endplate bildet og x-z-flyet for å generere en kryssende kurve. Klikk kurve fra Skann-ikonet, og velg de to skjæringspunktene til x-z-planet og epifysal rim.
- Definer linjen mellom de to kryss som mid-frontal diameter. På samme måte, dele midten av frontal diameter like inn i fire deler.
Merk: Når endplate ikke er symmetrisk i forhold til med-sagittal planet, Velg en av de to endepunktene på midten av frontal kurven som har en kortere vertikal avstand til z-y flyet. Deretter definerer mid-frontal diameter som 2x lengden på kortere, og dele den like inn i fire deler. - Klikk på mål mellom -ikonet på verktøylinjen nederst for å måle lengden på en fjerdedel av den mid-sagittal diameteren. Klikk på Planar seksjon ikon, Skriv inn 2 i nummer alternativet, Skriv inn den målte verdien i trinn alternativet, velg deretter det endplate bildet og x-z-flyet for å generere to passende kurver på den ene siden av frontal delen. Klikk Bytt for å generere to passende kurver på den andre siden. På samme måte, få de tre andre passer kurver i sagittal flyet.
Merk: de to mid-frontal montering kurvene overlapper med de to mid-sagittal montering kurver. - Velg 11 like langt punkter i hver kurve for etterfølgende målinger. Spesifikk metode er som følger:
- Ta mid-sagittal kurve som et eksempel, del den mid-sagittal diameter like inn i 10 deler, noe som resulterer i en sum av 11 poeng, inkludert ni mellomliggende punkter og to endepunkter (se trinn 2.1.3 og 2.2.1).
- Gå gjennom hvert like langt punkt, få ni passende kurver på endplate overflate (se trinn 2.2.2). Klikk på kurve fra Skann-ikonet, og velg skjæringspunktet mellom tilpasnings kurvene og den midtre sagittal kurven. Til slutt, få totalt 66 poeng på hver endplate (11 poeng per kurve multiplisert med seks kurver). Klikk på mål element -ikonet på verktøylinjen nederst for å måle koordinatene for hvert punkt.
- Måling av endplate morfologiske parametre
- Linje parameter:
- Klikk på mål mellom ikonet for å måle lengden på linje parameteren som er avstanden mellom to målte punkter.
- Concavity parametere:
- Opprett et plan parallelt med x-y-Planet (figur 5a): klikk Start ≫ figur > generative Shape design. Klikk på skisse -ikonet i verktøylinjen på høyre side, og klikk deretter på x-y-planet. Klikk på sirkel -ikonet, klikk på Origin på endplate overflate, dra musemarkøren til en passende avstand, og klikk. Klikk på Avslutt Workbench -ikonet, deretter Fyll -ikonet, og klikk deretter.
- Klikk offset -ikonet, Velg det fylte planet, og skriv inn en passende verdi i offset-alternativet til det er tangent til den mest konkave delen, og zoom inn. Klikk Start > figur > rask Surface Rekonstruksjon. Deretter klikker du på 3D-kurve- ikonet for å finne og skape det mest konkave punktet. Klikk på mål element -ikonet for å måle koordinatene til det mest konkave punktet (figur 5B).
- Klikk på mål mellom ikonet, og velg deretter det mest konkave punktet og x-y-flyet for å måle hele endplate Concavity dybde. På samme måte kan du finne og skape den mest konkave dybden på et bestemt plan og måle koordinatene.
- Klikk på projeksjons ikonet i verktøylinjen på høyre side, og velg deretter det mest konkave punktet og x-y-flyet for å få projektive punktet. Klikk på mål element -ikonet for å måle koordinatene til projektive punktet, og Bestem fordelingen basert på koordinatene.
- Parametere for overflate område:
- Klikk på mål treghet -ikonet på verktøylinjen nederst, og klikk på endplate overflate for å måleområdet. Klikk på Aktiver -ikonet og velg den sentrale endplate langs de indre margene i epifysal ringen (se trinn 1,6), og klikk deretter på mål treghet -ikonet for å måleområdet (figur 5c). Klikk på Aktiver -ikonet, deretter den sentrale endplate, og til slutt swap -ikonet i Aktiver-vinduet for å få en epifysal felg. Deretter måle sitt område.
- Linje parameter:
3. utvikling av endplate overflate matematisk modell
- Bestemme passe rekkefølgen av parametrisk ligningen
- Åpne dataanalyse-og visualiserings programvaren (se tabell over materialer). Input x = [tilsvarende data] i kommandovinduet. Klikk Enter.
Merk: "tilsvarende data" refererer til x-koordinat data for de 11 karakteristiske punktene i en kurve som er målt i de forrige trinnene. Klikk ENTER etter at du har skrevet inn hver kommando, med det samme gjelder for etterfølgende operasjoner. Trinn 3.1 – 5.5 utføres jevnt med samme programvare. - På samme måte, input z = [tilsvarende data].
- Tast inn koden for i = 1:5 Z2 = Polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); Hvis sum ((Z-z). ^ 2) < 0,01 C =i Break; slutten slutt.
Merk: protokollen angir feil summen av kvadratene under 0,01 for å oppnå høyere presisjon, verdien som kan justeres for å tilfredsstille ulike krav. - Klikk Enter for å få en C-verdi som er ønsket passende rekkefølge.
- Åpne dataanalyse-og visualiserings programvaren (se tabell over materialer). Input x = [tilsvarende data] i kommandovinduet. Klikk Enter.
- Tilpasning av parameter ligning
- Input cftool og falle i staver gå inn å oppdra det kurven passer verktøyet.
- Input koordinatene til en kurve i kommandovinduet (se trinn 3.1.1 og 3.1.2). I verktøyet for kurve tilpassing velger du x-koordinat data når du monterer frontal Plane kurver og y-koordinat data når du monterer sagittal plan kurver i x data alternativet, velger z-koordinat data i y data alternativet, velg polynom, og angi passe rekkefølge Innhentet. Deretter vil programvaren produksjonen av parametrisk ligningen og godhet passer automatisk.
Merk: som kurven er et 2D-bilde, er standard arbeids alternativet x-og y-alternativene i kurven tilpasningverktøyet når du monterer en kurve. - På lignende måte kan du angi 3D-koordinatene til 66-punktene og matche koordinat dataene med de tilsvarende akse-alternativene. Velg polynom og angi passende rekkefølge for å få den parametriske ligningen til den endplate overflaten (figur 6b).
4. oppkjøp av geometriske data basert på parametrisk ligning
- Angi x-og y-koordinat verdier for et hvilket som helst punkt på endplate i kommandovinduet.
- Inngang PX1, pX2, pX3....
Merk: px er parametrene av den parametriske ligningen som er montert ved hjelp av polynom i trinnene ovenfor. - Input ligningen og klikk Enter for å få resultatet (dvs. input format: 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. representasjon av endplate basert på parametrisk ligning
- Inngang PX1, pX2, pX3.... i kommandovinduet.
- Input koden X = N1: 0.01: N2;.
Merk: N1-N2 er rekkevidden til X-aksen data (dvs. verdiene av de to endepunktene på den themid-koronale kurven). - Input koden "Y = N3: 0.01: N4;".
- Skriv inn ligningen (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;).
- Input koden ezmesh (z, [N1, n2, n3, n4]) for å få 3D-simulering grafikk (figur 6C).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ved hjelp av den svært nøyaktige optiske 3D-serien planskanner, ble endplates omgjort til mer enn 45 000 digitale punkter, som tilstrekkelig karakteriserer morfologi (figur 2a, B).
I måle protokollen ble den romlige analysen av endplate overflater utført. Representative kurver ble montert og kvantifisert på overflaten for å karakterisere morfologi (figur 4b). De lineære parametrene ble målt ved å beregne avstanden mellom to endepunkter. Målinger innhentet inkluderer Concavity dybde og Concavity Apex plassering i midten av sagittal plan, i tillegg til de av hele endplate Concavity og en bestemt seksjon (figur 5B). Komponentene i endplates, epifysal rim, og sentrale endplate ble separert (figur 5c), og deres lengder og områder ble innhentet beleilig.
Totalt 138 cervical vertebrale endplates ble digitalisert og analysert, og den matematiske modellen av endplate ble etablert. Protokollen angir summene av kvadrerte feil under 0,01, og det ble konkludert med at bruk av fire-Order polynom funksjonen kan oppnå tilfredshet.
Den parametrisk ligningen for hver kurve ble utledet basert på koordinatene til 11 punkter: f (x) = P1* x ^ 4 + p2* x ^ 3 + p3* x ^ 2 + p4* x + p5. P1, p2, p3, p4 og p5 var parametrene, de nøyaktige verdiene som er vist i tabell 1.
Den parametriske ligningen som representerer morfologiske karakteristikker av endplate overflate er:
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
Hvor: PXYs er parametrene, som ble utledet fra de pre-målte koordinatene til 66 poeng (tabell 2).
Figur 1: den optiske 3D-rekkevidden for den ikke-kontaktflate skanneren. Skanneren, som er basert på heterodyne multifrekvens fase Skift 3D optisk måleteknologi, inkluderer optisk måling (integrere rundt to kameraer og en projektor) og kontroll enheter. Presisjon av dette instrumentet er 0,02 mm, og piksler er 1628 x 1236. Skanneren kan effektivt (inn data tid 3 s) digitalisere overflate geometrien til et målobjekt. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: poenget sky av vertebrale overflate og 3D rekonstruksjon av endplate. (A) og (B) er de underlegne og overlegne overflater av en cervical vertebra generert av programvaren spesielt brukt for prosessering punkt skyer, henholdsvis. (C) og (D) er 3D-rekonstruksjon av dårligere og overlegen endplates generert av programvaren spesielt brukes til 3D rekonstruksjon og databehandling, henholdsvis. De bakre elementene og osteofytter fjernes fra ryggsøylen, slik at bare endplate. Det best-anfall plan er definerte igjennom det fremre-høyst og bakre-høyst meningene av det bilateral uncinate prosesser, og det to kurvene dannet av det best-anfall plan og endplate er grensene av det uncovertebral skjøt og caudal endplate. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: definisjon av det Endplate 3D-koordinatsystemet. Merking av tre anatomiske landemerker på epifysal RIM: de to første er venstre og høyre endepunktene på endplate etterfølgende kant, henholdsvis; den tredje er det fremre median punktet. Den bakre frontal linjen er dannet av de to bakre kant endepunktene, som definerer mid-sagittal flyet med fremre median punkt. Den bakre median punkt bestemmes av mid-sagittal planet og bakre epifysal rim, som danner mid-sagittal diameter med fremre median punkt. Opprinnelsen er midtpunktet av mid-sagittal diameter. Y-aksen bestemmes av mid-sagittal diameter og peker fremover. X-aksen er linjen parallelt med den bakre frontal linjen. Z-aksen er normal for x-y-planet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: trinnene for å tilpasse karakteristiske kurver og punkter på endplate overflate. (A) del mid-sagittal diameter og midt-frontal diameter like inn i fire deler. (B) gå gjennom hvert like langt punkt, og velg seks overflate kurver symmetrisk, tre av dem er skjæringspunktet kurver av frontal planet og endplate overflaten, og de tre andre i sagittal flyet. (C) del midt sagittal diameter likt i 10 deler. (D) gå gjennom hvert like langt punkt, frontal flyene og mid-sagittal kurve danner ni kryss, noe som resulterer i en sum av 11 poeng, sammen med de to endepunktene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: måling av endplate Concavity dybde og overflateareal. (A) opprette et fly parallelt med x-y-planet. (B) offset flyet til det er tangent til det mest konkave punktet, og endplate Concavity dybden er den vinkelrette avstanden mellom de mest konkave punkt og x-y fly. (C) tegn en linje langs de indre margene på epifysal ringen for å partisjonere endplate i den sentrale endplate og epifysal felgen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: The 3D rekonstruksjon og representasjoner av en mindreverdig endplate. (A) 3D rekonstruksjon av dårligere endplate overflaten generert av programvaren spesielt brukt for 3D rekonstruksjon og databehandling. (B) og (C) er representasjoner av dårligere endplate generert av dataanalyse og visualisering programvare. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Endplate nivå | Kurve | Parametere | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 Superior | Fac | 0 | 0 | -0,0128 til en | -0,0028 til en | 0,02523 |
| Fmc | 0 | 0 | -0,0199 til en | 0,00074 | 0,3693 | |
| FPC | 0 | 0 | -0,0329 til en | 0,00739 | 0,5323 | |
| Slc | 0 | 0,00176 | -0,0113 til en | -0,0419 til en | -0,0419 til en | |
| Smc | 0,00011 | 0,00232 | -0,016 til en | -0,0986 til en | 0,4712 | |
| Src | 0 | 0,00179 | -0,0096 til en | 0,04451 | -0,0394 til en | |
| C6 dårligere | Fac | 0 | -0,0001 til en | -0,0225 til en | 0,00594 | 1,223 |
| Fmc | 0 | 0 | -0,016 til en | -0,0082 til en | 1,729 | |
| FPC | 0 | 0 | -0,0033 til en | -0,0033 til en | 1,404 | |
| Slc | 0,00012 | 0,00087 | -0,0347 til en | -0,0962 til en | 1,448 | |
| Smc | 0,00025 | 0,00064 | -0,0495 til en | -0,0331 til en | 1,846 | |
| Src | 0 | 0,00079 | -0,0295 til en | -0,0828 til en | 1,362 | |
Tabell 1: parametrene av ligningen for å representere kurven av endplate overflate. Bare dataene i den sjette cervical vertebrale endplate er oppført. Px = parametrene av ligningen. På hver endeplate ble seks overflate kurver symmetrisk valgt; tre av disse var i frontal flyet og kalte den fremre kurve (FAC), midtre kurve (FMC), og bakre kurve (FPC); de tre andre i sagittal flyet ble kalt venstre kurve (SLC), midtre kurve (SMC), og høyre kurve (SRC). Parametere med en absolutt verdi på mindre enn 0,0001 representeres som 0 her.
| Parametere | 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 til en | -0,0043 til en | 0,00542 | -0,0208 til en | -0,0111 til en | 0,0012 | -0,0043 til en | -0,0052 til en |
| p01 | -0,0356 til en | -0,0868 til en | -0,0537 til en | -0,0826 til en | -0,0257 til en | -0,098 til en | -0,0407 til en | -0,0642 til en |
| P20 | 0,01286 | -0,0252 til en | -0,0146 til en | -0,0299 til en | -0,0253 til en | -0,0264 til en | -0,0175 til en | -0,0088 til en |
| P11 | 0,00092 | 0,00071 | -0,0009 til en | 0,00018 | -0,0002 til en | -0,0012 til en | 0,00117 | 0,00021 |
| p02 | -0,0529 til en | -0,0151 til en | -0,0525 til en | -0,012 til en | -0,0418 til en | -0,0142 til en | -0,0396 til en | -0,0134 til en |
| P30 | 0 | -0,0001 til en | 0,00013 | 0,00024 | 0,00017 | 0 | 0 | 0 |
| P21 | -0,0011 til en | 0,00299 | -0,0012 til en | 0,00363 | -0,0021 til en | 0,00306 | -0,0019 til en | 0,00194 |
| P12 | 0 | 0,00048 | -0,0004 til en | 0,00033 | 0,00014 | 0 | -0,0001 til en | 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: parametrene av parametrisk ligning som representerer morfologi av endplate overflate. Px = parametrene av ligningen; INF = dårligere endplate; Sup = overlegen endplate. Parametere med en absolutt verdi på mindre enn 0,0001 representeres som 0 her. Denne tabellen er endret fra en tidligere publikasjon3.
| Målinger | Intratest pålitelighet | Målinger | RE vs tykkelse | ||
| APD | Første-ved ny måling | 15.76 ± 1.3 | APD | Re | 16.47 ± 1.31 |
| Ved ny måling | 15.86 ± 1.61 | Caliper | 16.26 ± 1.27 | ||
| Icc | 0,85 | Cronbach alfa | 0,99 | ||
| Cmd | Første-ved ny måling | 19.71 ± 2.47 | Cmd | Re | 20.7 ± 3.05 |
| Ved ny måling | 19.41 ± 2.43 | Caliper | 20.45 ± 3.21 | ||
| Icc | 0,96 | Cronbach alfa | 0,99 | ||
Tabell 3: påliteligheten til målingene. Data var gjennomsnittlig ± standardavvik (mm). ICC = intra-klasse korrelasjonskoeffisient; APD = Antero-bakre diameter; CMD = Center mediolateral diameter; RE = det omvendte ingeniør systemet. Denne tabellen er endret fra en tidligere publikasjon. 3 andre priser
| Verdi for mål | N | Z-koordinat verdi | T | P | R |
| Opprinnelige punkter | 15 | 1,75 ± 0.87 | 0,26 | 0,8 | 0,98 |
| Sammenligning poeng | 15 | 1.74 ± 0.91 |
Tabell 4: gyldigheten av den geometriske modellen representerer endplate morfologi. Data representeres som gjennomsnittlig ± standardavvik (mm). De opprinnelige punktene er 15 tilfeldig utvalgte punkter på den opprinnelige 3D rekonstruksjon bildet. Sammenlignings poeng = tilsvarende poeng automatisk generert fra parametriske ligninger; R = korrelasjonskoeffisient.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Reverse engineering har vært stadig og vellykket brukt på feltet av medisin, slik som cranioplasty20, Oral21, og Maxillofacial implantater21. Reverse engineering-målinger, nemlig digitalisering av produktoverflaten, viser til konvertering av overflate informasjon til punktskydata som sysselsetter spesifikke måleutstyr og metoder. På grunnlag av slike data, kan komplekse overflate modellering, evaluering, forbedringer og produksjon utføres. Digital måling og databehandling er en grunnleggende og viktig teknologi som brukes i omvendt utvikling.
I denne protokollen, nøyaktig og detaljert morfologi informasjon av vertebrale endplates er registrert ved hjelp av en ikke-kontakt optiske 3D Range skanning system, som er basert på heterodyne multifrekvens, Phase-Shift, 3D optisk måling teknologi. Skanneren er hovedsakelig laget av kontroll enheter og en optisk måling integrere to kameraer og en projektor. Sammenlignet med andre måleinstrumenter er skanneren svært nøyaktig og effektiv, og unngår punkt-for-punkt-skanning. Når du henter punkt-Cloud data, skanningen hodet er vanligvis ikke i kontakt med objektet, slik at det ikke er noen deformasjon effekter. Påliteligheten, gyldigheten og presisjonen til skanneren for å registrere overflate morfologi har blitt veletablert2,3,22. Replicability av disse målingene er bekreftet.
For å verifisere nøyaktigheten av målinger tatt av reverse engineering systemet, 20 endplates ble målt ved hjelp av en digital tykkelse og evalueres ved hjelp Cronbach Alpha. For intra-test pålitelighet, 16 endplates ble tilfeldig valgt fra 138 vertebrale endplates og målt to ganger på 2 ukers intervaller, deretter vurdert ved hjelp av en intra-klassen korrelasjonskoeffisient. Resultatene viste stor enighet og pålitelighet (tabell 3). Reverse engineering programvare innebærer kraftige målinger, databehandling, feildeteksjon, og fri kurve og overflate redigering funksjoner. Det kan også intelligent og effektivt konstruere og justere kurver og overflater, og 3D overflate modell rekonstruksjon bidrar til nøyaktige målinger23.
Det er viktige og betydelige anvendelser for detaljerte og omfattende anatomi data av ryggsøylen, slik som å designe spinal implantater, forbedre troskap av endelige element modeller av ryggraden, og utvikle matematiske modeller. Den vertebrale endplate er avgjørende for å opprettholde integriteten og funksjonen til intervertebral disken, og det fungerer også som et mekanisk grensesnitt for å overføre stress. Derfor er kvantifisering av endplate geometri viktig. Med hjelp av reverse engineering, kan endplate morfologi være kvantifisert intelligent og grundig. I denne protokollen er seks karakteristiske kurver montert på overflaten av hver endplate, og et 3D koordinatsystem er etablert for å kvantifisere romlig morfologi.
I tillegg er en parametrisk modell av endplate utviklet for å innføre nøyaktige og reproduserbar kvantitative evalueringer og utvikle personlige biomekaniske-modeller med begrenset element. Den parametriske modellen av endplates overflate kan produsere raske, realistiske og nøyaktige representasjoner som kan bli visualisere og beleilig analysert av forskere.
Inkludering av flere landemerker vil forbedre presisjonen, men det er tidkrevende og kostbart. I denne protokollen, er det foreslått at 66 poeng fra seks overflaten kurver er tilstrekkelig for å beskrive de morfologiske funksjoner. Pålitelighetstester utføres også ved å sammenligne koordinat verdier på 15 tilfeldig valgte punkter med tilsvarende verdier som genereres automatisk fra parametriske ligninger. Resultatet avslører at parametrisk modellen har god pålitelighet og reproduserbarhet kan tjene som en realistisk representasjon av endplate overflate (Tabell 4). Det bør bemerkes at den parametrisk modell kan utledes basert på andre Imaging modaliteter som CT og MRI.
Som ikke-kontakt skannere er mottakelige for omgivelseslys, er det avgjørende å holde omgivelseslyset stødig, og aktive lyskilder anbefales. Hvis det er rester av fett på endplate overflate, infantile talkum pulver bør være daubed forsiktig for å unngå risikoen for å bli påvirket av romlige refleksjon egenskapene til objekt overflaten. Den subaxial cervical ryggsøylen har en spesiell komponent: den uncovertebral leddet. For å skille den fra endplate, defineres et best egnet plan ved hjelp av den minst kvadrerte metoden. Deretter skjæringspunktet kurve dannet av best-Fit flyet, og den endplate overflaten er grensen mellom uncovertebral felles og overlegen endplate (figur 2D).
Den spesifikke operasjonen er som følger: Klikk Start > figur > generative Shape design. Klikk på punkt -ikonet i verktøylinjen på høyre side, og velg deretter de fremre og bakre punktene i de bilaterale uncinate prosessene på 3D-bildet. Klikk på plan -ikonet og velg gjennomsnitt gjennom punkter i plantypen for å definere et best egnet plan. Klikk Start > figur > rask Surface Rekonstruksjon. Klikk på Planar-Seksjons ikonet, og velg deretter 3D-bildet og det beste passende planet.
Nøyaktig merking av de tre anatomiske punktene på den endplate overflaten ved etablering av 3D-koordinatsystem er kritisk. Den reverse engineering programvare gir fleksibel skiftende av rekonstruksjon bildet og forbedrer kontrasten som bidrar til å identifisere landemerker. Alternativt er det viktig å vurdere egnetheten av koordinatsystemet basert på om kryssende linje av de definerte mid-sagittal og koronale flyene er vinkelrett på endplate delen, og å deretter justere systemet tilsvarende. Test av intra-Observer ble også vurdert, og resultatet indikerte god pålitelighet (tabell 3).
Denne protokollen krever flere ferdigheter og teknikker, inkludert punktskydata innsamling og prosessering, bilde rekonstruksjon og analyse, og parametrisk modell utvikling. For en nybegynner, kan det ta tid å fullføre hele prosessen. Men som bare noen få moduler av programvaren i denne protokollen er brukt og prosedyren er modulær, krever det en kort læringskurve for å bli godt erfarne.
Som konklusjon, protokollen beskrevet gir en nøyaktig og reproduserbar metode for å få detaljerte og omfattende geometridata av vertebrale endplates. En parametrisk modell er også utviklet uten digitalisering for mange landemerker, som er gunstig å designe personlige spinal implantater, planlegging kirurgiske handlinger, noe som gjør kliniske diagnoser, og utvikle nøyaktig endelig element modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av Key disiplin Construction Project of Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017-08) og National Natural Science Foundation i Kina (81672199). Forfatterne vil gjerne takke Wang lei for hans hjelp i korrekturlesing en tidligere versjon og Li Zhaoyang for hans hjelp i utviklingen av parametrisk modell.
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).
