Summary
Un sistema di reverse engineering viene impiegato per registrare e ottenere dati geometrici dettagliati e completi delle piastre vertebrali. Vengono quindi sviluppati modelli parametrici di estremità vertebrale, che sono utili per la progettazione di impianti spinali personalizzati, la realizzazione di diagnosi cliniche e lo sviluppo di modelli di elementi finiti accurati.
Abstract
Dati geometrici dettagliati e completi delle piastre vertebrali sono importanti e necessari per migliorare la fedeltà dei modelli di elementi finiti della colonna vertebrale, progettare e migliorare gli impianti spinali e comprendere i cambiamenti degenerativi e la biomeccanica. In questo protocollo, viene utilizzato uno scanner ad alta velocità e altamente accurato per convertire i dati di morfologia delle superfici di fascia in una nuvola di punti digitale. Nel sistema software, la nuvola di punti viene ulteriormente elaborata e ricostruita in tre dimensioni. Quindi, viene eseguito un protocollo di misurazione, che coinvolge un sistema di coordinate 3D definito per rendere ogni punto una coordinata 3D, tre curve di superficie frontale e tre curve frontali che sono montate simmetricamente sulla superficie dell'estremità e 11 punti equidistanti che sono selezionato in ogni curva. La misurazione e le analisi spaziali vengono infine eseguite per ottenere i dati geometrici delle piastre finali. Le equazioni parametriche che rappresentano la morfologia di curve e superfici vengono adattate in base ai punti caratteristici. Il protocollo suggerito, che è modulare, fornisce un metodo preciso e riproducibile per ottenere dati geometrici di piastre vertebrali e può aiutare in studi morfologici più sofisticati in futuro. Contribuirà anche alla progettazione di impianti spinali personalizzati, alla pianificazione di atti chirurgici, alla creazione di diagnosi cliniche e allo sviluppo di accurati modelli di elementi finiti.
Introduction
Un'estremità vertebrale è il guscio superiore o inferiore del corpo vertebrale e serve come interfaccia meccanica per trasferire lo stress tra il disco e il corpo vertebrale1. È costituito dal bordo epifise, che è un labbro osseo forte e solido che circonda il bordo esterno del corpo vertebrale, e l'estremità centrale, che è sottile e porosa2.
La colonna vertebrale è soggetta a una vasta gamma di disturbi degenerativi, traumatici e neoplastici, che possono giustificare un intervento chirurgico. Recentemente, dispositivi spinali come dischi artificiali e gabbie sono stati ampiamente utilizzati. Parametri morfometrici accurati e dettagliati delle piastre finali sono necessari per la progettazione e il miglioramento degli impianti spinali con efficace contatto protesi-vertebra lepreda e potenziale di crescita ossea3. Inoltre, le informazioni sulla forma esatta e sulla geometria delle piastre vertebrali sono importanti per comprendere la biomeccanica. Sebbene la modellazione degli elementi finiti consenta la simulazione delle vertebre reali ed è stata ampiamente utilizzata per studiare le risposte fisiologiche della colonna vertebrale alle varie condizioni di carico4, questa tecnica è specifica per il paziente e non è generalizzabile per tutti Vertebre. È stato suggerito che la variabilità intrinseca della geometria vertebrale tra la popolazione generale dovrebbe essere considerata quando si sviluppa il modello di elemento finito5. Pertanto, i parametri geometrici delle piastre finali favoriscono la generazione della mesh e il miglioramento della fedeltà nella modellazione degli elementi finiti.
Sebbene l'importanza della corrispondenza della geometria della piastra d'estremità e della superficie dell'impianto sia stata discussa negli studi precedenti6,7,8, i dati sulla morfologia delle piastre vertebrali sono scarsi. La maggior parte degli studi precedenti non sono riusciti a rivelare la natura 3D dell'estremità9,10,11. Un'analisi spaziale è necessaria per meglio e rappresentare completamente la morfologia di fascia12,13,14. Inoltre, la maggior parte degli studi hanno impiegato tecniche di misurazione di precisione più bassa10,15,16. Inoltre, è stato riportato un ingrandimento significativo quando i parametri della geometria vengono misurati impiegando la radiografia o la tomografia computerizzata (TC)17,18. Anche se la risonanza magnetica (RM) è considerata non invasiva, è meno precisa nella definizione dei margini precisi delle strutture osseoe11. A causa della mancanza di un protocollo di misurazione standardizzato, ci sono grandi differenze tra i dati geometrici esistenti.
Negli ultimi anni, il reverse engineering, in grado di digitalizzare le parti fisiche esistenti in modelli solidi computerizzati, è stato sempre più applicato al campo della medicina. La tecnica rende possibile sviluppare una rappresentazione accurata del carattere anatomico delle sofisticate superfici vertebrali. Il sistema di reverse engineering comprende due sottosistemi: il sistema di strumentazione e il sistema software. Il sistema di strumentazione adottato in questo protocollo dispone di uno scanner piano a gamma 3D ottico non a contatto, che è ad alta velocità e altamente preciso (precisione 0,02 mm, 1.628 x 1.236 pixel). Lo scanner è in grado di acquisire in modo efficiente (tempo di ingresso 3 s) le informazioni sulla morfologia della superficie dell'oggetto di destinazione e convertirlo in nuvola di punti digitali. Il sistema software (cioè software di reverse engineering) è un'applicazione informatica per l'elaborazione dei dati della nuvola di punti (vedere Tabella dei materiali),la ricostruzione del modello di superficie 3D, l'editing gratuito di curve e superfici e l'elaborazione dei dati (vedere Tabella di Materiali).
Gli scopi della presente relazione sono (1) elaborare un protocollo di misurazione e un algoritmo per ottenere parametri quantitativi delle piaghe vertebrali sulla base di una tecnica di reverse engineering, (2) sviluppare un modello matematico che consenta un rappresentazione delle endplates vertebrali senza digitalizzare troppi punti di riferimento. Questi metodi saranno utili per la pianificazione dell'atto chirurgico e la modellazione degli elementi finiti.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Questo studio è stato approvato dal comitato etico della ricerca sanitaria dell'istituto degli autori. Poiché le ossa cervicali hanno forme più intricate19, il protocollo utilizza le vertebre cervicali come illustrazione per facilitare la ricerca rilevante.
1. Preparazione dei materiali, scansione ed elaborazione delle immagini
- Raccogliere una vertebra cervicale secca senza deformazioni patologiche o parti rotte.
- Posizionare la vertebra verticalmente nella piattaforma dello scanner (Figura 1, vedere Tabella dei materiali), con l'estremità rivolta verso l'obiettivo della fotocamera. Utilizzare la sorgente luminosa attiva dello scanner. Quindi, avviare il processo di scansione per ottenere i dati della nuvola di punti (. formato ASC).
NOTA: In base alle immagini pre-scansione, regolare lo scanner e la posizione della vertebra per acquisire quante più informazioni di morfologia della superficie possibile. - Aprire il software appositamente utilizzato per l'elaborazione di nuvole di punti (vedere Tabella dei materiali). Fare clic su Importa per importare i dati della nuvola di punti e generare l'elemento grafico digitale della vertebra. Impostare la frequenza di campionamento su 100%, selezionare Mantieni dati completi al campionamento, selezionare l'unità di dati come millimetri e fare clic su Punti ombreggiatura. Usate lo strumento selezione con lazo per selezionare punti ridondanti sull'elemento grafico, quindi fate clic su Elimina per rimuoverli. Fate clic su Riduci rumore (Reduce Noise) e impostate il livello massimo di levigatezza per ridurre il rumore e i picchi (Figura 2A, B).
NOTA: nella parte inferiore della GUI (interfaccia utente grafica) sono disponibili istruzioni di funzionamento software di base. I punti di rumore con evidenti speroni taglienti lateralmente o verticalmente devono essere rimossi per ridurre gli errori. - Fare clic su Acapo per creare un pacchetto dei dati di imaging in un file in formato .stl per trasformare la nuvola di punti in mesh, che convertirà un oggetto punto in un oggetto poligono.
NOTA: il software di ingegneria inversa di solito accetta il formato 3D in stile .stl. - Aprire il software appositamente utilizzato per la ricostruzione 3D e l'elaborazione dei dati (vedere Tabella dei materiali). Fare clic su File, quindi su Nuovo nel sottomenu. Selezionare Parte nell'elenco dei tipi. Fare clic su Start, quindi su Forma nel sottomenu, quindi su Editor forme digitalizzate. Fare clic sull'icona Importa nella barra degli strumenti sul lato destro della GUI. Nella finestra Importa, selezionare il file di formato .stl, quindi fare clic su Applica > OK. Fare clic su Adatta tutto nell'icona nella barra degli strumenti in basso per caricare l'immagine ricostruita nella finestra principale del software di presentazione.
NOTA: i passaggi da 1.5–2.3.3 vengono eseguiti con lo stesso software. - Fare clic su Attiva nella barra degli strumenti sul lato destro. Nella finestra Attiva, selezionare Modalità trap > Tipo poligonale > Trappola interna. Quindi, selezionare la fascia vertebrale sull'immagine 3D per rimuovere i componenti vertebrali non necessari, come gli elementi posteriori e gli osteofiti (Figura 2C).
2. Quantificazione della morfologia 3D dell'estremità
- Definizione del sistema di coordinate 3D della piastra terminale
- Fare clic su Start > Forma nel sottomenu, quindi su Progettazione forma generativa. Fare clic sull'icona Punto nella barra degli strumenti a destra. Segna tre punti di riferimento anatomici sul bordo epifisico: i primi due sono rispettivamente i punti finali sinistro e destro del bordo finale della piastra finale; il terzo è il punto mediano anteriore.
- Fare clic sull'icona Linea nella barra degli strumenti sul lato destro e selezionare i due punti finali del bordo finale per definire una linea frontale posteriore. Fare clic sull'icona Piano, selezionare il tipo di piano da normale a curva, quindi selezionare la linea frontale posteriore e il punto mediano anteriore per definire il piano medio-sagittale.
- Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida della superficie. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 1 nell'opzione relativa al numero, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano sagittale medio per generare una curva intersecante. Fare clic su Curva dall'icona Scansione e selezionare l'intersezione della curva intersecante e del bordo epifisio posteriore. Definire l'intersezione come punto mediano posteriore.
- Fare clic su Start > Forma > Disegno forma generativa. Fare clic sull'icona Linea e selezionare il punto mediano anteriore e il punto mediano posteriore per definire un diametro medio-sagittale. Fare clic sull'icona Punto, quindi su Ripetizione punti e piani nel sottomenu. Quindi, selezionare il diametro medio-sagittale e immettere 1 nell'opzione Istanza(e) per definire il punto medio del diametro medio-sagittale.
- Fare clic sull'icona Sistema asse nella barra degli strumenti in basso. Quindi, selezionare il punto medio del diametro medio-sagittale come origine, la linea parallela alla linea frontale posteriore come asse x, il diametro medio-sagittale come asse y e la linea che punta in avanti e perpendicolare al piano x-y come asse z (Figura 3 ).
NOTA: i due punti finali del bordo finale vengono scelti come punti di riferimento perché sono coerenti e mostrano variazioni minime in presenza di osteofiti10.
- Montaggio di curve e punti caratteristici sulla superficie di estremità(Figura 4A-D)
- Fare clic sull'icona Punto, quindi su Ripetizione punti e piani nel sottomenu. Selezionate il diametro medio-sagittale e immettete 3 nell'opzione Istanza(e) per dividere equamente il diametro medio sagittale in quattro parti.
- Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida della superficie. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 1 nell'opzione Numero, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano x-z per generare una curva intersecante. Fate clic su Curva (Curve) dall'icona Scansione (Scan) e selezionate le due intersezioni del piano x-z e del bordo epifisico.
- Definire la linea tra le due intersezioni come diametro frontale medio. Allo stesso modo, dividere il diametro medio frontale equamente in quattro parti.
NOTA: Quando la piastra finale non è simmetrica rispetto al piano med-sagittale, scegliere uno dei due punti finali della curva frontale centrale con una distanza verticale più corta rispetto al piano z-y. Quindi, definite il diametro medio frontale come 2 x la lunghezza del più corto e dividetelo equamente in quattro parti. - Fate clic sull'icona Misura tra nella barra degli strumenti in basso per misurare la lunghezza di un quarto del diametro medio sagittale. Fare clic sull'icona Sezione planare, immettere 2 nell'opzione Numero, immettere il valore misurato nell'opzione Passo, quindi selezionare l'immagine della piastra finale e il piano x-z per generare due curve di raccordo su un lato della parte frontale. Fare clic su Scambia per generare due curve di raccordo sull'altro lato. Allo stesso modo, ottenere le altre tre curve di raccordo nel piano sagittale.
NOTA: le due curve di raccordo centro-frontale si sovrappongono alle due curve di raccordo medio-sagittale. - Selezionare 11 punti equidistanti in ogni curva per le misurazioni successive. Il metodo specifico è il seguente:
- Prendendo ad esempio la curva medio-sagittale, dividere equamente il diametro medio sagittale in 10 parti, ottenendo una somma di 11 punti, inclusi nove punti intermedi e due punti finali (fare riferimento ai punti 2.1.3 e 2.2.1).
- Attraversare ogni punto equidistante, ottenere nove curve di raccordo sulla superficie dell'estremità (fare riferimento al punto 2.2.2). Fate clic su Curva (Curve) dall'icona Scansione (Scan) e selezionate l'intersezione delle curve di raccordo e della curva mid-sagittal. Infine, ottenere un totale di 66 punti su ogni piastra finale (11 punti per curva moltiplicati per sei curve). Fare clic sull'icona Misura elemento nella barra degli strumenti nella parte inferiore per misurare le coordinate di ogni punto.
- Misurazione dei parametri morfologici di fascia
- Parametro linea:
- Fare clic sull'icona Misura tra per misurare la lunghezza del parametro della linea che è la distanza tra due punti misurati.
- Parametri di concavità:
- Creare un piano parallelo al piano x-y (Figura 5A):fare clic su Inizio > Forma > Disegno forma generativa. Fare clic sull'icona Schizzo nella barra degli strumenti a destra, quindi fare clic sul piano x-y. Fare clic sull'icona Cerchio, fare clic su Origine sulla superficie della piastra terminale, trascinare il cursore del mouse a una distanza appropriata, quindi fare clic. Fare clic sull'icona Exit Workbench, quindi sull'icona Riempimento e infine fare clic.
- Fate clic sull'icona Scostamento (Offset), selezionate il piano riempito e immettete un valore appropriato nell'opzione di scostamento fino a quando non sarà tangente alla parte più concava, quindi ingrandite. Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida delle superfici. Quindi, fare clic sull'icona della curva 3D per trovare e creare il punto più concavo. Fare clic sull'icona Misura elemento per misurare le coordinate del punto più concavo (Figura 5B).
- Fare clic sull'icona Misura tra, quindi selezionare il punto più concavo e il piano x-y per misurare l'intera profondità della concavità della piastra finale. Allo stesso modo, trovare e creare la profondità più concava su un particolare piano e misurarne le coordinate.
- Fate clic sull'icona Proiezione nella barra degli strumenti a destra, quindi selezionate il punto più concavo e il piano x-y per ottenere il punto proiettivo. Fare clic sull'icona Misura elemento per misurare le coordinate del punto proiettivo e determinarne la distribuzione in base alle coordinate.
- Parametri dell'area della superficie:
- Fare clic sull'icona Misura inerzia nella barra degli strumenti in basso e fare clic su superficie di fine piastra per misurare l'area. Fare clic sull'icona Attiva e selezionare l'estremità centrale lungo i margini interni dell'anello epifisico (fare riferimento al passaggio 1.6), quindi fare clic sull'icona Misura inerzia per misurare l'area (Figura 5C). Fare clic sull'icona Attiva, quindi sull'estremità centrale e infine sull'icona Scambia nella finestra Attiva per ottenere un cerchio epifisico. Quindi, misurare la sua area.
- Parametro linea:
3. Sviluppo del modello matematico della superficie di fascia
- Determinazione dell'ordine di adattamento dell'equazione parametrica
- Aprire il software di analisi e visualizzazione dei dati (vedere Tabella dei materiali). Input x : [dati corrispondenti] nella finestra di comando. Fare clic su Invio.
NOTA: i "dati corrispondenti" si riferiscono ai dati delle coordinate x degli 11 punti caratteristici in una curva misurati nei passaggi precedenti. Fare clic su Invio dopo l'immissione di ogni comando, con la stessa applicazione alle operazioni successive. I passaggi da 3.1 a 5.5 vengono eseguiti in modo uniforme con lo stesso software. - Allo stesso modo, l'input z e [dati corrispondenti].
- Inserire il codice per i-1:5 z2-polyfit(x,z,i); polivalso(z2;x); if sum((z-z). fine; fine.
NOTA: Il protocollo imposta la somma di errore dei quadrati al di sotto di 0,01 per ottenere una maggiore precisione, il cui valore può essere regolato per soddisfare varie esigenze. - Fare clic su Invio per ottenere un valore C che corrisponde all'ordine di adattamento desiderato.
- Aprire il software di analisi e visualizzazione dei dati (vedere Tabella dei materiali). Input x : [dati corrispondenti] nella finestra di comando. Fare clic su Invio.
- Adattamento dell'equazione dei parametri
- Immettere cftool e fare clic su Invio per visualizzare l'utensile di adattamento della curva.
- Immettere le coordinate di una curva nella finestra di comando (fare riferimento ai passaggi 3.1.1 e 3.1.2). Nello strumento Adattamento curva, selezionare i dati delle coordinate x quando si montano curve piane dolose e dati delle coordinate y quando si montano curve piane sagittali nell'opzione x data, selezionare i dati delle coordinate z nell'opzione dati y, selezionare polinomioe immettere l'ordine di adattamento Ottenuto. Quindi, il software emetterà automaticamente l'equazione parametrica e la bontà della vestibilità.
NOTA: Poiché la curva è un'immagine 2D, l'opzione di lavoro di default è l'opzione x e y nello strumento Adattamento curva quando si monta una curva. - Allo stesso modo, immettere le coordinate 3D dei 66 punti e associare i dati delle coordinate alle opzioni dell'asse corrispondenti. Selezionare polinomio e immettere l'ordine di adattamento per ottenere l'equazione parametrica della superficie di fascia (Figura 6B).
4. Acquisizione di dati geometrici basati su equazione parametrica
- Immettere i valori delle coordinate x e y di qualsiasi punto sulla piastra terminale nella finestra di comando.
- Ingresso PX1, PX2, PX3....
NOTA: Px è i parametri dell'equazione parametrica che sono stati adattati utilizzando il polinomio nei passaggi precedenti. - Immettere l'equazione e fare clic su Invio per ottenere il risultato (ad es. "x", "x" e P03, "y"3", p40x ,4, P31,x ,3, y , P22x 2 , y , 2 , P13x y, 3 , P04y , 4).
5. Rappresentazione dell'endplate in base all'equazione parametrica
- Ingresso PX1, PX2, PX3.... nella finestra di comando.
- Inserire il codice X-N1:0.01:N2 ;
NOTA: N1–N2 è l'intervallo di dati dell'asse X (cioè i valori dei due punti finali della curva centro-coronale). - Inserire il codice "Y-N3:0.01:N4;".
- Immettere l'equazione (ad es. 03. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- Inserire il codice ezmesh(z, [N1,N2,N3,N4]) per ottenere la grafica di simulazione 3D (Figura 6C).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Utilizzando lo scanner ottico 3D flatbed altamente preciso, le piastre finali sono state convertite in più di 45.000 punti digitali, che caratterizzano adeguatamente la morfologia (Figura 2A,B).
Nel protocollo di misurazione è stata condotta l'analisi spaziale delle superfici di fascia. Le curve rappresentative sono state montate e quantificate in superficie per caratterizzare la morfologia (Figura 4B). I parametri lineari sono stati misurati calcolando la distanza tra due punti finali. Le misurazioni ottenute comprendono la profondità della concavità e la posizione dell'apice della concavità nel piano medio-sagittale, oltre a quelle dell'intera concavità della piastra finale e di qualsiasi sezione specifica (Figura 5B). I componenti di endplates, epiphyseal rim e central endplate sono stati separati(Figura 5C) e le loro lunghezze e aree sono state ottenute comodamente.
Un totale di 138 targhe vertebrali cervicali sono stati digitalizzati e analizzati, e il modello matematico della piastra finale è stato stabilito. Il protocollo imposta le somme di errore al quadrato inferiori a 0,01, e si è concluso che l'utilizzo della funzione polinomiale a quattro ordini potrebbe ottenere soddisfazione.
L'equazione parametrica di ogni curva è stata dedotta in basealle coordinate di11 punti: f(x) P1, P2, P3, P4 e P5 erano i parametri, i cui valori esatti sono riportati nella Tabella 1.
L'equazione parametrica che rappresenta le caratteristiche morfologiche della superficie di fascia è:
F(x, y) , P00 , P10x , P01, y , p20, x , 2 , P11, x , y , p02, y, x,p , p , p , p,x , 2 , P 1 , p ,12, x , y2 , P ,03, y , 3 , P31 Sx 2 , y2 , P13, x , y , 3 , P04, y , 4
Dove: PXYs sono i parametri, che sono stati dedotti dalle coordinate pre-misurate di 66 punti (Tabella 2).
Figura 1: Scanner piano della gamma 3D ottica senza contatto. Lo scanner, che si basa sulla tecnologia di misurazione ottica 3D dello spostamento di fase multifrequenza eterodino, include la misurazione ottica (che si integra attorno a due telecamere e un proiettore) e dispositivi di controllo. La precisione di questo strumento è 0,02 mm e i pixel 1628 x 1236. Lo scanner può digitalizzare in modo efficiente (tempo di ingresso 3 s) digitalizzare la geometria della superficie di un oggetto di destinazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: La nuvola di punti della superficie vertebrale e la ricostruzione 3D della piastra finale. (A) e (B) sono le superfici inferiori e superiori di una vertebra cervicale generata dal software appositamente utilizzato per l'elaborazione di nuvole di punti, rispettivamente. (C) e(D) sono la ricostruzione 3D delle piastre finali inferiori e superiori generate dal software appositamente utilizzato rispettivamente per la ricostruzione 3D e l'elaborazione dei dati. Gli elementi posteriori e gli osteofiti vengono rimossi dalle vertebre, lasciando solo la piastra finale. Il piano più adatto è definito attraverso i punti più anteriori e più posteriori dei processi uncinati bilaterali, e le due curve formate dal piano e dalla piastra di punta più adatti sono i confini dell'articolazione non covertebrale e dell'estremità caudale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Definizione del sistema di coordinate 3D della piastra terminale. Marcatura di tre punti di riferimento anatomici sul bordo epifisico: i primi due sono rispettivamente i punti finali sinistro e destro del bordo finale della piastra finale; il terzo è il punto mediano anteriore. La linea frontale posteriore è formata dai due punti finali del bordo, che definiscono il piano medio-sagittale con il punto mediano anteriore. Il punto mediano posteriore è determinato dal piano medio-sagittale e dal bordo epifiseposteriore posteriore, che formano il diametro medio sagittale con il punto mediano anteriore. L'origine è il punto medio del diametro medio-sagittale. L'asse y è determinato dal diametro medio-sagittale e puntato in avanti. L'asse x è la linea parallela alla linea frontale posteriore. L'asse z è normale al piano x-y. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: I gradini di montaggio delle curve e dei punti caratteristici sulla superficie della piastra finale. (A) Dividere equamente il diametro medio sagittale e il diametro frontale medio in quattro parti. (B) Attraversare ogni punto equidistante e scegliere sei curve di superficie in modo simmetrico, tre delle quali sono le curve di intersezione del piano frontale e della superficie della piastra terminale e le altre tre nel piano sagittale. (C) Dividere il diametro medio-sagittale equamente in 10 parti. (D) Passando attraverso ogni punto equidistante, i piani frontali e la curva media-sagittale formano nove intersezioni, con una somma di 11 punti, insieme ai due punti finali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Misurazione della profondità della concavità della piastra terminale e della superficie. (A) Creare un piano parallelo al piano x-y. (B) Scostamento del piano fino a quando non è tangente al punto più concavo e la profondità della concavità della piastra terminale è la distanza perpendicolare tra il punto più concavo e il piano x-y. (C) Disegnare una linea lungo i margini interni dell'anello epifisico per partizionare l'estremità nella fascia centrale e nel bordo epifisio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: La ricostruzione 3D e le rappresentazioni di un'estremità inferiore. (A) La ricostruzione 3D della superficie di fascia inferiore generata dal software appositamente utilizzato per la ricostruzione 3D e l'elaborazione dei dati. (B) e(C) sono le rappresentazioni dell'endplate inferiore generate dal software di analisi e visualizzazione dei dati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Livello piastra finale | curva | Parametri | ||||
| P1 (in via p1) | P2 (in via di inad | P3 (in via di inad | P4 | P5 (in via in stato di | ||
| C6 superiore | 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 inferiore | 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 | |
Tabella 1: I parametri dell'equazione per rappresentare la curva della superficie della piastra terminale. Sono elencati solo i dati della sesta fascia vertebrale cervicale. Px: i parametri dell'equazione. Su ogni piastra terminale sono state scelte a livello simmetrico sei curve di superficie; tre di questi erano nel piano frontale e chiamato la curva anteriore (FAC), la curva media (FMC) e la curva posteriore (FPC); gli altri tre nel piano sagittale sono stati chiamato la curva sinistra (SLC), la curva centrale (SMC) e la curva destra (SRC). I parametri con un valore assoluto inferiore a 0,0001 sono rappresentati come 0 qui.
| Parametri | 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 (in questo da un0>) | -0.0022 | -0.0043 | 0.00542 | -0.0208 | -0.0111 | 0.0012 | -0.0043 | -0.0052 |
| p.a. 01 | -0.0356 | -0.0868 | -0.0537 | -0.0826 | -0.0257 | -0.098 | -0.0407 | -0.0642 |
| p20 (in questo modo) | 0.01286 | -0.0252 | -0.0146 | -0.0299 | -0.0253 | -0.0264 | -0.0175 | -0.0088 |
| p11 (in modo | 0.00092 | 0.00071 | -0.0009 | 0.00018 | -0.0002 | -0.0012 | 0.00117 | 0.00021 |
| p02 (in questo modo) | -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 (in questo | -0.0011 | 0.00299 | -0.0012 | 0.00363 | -0.0021 | 0.00306 | -0.0019 | 0.00194 |
| p12 (in questo | 0 | 0.00048 | -0.0004 | 0.00033 | 0.00014 | 0 | -0.0001 | 0 |
| p.a. | 0.00062 | 0.00204 | 0.00089 | 0.00206 | 0.00046 | 0.00208 | 0.00077 | 0.00115 |
| p40 (in questo modo) | 0.0002 | 0 | 0.0002 | 0 | 0.00024 | 0 | 0 | 0 |
| p31 (in modo instato | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| p22 (in questo | 0.00017 | 0.00013 | 0 | 0.00015 | 0.00015 | 0.00017 | 0.00032 | 0 |
| p13 (in modo | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| p04 | 0.00023 | 0.00013 | 0.00024 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tabella 2: I parametri dell'equazione parametrica che rappresentano la morfologia della superficie della piastra terminale. Px - i parametri dell'equazione; inf - estremità inferiore; sup - estremità superiore. I parametri con un valore assoluto inferiore a 0,0001 sono rappresentati come 0 qui. Questa tabella è stata modificata da una precedente pubblicazione3.
| Misure | Affidabilità intratest | Misure | RE vs Caliper | ||
| Apd | Prima rimisurazione | 15,76,1,3 | Apd | RE | 16,47,1,31 |
| Misurazione | 15,86,1,61 | Pinza | 16.26-1,27 | ||
| Icc | 0.85 | Alfa di Cronbach | 0.99 | ||
| Cmd | Prima rimisurazione | 19,71 -2,47 | Cmd | RE | 20,7-3,05 |
| Misurazione | 19,41 -2,43 | Pinza | 20,45-3,21 | ||
| Icc | 0.96 | Alfa di Cronbach | 0.99 | ||
Tabella 3: Affidabilità delle misurazioni. I dati erano medi: deviazione standard (mm). ICC - coefficiente di correlazione intraclasse; APD - diametro antero-posteriore; CMD - diametro mediolaterale centrale; RE - il sistema di reverse engineering. Questa tabella è stata modificata da una pubblicazione precedente. 3 (COM del nome
| Valore delle misurazioni | N | Valore della coordinata z | T | abbreviazione di "pence" o "penny" | R |
| Punti originali | 15 | 1,75-0,87 | 0.26 | 0.8 | 0.98 |
| Punti di confronto | 15 | 1,74-0,91 |
Tabella 4: La validità del modello geometrico che rappresenta la morfologia della piastra terminale. I dati sono rappresentati come media : deviazione standard (mm). I punti originali sono 15 punti selezionati casualmente sull'immagine di ricostruzione 3D originale. Punti di confronto: punti corrispondenti generati automaticamente da equazioni parametriche; R - coefficiente di correlazione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'ingegneria inversa è stata sempre più e con successo applicata al campo della medicina, come cranioplastica20, orale21e impianti maxillo-facciali21. Le misurazioni di ingegneria inversa, vale a dire la digitalizzazione della superficie del prodotto, si riferiscono alla conversione delle informazioni sulla superficie in dati della nuvola di punti che impiegano attrezzature e metodi di misurazione specifici. Sulla base di tali dati, è possibile eseguire la modellazione, la valutazione, i miglioramenti e la produzione di superfici complessi. La misurazione digitale e l'elaborazione dei dati sono una tecnologia di base e fondamentale utilizzata nel reverse engineering.
In questo protocollo, le informazioni di morfologia accurate e dettagliate delle piastre vertebrali vengono registrate utilizzando un sistema di scansione della gamma 3D ottica senza contatto, che si basa sulla tecnologia di misurazione ottica 3D a multifrequenza eterodina, spostamento di fase. Lo scanner è costituito principalmente da dispositivi di controllo e da una misura ottica che integra due telecamere e un proiettore. Rispetto ad altri strumenti di misura, lo scanner è altamente accurato ed efficiente ed evita la scansione punto per punto. Quando si acquisiscono dati nuvola di punto, la testina di scansione di solito non è in contatto con l'oggetto, in modo che non ci siano effetti di deformazione. L'affidabilità, la validità e la precisione dello scanner per la registrazione della morfologia superficiale sono state ben consolidate2,3,22. La replicabilità di queste misurazioni è stata verificata.
Per verificare l'accuratezza delle misurazioni effettuate dal sistema di reverse engineering, sono state misurate 20 piastre finali utilizzando una pinza digitale e valutate utilizzando Cronbach alpha. Per l'affidabilità intra-test, 16 placche finali sono state selezionate casualmente tra le 138 piastre vertebrali e misurate due volte a intervalli di 2 settimane, quindi valutate utilizzando un coefficiente di correlazione intra-classe. I risultati hanno mostrato un grande accordo e affidabilità (Tabella 3). Il software di ingegneria inversa prevede potenti misurazioni, elaborazione dei dati, rilevamento degli errori e funzioni libere di modifica di curve e superfici. Può anche costruire e regolare in modo intelligente ed efficiente curve e superfici, e la ricostruzione del modello di superficie 3D contribuisce a misurazioni accurate23.
Esistono applicazioni importanti e considerevoli per dati di anatomia dettagliati e completi delle vertebre, come la progettazione di impianti spinali, il miglioramento della fedeltà dei modelli di elementi finiti della colonna vertebrale e lo sviluppo di modelli matematici. L'estremità vertebrale è essenziale per mantenere l'integrità e la funzione del disco intervertebrale, e serve anche come interfaccia meccanica per trasferire lo stress. Pertanto, la quantificazione della geometria della piastra di estremità è importante. Con l'aiuto del reverse engineering, la morfologia della piastra può essere quantificata in modo intelligente e completo. In questo protocollo, sei curve caratteristiche sono montate sulla superficie di ogni estremità e viene stabilito un sistema di coordinate 3D per quantificare la morfologia spaziale.
Inoltre, viene sviluppato un modello parametrico dell'estremità per istituire valutazioni quantitative accurate e riproducibili e per sviluppare modelli di elementi finiti biomeccanici personalizzati. Il modello parametrico della superficie delle piastre finali può produrre rappresentazioni rapide, realistiche e accurate che possono essere visualizzate e analizzate comodamente dai ricercatori.
L'inclusione di più punti di riferimento migliorerà la precisione, ma è lunga e costosa. In questo protocollo, si propone che 66 punti da sei curve di superficie siano adeguati per descrivere le caratteristiche morfologiche. I test di affidabilità vengono eseguiti anche confrontando i valori delle coordinate di 15 punti selezionati casualmente con i valori corrispondenti generati automaticamente dalle equazioni parametriche. Il risultato rivela che il modello parametrico ha una buona affidabilità e riproducibilità può servire come una rappresentazione realistica della superficie della piastra terminale(tabella 4). Va notato che il modello parametrico può essere derivato sulla base di altre modalità di imaging come la TC e la RISONANZa magnetica.
Poiché gli scanner senza contatto sono soggetti a luce ambientale, è fondamentale mantenere stabile la luce ambientale e si consigliano sorgenti luminose attive. Se c'è grasso residuo sulla superficie dell'estremità, la polvere di talco infantile deve essere imbratta delicatamente per evitare il rischio di essere influenzata dalle caratteristiche di riflettanza spaziale della superficie dell'oggetto. Le vertebre cervicali subassiali hanno una componente speciale: l'articolazione disvertebrale. Per distinguerlo dall'estremità, viene definito un piano ottimale utilizzando il metodo del minor quadrato. Quindi, la curva di intersezione formata dal piano di adattamento e la superficie della piastra finale è il contorno tra l'articolazione disvertebrale e la piastra finale superiore (Figura 2D).
L'operazione specifica è la seguente: fare clic su Start > Forma > Generative Shape Design. Fare clic sull'icona Punto nella barra degli strumenti sul lato destro, quindi selezionare i punti più anteriori e più posteriori dei processi di uncinate bilaterali sull'immagine 3D. Fare clic sull'icona Piano e selezionare Media punti nel tipo di piano per definire il piano di adattamento. Fare clic su Start > Forma > Ricostruzione rapida della superficie. Fate clic sull'icona Sezione planare, quindi selezionate l'immagine 3D e il piano di adattamento.
La marcatura accurata dei tre punti anatomici sulla superficie della piastra terminale quando si stabilisce il sistema di coordinate 3D è fondamentale. Il software di reverse engineering consente lo spostamento flessibile dell'immagine di ricostruzione e migliora il contrasto che aiuta a identificare i punti di riferimento. In alternativa, è importante valutare l'adeguatezza del sistema di coordinate in base al fatto che la linea intersecante dei piani sagittale e coronale definiti sia perpendicolare alla sezione della piastra terminale e quindi regolare il sistema di conseguenza. Sono stati valutati anche i test intra-osservatori e il risultato ha indicato una buona affidabilità(tabella 3).
Questo protocollo richiede competenze e tecniche multiple, tra cui l'acquisizione e l'elaborazione dei dati del cloud di punti, la ricostruzione e l'analisi delle immagini e lo sviluppo di modelli parametrici. Per un principiante, potrebbe essere necessario del tempo per completare l'intero processo. Tuttavia, poiché vengono utilizzati solo pochi moduli del software in questo protocollo e la procedura è modulare, richiede una breve curva di apprendimento per diventare ben esperta.
In conclusione, il protocollo descritto fornisce un metodo accurato e riproducibile per ottenere dati geometrici dettagliati e completi delle piastre vertebrali. Un modello parametrico viene sviluppato anche senza la digitalizzazione di troppi punti di riferimento, il che è utile per la progettazione di impianti spinali personalizzati, la pianificazione di atti chirurgici, la creazione di diagnosi cliniche e lo sviluppo di modelli di elementi finiti accurati.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non dichiarano interessi finanziari concorrenti.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato finanziato da Key Discipline Construction Project del Pudong Health Bureau di Shanghai (PW-xk2017-08) e dalla National Natural Science Foundation of China (81672199). Gli autori desiderano ringraziare Wang Lei per il suo aiuto nella revisione di una versione precedente e Li haoyang per il suo aiuto nello sviluppo del modello parametrico.
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).
