Precisie metingen en parametrische modellen van Vertebrale eindplaten
Summary
Een reverse engineering systeem wordt gebruikt om gedetailleerde en uitgebreide geometriegegevens van Vertebrale eindplaten op te nemen en te verkrijgen. Parametrische modellen van Vertebrale eindplaat worden vervolgens ontwikkeld, die gunstig zijn voor het ontwerpen van gepersonaliseerde spinale implantaten, het maken van klinische diagnoses, en het ontwikkelen van nauwkeurige eindige element modellen.
Abstract
Gedetailleerde en uitgebreide meetkundige gegevens van eindplaten van wervels zijn belangrijk en noodzakelijk om de getrouwheid van eindige-element modellen van de wervelkolom, het ontwerp en de verbetering van spinale implantaten te verbeteren, en om degeneratieve veranderingen en biomechanica te begrijpen. In dit protocol wordt een High-Speed en uiterst nauwkeurige scanner gebruikt om morfologische gegevens van eindplaat-oppervlakken om te zetten in een Digital Point Cloud. In het software systeem wordt de puntenwolk verder verwerkt en in drie dimensies gereconstrueerd. Vervolgens wordt een meetprotocol uitgevoerd met een 3D-coördinatensysteem dat is gedefinieerd om elk punt een 3D-coördinaat, drie sagittale en drie frontale oppervlakte curven te maken die symmetrisch op het eindoppervlak zijn aangebracht, en 11 equidistante punten die in elke curve geselecteerd. Metingen en ruimtelijke analyses worden uiteindelijk uitgevoerd om geometrische gegevens van de eindplaten te verkrijgen. Parametervergelijkingen die de morfologie van bochten en oppervlakken vertegenwoordigen, worden op basis van de karakteristieke punten aangebracht. Het voorgestelde protocol, dat modulair is, biedt een nauwkeurige en reproduceerbare methode om geometrische gegevens van Vertebrale eindplaten te verkrijgen en kan in de toekomst helpen bij meer verfijnde morfologische studies. Het zal ook bijdragen aan het ontwerpen van gepersonaliseerde spinale implantaten, het plannen van chirurgische handelingen, het maken van klinische diagnoses en het ontwikkelen van nauwkeurige eindige element modellen.
Introduction
Een Vertebrale eindplaat is de superieure of inferieure schaal van het wervellichaam en dient als een mechanische interface om stress tussen de schijf en het wervellichaam over te brengen1. Het bestaat uit de Epifysaire RIM, een sterk en solide Bony labrum rond de buitenste rand van het wervellichaam, en de centrale eindplaat, die dun en poreus2is.
De wervelkolom is onderhevig aan een breed scala aan degeneratieve, traumatische en neoplastische aandoeningen, die chirurgische interventie kunnen rechtvaardigen. Onlangs zijn spinale apparaten zoals kunstmatige schijven en kooien op grote schaal gebruikt. Nauwkeurige en gedetailleerde Morfometrische parameters van eindplaten zijn noodzakelijk voor het ontwerp en de verbetering van spinale implantaten met effectieve prothese-vertebra contact en bot Botingroei potentiële3. Bovendien is informatie over de exacte vorm en geometrie van Vertebrale eindplaten belangrijk voor het begrijpen van de biomechanica. Hoewel de eindige-element modellering het mogelijk maakt om de echte wervels te simuleren en op grote schaal is gebruikt om fysiologische reacties van de wervelkolom te bestuderen op verschillende belastingscondities4, is deze techniek patiëntspecifiek en niet generaliseerbaar voor alle Wervels. Er is gesuggereerd dat de intrinsieke variabiliteit van de geometrie van wervels onder de algemene populatie moet worden overwogen bij de ontwikkeling van het eindige-element model5. Daarom zijn de geometrische parameters van eindplaten bevorderlijk voor de mesh-generatie en getrouwheids verbetering in eindige-element modellering.
Hoewel het belang van de matching van de geometrie van de eindplaat en het implantaat oppervlak in voorgaande studies6,7,8is besproken, zijn gegevens over de morfologie van de wervel uiteinden schaars. De meeste eerdere studies hebben nagelaten om de 3D-aard van de eindplaat9,10,11te onthullen. Een ruimtelijke analyse is nodig om de eindplaat morfologie12,13,14beter en volledig te verbeelden. Bovendien, de meeste studies hebben gebruikt lagere precisie meettechnieken10,15,16. Bovendien is significante vergroting gerapporteerd wanneer geometrie parameters worden gemeten met gebruik van radiografie of computertomografie (CT)17,18. Hoewel magnetische resonantie imaging (MRI) wordt beschouwd als niet-invasief, is het minder nauwkeurig bij het definiëren van de precieze marges van osseeuze structuren11. Door het ontbreken van een gestandaardiseerd meetprotocol zijn er grote verschillen tussen de bestaande meetkundige gegevens.
In de afgelopen jaren is reverse engineering, die de bestaande fysieke onderdelen in computergestuurde Solid-modellen kan digitaliseren, steeds meer toegepast op het gebied van de geneeskunde. De techniek maakt het mogelijk om een accurate representatie van het anatomische karakter van verfijnde wervels oppervlakken te ontwikkelen. Het reverse engineering systeem omvat twee subsystemen: het instrumentatie systeem en het software systeem. Het instrumentatie systeem dat in dit protocol is goedgekeurd, heeft een contactloze optische 3D-serie flatbedscanner, die zeer nauwkeurig is (Precision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 pixels). De scanner kan efficiënt (ingangstijd 3 s) de oppervlakte-morfologie informatie van het doelobject vastleggen en omzetten in Digital Point Cloud. Het software systeem (d.w.z. reverse engineering software) is een computer toepassing voor puntenwolkgegevens verwerking (zie tabel met materialen), 3D oppervlak model reconstructie, vrije curve en oppervlaktebewerking, en gegevensverwerking (Zie tabel van Materialen).
De doelstellingen van dit verslag zijn om (1) een meetprotocol en algoritme te bedenken om kwantitatieve parameters van Vertebrale eindplaten te verkrijgen op basis van een reverse engineering-techniek, (2) een wiskundig model te ontwikkelen dat een realistische representatie van Vertebrale eindplaten zonder te veel bezienswaardigheden te digitaliseren. Deze methoden zullen gunstig zijn voor de planning van chirurgische handelingen en eindige-element modellering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Reverse engineering is steeds en met succes toegepast op het gebied van de geneeskunde, zoals cranioplastiën20, Oral21, en maxillofaciale implantaten21. Reverse engineering-metingen, namelijk productoppervlak digitalisering, verwijst naar de conversie van oppervlakte informatie naar puntenwolkgegevens die gebruikmaken van specifieke meetapparatuur en-methoden. Op basis van dergelijke gegevens kunnen complexe oppervlakte modellering, evaluatie, verbe…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door Key discipline bouw project van Pudong Health Bureau van Shanghai (PWZxk2017-08) en de National Natural Science Foundation of China (81672199). De auteurs willen Wang Lei bedanken voor zijn hulp bij het proeflezen van een eerdere versie en Li Zhaoyang voor zijn hulp bij het ontwikkelen van het parametrische model.
Materials
| 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 |
Referenzen
- 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).
