Mesures de précision et modèles paramétriques des plaques vertébrales
Summary
Un système d’ingénierie inverse est utilisé pour enregistrer et obtenir des données géométriques détaillées et complètes des plaques vertébrales. Des modèles paramétriques de la plaque vertébrale sont ensuite développés, qui sont bénéfiques à la conception d’implants rachidiens personnalisés, à la réalisation de diagnostics cliniques et au développement de modèles précis d’éléments finis.
Abstract
Des données géométriques détaillées et complètes des plaques d’extrémité des vertèbres sont importantes et nécessaires pour améliorer la fidélité des modèles d’éléments finis de la colonne vertébrale, concevoir et améliorer les implants rachidiens, et comprendre les changements dégénératifs et la biomécanique. Dans ce protocole, un scanner haute vitesse et très précis est utilisé pour convertir les données de morphologie des surfaces d’extrémité en un nuage de points numériques. Dans le système logiciel, le nuage de points est traité et reconstruit en trois dimensions. Ensuite, un protocole de mesure est effectué, impliquant un système de coordonnées 3D défini pour faire de chaque point une coordonnées 3D, trois courbes de surface sagittale et trois courbes frontales qui sont symétriquement montés sur la surface de la plaque d’extrémité, et 11 points équidistants qui sont sélectionnés dans chaque courbe. Des mesures et des analyses spatiales sont enfin effectuées pour obtenir des données géométriques des plaques d’extrémité. Les équations paramétriques représentant la morphologie des courbes et des surfaces sont ajustées en fonction des points caractéristiques. Le protocole proposé, qui est modulaire, fournit une méthode précise et reproductible pour obtenir des données géométriques des plaques vertébrales et peut aider à des études morphologiques plus sophistiquées à l’avenir. Il contribuera également à la conception d’implants rachidiens personnalisés, à la planification d’actes chirurgicaux, à la réalisation de diagnostics cliniques et à l’élaboration de modèles précis d’éléments finis.
Introduction
Une plaque vertébrale est la coquille supérieure ou inférieure du corps vertébral et sert d’interface mécanique pour transférer le stress entre le disque et le corps vertébral1. Il se compose de la jante épiphysher, qui est un labrum osseux fort et solide entourant le bord externe du corps vertébral, et la plaque d’extrémité centrale, qui est mince et poreuse2.
La colonne vertébrale est sujette à un large éventail de troubles dégénératifs, traumatiques et néoplastiques, qui peuvent justifier une intervention chirurgicale. Récemment, les dispositifs de colonne vertébrale tels que les disques artificiels et les cages ont été largement utilisés. Des paramètres morphométriques précis et détaillés des plaques d’extrémité sont nécessaires pour la conception et l’amélioration des implants spinaux avec le contact efficace de prothèse-vertèbre et le potentiel de croissance d’os3. En outre, l’information sur la forme et la géométrie exactes des plaques vertébrales est importante pour comprendre la biomécanique. Bien que la modélisation des éléments finis permet la simulation des vertèbres réelles et a été largement utilisé pour étudier les réponses physiologiques de la colonne vertébrale à diverses conditions de chargement4, cette technique est spécifique au patient et non généralisable à tous les Vertèbres. Il a été suggéré que la variabilité intrinsèque de la géométrie des vertèbres au sein de la population générale devrait être prise en considération lors du développement du modèle d’élément fini5. Par conséquent, les paramètres géométriques des plaques d’extrémité sont propices à la génération de mailles et à l’amélioration de la fidélité dans la modélisation des éléments finis.
Bien que l’importance de l’appariement de la géométrie de la plaque d’extrémité et de la surface de l’implant ait été discutée dans des études antérieures6,7,8, les données sur la morphologie des plaques vertébrales sont rares. La plupart des études précédentes n’ont pas révélé la nature 3D de la plaque d’extrémité9,10,11. Une analyse spatiale est nécessaire pour mieux et bien représenter la morphologie de la plaque d’extrémité12,13,14. En outre, la plupart des études ont employé des techniques de mesure de précision inférieure10,15,16. En outre, un grossissement significatif a été rapporté lorsque les paramètres de géométrie sont mesurés en utilisant la radiographie ou la tomographie calculée (CT)17,18. Bien que l’imagerie par résonance magnétique (IRM) soit considérée comme non invasive, elle est moins précise dans la définition des marges précises des structures ossées11. En raison de l’absence d’un protocole de mesure normalisé, il existe de grandes différences entre les données géométriques existantes.
Ces dernières années, l’ingénierie inverse, qui peut numériser les pièces physiques existantes en modèles solides informatisés, a été de plus en plus appliquée dans le domaine de la médecine. La technique permet de développer une représentation précise du caractère anatomique des surfaces vertébiennes sophistiquées. Le système d’ingénierie inverse comprend deux sous-systèmes : le système d’instrumentation et le système logiciel. Le système d’instrumentation adopté dans ce protocole est muni d’un scanner à plat optique de portée 3D sans contact, à grande vitesse et très précis (précision de 0,02 mm, 1 628 x 1 236 pixels). Le scanner peut capturer efficacement (temps d’entrée 3 s) des informations de morphologie de surface de l’objet cible et le convertir en nuage de points numériques. Le système logiciel (c.-à-d. logiciel d’ingénierie inversée) est une application informatique pour le traitement des données en nuage de points (voir Tableau des matériaux),la reconstruction du modèle de surface 3D, l’édition de courbes et de surface libres, et le traitement des données (voir tableau de Matériaux).
Les objectifs du présent rapport sont (1) de concevoir un protocole de mesure et un algorithme pour obtenir des paramètres quantitatifs des terminaisons vertébrales basés sur une technique d’ingénierie inversée, (2) développer un modèle mathématique qui permet un modèle réaliste représentation des plaques vertébrales sans numériser trop de repères. Ces méthodes seront bénéfiques à la planification de l’acte chirurgical et à la modélisation des éléments finis.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’ingénierie inverse a été appliquée de plus en plus et avec succès dans le domaine de la médecine, comme la cranioplastie20, orale21, et les implants maxillo-faciaux21. Les mesures d’ingénierie inversées, à savoir la numérisation de surface du produit, se réfèrent à la conversion des informations de surface en données de cloud de point utilisant des équipements et des méthodes de mesure spécifiques. Sur la base de ces données, la m…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été financés par Key Discipline Construction Project du Pudong Health Bureau de Shanghai (PWZxk2017-08) et par la National Natural Science Foundation of China (81672199). Les auteurs tiens à remercier Wang Lei pour son aide dans la relecture d’une version antérieure et Li Zhaoyang pour son aide dans le développement du modèle paramétrique.
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 |
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