Точность измерений и параметрических моделей конечных знаков позвоночника
Summary
Для регистрации и получения подробных и всеобъемлющих геометрических данных позвоночных плит используется система обратной инженерии. Затем разрабатываются параметрические модели эндплоцповыпок позвонков, которые полезны для проектирования персонализированных спинальных имплантатов, проведения клинических диагнозов и разработки точных моделей конечных элементов.
Abstract
Подробные и всеобъемлющие геометрические данные конечных плит позвонков важны и необходимы для улучшения точности конечных элементов моделей позвоночника, проектирования и улучшения спинальных имплантатов, а также понимания дегенеративных изменений и биомеханики. В этом протоколе используется высокоскоростной и высокоточный сканер для преобразования морфологических данных поверхностей конечных пластин в цифровое облако точек. В программной системе облако точек дополнительно обрабатывается и реконструируется в три измерения. Затем выполняется протокол измерения, включающий систему 3D-координат, определяемую для того, чтобы сделать каждую точку 3D-координат, три сагиттальные и три кривые фронтальной поверхности, которые симметрично установлены на поверхности конечных пластин, и 11 равноудаленных точек, которые выбран в каждой кривой. Измерения и пространственный анализ, наконец, выполняются для получения геометрических данных конечных плит. Параметрические уравнения, представляющие морфологию кривых и поверхностей, устанавливаются на основе характерных точек. Предлагаемый протокол, который является модульным, обеспечивает точный и воспроизводимый метод получения геометрических данных позвоночных плит и может помочь в более сложных морфологических исследованиях в будущем. Это также будет способствовать разработке персонализированных спинальных имплантатов, планирование хирургических актов, делая клинические диагнозы, и разработка точных моделей конечных элементов.
Introduction
Конечная позвоночная пластина является превосходной или нижней оболочки тела позвонка и служит в качестве механического интерфейса для передачи стресса между диском и позвоночным телом1. Он состоит из эпифиза обода, который является сильным и твердым костлявый labrum окружающих внешний край тела позвонка, и центральной конечной пластины, которая является тонкой и пористой2.
Позвоночник подвержен широкому спектру дегенеративных, травматических и неопластических расстройств, которые могут потребовать хирургического вмешательства. В последнее время широко используются спинномозговые устройства, такие как искусственные диски и клетки. Точные и подробные морфометрические параметры эндплит необходимы для проектирования и улучшения спинальных имплантатов с эффективным контактом протеза-позвонка и потенциалом вращения костей3. Кроме того, для понимания биомеханики важна информация о точной форме и геометрии конечных плит позвонков. Хотя конечное моделирование элементов позволяет моделирование реальных позвонков и широко используется для изучения физиологических реакций позвоночника на различные условия загрузки4, этот метод является конкретным пациентом и не обобщается для всех Позвонков. Было высказано мнение о том, что при разработке конечного элемента модели5следует учитывать внутреннюю изменчивость геометрии позвонков среди населения в целом. Таким образом, геометрические параметры конечных плит способствуют генерации сетки и повышению точности в моделировании конечного элемента.
Хотя важность сопоставления геометрии конечных плит и поверхности имплантата обсуждалась в предыдущих исследованиях6,7,8, данные о морфологии позвоночных плит не хватает. Большинство предыдущих исследований не смогли выявить 3D характер endplate9,10,11. Пространственный анализ необходим для лучшего и полного изображения морфологии конечныхпластин 12,13,14. Кроме того, большинство исследований использовали методы измерения более низкой точности10,15,16. Кроме того, было зарегистрировано значительное увеличение, когда параметры геометрии измеряются с помощью радиографии или компьютерной томографии (КТ)17,18. Хотя магнитно-резонансная томография (МРТ) считается неинвазивной, она менее точна в определении точных полей косых структур11. Из-за отсутствия стандартизированного протокола измерений между существующими геометрическими данными существуют значительные различия.
В последние годы в области медицины все чаще применяется обратная инженерия, которая может оцифровать существующие физические детали в компьютеризированные твердые модели. Техника позволяет разработать точное представление анатомического характера сложных поверхностей позвонков. Система обратной инженерии включает в себя две подсистемы: приборостроенную систему и программную систему. Приборная система, принятая в этом протоколе, имеет бесконтактный оптический 3D-сканер, который является высокоскоростным и высокоточным (точность 0,02 мм, 1628 x 1236 пикселей). Сканер может эффективно (время ввода 3 с) улавливать информацию о морфологии поверхности целевого объекта и преобразовывать его в цифровое облако точек. Программное обеспечение (т.е. программное обеспечение обратной инженерной) представляет собой компьютерное приложение для обработки данных облака точечных (см. Таблица Материалов),реконструкции 3D поверхностной модели, свободной кривой и редактирования поверхности, а также обработки данных (см. таблицу Материалы).
Цель настоящего доклада состоит в том, чтобы (1) разработать протокол измерения и алгоритм для получения количественных параметров конечных плит позвоночных на основе метода обратной инженерии, (2) разработать математическую модель, которая позволяет реалистично представление позвоночных конечных пластин без оцифровки слишком много ориентиров. Эти методы будут полезны для хирургического планирования акта и конечного моделирования элементов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Обратная инженерия все чаще и успешно применяется в области медицины, таких как краниопластика20, устные21, и челюстно-лицевой имплантатов21. Обратные инженерные измерения, а именно оцифровка поверхности продукта, относится к преобразованию поверх?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была профинансирована ключевым проектом по строительству дисциплины Бюро здравоохранения Пудун в Шанхае (PW’xk2017-08) и Национальным фондом естественных наук Китая (81672199). Авторы хотели бы поблагодарить Ван Лэя за помощь в корректурова более ранней версии и Ли Чжаоян за помощь в разработке параметрической модели.
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).
