Summary
En reverse engineering system er ansat til at registrere og opnå detaljerede og omfattende geometri data af vertebrale endplates. Parametriske modeller af vertebrale endplate er derefter udviklet, som er gavnligt at designe personlige spinal implantater, at gøre kliniske diagnoser, og udvikle nøjagtige finite element modeller.
Abstract
Detaljerede og omfattende geometriske data af hvirvler endepladerne er vigtig og nødvendig for at forbedre troskab af Finite element modeller af rygsøjlen, design og forbedre spinal implantater, og forstå degenerative ændringer og biomekanik. I denne protokol er en høj hastighed og meget præcis scanner ansat til at konvertere morfologi data af endplate overflader til en digital punkt Sky. I software systemet bliver punktskyen yderligere behandlet og genopbygget i tre dimensioner. Derefter udføres en målings protokol, som involverer et 3D-koordinatsystem, der er defineret for at gøre hvert punkt til en 3D-koordinat, tre sagittale og tre frontale overflade kurver, som er symmetrisk monteret på endplate overfladen, og 11 ækvidistant punkter, der er vælges i hver kurve. Målinger og rumlige analyser udføres endelig for at opnå geometriske data for endepladerne. Parametriske ligninger, der repræsenterer morfologien af kurver og overflader, er monteret på grundlag af de karakteristiske punkter. Den foreslåede protokol, som er modulær, giver en præcis og reproducerbar metode til at opnå geometriske data af vertebrale endepladerne og kan hjælpe i mere sofistikerede morfologiske undersøgelser i fremtiden. Det vil også bidrage til at designe personlige spinal implantater, planlægning kirurgiske handlinger, at gøre kliniske diagnoser, og udvikle nøjagtige finite element modeller.
Introduction
En vertebrale endplate er den overlegne eller ringere skal af rygsøjlen og fungerer som en mekanisk grænseflade til at overføre stress mellem skiven og vertebrale krop1. Den består af epifyseal fælgen, som er en stærk og solid knogle teknikker omkring den ydre rand af rygsøjlen, og den centrale endplate, som er tynd og porøs2.
Rygsøjlen er underlagt en bred vifte af degenerative, traumatiske, og neoplastiske lidelser, som kan berettige kirurgisk indgreb. For nylig er rygmarvs anordninger såsom kunstige skiver og bure blevet anvendt i vid udstrækning. Nøjagtige og detaljerede morphometriske parametre af endepladerne er nødvendige for design og forbedring af rygmarvs implantater med effektiv protesen-vertebra kontakt og knogle indgroede potentielle3. Desuden er information om vertebrale endepladerne nøjagtige form og geometri vigtig for forståelsen af biomekanik. Selv om finite element modellering giver mulighed for simulering af den virkelige ryghvirvler og har været almindeligt anvendt til at studere fysiologiske reaktioner af rygsøjlen til forskellige belastningstilstande4, denne teknik er patient-specifikke og ikke generaliserbart til alle Ryghvirvler. Det er blevet foreslået, at den iboende variabilitet af hvirvler geometri blandt den almindelige befolkning bør overvejes ved udviklingen af Finite element model5. Derfor er de geometriske parametre for endepladerne befordrende for mesh generation og fidelity Enhancement i finite element modellering.
Selv om betydningen af matchningen af endplate geometri og implantat overfladen er blevet drøftet i tidligere undersøgelser6,7,8, er data om morfologien af vertebrale endepladerne knappe. De fleste tidligere undersøgelser har undladt at afsløre 3D-karakteren af endplate9,10,11. En rumlig analyse er nødvendig for bedre og fuldt ud at skildre endplate morfologi12,13,14. Desuden har de fleste undersøgelser anvendt lavere præcisions målingsteknikker10,15,16. Desuden er der rapporteret om betydelig forstørrelse, når geometri parametrene måles ved anvendelse af radiografi eller computertomografi (CT)17,18. Selvom magnetisk resonans imaging (MRI) betragtes som ikke-invasiv, er det mindre præcist at definere de nøjagtige margener af ossøse strukturer11. På grund af mangel på en standardiseret målings protokol er der store forskelle mellem eksisterende geometriske data.
I de senere år er reverse engineering, som kan digitalisere de eksisterende fysiske dele i edb-dækkende modeller, i stigende grad blevet anvendt på lægemiddelområdet. Teknikken gør det muligt at udvikle en nøjagtig gengivelse af den anatomiske karakter af sofistikerede hvirvler overflader. Reverse engineering systemet omfatter to delsystemer: instrumenterings system og software system. Det instrumenterings system, der er vedtaget i denne protokol, har en ikke-kontakt optisk 3D-række flatbedscanner, som er høj hastighed og meget præcis (præcision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 pixels). Scanneren kan effektivt (input time 3 s) fange overflade morfologi oplysninger om målet objekt og konvertere det til digital punkt Sky. Software systemet (dvs. reverse engineering software) er et edb-program til punkt Cloud data Processing (Se tabel over materialer), 3D-overflade model rekonstruktion, gratis kurve og overflade redigering, og databehandling (Se tabellen over Materialer).
Formålet med denne rapport er at (1) udarbejde en måleprotokol og algoritme for at opnå kvantitative parametre for vertebrale endepladerne baseret på en reverse engineering teknik, (2) udvikle en matematisk model, der giver mulighed for en realistisk repræsentation af vertebrale endepladerne uden at digitalisere for mange vartegn. Disse metoder vil være til gavn for kirurgisk Act planlægning og finite element modellering.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne undersøgelse blev godkendt af det sundheds forskningsetiske Råd i forfatternes Institut. Da cervikal vertebrale knogler har mere indviklede former19, bruger protokollen halshvirvlerne som en illustration for at fremme relevant forskning.
1. forberedelse af materialer, scanning, og billedbehandling
- Saml en tør cervikal hvirvlen uden patologisk deformation eller ødelagte dele.
- Placer hvirvlen lodret i scannerens platform (figur 1, se tabel over materialer) med endepladen vendt mod kameraets linse. Brug den aktive lyskilde til scanneren. Start derefter scanningsprocessen for at hente point Cloud-data (. ASC-format).
Bemærk: i henhold til pre-Scan billeder, justere scanneren og placeringen af hvirvlen til at fange så meget overflade morfologi oplysninger som muligt. - Åbn den software, der er specielt anvendt til behandling af punktskyer (Se tabel over materialer). Klik på Importer for at importere point Cloud-dataene og generere den digitale grafik i vertebra. Indstil samplingfrekvensen til 100%, Vælg Bevar fuldstændige data ved prøvetagning, Vælg data enheden som millimeter, og klik på skygge punkter. Brug værktøjet Frihåndsmarkering til at vælge overflødige punkter på grafikken, og klik derefter på Slet for at fjerne dem. Klik på Reducer støj , og Indstil udjævningen til maksimum for at reducere støj og pigge (figur 2a, B).
Bemærk: der er grundlæggende software betjeningsvejledning i bunden af GUI (grafisk brugergrænseflade). Støj punkter med indlysende skarpe sporer sideværts eller vertikalt bør fjernes for at reducere fejl. - Klik på Ombryd for at pakke billeddataene ind i. STL-format filen for at omdanne punktskyen til mesh, hvilket vil konvertere et punktobjekt til et polygon objekt.
Bemærk: reverse engineering software normalt accepterer. STL-stil 3D-format. - Åbn den software, der er specielt brugt til 3D-rekonstruktion og databehandling (Se tabel over materialer). Klik på filer og derefter på ny i undermenuen. Vælg del på listen over typer. Klik på Startog derefter på figur i undermenuen og derefter på digitaliseret figur Editor. Klik på ikonet Importer i værktøjslinjen i højre side af GUI. Vælg filen . STL format i vinduet Importer, og klik derefter på Anvend > OK. Klik på Tilpas alle i ikonet i værktøjslinjen nederst for at indlæse det rekonstruerede billede til hovedvinduet i præsentations softwaren.
Bemærk: trin 1.5-2.3.3 udføres med den samme software. - Klik på Aktivér på værktøjslinjen i højre side. I vinduet aktiver skal du vælge diffuse Rings tilstand ≫ polygonal type > Inside Trap. Vælg derefter vertebrale endplate på 3D-billedet for at fjerne unødvendige vertebrale komponenter, såsom de bageste elementer og osteophytes (figur 2c).
2. kvantificering af endpladens 3D-morfologi
- Definering af endplate 3D koordinatsystem
- Klik på Start > figur i undermenuen og derefter på det generative figur design. Klik på punkt ikonet på værktøjslinjen i højre side. Mark tre anatomiske vartegn på epifyseal fælgen: de to første er de venstre og højre endepunkter af endplate bageste kant, hhv. den tredje er den forreste median punkt.
- Klik på linje ikonet på værktøjslinjen i højre side, og vælg de to bageste kant endepunkter for at definere en posterior frontal linje. Klik på plane -ikonet, Vælg den plantype, der skal være normal til kurve, og vælg derefter den bageste frontal linje og forreste median punkt for at definere Mid-sagittal planet.
- Klik på Start > figur ≫ hurtig overflade genopbygning. Klik på planar sektions ikonet, Indtast 1 i nummer valgmulighed, og vælg derefter endplate billedet og Mid-sagittal plane for at generere en skærende kurve. Klik på kurve fra scannings ikonet, og vælg skæringspunktet for den skærende kurve og den bageste epifyseal-fælg. Definer skæringspunktet som det posterior median punkt.
- Klik på Start > figur ≫ generativ form design. Klik på linje ikonet, og vælg det forreste midterpunkt og posterior median punkt for at definere en mid-sagittal-diameter. Klik på punkt ikonet, derefter gentagelser af punkter og fly i undermenuen. Vælg derefter midten-sagittal diameter og Indtast 1 i forekomsten (s) mulighed for at definere midtpunktet af midten-sagittal diameter.
- Klik på akse system ikonet på værktøjslinjen nederst. Vælg derefter midtpunktet af midten-sagittal diameteren som oprindelsen, linjen parallelt med den bageste frontal linje som x-aksen, midten-sagittal diameter som y-aksen, og linjen peger fremad og vinkelret på x-y planet som z-aksen (figur 3 ).
Bemærk: de to bageste kant endepunkter vælges som referencepunkter, fordi de er konsistente og udviser minimal variation i tilstedeværelsen af osteophytes10.
- Montering af karakteristiske kurver og punkter på endepladens overflade (figur 4a – D)
- Klik på punkt ikonet, derefter gentagelser af punkter og fly i undermenuen. Vælg midten-sagittal diameter og Indtast 3 i tilfælde (r) mulighed for at opdele Mid-sagittal diameter ligeligt i fire dele.
- Klik på Start ≫ figur ≫ hurtig overflade genopbygning. Klik på ikonet planar sektion , Skriv 1 i indstillingen tal, og vælg derefter endplate billedet og x-z-planet for at generere en skærings kurve. Klik på kurve fra scannings ikonet, og vælg de to skæringspunkter for x-z-planet og epifyseal-fælgen.
- Definer linjen mellem de to skæringspunkter som Mid-frontal diameter. På samme måde, opdele Mid-frontal diameter ligeligt i fire dele.
Bemærk: når endpladen ikke er symmetrisk i forhold til med-sagittal-flyet, skal du vælge en af de to endepunkter i midterkurven, der har en kortere lodret afstand til z-y-planet. Definer derefter den midterste frontal diameter som 2x længden af den kortere, og Opdel den ligeligt i fire dele. - Klik på målpunktet mellem ikonet på værktøjslinjen nederst for at måle længden af en fjerdedel af diameteren Mid-sagittal. Klik på planar sektions ikonet, Indtast 2 i nummer valgmulighed, Indtast den målte værdi i trin option, og vælg derefter endplate billedet og x-z plane for at generere to passende kurver på den ene side af frontaldelen. Klik på Byt for at generere to tilpasnings kurver på den anden side. På samme måde, få de andre tre passende kurver i sagittale flyet.
Bemærk: de to Mid-frontal montering kurver overlapper med de to Mid-sagittal fitting kurver. - Vælg 11 ækvidistant punkter i hver kurve for efterfølgende målinger. Specifik metode er som følger:
- Ved at tage Mid-sagittal-kurven som et eksempel skal du opdele Mid-sagittaldiameteren ligeligt i 10 dele, hvilket resulterer i en sum på 11 point, herunder ni mellemliggende punkter og to endepunkter (Se trin 2.1.3 og 2.2.1).
- Gå gennem hvert ækvidistant punkt, få ni tilpasnings kurver på endplate overfladen (Se trin 2.2.2). Klik på kurve fra scannings ikonet, og vælg skæringspunktet for tilpasnings kurver og kurven for mellemsagittal. Endelig, få i alt 66 point på hver endplate (11 point pr kurve ganget med seks kurver). Klik på ikonet målpunkt på værktøjslinjen nederst for at måle koordinaterne for hvert punkt.
- Måling af endplate morfologiske parametre
- Linje parameter:
- Klik på ikonet mål mellem for at måle længden på linje parameteren, der er afstanden mellem to målte punkter.
- Konkavitets parametre:
- Opret et plan parallelt med x-y-planet (figur 5a): Klik på Start ≫ figur > generativ form design. Klik på skitse ikonet på værktøjslinjen i højre side, og klik derefter på x-y-planet. Klik på cirkel ikonet, klik på Origin på endplate overfladen, træk musemarkøren til en passende afstand, og klik derefter på. Klik på ikonet Afslut Workbench , derefter på udfyldnings ikonet, og klik derefter på.
- Klik på forskydnings ikonet, Vælg det udfyldte plan, og Indtast en passende værdi i indstillingen forskydning, indtil den Tanger den mest konkave del, og zoom ind. Klik på Start > figur ≫ hurtig overflade genopbygning. Klik derefter på 3D-kurve ikonet for at finde og oprette det mest konkave punkt. Klik på ikonet målpunkt for at måle koordinaterne for det mest konkave punkt (figur 5b).
- Klik på målpunktet mellem ikonet, og vælg derefter det mest konkave punkt og x-y-plan for at måle hele endplate-huldybden. På samme måde, finde og skabe den mest konkave dybde på et bestemt fly og måle dens koordinater.
- Klik på projektions ikonet på værktøjslinjen i højre side, og vælg derefter det mest konkave punkt og x-y-plan for at få projektiv punktet. Klik på ikonet målpunkt for at måle koordinaterne for projektiv punktet, og bestem dets fordeling baseret på koordinaterne.
- Parametre for overfladeareal:
- Klik på ikonet mål inerti på værktøjslinjen nederst, og klik på endplate overflade for at måle dens område. Klik på ikonet Aktivér , og vælg den centrale endeplade langs de indvendige margener på epifyseal-ringen (Se trin 1,6), og klik derefter på måle inerti ikonet for at måle dets område (figur 5c). Klik på ikonet Aktivér , derefter den centrale endplate og til sidst swap -ikonet i vinduet Aktivér for at få en epifyseal-fælg. Derefter måle sit område.
- Linje parameter:
3. udvikling af endplate overflade matematisk model
- Bestemmelse af rækkefølgen af parametrisk ligning
- Åbn dataanalyse-og visualiseringssoftwaren (Se tabel over materialer). Input x = [tilsvarende data] i kommandovinduet. Klik på Enter.
Bemærk: de "tilsvarende data" refererer til x-koordinat data for de 11 karakteristiske punkter i en kurve, der er blevet målt i de foregående trin. Klik på Enter efter indtastning af hver kommando, med det samme gælder for efterfølgende operationer. Trin 3.1 – 5.5 udføres ensartet med den samme software. - På samme måde, input z = [tilsvarende data].
- Indtast koden for i = 1:5 Z2 = polyfit (x, z, i); Z = polyval (Z2, x); Hvis sum ((Z-z). ^ 2) < 0,01 C =i Break; slutningen ende.
Bemærk: protokollen angiver fejl summen af kvadrater under 0,01 for at opnå højere præcision, hvis værdi kan justeres for at opfylde forskellige krav. - Klik på Enter for at få en C-værdi, der er den ønskede pasrækkefølge.
- Åbn dataanalyse-og visualiseringssoftwaren (Se tabel over materialer). Input x = [tilsvarende data] i kommandovinduet. Klik på Enter.
- Tilpasning af parameter ligning
- Input cftool og klik på Enter for at hente kurve tilpasningsværktøjet.
- Indtast koordinaterne for en kurve i kommandovinduet (Se trin 3.1.1 og 3.1.2). I kurve tilpasningsværktøjet skal du vælge x-Koordiner data, når du tilpasser frontal plane kurver og y-koordinat data, når du passer til sagittale plane kurver i x data option, skal du vælge z-koordinere data i y datavalg mulighed, Vælg polynomium, og Indtast fit Order Opnået. Derefter, softwaren vil output parametrisk ligning og godhed af pasform automatisk.
Bemærk: da kurven er et 2D-billede, er standardindstillingen for arbejde x-og y-indstillingerne i kurve tilpasningsværktøjet, når du passer en kurve. - På samme måde skal du indtaste 3D-koordinaterne for 66-punkterne og matche koordinat dataene med de tilsvarende Akseindstillinger. Vælg polynomium og Indtast pasrækkefølgen for at opnå parametrisk ligning af endplate overfladen (figur 6b).
4. erhvervelse af geometriske data baseret på parametrisk ligning
- Input x-og y-koordinat værdier for ethvert punkt på endpladen i kommandovinduet.
- Indgang Px1, px2, pX3....
Bemærk: PX er parametrene for den parametriske ligning, der er blevet monteret ved hjælp af polynomium i ovenstående trin. - Indtast ligningen, og klik på Enter for at 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. gengivelse af endpladen baseret på parametrisk ligning
- Indgang Px1, px2, pX3.... i kommandovinduet.
- Indtast koden X = n1: 0,01: n2;.
Bemærk: N1– n2 er intervallet af X-akse data (dvs. værdierne af de to endepunkter af themid-koronal kurven). - Indtast koden "Y = N3: 0,01: N4;".
- Indtast 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;).
- Indtast koden ezmesh (z, [n1, n2, n3, n4]) for at opnå 3D-simulerings grafik (figur 6c).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ved hjælp af den meget præcise optiske 3D Range flatbed scanner, blev endepladerne omdannet til mere end 45.000 digitale punkter, som i tilstrækkelig grad karakteriserer morfologien (figur 2a, B).
I målings protokollen blev den rumlige analyse af endplate overflader gennemført. Repræsentative kurver blev monteret og kvantificeret på overfladen for at karakterisere morfologi (figur 4b). De lineære parametre blev målt ved at beregne afstanden mellem to endepunkter. De opnåede målinger omfatter hulrum dybden og hulrum Apex placering i midten af sagittal plan, foruden dem af hele endplate konkytten og eventuelle specifikke afsnit (figur 5b). Komponenterne i endplates, epifyseal rim og central endplate blev adskilt (figur 5c), og deres længder og områder blev bekvemt opnået.
I alt 138 livmoderhalsen vertebrale endepladerne blev digitaliseret og analyseret, og den matematiske model af endplate blev etableret. Protokollen fastsætter summen af kvadrerede fejl under 0,01, og det konkluderedes, at brug af den fire-Order polynomium funktion kunne opnå tilfredshed.
Parametrisk ligning af hver kurve blev udledt baseret på koordinaterne på 11 punkter: f (x) = P1* x ^ 4 + p2* x ^ 3 + p3* x ^ 2 + p4* x + p5. P1, p2, p3, p4 og p5 var parametrene, hvis nøjagtige værdier er vist i tabel 1.
Den parametriske ligning, der repræsenterer de morfologiske egenskaber ved endplate overfladen, 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 blev udledt fra de præ-målte koordinater på 66 point (tabel 2).
Figur 1: den ikke-kontakt optiske 3D-række flatbed-scanner. Scanneren, som er baseret på heterodyne Multifrekvens Phase Shift 3D optisk måleteknologi, omfatter optisk måling (integrerer omkring to kameraer og en projektor) og kontrolenheder. Præcisionen af dette instrument er 0,02 mm, og pixels er 1628 x 1236. Scanneren kan effektivt (indlæsnings tidspunkt 3 s) digitalisere overflade geometrien for et målobjekt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: punkt sky af vertebrale overflade og 3D rekonstruktion af endplate. A) ogB) er de mindreværdige og overlegne overflader af en cervikal hvirvel, der genereres af den software, der er specielt anvendt til henholdsvis behandling af punktskyer. (C) og (D) er den 3D-rekonstruktion af de ringere og overlegne endepladerne genereret af softwaren specielt anvendes til 3D rekonstruktion og databehandling, hhv. De bageste elementer og osteophytes fjernes fra ryghvirvlerne, efterlader kun endpladen. Den bedst egnede plan er defineret gennem de forreste og bageste punkter i de bilaterale uncinate processer, og de to kurver dannet af den bedst egnede plan og endplate er grænserne for den uncovertebrale fælles og hale endplate. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: definition af endplate 3D koordinatsystem. Mærkning af tre anatomiske vartegn på epifyseal fælgen: de to første er de venstre og højre endepunkter af endplate bageste kant, hhv. den tredje er den forreste median punkt. Den bageste frontale linje dannes af de to bageste kant endepunkter, som definerer Mid-sagittal plan med den forreste median punkt. Det bageste median punkt bestemmes af midterplanet og den bageste epifyseal-fælg, som danner midterdiameteren i midten med det forreste median punkt. Oprindelsen er midtpunktet af midten-sagittal diameter. Y-aksen bestemmes af Mid-sagittal diameter og peger fremad. X-aksen er den linje, der er parallel med den posterior frontal linje. Z-aksen er normalt til x-y-planet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: trin til montering af karakteristiske kurver og punkter på endplate overfladen. (A) dividerer Mid-sagittaldiameteren og den midterste frontal diameter ligeligt i fire dele. (B) gå gennem hvert ækvidistant punkt, og vælg seks overflade kurver symmetrisk, hvoraf tre er skærings kurver for frontal planet og endplate overfladen, og de andre tre i sagittale flyet. (C) opdele Mid-sagittal diameter ligeligt i 10 dele. (D) gennemgang af hvert enkelt punkt, de forreste planer og Mid-sagittal kurven danner ni skæringspunkter, hvilket resulterer i en sum på 11 point, sammen med de to endepunkter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: måling af endplate hulrum dybde og overfladeareal. A) oprette et plan parallelt med x-y-planet. (B) forskyde flyet, indtil det er tangent til det mest konkave punkt, og endplate huldybden er den vinkelret afstand mellem det mest konkave punkt og x-y-flyet. C) træk en linje langs den indvendige margen af epifyseal-ringen for at opdele endepladen i den centrale endeplade og epifyseal-fælgen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6:3D rekonstruktion og repræsentationer af en ringere endplate. (A) 3D rekonstruktion af den ringere endplate overflade genereret af softwaren specielt anvendes til 3D rekonstruktion og databehandling. (B) og (C) er repræsentationer af den ringere endplate genereret af dataanalyse og visualiseringssoftware. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Endplate niveau | Kurve | Parametre | ||||
| P1 | P2 | P3 | P4 | P5 | ||
| C6 Superior- | 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 ringere | 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 | |
Tabel 1: parametrene for ligningen til at repræsentere kurven af endplate overflade. Kun data fra den sjette cervikal vertebrale endplate er angivet. PX = parametrene for ligningen. På hver ende plade blev seks overflade kurver symmetrisk valgt. tre af disse var i det forreste plan og kaldte den forreste kurve (FAC), midterste kurve (FMC), og posterior Curve (FPC); de andre tre i sagittale flyet blev kaldt den venstre kurve (SLC), midterste kurve (SMC), og højre kurve (SRC). Parametre med en absolut værdi på mindre end 0,0001 er repræsenteret som 0 her.
| Parametre | 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 | -0,0043 | 0,00542 | -0,0208 | -0,0111 | 0,0012 | -0,0043 | -0,0052 |
| P01 | -0,0356 | -0,0868 | -0,0537 | -0,0826 | -0,0257 | -0,098 | -0,0407 | -0,0642 |
| P20 | 0,01286 | -0,0252 | -0,0146 | -0,0299 | -0,0253 | -0,0264 | -0,0175 | -0,0088 |
| P11 | 0,00092 | 0,00071 | -0,0009 | 0,00018 | -0,0002 | -0,0012 | 0,00117 | 0,00021 |
| P02 | -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 | -0,0011 | 0,00299 | -0,0012 | 0,00363 | -0,0021 | 0,00306 | -0,0019 | 0,00194 |
| P12 | 0 | 0,00048 | -0,0004 | 0,00033 | 0,00014 | 0 | -0,0001 | 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 |
Tabel 2: parametrene for parametrisk ligning, der repræsenterer morfologien af endplate overfladen. PX = parametrene for ligningen; INF = ringere endplate; sup = Superior endplate. Parametre med en absolut værdi på mindre end 0,0001 er repræsenteret som 0 her. Denne tabel er blevet ændret fra en tidligere publikation3.
| Målinger | Intratest pålidelighed | Målinger | RE imod caliper | ||
| Apd | Første genmåling | 15.76 ± 1,3 | Apd | Re | 16.47 ± 1,31 |
| Måling | 15.86 ± 1.61 | Caliper | 16.26 ± 1.27 | ||
| Icc | 0,85 | Cronbach Alpha | 0,99 | ||
| Cmd | Første genmåling | 19.71 ± 2.47 | Cmd | Re | 20,7 ± 3.05 |
| Måling | 19.41 ± 2.43 | Caliper | 20.45 ± 3.21 | ||
| Icc | 0,96 | Cronbach Alpha | 0,99 | ||
Tabel 3: pålideligheden af målingerne. Data var middelværdien ± standardafvigelse (mm). ICC = korrelationskoefficient inden for klasse; APD = Antero-posterior diameter; CMD = Center mediolaterale diameter; RE = reverse engineering system. Denne tabel er blevet ændret fra en tidligere publikation. 3
| Måleværdi | N | Z koordinat værdi | T | P | R |
| Oprindelige punkter | 15 | 1,75 ± 0.87 | 0,26 | 0,8 | 0,98 |
| Sammenlignings punkter | 15 | 1.74 ± 0.91 |
Tabel 4: gyldigheden af den geometriske model, der repræsenterer endpladen morfologi. Data er repræsenteret som middel ± standardafvigelse (mm). De oprindelige punkter er 15 tilfældigt udvalgte punkter på den oprindelige 3D genopbygning billede. Sammenlignings punkter = tilsvarende punkter, der genereres automatisk fra parametriske ligninger; R = korrelationskoefficient.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Reverse engineering er blevet i stigende grad og med succes anvendt på det medicinske område, såsom plastik20, oral21, og maxillofacial Surgery implantater21. Reverse engineering målinger, nemlig produkt overflade digitalisering, refererer til omdannelse af overflade oplysninger til punkt Sky data beskæftiger specifikke måleudstyr og metoder. På grundlag af sådanne data kan der udføres komplekse overflade modellering, evaluering, forbedringer og produktion. Digital måling og databehandling er en grundlæggende og nøgleteknologi, der anvendes i reverse engineering.
I denne protokol registreres nøjagtige og detaljerede morfologiske oplysninger om vertebrale endepladerne ved hjælp af et ikke-kontakt optisk 3D-område Scanningssystem, som er baseret på heterodyne Multifrekvens, fase-Shift, 3D optisk måleteknologi. Scanneren er primært lavet af betjeningsanordninger og en optisk måling, der integrerer to kameraer og en projektor. Sammenlignet med andre måleinstrumenter er scanneren meget præcis og effektiv og undgår punkt-for-punkt-scanning. Når du henter point-Cloud data, er scannings hovedet normalt ikke i kontakt med objektet, således at der ikke er nogen deformation effekter. Pålideligheden, validiteten og præcisionen af scanneren til optagelse overflade morfologi har været veletableret2,3,22. Replikabilitet af disse målinger er blevet verificeret.
For at verificere nøjagtigheden af de målinger, der blev foretaget af reverse engineering-systemet, blev 20 ENDEPLADER målt ved hjælp af en digital kaliber og evalueret ved hjælp af Cronbach alpha. Ved intra-test pålidelighed blev 16 endepladerne tilfældigt udvalgt fra 138 vertebrale endepladerne og målt to gange med 2 ugers intervaller, derefter vurderet ved hjælp af en intra-klasse korrelationskoefficient. Resultaterne viste stor enighed og pålidelighed (tabel 3). Reverse engineering software involverer kraftfulde målinger, databehandling, fejldetektering, og gratis kurve og overflade redigeringsfunktioner. Det kan også intelligent og effektivt konstruere og justere kurver og overflader, og 3D Surface model genopbygning bidrager til præcise målinger23.
Der er vigtige og betydelige anvendelser for detaljerede og omfattende anatomi data af hvirvler, såsom at designe spinal implantater, forbedre troskab af Finite element modeller af rygsøjlen, og udvikle matematiske modeller. Den vertebrale endplate er afgørende for at opretholde integriteten og funktionen af intervertebrale disk, og det fungerer også som en mekanisk grænseflade til at overføre stress. Derfor er kvantificeringen af endplate geometri vigtig. Ved hjælp af reverse engineering, endplate morfologi kan kvantificeres intelligent og omfattende. I denne protokol er seks karakteristiske kurver monteret på overfladen af hver endplate, og der etableres et 3D-koordinatsystem til kvantificering af rumlig morfologi.
Desuden er en parametrisk model af endplate udviklet til at indføre nøjagtige og reproducerbare kvantitative evalueringer og til at udvikle personlige biomekaniske finite element modeller. Den parametriske model af endepladerne overflade kan producere hurtige, realistiske og præcise repræsentationer, der kan visualiseres og bekvemt analyseres af forskere.
Medtagelsen af flere landemærker vil forbedre præcisionen, men det er tidskrævende og dyrt. I denne protokol foreslås det, at 66 point fra seks overflade kurver er tilstrækkelige til at beskrive de morfologiske træk. Pålidelighedstests udføres også ved at sammenligne koordinat værdier på 15 tilfældigt udvalgte punkter med tilsvarende værdier, der genereres automatisk fra parametriske ligninger. Resultatet afslører, at parametrisk model har god pålidelighed og reproducerbarhed kan tjene som en realistisk gengivelse af endplate overflade (tabel 4). Det skal bemærkes, at parametrisk model kan udledes baseret på andre billedbehandlings metoder såsom CT og MRI.
Da ikke-kontakt scannere er modtagelige for omgivende lys, er det afgørende at holde det omgivende lys stabilt, og aktive lyskilder anbefales. Hvis der er rest fedt på endplate overfladen, bør infantile talkumpulver smøres forsigtigt for at undgå risikoen for at blive påvirket af rumlige reflektans egenskaber af objekt overfladen. Den subaxiale halshvirvler har en særlig komponent: uncovertebral leddet. For at skelne det fra endpladen, er et bedst egnet plan defineret ved hjælp af den mindst kvadrerede metode. Derefter skærings kurven dannet af den bedst egnede plan, og endplate overfladen er grænsen mellem uncovertebral fælles og overlegne endplate (figur 2D).
Den specifikke operation er som følger: Klik på Start > figur ≫ generativ form design. Klik på punkt ikonet i værktøjslinjen i højre side, og vælg derefter de forreste og bageste punkter i de bilaterale uncinate-processer på 3D-billedet. Klik på plane -ikonet, og vælg gennem snit gennem punkter i plantypen for at definere et plan, der passer bedst. Klik på Start > figur ≫ hurtig overflade genopbygning. Klik på ikonet planar sektion , og vælg derefter 3D-billedet og det bedst egnede plan.
Nøjagtig mærkning af de tre anatomiske punkter på endplate overfladen ved etablering af 3D-koordinatsystemet er kritisk. Reverse engineering-softwaren giver mulighed for fleksibel flytning af genopbygnings billedet og forbedrer kontrasten, der hjælper med at identificere Landemærkerne. Alternativt er det vigtigt at vurdere egnetheden af koordinatsystemet baseret på, om den skærende linje i de definerede Mid-sagittal og koronal planer er vinkelret på endplate sektionen, og derefter justere systemet i overensstemmelse hermed. Den interne observatør undersøgelse blev også vurderet, og resultatet viste god pålidelighed (tabel 3).
Denne protokol kræver flere færdigheder og teknikker, herunder point Cloud-dataindsamling og-behandling, billed rekonstruktion og-analyse og parametrisk modeludvikling. For en nybegynder, kan det tage tid at fuldføre hele processen. Men, som kun et par moduler af softwaren i denne protokol anvendes, og proceduren er modulært, det kræver en kort indlæringskurve til at blive velerfarne.
Konklusionen er, at den beskrevne protokol giver en nøjagtig og reproducerbar metode til at opnå detaljerede og omfattende geometri data for vertebrale ENDEPLADER. En parametrisk model er også udviklet uden at digitalisere for mange vartegn, hvilket er gavnligt at designe personlige spinal implantater, planlægning kirurgiske handlinger, at gøre kliniske diagnoser, og udvikle nøjagtige finite element modeller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ikke konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansieret af Key disciplin Construction Project af Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017-08) og National Natural Science Foundation i Kina (81672199). Forfatterne vil gerne takke Wang Lei for hans hjælp i korrekturlæsning en tidligere version og Li Zhaoyang for hans hjælp i udviklingen af parametrisk model.
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).
