Präzisionsmessungen und parametrische Modelle von Wirbelendplatten
Summary
Ein Reverse Engineering-System wird eingesetzt, um detaillierte und umfassende Geometriedaten von Wirbelendplatten aufzuzeichnen und zu erhalten. Anschließend werden parametrische Modelle der Wirbelendplatte entwickelt, die für die Entwicklung personalisierter Wirbelsäulenimplantate, die Erstellung klinischer Diagnosen und die Entwicklung präziser Finite-Elemente-Modelle von Vorteil sind.
Abstract
Detaillierte und umfassende geometrische Daten von Wirbelendplatten sind wichtig und notwendig, um die Genauigkeit von Endliche-Elemente-Modellen der Wirbelsäule zu verbessern, Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen und zu verbessern und degenerative Veränderungen und Biomechanik zu verstehen. In diesem Protokoll wird ein Hochgeschwindigkeits- und hochpräziser Scanner eingesetzt, um Morphologiedaten von Endplattenoberflächen in eine digitale Punktwolke umzuwandeln. Im Softwaresystem wird die Punktwolke weiterverarbeitet und in drei Dimensionen rekonstruiert. Anschließend wird ein Messprotokoll durchgeführt, das ein 3D-Koordinatensystem beinhaltet, das definiert ist, um jeden Punkt zu einer 3D-Koordinate zu machen, drei sagittale und drei frontale Flächenkurven, die symmetrisch auf der Endplattenoberfläche angebracht sind, und 11 äquidistante Punkte, die in jeder Kurve ausgewählt. Schließlich werden Messungen und räumliche Analysen durchgeführt, um geometrische Daten der Endplatten zu erhalten. Parametrische Gleichungen, die die Morphologie von Kurven und Flächen darstellen, werden basierend auf den Merkmalspunkten angepasst. Das vorgeschlagene Protokoll, das modular aufgebaut ist, bietet eine genaue und reproduzierbare Methode, um geometrische Daten von Wirbelendplatten zu erhalten und kann in Zukunft bei ausgefeilteren morphologischen Studien helfen. Es wird auch dazu beitragen, personalisierte Wirbelsäulenimplantate zu entwerfen, chirurgische Handlungen zu planen, klinische Diagnosen zu erstellen und genaue Finite-Elemente-Modelle zu entwickeln.
Introduction
Eine Wirbelendplatte ist die überlegene oder untere Schale des Wirbelkörpers und dient als mechanische Schnittstelle, um Spannung zwischen Scheibe und Wirbelkörper zu übertragen1. Es besteht aus dem epiphysealen Rand, einem starken und festen knöchernen Labrum, das den äußeren Rand des Wirbelkörpers umgibt, und der zentralen Endplatte, die dünn und porös ist2.
Die Wirbelsäule unterliegt einer Vielzahl degenerativer, traumatischer und neoplastischer Erkrankungen, die einen chirurgischen Eingriff rechtfertigen können. In letzter Zeit sind Wirbelsäulengeräte wie künstliche Scheiben und Käfige weit verbreitet. Genaue und detaillierte morphometrische Parameter von Endplatten sind für die Gestaltung und Verbesserung von Wirbelsäulenimplantaten mit effektivem Prothesen-Wirbel-Kontakt und Knocheneinwuchspotenzial3notwendig. Darüber hinaus sind Informationen über die genaue Form und Geometrie von Wirbelendplatten wichtig für das Verständnis der Biomechanik. Obwohl die Finite-Elemente-Modellierung die Simulation der realen Wirbel ermöglicht und weit verbreitet ist, um physiologische Reaktionen der Wirbelsäule auf verschiedene Belastungsbedingungen zu untersuchen4, ist diese Technik patientenspezifisch und nicht für alle verallgemeinerbar Wirbel. Es wurde vorgeschlagen, dass die intrinsische Variabilität der Wirbelgeometrie in der allgemeinen Population bei der Entwicklung des Finite-Elemente-Modells5berücksichtigt werden sollte. Daher sind die geometrischen Parameter von Endplatten förderlich für die Netzgenerierung und Dietreueverbesserung bei der Finite-Elemente-Modellierung.
Obwohl die Bedeutung des Abgleichs von Endplattengeometrie und Implantatoberfläche in früheren Studien6,7,8diskutiert wurde, sind Daten über die Morphologie von Wirbelendplatten rar. Die meisten früheren Studien haben die 3D-Natur der Endplatte9,10,11nicht enthüllt. Eine räumliche Analyse ist erforderlich, um die Endplattenmorphologie12,13,14besser und vollständig darzustellen. Darüber hinaus haben die meisten Studien niedrigere Präzision Simeme10,15,16eingesetzt. Darüber hinaus wurde eine signifikante Vergrößerung gemeldet, wenn Geometrieparameter mit Hilfe von Radiographie oder Computertomographie (CT)17,18gemessen werden. Obwohl Magnetresonanztomographie (MRT) als nicht-invasiv gilt, ist sie bei der Definition der genauen Ränder osseöser Strukturen weniger genau11. Aufgrund des Fehlens eines standardisierten Messprotokolls gibt es große Unterschiede zwischen vorhandenen geometrischen Daten.
In den letzten Jahren wurde Reverse Engineering, das die vorhandenen physischen Teile in computergestützte Festkörpermodelle digitalisieren kann, zunehmend auf dem Gebiet der Medizin eingesetzt. Die Technik macht es möglich, eine genaue Darstellung des anatomischen Charakters anspruchsvoller Wirbeloberflächen zu entwickeln. Das Reverse Engineering System umfasst zwei Subsysteme: das Instrumentierungssystem und das Softwaresystem. Das in diesem Protokoll übernommene Instrumentierungssystem verfügt über einen berührungslosen optischen Flachbettscanner mit 3D-Bereich, der hochschnell und hochpräzise ist (Präzision 0,02 mm, 1.628 x 1.236 Pixel). Der Scanner kann effizient (Eingabezeit 3 s) Oberflächenmorphologieinformationen des Zielobjekts erfassen und in eine digitale Punktwolke umwandeln. Das Softwaresystem (d.h. Reverse Engineering Software) ist eine Computeranwendung für die Punktwolkendatenverarbeitung (siehe Tabelle der Materialien),die Rekonstruktion von 3D-Oberflächenmodellen, die freie Kurven- und Oberflächenbearbeitung sowie die Datenverarbeitung (siehe Tabelle Materialien).
Zweck des vorliegenden Berichts ist es, (1) ein Messprotokoll und einen Algorithmus zu entwickeln, um quantitative Parameter von Wirbelendplatten auf der Grundlage einer Reverse-Engineering-Technik zu erhalten, (2) ein mathematisches Modell zu entwickeln, das eine realistische Darstellung von Wirbelendplatten, ohne zu viele Landmarken zu digitalisieren. Diese Methoden werden vorteilhaft für die chirurgische Aktplanung und Finite-Elemente-Modellierung sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Reverse Engineering wurde zunehmend und erfolgreich auf dem Gebiet der Medizin angewendet, wie Cranioplastik20, oral21und maxillofacial implants21. Reverse-Engineering-Messungen, nämlich die Produktoberflächendigitalisierung, beziehen sich auf die Umwandlung von Oberflächeninformationen in Punktwolkendaten mit speziellen Messgeräten und Methoden. Auf der Grundlage solcher Daten können komplexe Oberflächenmodellierung, Auswertung, Verbesserungen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von Key Discipline Construction Project des Pudong Health Bureau of Shanghai (PWZxk2017-08) und der National Natural Science Foundation of China (81672199) finanziert. Die Autoren danken Wang Lei für seine Hilfe beim Korrekturlesen einer früheren Version und Li Zhaoyang für seine Hilfe bei der Entwicklung des parametrischen Modells.
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 |
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).
