Vertebral Uç Plakaların Hassas Ölçümleri ve Parametrik Modelleri
Summary
Vertebral uç plakaların ayrıntılı ve kapsamlı geometri verilerini kaydetmek ve elde etmek için bir ters mühendislik sistemi kullanılır. Daha sonra kişiselleştirilmiş spinal implantların tasarlanması, klinik tanılar konması ve doğru sonlu eleman modelleri geliştirilmesinde yararlı olan vertebral uç plakanın parametrik modelleri geliştirilmiştir.
Abstract
Omurga, tasarım ve iyileştirilmesi spinal implantların sonlu eleman modellerinin sadakatini artırmak ve dejeneratif değişiklikleri ve biyomekanik anlamak için vertebra uç plakalarının ayrıntılı ve kapsamlı geometrik verileri önemlidir ve gereklidir. Bu protokolde, son plaka yüzeylerinin morfoloji verilerini dijital nokta bulutuna dönüştürmek için yüksek hızlı ve son derece hassas bir tarayıcı kullanılmaktadır. Yazılım sisteminde, nokta bulutu daha da işlenir ve üç boyuta dönüştürülr. Daha sonra, her noktayı 3B koordinat yapmak için tanımlanan bir 3B koordinat sistemi, son plaka yüzeyine simetrik olarak monte edilmiş üç sagital ve üç frontal yüzey eğrisi ve 11 eşit uzaklık noktasını içeren bir ölçüm protokolü gerçekleştirilir. her eğride seçilir. Son plakaların geometrik verilerini elde etmek için ölçüm ve mekansal analizler nihayet gerçekleştirilir. Eğrilerin ve yüzeylerin morfolojisini temsil eden parametrik denklemler karakteristik noktalara göre monte edilir. Modüler olan önerilen protokol, vertebral uç plakaların geometrik verilerini elde etmek için doğru ve tekrarlanabilir bir yöntem sağlar ve gelecekte daha karmaşık morfolojik çalışmalara yardımcı olabilir. Ayrıca kişiselleştirilmiş spinal implantların tasarlanmasına, cerrahi eylemlerin planlanmasına, klinik tanıların alınmasına ve doğru sonlu eleman modelleri geliştirilmesine katkıda bulunacaktır.
Introduction
Vertebral uç plaka vertebral gövdenin üstün veya alt kabuk ve disk ve vertebral vücut1arasında stres aktarmak için mekanik bir arayüz olarak hizmet vermektedir. Bu epifiz jant oluşur, hangi vertebral vücudun dış kenarı çevreleyen güçlü ve katı kemiklabrum, ve merkezi endplate, ince ve gözenekli2.
Omurga dejeneratif, travmatik ve neoplastik bozukluklar geniş bir dizi tabidir, hangi cerrahi müdahale gerektirebilir. Son zamanlarda yapay diskler ve kafesler gibi spinal cihazlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Etkili protez-vertebra kontağı ve kemik büyüme potansiyeli olan spinal implantların tasarımı ve iyileştirilmesi için endplates’in doğru ve ayrıntılı morfometrik parametreleri gereklidir3. Ayrıca, vertebral uç plakaların tam şekli ve geometrisi hakkında bilgi biyomekanik anlamak için önemlidir. Sonlu elemanmodellemesi gerçek omurların simülasyonuna olanak sağlamasına ve omurganın çeşitli yükleme koşullarına fizyolojik tepkilerini incelemek için yaygın olarak kullanılmasına rağmen4, bu teknik hastaya özgüdür ve herkese genelleştirilebilir değildir Vertebra. Sonlu elemanlar modeli5’igeliştirirken omur geometrisinin genel popülasyon arasındaki içsel değişkenliğinin göz önünde bulundurulması gerektiği ileri sürülmüştür. Bu nedenle, sonlu plakaların geometrik parametreleri sonlu elemanlar modellemede kafes üretimine ve sadakat geliştirmesine elverişlidir.
Daha önceki çalışmalarda son plaka geometrisi ve implant yüzeyinin eşleşmesinin önemi tartışılsa da6,7,8, vertebral uç plakaların morfolojisi ile ilgili veriler azdır. En önceki çalışmalar da uç plaka9,10,113D doğasını ortaya çıkarmak için başarısız oldu. Bir mekansal analiz daha iyi ve tam olarak endplate morfolojisi12,13,14tasvir etmek için gereklidir. Buna ek olarak, çoğu çalışma da düşük hassasiyet ölçüm teknikleri10,15,16istihdam var. Ayrıca geometri parametreleri radyografi veya bilgisayarlı tomografi (BT)17,18ile ölçüldüğünde önemli büyütme bildirilmiştir. Manyetik rezonans görüntüleme (MRG) non-invaziv olarak kabul edilse de, ozseöz yapıların kesin kenar boşluklarını tanımlamada daha az doğrudur11. Standart bir ölçüm protokolü olmaması nedeniyle, mevcut geometrik veriler arasında büyük farklılıklar vardır.
Son yıllarda, mevcut fiziksel parçaları bilgisayarlı katı modellere dijitalleştirebilen tersine mühendislik, tıp alanında giderek daha fazla uygulanmaktadır. Bu teknik, gelişmiş omur yüzeylerinin anatomik karakterinin doğru bir temsilini geliştirmeyi mümkün kılar. Ters mühendislik sistemi iki alt sistemiçerir: enstrümantasyon sistemi ve yazılım sistemi. Bu protokolde benimsenen enstrümantasyon sistemi, yüksek hızlı ve son derece hassas (hassas 0.02 mm, 1.628 x 1.236 piksel) temassız optik 3D menzilli düz yataklı tarayıcıya sahiptir. Tarayıcı, hedef nesnenin yüzey morfolojisi bilgilerini verimli bir şekilde (giriş süresi 3 s) yakalayabilir ve dijital nokta bulutuna dönüştürebilir. Yazılım sistemi (örneğin, ters mühendislik yazılımı) nokta bulutveri işleme (Malzeme Tablosu),3D yüzey modeli rekonstrüksiyonu, serbest eğri ve yüzey düzenleme ve veri işleme için bir bilgisayar uygulamasıdır (bkz. Malzemeler).
Bu raporun amacı (1) bir ters mühendislik tekniğine dayalı vertebral uç plakaların nicel parametreleri elde etmek için bir ölçüm protokolü ve algoritma hazırlamak, (2) gerçekçi bir matematiksel model geliştirmek çok fazla simgesel sayısallaştırma olmadan vertebral endplates temsili. Bu yöntemler cerrahi hareket planlaması ve sonlu eleman modellemesi için yararlı olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ters mühendislik giderek ve başarıyla tıp alanında uygulanmıştır, kranioplasti gibi20, oral21, ve maksillofasiyal implantlar21. Ters mühendislik ölçümleri, yani ürün yüzeysayısallaştırması, yüzey bilgilerinin belirli ölçüm ekipmanı ve yöntemlerini kullanan nokta bulut verilerine dönüştürülmesianlamına gelir. Bu verilere dayanarak, karmaşık yüzey modelleme, değerlendirme, iyileştirmeler ve üretim yapılabilir. Diji…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Şangay Pudong Sağlık Bürosu (PWZxk2017-08) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (81672199) Anahtar Disiplin İnşaat Projesi tarafından finanse edilmiştir. Yazarlar, daha önceki bir versiyonu düzeltmede yardımcı olduğu için Wang Lei’ye ve parametrik modeli geliştirmedeki yardımları için Li Zhaoyang’a teşekkür etmek istiyor.
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).
