采用逆向工程系统记录并获取椎体终板的详细而全面的几何数据。随后建立椎体终板的参数化模型，这有助于设计个性化脊柱植入物、进行临床诊断以及构建精确的有限元模型。
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摘要
摘要
椎体终板的详细而全面的几何数据对于提高脊柱有限元模型的保真度、设计和改进脊柱植入物以及理解退行性变化和生物力学特性具有重要意义且十分必要。在本方案中，采用一种高速且高精度的扫描仪将终板表面的形态数据转化为数字点云。在软件系统中，点云进一步被处理并重建为三维结构。随后执行测量方案，包括定义一个三维坐标系以使每个点具有三维坐标，沿终板表面对称拟合三条矢状面曲线和三条冠状面曲线，并在每条曲线上选取11个等距点。最终进行测量与空间分析，以获取终板的几何数据。基于特征点拟合出描述曲线和曲面形态的参数方程。该模块化方案提供了一种准确且可重复的方法来获取椎体终板的几何数据，有助于未来开展更深入的形态学研究。同时，该方法还将有助于个性化脊柱植入物的设计、手术规划、临床诊断以及高精度有限元模型的建立。
引言
椎体终板是椎体的上表面或下表面，作为力学界面，用于在椎间盘与椎体之间传递应力1。它由骺环和中央终板组成：骺环是围绕椎体外缘的坚固致密的骨性唇状结构，而中央终板则较薄且具有多孔性2。
脊柱易受多种退行性、创伤性和肿瘤性疾病的侵袭，可能需要外科手术干预。近年来，人工椎间盘和融合 Cage 等脊柱植入装置已得到广泛应用。为了设计和改进脊柱植入物，实现有效的假体-椎体接触并促进骨长入，必须获取终板准确而详细的形态测量参数3。此外，关于椎体终板确切形状和几何结构的信息对于理解其生物力学特性至关重要。尽管有限元建模能够模拟真实椎体，并已被广泛用于研究脊柱在不同载荷条件下的生理反应4，但该技术具有患者特异性，难以推广至所有椎体。有研究建议，在构建有限元模型时，应考虑普通人群中椎体几何结构的内在变异性5。因此，终板的几何参数有助于有限元建模中的网格生成并提升模型保真度。
尽管既往研究已讨论过终板几何形态与植入物表面匹配的重要性6,7,
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方案
本研究已获得作者所属机构的健康研究伦理委员会批准。由于颈椎骨具有更复杂的形态19，本方案以颈椎为示例，以促进相关研究的开展。
1. 材料准备、扫描与图像处理
- 采集一个无病理变形或破损部分的干燥颈椎椎体。
- 将椎体垂直放置于扫描仪平台（图1，参见材料表），使终板朝向相机镜头。使用扫描仪的主动光源，然后启动扫描过程以获取点云数据（.ASC格式）。
注意：根据预扫描图像，调整扫描仪及椎体位置，以尽可能多地捕获表面形态信息。 - 打开专门用于处理点云的软件（参见材料表）。点击导入以导入点云数据，并生成椎体的数字图像。将采样率设为100%，选择采样时保留全部数据，将数据单位设为毫米，然后点击着色点。使用套索选择工具选中图像上的冗余点，然后点击删除将其移除。点击降噪并将平滑度设为最高级别，以减少噪声和尖峰（图2A、B）。
注意：图形用户界面（GUI）底部提供基本的软件操作....
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结果
利用高精度的光学三维范围平板扫描仪，将终板转化为超过45,000个数字点，充分表征了其形态结构（图2A,B）。
在测量方案中，对终板表面进行了空间分析。通过在表面上拟合并量化代表性曲线以表征其形态（图4B）。线性参数通过计算两个端点之间的距离来测定。所获取的测量指标包括中矢状面上的凹陷深度和凹陷顶点位置，以及整个终板凹陷或任意特定截面的相应参数（图5B）。终板的各组成部分，即骺环与中央终板区域被分别划分（图5C），并便捷地获取其长度与面积。
共对138个颈椎椎体终板进行了数字化处理与分析，并建立了终板的数学模型。该方案设定.......
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讨论
逆向工程已越来越多地成功应用于医学领域，例如颅骨成形术20、口腔21以及颌面植入物21。逆向工程中的测量，即产品表面数字化，是指利用特定的测量设备和方法将表面信息转换为点云数据。基于此类数据，可进行复杂曲面的建模、评估、优化及制造。数字测量与数据处理是逆向工程中的一项基础且关键技术。
在本方案中，采用基于外差多频相移三维光学测量技术的非接触式光学三维扫描系统，准确且详细地记录椎体终板的形态学信息。该扫描仪主要由控制器和光学测量单元组成，其中光学测量单元集成了两台相机和一个投影仪。与其他测量仪器相比，该扫描仪具有高精度、高效率的优点，并避免了逐点扫描。在获取点云数据时，扫描头通常不与物体接触，因此不会产生形变效应。该扫描仪在记录表面形态方面的可靠性、有效性及精确性已得到充分验证2,3,
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披露
作者声明不存在竞争性财务利益。
致谢
本工作由上海市浦东新区卫生健康委员会重点学科建设项目（PWZxk2017-08）和国家自然科学基金（81672199）资助。作者感谢王 Lei 在早期版本校对中的帮助，以及李 Zhaoyang 在参数化模型开发中的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 卡蒂亚 | 法国巴黎，达索系统公司 | https://www.3ds.com/products-services/catia/ | 三维曲面模型重建、自由曲线与曲面编辑及数据处理 |
| Geomagic Studio | Geomagic 公司，北卡罗来纳州莫里斯维尔 | https://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301 | 点云数据处理 |
| MATLAB | 美国马萨诸塞州纳蒂克，The MathWorks Inc. | https://www.mathworks.com/ | 分析数据、开发算法和构建模型 |
| 光学三维扫描平板扫描仪 | Xi’an XinTuo 3D光学测量技术有限公司，西安’中国陕西 | http://www.xtop3d.com/ | 获取表面几何参数并转换为数字点 |
参考文献
- 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.
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