JoVE Logo
发表
联系我们

登录

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

采用逆向工程系统记录和获取椎底板的详细、全面的几何数据。然后开发椎骨端板参数模型，有利于设计个性化的脊柱植入物，进行临床诊断，并开发精确的有限元模型。

摘要

脊椎端板的详细和全面的几何数据对于提高脊柱有限元模型的保真度、设计和改善脊柱植入物以及了解退行性变化和生物力学非常重要和必要。在此协议中，采用高速、高精度的扫描仪将端板表面的形态数据转换为数字点云。在软件系统中，点云被进一步处理，并重构为三维。然后，执行测量协议，包括定义的 3D 坐标系，使每个点成为 3D 坐标，三个斜面和三个正面曲面曲线对称地安装在端板表面上，以及 11 个等距点在每个曲线中选择。最终进行了测量和空间分析，以获得端板的几何数据。代表曲线和曲面形态的参数方程基于特征点进行拟合。建议的协议是模块化的，为获取椎底板的几何数据提供了一种准确和可重复的方法，并可能有助于将来进行更复杂的形态学研究。它还将有助于设计个性化的脊柱植入物，规划手术行为，进行临床诊断，并开发精确的有限元模型。

引言

椎骨端板是椎体体的优劣壳，作为在椎体和椎体1之间传递应力的机械界面。它由表皮层边缘组成，这是围绕椎体外缘的坚固而坚固的骨质表，以及中央端板，它是薄和多孔2。

脊柱受到各种退行性、创伤性和肿瘤性疾病的影响，这可能需要手术干预。最近，人工盘和笼子等脊柱装置得到了广泛的应用。对于具有有效假体-椎骨接触和骨生长潜力3的脊柱植入物的设计和改善，必须精确和详细的端板形态参数。此外，关于椎底板的确切形状和几何形状的信息对于了解生物力学非常重要。虽然有限元建模允许模拟真正的椎骨，并被广泛用于研究脊柱对各种载荷条件的生理反应4，但这种技术是特定于患者的，不能适用于所有人椎骨。有人建议，在开发有限元模型5时，应考虑一般人群椎骨几何的内在变异性。因此，端板的几何参数有利于有限元建模中的网格生成和保真度的增强。

虽然在以前的研究6、7、8中已经讨论了端板几何体和植入面匹配的重要性，但关于椎骨端板形态的数据很少。以前的大多数研究都未能揭示端板9、10、11的3D特性。需要空间分析，以更好地和充分描绘端板形态12，13，14。此外，大多数研究都采用了低精度测量技术10，15，16。此外，在采用放射成像或计算机断层扫描（CT）17、18测量几何参数时，也报告了显著的放大倍率。虽然磁共振成像（MRI）被认为是非侵入性的，但它在定义骨质结构11的精确裕量方面不太准确。由于缺乏标准化的测量协议，现有几何数据之间存在较大差异。

近年来，将现有物理部件数字化为计算机固体模型的逆向工程已越来越多地应用于医学领域。该技术使得开发复杂椎骨表面的解剖特征的准确表示成为可能。逆向工程系统包括两个子系统:仪表系统和软件系统。该协议采用的仪器系统具有非接触式光学 3D 范围平板扫描仪，高速且高精度（精度 0.02 mm，1，628 x 1，236 像素）。扫描仪可以有效地（输入时间3s）捕获目标物体的表面形态信息，并将其转换为数字点云。软件系统（即逆向工程软件）是用于点云数据处理（参见材料表）、三维曲面模型重建、自由曲线和曲面编辑以及数据处理的计算机应用程序（参见材料）。

本报告的目的是（1）设计一种测量协议和算法，以获得基于逆向工程技术的椎底板的定量参数，（2）开发一个数学模型，使现实脊椎端板的表示，而不数字化太多的地标。这些方法将有利于手术行为规划和有限元建模。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

研究方案

这项研究得到了作者研究所健康研究伦理委员会的批准。由于颈椎骨的形状更复杂19，协议使用颈椎作为例证，以促进相关的研究。

1. 准备材料、扫描和图像处理

  1. 收集干燥的颈椎，无病理变形或破损部分。
  2. 将椎骨垂直放置在扫描仪的平台中（图1，参见材料表），端板面向相机镜头。使用扫描仪的活动光源。然后，开始扫描过程以获取点云数据 （.ASC 格式）。
    注:根据扫描前的图像，调整椎骨的扫描仪和位置，以捕获尽可能多的表面形态信息。
  3. 打开专门用于处理点云的软件（参见材料表）。单击"导入"可导入点云数据并生成椎骨的数字图形。将采样率设置为 100%，选择"在采样时保留全部数据"，选择数据单位为毫米，然后单击"阴影点"。使用套索选择工具选择图形上的冗余点，然后单击"删除"以删除它们。单击"降低噪音"并将平滑度级别设置为最大值，以减少噪声和尖峰（图 2A，B）。
    注: GUI 底部有基本的软件操作说明（图形用户界面）。应横向或垂直消除具有明显锐刺的噪声点，以减少误差。
  4. 单击"换行"可将成像数据打包到 .stl 格式文件中，将点云转换为网格，从而将点对象转换为多边形对象。
    注:逆向工程软件通常接受 .stl 风格的 3D 格式。
  5. 打开专门用于 3D 重建和数据处理的软件（参见材料表）。在子菜单中单击"文件"，然后单击"新建"。在"类型"列表中选择零件。单击"开始"，然后在子菜单中"形状"，然后单击"数字化形状编辑器"。单击 GUI 右侧工具栏中的"导入"图标。在"导入"窗口中，选择.stl格式文件，然后单击"应用>确定"。单击底部工具栏中的图标中的"全部适合"，将重建的图像加载到演示软件的主窗口中。
    注: 步骤 1.5_2.3.3 使用相同的软件执行。
  6. 单击右侧工具栏中的"激活"。在"激活"窗口中，选择"陷印模式>多边形类型>内部陷阱"。然后，选择 3D 图像上的椎骨端板以移除不需要的椎骨成分，如后体元素和骨质（图 2C）。

2. 端板3D形态的量化

  1. 定义端板 3D 坐标系
    1. 单击子菜单中的"开始">形状，然后生成形状设计。单击右侧工具栏中的"点"图标。在表观边缘标记三个解剖地标:前两个分别为端板后缘的左右端点;第三个是前中位点。
    2. 单击右侧工具栏中的"线"图标，然后选择两个后边端点以定义后线。单击"平面"图标，选择平面类型以垂直于曲线，然后选择后线和前中位点以定义中端平面。
    3. 单击"开始">形状>快速曲面重建。 单击"平面截面"图标，在数字选项中输入1，然后选择端板图像和中端平面以生成相交曲线。单击"扫描"图标中的"曲线"，然后选择相交曲线和后表观轮缘的交点。将交点定义为后中值点。
    4. 单击"开始">形状>生成形状设计。 单击"线"图标并选择前中点和后中值点以定义中端直径。单击"点"图标，然后在子菜单中单击"点"和"平面重复"。然后，选择中端直径，并在实例选项中输入1以定义中端直径的中点。
    5. 单击底部工具栏中的"轴系统"图标。然后，选择中端直径的中点作为原点，平行于后线线的线作为x轴，中端直径作为y轴，指向x-y平面的直线作为z轴（图3).
      注: 选择两个尾随边缘端点作为参考点，因为它们是一致的，并且显示骨质10存在的最小变化。
  2. 拟合端板表面上的特征曲线和点（图 4A+D）
    1. 单击"点"图标，然后在子菜单中单击"点"和"平面重复"。选择中端直径，在实例选项中输入3，将中端直径平均分为四个部分。
    2. 单击"开始">形状 > 快速曲面重建。单击"平面截面"图标，在"数字"选项中输入1，然后选择端板图像和 x-z 平面以生成相交曲线。单击"扫描"图标中的"曲线"，然后选择 x-z 平面和表观轮缘的两个交点。
    3. 将两个交点之间的线定义为中正面直径。同样，将中正面直径平均分为四个部分。
      注: 当端板相对于线形平面不对称时，请选择中正面曲线的两个端点之一，该端点与 z-y 平面的垂直距离较短。然后，将中正面直径定义为较短长度的2倍，并将其平均分为四个部分。
    4. 单击底部工具栏中的"测量之间"图标，以测量中节直径的四分之一的长度。单击"平面截面"图标，在"数字"选项中输入2，在"步长"选项中输入测量值，然后选择端板图像和 x-z 平面，在正面部分的一侧生成两条拟合曲线。单击"交换"可生成另一侧的两条拟合曲线。以同样的方式，获得下垂平面中的其他三个拟合曲线。
      注: 两个中正面拟合曲线与两个中端拟合曲线重叠。
    5. 选择每个曲线中的 11 个等距点进行后续测量。具体方法如下:
      1. 以中端曲线为例，将中端直径平均划分为 10 个部分，得出 11 个点的总和，包括 9 个中间点和两个端点（请参阅步骤 2.1.3 和 2.2.1）。
      2. 穿过每个等距点，获得端板表面上的九条拟合曲线（参见步骤 2.2.2）。单击"扫描"图标中的"曲线"，然后选择拟合曲线和中边形曲线的交点。最后，在每个端板上总共获得 66 个点（每条曲线 11 个点乘以六条曲线）。单击底部工具栏中的"测量项"图标可测量每个点的坐标。
  3. 端板形态参数的测量
    1. 行参数:
      1. 单击"测量之间的"图标可测量线参数的长度，该参数是两个测量点之间的距离。
    2. 凹度参数:
      1. 创建与 x-y 平面平行的平面（图 5A）:单击"开始">形状>生成形状设计。单击右侧工具栏中的"草图"图标，然后单击 x-y 平面。单击"圆"图标，单击端板曲面上的原点，将鼠标光标拖动到适当的距离，然后单击。单击"退出工作台"图标，然后单击"填充"图标，然后单击"
      2. 单击"偏移"图标，选择填充的平面，并在偏移选项中输入相应的值，直到它与最凹陷的部分相切，然后放大。单击"开始">形状>快速曲面重建。 然后，单击3D 曲线图标以查找并创建最凹点。单击"测量项"图标可测量最凹点的坐标（图 5B）。
      3. 单击"测量之间"图标，然后选择最凹点和 x-y 平面以测量整个端板凹陷深度。同样，查找并创建特定平面上最凹凸的深度并测量其坐标。
      4. 单击右侧工具栏中的投影图标，然后选择最凹点和 x-y 平面以获取投影点。单击"测量项"图标可测量投影点的坐标，并根据坐标确定其分布。
    3. 表面积参数:
      1. 单击底部工具栏中的"测量惯性"图标，然后单击端板曲面以测量其区域。单击"激活"图标并沿表观环的内边缘选择中央端板（请参阅步骤 1.6），然后单击"测量惯性"图标以测量其面积（图 5C）。单击"激活"图标，然后单击中央端板，最后单击"激活"窗口中的"交换"图标以获取表观边缘。然后，测量其面积。

3. 端板表面数学模型的开发

  1. 确定参数方程的拟合顺序
    1. 打开数据分析和可视化软件（参见材料表）。在命令窗口中输入x = [对应数据]。 单击"输入"。
      注:"对应数据"是指在前几个步骤中测量过的一条曲线中 11 个特征点的 x 坐标数据。输入每个命令后单击Enter，并应用于后续操作。步骤 3.1_5.5 使用相同的软件均匀执行。
    2. 以同样的方式，输入 z = [对应数据]。
    3. 输入i=1:5 z2_多合体（x，z，i）的代码;Z=多瓦尔（z2，x）;如果总和（（Z-z）[2）]<0.01 C=i中断;结束;结束。
      注:该协议将平方误差总和设定为0.01以下，以获得更高的精度，其值可以调整以满足各种需求。
    4. 单击 Enter 以获取所需的拟合顺序的 C 值。
  2. 参数方程拟合
    1. 输入cftool并单击"输入"以启动曲线拟合工具。
    2. 在命令窗口中输入曲线的坐标（请参阅步骤 3.1.1 和 3.1.2）。在"曲线拟合工具"中，在 x 数据选项中拟合剖面平面曲线时拟合前平面曲线和 y 坐标数据时选择 x 坐标数据，在 y 数据选项中选择 z 坐标数据，选择多项式，然后输入拟合顺序获得。然后，软件将自动输出参数方程和拟合优度。
      注: 由于曲线是 2D 图像，因此在拟合曲线时，默认工作选项是曲线拟合工具中的 x 和 y 选项。
    3. 以类似方式输入 66 个点的 3D 坐标，并将坐标数据与相应的轴选项匹配。选择多项式并输入拟合顺序，以获得端板表面的参数方程（图6B）。

4. 基于参数方程的几何数据的采集

  1. 输入命令窗口中端板上任何点的 x 和 y 坐标值。
  2. 输入 PX1、P X2、P X3...
    注: Px 是参数方程的参数，在上述步骤中使用多项式进行拟合。
  3. 输入公式并单击Enter以获取结果（即输入格式:z = P00 + P10+x = P01+y = P20+x+2 + P11+x_y = P02+y=P30+x=3 = P21+x_2_y = P12{x}y}2 = P03{3} P40}x_4 } P31+x_3_y = P22+x_2_y_2 = P13_x_y_3 = P04_y_4）。

5. 基于参数方程的端板表示

  1. 输入 PX1、P X2、P X3...在命令窗口中。
  2. 输入代码X_N1:0.01:N2.
    注: N1+N2是 X 轴数据的范围（即中冕曲线的两个端点的值）。
  3. 输入代码"Y=N3:0.01:N4;"。
  4. 输入公式（即，z_（x，y）P00 = P10.*x = P01.*x._2 = P11.*x._y = P02.*.*2 = P30.*x.*3 = P21.*x.*2.*03._y.{3} P40._x._4 = P31._x._3._y = P22._x._2._2._2= P13._x._y._3 = P04._y._4;）。
  5. 输入代码ezmesh（z， [N1，N2，N3，N4]）以获得 3D 模拟图形 （图 6C）。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

结果

使用高精度光学 3D 范围平板扫描仪，端板被转换成 45，000 多个数字点，充分描述形态（图 2A，B）。

在测量协议中，对端板表面进行了空间分析。在表面上安装并量化了代表性曲线，以表征形态（图4B）。线性参数是通过计算两个端点之间的距离来测量的。获得的测量包括中端平面的凹度深?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

讨论

逆向工程已越来越多地成功地应用于医学领域，如颅骨成形术20，口服21，颌面植入21。逆向工程测量，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。根据这些数据，可以执行复杂的表面建模、评估、改进和制造。数字测量和数据处理是逆向工程中应用的一项基础关键技术。

在此协议中?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

披露声明

作者声明没有相互竞争的经济利益。

致谢

这项工作由上海浦东市卫生局重点学科建设项目（PWZxk2017-08）和国家自然科学基金（81672199）资助。作者感谢王磊对早期版本校对的帮助，感谢李朝阳在开发参数模型方面的帮助。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
CatiaDassault Systemes, Paris, Francehttps://www.3ds.com/products-services/catia/3D surface model reconstruction, free curve and surface editing and data processing
Geomagic StudioGeomagic Inc., Morrisville, NChttps://cn.3dsystems.com/software?utm_source=geomagic.com&utm_medium=301point cloud data processing
MATLABThe MathWorks Inc., Natick,USAhttps://www.mathworks.com/analyze data, develop algorithms, and create models
Optical 3D range flatbed scannerXi’an XinTuo 3D Optical Measurement Technology Co.Ltd., Xi’an, Shaanxi, Chinahttp://www.xtop3d.com/acquire surface geometric parameters and convert into digital points

参考文献

  1. 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).
  2. 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).
  3. Feng, H., et al. Morphometry evaluations of cervical osseous endplates based on three dimensional reconstructions. International Orthopaedics. , (2018).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. de Beer, N., Scheffer, C. Reducing subsidence risk by using rapid manufactured patient-specific intervertebral disc implants. The Spine Journal. 12, 1060-1066 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Cukovic, S., Devedzic, G. 3D modeling and simulation of scoliosis: An integrated knowledgeware approach. , 411-415 (2015).
  14. Ćuković, S., et al. Non-Ionizing Three-Dimensional Estimation of Axial Vertebral Rotations in Adolescents Suffering from Idiopathic Scoliosis. , (2018).
  15. 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).
  16. Panjabi, M. M., et al. Thoracic human vertebrae. Quantitative three-dimensional anatomy. Spine (Phila Pa 1976). 16, 888-901 (1991).
  17. Ravi, B., Rampersaud, R. Clinical magnification error in lateral spinal digital radiographs. Spine (Phila Pa 1976). 33, E311-E316 (2008).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Chrzan, R., et al. Cranioplasty prosthesis manufacturing based on reverse engineering technology. Medical Science Monitor. 18, (2012).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Numajiri, T., et al. Designing CAD/CAM Surgical Guides for Maxillary Reconstruction Using an In-house Approach. Journal of Visualized Experiments. , (2018).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

转载和许可

请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形

请求许可

探索更多文章

151 3D

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

联系我们

向图书馆推荐

JoVE 新闻简报

科研

教育

发表

图书馆员

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。