椎体エンドプレートの精密測定とパラメトリックモデル

要約

リバースエンジニアリングシステムを使用して、脊椎エンドプレートの詳細かつ包括的な形状データを記録し、取得します。脊椎エンドプレートのパラメトリックモデルが開発され、パーソナライズされた脊椎インプラントの設計、臨床診断の作成、正確な有限要素モデルの開発に有益です。

要約

脊椎エンドプレートの詳細かつ包括的な幾何学的データは、脊椎の有限要素モデルの忠実性を向上させ、脊椎インプラントを設計し、改善し、変性変化とバイオメカニクスを理解するために重要かつ必要です。このプロトコルでは、エンドプレート表面の形態データをデジタル点雲に変換するために、高速かつ高精度のスキャナを採用しています。ソフトウェアシステムでは、点群がさらに処理され、3次元に再構築されます。次に、各点を 3D 座標にするために定義された 3D 座標系、エンドプレートサーフェスに対称的に適合する 3 つの矢状サーフェスカーブ、および 11 の等距離ポイントを含む測定プロトコルが実行されます。各カーブで選択されます。最終的に測定と空間解析を行い、エンドプレートの幾何学的データを取得します。曲線とサーフェスの形態を表すパラメトリック方程式は、特性点に基づいて適合されます。モジュラー化された提案されたプロトコルは、脊椎エンドプレートの幾何学的データを得るための正確で再現性の高い方法を提供し、将来的により高度な形態学的研究に役立つ可能性がある。また、パーソナライズされた脊椎インプラントの設計、外科的行為の計画、臨床診断の作成、正確な有限要素モデルの開発にも貢献します。

概要

脊椎エンドプレートは、椎体の優れたまたは劣ったシェルであり、円盤と椎^体1の間で応力を伝達する機械的インターフェースとして機能する。これは、椎体の外縁を取り囲む強くて固体骨の陰部であるエピフィシールリムと、薄くて多孔質である中央エンドプレートで構成^{されています。}

脊椎は、外科的介入を保証する可能性のある変性、外傷性、および腫瘍性疾患の広い配列の対象となる。近年,人工椎間板やケージなどの脊髄装置が広く用いられてきた。エンドプレートの正確で詳細な形態パラメータは、効果的な人工椎椎接触と骨の成長電^位3を持つ脊柱インプラントの設計および改善に必要です。さらに、脊椎エンドプレートの正確な形状と形状に関する情報は、バイオメカニクスを理解するために重要です。有限要素モデリングは、実際の椎骨のシミュレーションを可能にし、様々な負荷^条件4に対する脊柱の生理学的応答を研究するために広く使用されているが、この技術は患者固有であり、すべての人に一般化できない脊椎。有限要素^モデル5を開発する際には、一般集団における脊椎幾何学の本質的な変動を考慮すべきことが示唆されている。したがって、エンドプレートの幾何学的パラメータは、有限要素モデリングにおけるメッシュ生成と忠実度の向上に役立ちます。

エンドプレート幾何学とインプラント表面のマッチングの重要性は、以前の^{研究6、7、8}で議論されているが、椎体エンドプレートの形態に関するデータは乏しい。ほとんどの以前の研究は、エンド^{プレート9、10、11}の3D性質を明らかにすることができなかった。エンドプレートの^{形態12、13、14}をより良く、完全に描写するには、空間解析が必要です。さらに、ほとんどの研究は、低精度測定技術10、15、16を採用^{しています。}さらに、幾何学パラメータをレントゲン写真またはコンピュータ断層^{撮影(CT)17、18}を用いて測定すると、有意な倍率が報告されている。磁気共鳴イメージング(MRI)は非侵襲的と考えられているが、経体^構造11の正確なマージンを定義する際の精度は低い。標準化された測定プロトコルがないため、既存のジオメトリデータには大きな違いがあります。

近年、既存の物理部品をコンピュータ化された固体モデルにデジタル化できるリバースエンジニアリングが、医学分野にますます応用されています。この技術により、高度な椎骨表面の解剖学的特徴を正確に表現することが可能になります。リバースエンジニアリングシステムには、計測システムとソフトウェアシステムの2つのサブシステムが含まれています。このプロトコルで採用されたインストルメンテーションシステムは、高速かつ高精度(精度0.02mm、1,628 x 1,236ピクセル)である非接触光学3Dレンジフラットベッドスキャナを備えています。スキャナは、ターゲット オブジェクトのサーフェスモーフォロジー情報を効率的に (入力時間 3 s) にキャプチャし、デジタル ポイント クラウドに変換できます。ソフトウェアシステム(リバースエンジニアリングソフトウェア)は、点群データ処理(材料表参照)、3Dサーフェスモデルの再構築、フリーカーブとサーフェス編集、およびデータ処理のためのコンピュータアプリケーションです(の表を参照)材料)。

本報告書の目的は、(1)リバースエンジニアリング技術に基づく椎体エンドプレートの定量パラメータを取得するための測定プロトコルとアルゴリズムを考案すること、(2)現実的に可能な数学的モデルを開発することである。あまりにも多くのランドマークをデジタイズすることなく、脊椎エンドプレートの表現。これらの方法は、外科的行為計画および有限要素モデリングに有益である。

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プロトコル

この研究は、著者の研究所の健康研究倫理委員会によって承認されました.頸椎骨はより複雑な^形状19を持っているので、プロトコルは、関連する研究を容易にするために、イラストとして頸椎を使用しています。

1. 材料の準備、スキャン、画像処理

1. 病理学的な変形や壊れた部分なしで乾燥した頸椎を集める。
2. スキャナのプラットフォームに脊椎を垂直に配置します (図 1, 「材料の表」を参照)、 エンドプレートをカメラレンズに向けます。スキャナのアクティブな光源を使用します。次に、スキャンプロセスを開始して点群データ(.ASC 形式)。
   注:事前スキャン画像に従って、可能な限り多くの表面形態情報をキャプチャするために、椎骨のスキャナと位置を調整します。
3. 点群の処理に特別に使用するソフトウェアを開きます(「材料の表」を参照)。[インポート]をクリックして点群データを読み込み、脊椎のデジタル グラフィックを生成します。サンプルレートを 100% に設定し、[完全なデータをサンプリングに保持]を選択し、データの単位をミリメートルとして選択し、[シェード ポイント]をクリックします。なげなわ選択ツールを使用して、グラフィック上の冗長なポイントを選択し、[削除]をクリックして削除します。[ノイズを減らす]をクリックし、滑らかさレベルを最大に設定してノイズとスパイクを減らします (図2A,B)。
   注: GUI (グラフィカル ユーザー インターフェイス) の下部には、基本的なソフトウェア操作手順があります。明らかな鋭い拍車を伴うノイズ ポイントは、エラーを減らすために、横方向または垂直方向に除去する必要があります。
4. [ラップ]をクリックしてイメージング データを .stl 形式のファイルにパッケージ化し、ポイント クラウドをメッシュに変換し、ポイント オブジェクトをポリゴン オブジェクトに変換します。
   注: リバース エンジニアリング ソフトウェアは、通常.stl スタイルの 3D 形式を受け入れます。
5. 3D 再構成およびデータ処理に特別に使用されるソフトウェアを開きます(「材料の表」を参照)。サブメニューで[ファイル]をクリックし、[新規]をクリックします。タイプのリストでパーツを選択します。[開始]をクリックし、サブメニューで[シェイプ]をクリックし、[デジタル化されたシェイプ エディタ]をクリックします。GUI の右側にあるツールバーの[インポート]アイコンをクリックします。[インポート] ウィンドウで、.stl形式のファイルを選択し、[適用> OK] をクリックします。下部のツールバーのアイコンの [すべてに合わせる]をクリックして、再構成されたイメージをプレゼンテーション ソフトウェアのメイン ウィンドウに読み込みます。
   注: 手順 1.5 ~ 2.3.3 は同じソフトウェアで実行されます。
6. 右側のツールバーで[アクティブ化]をクリックします。[アクティブ化] ウィンドウで、[トラップ モード>ポリゴン タイプ>内側トラップ]を選択します。次に、3D 画像上の脊椎エンドプレートを選択して、後部要素や骨粗鬆症などの不要な椎体成分を除去します(図2C)。

2. エンドプレートの3D形態の定量化

1. エンドプレート 3D 座標系の定義
   1. サブメニューの[開始>図形]をクリックし、[生成シェイプ デザイン]をクリックします。右側のツールバーのポイントアイコンをクリックします。エピフィシールリムに3つの解剖学的ランドマークをマークする:最初の2つは、それぞれエンドプレートトレーリングエッジの左右の端点です。3 つ目は、前の中央値です。
   2. 右側のツールバーの[ライン]アイコンをクリックし、後続の端線を定義する 2 つの末尾の端点を選択します。平面アイコンをクリックし、カーブに対して法線となる平面タイプを選択し、後部正面線と前中央点を選択して中間矢状面を定義します。
   3. [開始>シェイプ>クイック サーフェスの再構築] をクリックします。[平面断面]アイコンをクリックし、番号オプションに1を入力し、エンドプレート イメージと中間矢状面を選択して交差する曲線を生成します。スキャンアイコンから[カーブ]をクリックし、交差するカーブと後エピフィシールリムの交点を選択します。交差点を後続の中央値として定義します。
   4. [開始>シェイプ>ジェネレーティブ シェイプ デザイン]をクリックします。[ライン]アイコンをクリックし、前の中央値点と後中央値点を選択して、中間矢状の直径を定義します。[ポイント]アイコンをクリックし、サブメニューの[ポイントと平面の繰り返し]をクリックします。次に、中矢月径を選択し、[インスタンス]オプションに1を入力して、中矢状径の中点を定義します。
   5. 下部のツールバーで[軸システム]アイコンをクリックします。次に、中矢状径の中点を原点として選択し、後方の前頭線に平行な線をX軸として、中矢状径をY軸として、X-y面をZ軸として前方と垂直を指す線(図3)を選択します。).
      注: 2 つの末尾エッジ エンドポイントは一貫性があり、骨フィート¹⁰の存在下で最小変動を示すため、参照点として選択されます。
2. エンドプレートサーフェス上の特性曲線と点のフィッティング(図 4A-D)
   1. [ポイント]アイコンをクリックし、サブメニューの[ポイントと平面の繰り返し]をクリックします。中間矢状の直径を選択し、[インスタンス]オプションに3を入力すると、中矢状の直径を 4 つの部分に均等に分割します。
   2. [開始 > シェイプ > クイック サーフェスの再構築] をクリックします。[平面断面]アイコンをクリックし、[番号]オプションに1を入力し、エンドプレート イメージと x-z 平面を選択して交差するカーブを生成します。スキャンアイコンから[カーブ]をクリックし、X-Z平面とエピフィシールリムの2つの交点を選択します。
   3. 2 つの交点間の線分を中間前面直径として定義します。同様に、中間前面の直径を 4 つの部分に均等に分割します。
      注: エンドプレートがメ矢状面に対して対称でない場合は、z-y 平面に対する垂直距離が短い中間前面カーブの 2 つの端点のいずれかを選択します。次に、中間前面の直径を短い長さの 2 倍と定義し、4 つの部分に均等に分割します。
   4. 下部のツールバーの[間の測定]アイコンをクリックして、中間矢状の直径の四分の一の長さを測定します。[平面断面]アイコンをクリックし、[番号]オプションに2を入力し、ステップ オプションで測定値を入力し、エンドプレート イメージと x-z 平面を選択して、前面パーツの片側に 2 つの継手カーブを生成します。[スワップ]をクリックして、反対側に 2 つの継手カーブを生成します。同じ方法で、矢状面内の他の 3 つの継手カーブを取得します。
      注: 2 つの中間前立継手カーブは、2 つの中間矢状継手カーブと重なっています。
   5. 後続の測定では、各カーブで 11 個の等距離点を選択します。具体的な方法は次のとおりです。
      1. 中間矢状曲線を例にとると、中間矢状の直径を 10 個の部分に均等に分割し、9 つの中間点と 2 つの端点を含む 11 ポイントの合計になります(ステップ 2.1.3 および 2.2.1 を参照)。
      2. 各等距離点を通過し、エンドプレートサーフェス上の 9 つの継手カーブを取得します(ステップ 2.2.2 を参照)。スキャン アイコンから[カーブ]をクリックし、継手カーブと中間矢状曲線の交点を選択します。最後に、各エンドプレートで合計 66 ポイント(カーブごとに 6 つのカーブを掛けた 11 ポイント)を取得します。下部のツールバーの[項目の測定]アイコンをクリックして、各ポイントの座標を測定します。
3. エンドプレート形態パラメータの測定
   1. ライン パラメータ:
      1. [間の測定]アイコンをクリックして、2 つの測定ポイント間の距離である線パラメータの長さを測定します。
   2. 凹度パラメータ:
      1. x-y 平面に平行な平面を作成する (図 5A):[開始]>シェイプ>ジェネレーティブ シェイプ デザインをクリックします。右側のツールバーのスケッチアイコンをクリックし、X-y平面をクリックします。[円]アイコンをクリックし、エンドプレート サーフェスの[原点]をクリックし、マウスのカーソルを適切な距離までドラッグしてからクリックします。ワークベンチの終了アイコンをクリックし、[塗りつぶし] アイコンをクリックし、クリックします。
      2. [オフセット]アイコンをクリックし、塗りつぶされた平面を選択し、最も凹面部分に接するまでオフセット オプションに適切な値を入力し、拡大します。[開始>シェイプ>クイック サーフェスの再構築] をクリックします。次に、3D カーブアイコンをクリックして、最も凹面の点を見つけて作成します。[項目の測定]アイコンをクリックして、最も凹面ポイントの座標を測定します (図 5B)。
      3. [間の測定]アイコンをクリックし、最も凹面ポイントと x-y 平面を選択して、エンドプレートの凹面全体の深さを測定します。同様に、特定の平面上で最も凹状の深さを見つけて作成し、その座標を測定します。
      4. 右側のツールバーの投影アイコンをクリックし、最も凹面の点と x-y 平面を選択して投影点を取得します。[項目の測定]アイコンをクリックして投影ポイントの座標を測定し、座標に基づいて分布を決定します。
   3. サーフェス積分パラメータ:
      1. 下部のツールバーの[慣性の測定]アイコンをクリックし、エンドプレートサーフェスをクリックして面積を測定します。[アクティブ化]アイコンをクリックし、エピフィシール リングの内側の余白に沿って中央のエンドプレートを選択します (ステップ 1.6 を参照)、[慣性の測定]アイコンをクリックして面積を測定します (図 5C)。[アクティブ化]アイコンをクリックし、中央のエンドプレートをクリックし、最後に[アクティブ化]ウィンドウの[スワップ]アイコンをクリックして、エピフィシールリムを取得します。次に、その面積を測定します。

3. エンドプレート表面数学モデルの開発

1. パラメトリック方程式の適合順序の決定
   1. データ分析および視覚化ソフトウェアを開きます(「材料の表」を参照)。コマンド ウィンドウに x = [対応するデータ]を入力します。[入力]をクリックします。
      注:「対応するデータ」とは、前のステップで測定された1つの曲線における11の特性点のX座標データを指します。各コマンドを入力した後にEnterをクリックし、後続の操作に同じを適用します。手順 3.1 ~ 5.5 は、同じソフトウェアで一律に実行されます。
   2. 同じように、入力z = [対応するデータ].
   3. i=1:5 z2=polyfit(x,z,i)のコードを入力します。Z=ポリヴァル(z2,x);合計((Z-z)^2)<0.01 C=iブレークする場合。終了;終了.
      注:プロトコルは、より高い精度を得るために0.01未満の誤差平方和を設定し、その値は、様々な要求を満たすために再調整することができます。
   4. [Enter]をクリックして、目的の適合順序である C 値を取得します。
2. パラメータ方程式継手
   1. cftool を入力し、[Enter]をクリックしてカーブフィッティングツールを表示します。
   2. コマンド ウィンドウでカーブの座標を入力します(手順 3.1.1 および 3.1.2 を参照)。カーブ フィッティング ツールで、x データ オプションで矢状平面カーブをフィッティングする際に、正面平面カーブと Y 座標データをフィッティングするときに X 座標データを選択し、Y データ オプションで Z 座標データを選択し、多項式を選択し、適合順序を入力します。取得。その後、ソフトウェアは、自動的にフィットのパラメトリック方程式と良好性を出力します。
      注: カーブは 2D イメージであるため、既定の作業オプションは、カーブをフィッティングするときにカーブ フィッティング ツールの x オプションと y オプションです。
   3. 同様に、66 点の 3D 座標を入力し、座標データを対応する軸オプションに一致させます。多項式を選択し、フィット順序を入力して、エンドプレートサーフェスのパラメトリック方程式を取得します(図6B)。

4. パラメトリック方程式に基づく幾何学的データの取得

1. コマンド ウィンドウのエンドプレート上の任意のポイントの X 座標値と Y 座標値を入力します。
2. 入力 P_X1, P_X2, P_X3....
   注: Px は、上記のステップで多項式を使用して適合されたパラメトリック方程式のパラメータです。
3. 方程式を入力し、入力をクリックして結果を得る (つまり、入力形式: z = P₀₀ + P₁₀*x + P₀₁*y + P₂₀*x^2 + P₁₁*x*y + P₀₂*y^2 + P₃₀*x^3 + P₂₁*x^+ 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. パラメトリック方程式に基づくエンドプレートの表現

1. 入力 P_X1, P_X2, P_X3....コマンド ウィンドウに表示されます。
2. コードX=N₁:0.01:N₂を入力します。
   注:N₁-N₂はX軸データの範囲です(すなわち、中間コロナ曲線の2つの端点の値)。
3. "Y=N₃:0.01:N₄;"というコードを入力します。
4. 方程式を入力する (すなわち、z=@(x,y)P₀₀ + P₁₀.*x + P₀₁.*x.2 + P 11 .*x.^2 + P₁₁.*x.y+ P₀₂.*y.^2 + P₂₁.*x^2+ _{P 21.*x^+P 12.y03}.*y.^3 + P₄₀.*x.^4 + P₃₁.*x.^3.*y + P₂₂.*x.^2.*y.^2+ P₁₃.*x.y.^3 + P₀₄.*y.^4;
5. コードezmesh(z,[N_1,N2,N3,N4])を入力して、3Dシミュレーショングラフィックス(図6C)を取得します。

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結果

高精度の光学3Dレンジフラットベッドスキャナを使用して、エンドプレートを45,000以上のデジタルポイントに変換し、形態を適切に特徴付けました(図2A,B)。

測定プロトコルでは、エンドプレート表面の空間解析を行った。代表的な曲線を表面に取り付け、定量化して形態を特徴付けた(図4B)。

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ディスカッション

リバースエンジニアリングは、頭蓋形成^術20、経^口21、上顎顔面^{インプラント21}などの医学分野にますます応用され、成功を収めています。リバースエンジニアリング測定、すなわち製品表面デジタル化とは、特定の測定装置と方法を用いた点群データへの表面情報の変換を指します。このようなデータに基づいて、複雑な表面モデリング?...

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資料

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