Vertebral Uç Plakaların Hassas Ölçümleri ve Parametrik Modelleri

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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 gereklidir^3. 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 modeli^5'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 da^6,7,8, vertebral uç plakaların morfolojisi ile ilgili veriler azdır. En önceki çalışmalar da uç plaka^9,10,113D 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.

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

Protokol

Bu çalışma yazarlar enstitüsünün sağlık araştırma etik kurulu tarafından onaylanmıştır. Servikal vertebra lüsleri daha karmaşık şekillere sahip olduğu için¹⁹, protokol ilgili araştırma kolaylaştırmak için bir örnek olarak servikal vertebra kullanır.

1. Malzemelerin hazırlanması, taranması ve görüntü işleme

1. Patolojik deformasyon veya kırık parçalar olmadan kuru bir servikal vertebra toplayın.
2. Omurları tarayıcıplatformuna dikey olarak yerleştirin(Şekil 1, bkz. Malzemeler Tablosu),son plaka kamera merceği ile karşı karşıya. Tarayıcının aktif ışık kaynağını kullanın. Daha sonra, nokta bulutu verilerini elde etmek için tarama işlemini başlatın (. ASC biçimi).
   NOT: Ön tarayın görüntülerine göre, mümkün olduğunca çok yüzey morfolojisi bilgi yakalamak için tarayıcı ve vertebra konumunu ayarlayın.
3. Nokta bulutlarını işlemek için özel olarak kullanılan yazılımı açın (bkz. Malzeme Tablosu). Nokta bulutverilerini almak ve omurların dijital grafiğini oluşturmak için İçe Aktar'ı tıklatın. Örnekoranını %100'e ayarlayın, Tam Veri Örneklemede Tutun'useçin, veri birimini milimetre olarak seçin ve Gölge Noktaları'nıtıklatın. Grafikteki gereksiz noktaları seçmek için Kement Seçim Aracı'nı kullanın ve ardından bunları kaldırmak için Sil'i tıklatın. Gürültüyü azalt'ı tıklatın ve gürültü ve ani artışları azaltmak için pürüzsüzlük düzeyini maksimuma ayarlayın(Şekil 2A,B).
   NOT: GUI'nin (grafik kullanıcı arabirimi) alt kısmında temel yazılım işlem talimatları vardır. Hatayı azaltmak için yanal veya dikey olarak belirgin keskin mahmuzlara sahip gürültü noktaları kaldırılmalıdır.
4. Nokta bulutunu kafese dönüştürmek için görüntüleme verilerini .stl biçimi dosyasına paketlemek için Kaydır'ı tıklatın ve bu da bir nokta nesnesini çokgen bir nesneye dönüştürür.
   NOT: Ters mühendislik yazılımı genellikle .stl tarzı 3D biçimini kabul eder.
5. 3B yeniden yapılandırma ve veri işleme için özel olarak kullanılan yazılımı açın (bkz. Malzeme Tablosu). Alt menüde Dosya'yı sonra Yeni'yi tıklatın. Türler Listesinde Bölüm'ü seçin. Başlat'ıtıklatın, ardından alt menüde Şekil, ardından Sayısallaştırılmış Şekil Düzenleyicisi. GUI'nin sağ tarafındaki araç çubuğundaki İçe Aktar simgesini tıklatın. İçe Aktarma penceresinde .stl biçimi dosyasını seçin ve ardından Uygula > Tamam'ı tıklatın. Yeniden oluşturulmuş görüntüyü sunu yazılımının ana penceresine yüklemek için alttaki araç çubuğundaki Tümleri Sığdır'ı tıklatın.
   NOT: 1.5-2.3.3 adımları aynı yazılımla gerçekleştirilir.
6. Sağ taraftaki araç çubuğunda Etkinleştir'i tıklatın. Etkinleştir penceresinde, Bindirme Modu > Çokgen Türü > İç Kapan'ıseçin. Daha sonra, arka elemanlar ve osteofitler gibi gereksiz vertebra bileşenlerini kaldırmak için 3B görüntüdeki vertebral uç plakayı seçin(Şekil 2C).

2. Uç plakanın 3Boyutlu morfolojisinin nicelleştirilmesi

1. Uç plaka 3B koordinat sisteminin tanımlanması
   1. Alt menüde Başlat > Şekil'i tıklatın, ardından Generative Shape Design. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Point simgesine tıklayın. Epifiz kenarına üç anatomik işaret işareti: ilk ikisi sırasıyla bitiş plakası son kenarının sol ve sağ uç noktalarıdır; üçüncü ön ortanca noktasıdır.
   2. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Çizgi simgesini tıklatın ve arka cephe hattını tanımlamak için iki kenar uç noktasını seçin. Düzlem simgesini tıklatın, eğri normal olacak düzlem türünü seçin, sonra orta sagittal düzlemi tanımlamak için arka cephe ve ön ortanca noktası seçin.
   3. Başlangıç > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'natıklayın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, sayı seçeneğine 1 girin, ardından kesişen eğri oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve orta sagittal düzlemi seçin. Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve kesişen eğri ve arka epiphyseal jantın kesişme sini seçin. Kesişimi arka ortanokta olarak tanımlayın.
   4. Başlat > Şekil > Üretken Şekil Tasarımı'nıtıklatın. Satır simgesini tıklatın ve orta sagital çapı tanımlamak için ön orta nokta ve posterior median noktasını seçin. Alt menüde Nokta simgesini, ardından Puanlar ve Düzlemler Yineleme'yi tıklatın. Daha sonra, orta sagital çapı seçin ve orta sagital çapı orta noktasını tanımlamak için Örnek (ler) seçeneğine 1 girin.
   5. Alttaki araç çubuğundaki Eksen Sistemi simgesini tıklatın. Daha sonra, başlangıç olarak orta sagital çapın orta noktasını, x ekseni olarak arka cephe çizgisine paralel çizgiyi, y ekseni olarak orta sagital çapı ve z ekseni olarak x-y düzlemine doğru ileri ve dik olan çizgiyi seçin (Şekil 3 ).
      NOT: İki sondaki kenar uç noktaları, tutarlı oldukları ve osteofit¹⁰varlığında minimum varyasyon gösterdikleri için referans noktaları olarak seçilir.
2. Son plaka yüzeyine karakteristik eğriler ve noktalar uydurması (Şekil 4A-D)
   1. Alt menüde Nokta simgesini, ardından Puanlar ve Düzlemler Yineleme'yi tıklatın. Orta sagital çapı seçin ve orta sagital çapı eşit olarak dört parçaya bölmek için Örnek(ler) seçeneğine 3 girin.
   2. Başlangıç > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'natıklayın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, Sayı seçeneğine 1 girin, ardından kesişen eğri oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve x-z düzlemini seçin. Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve x-z düzleminin ve epifiz kenarının iki kesişimini seçin.
   3. İki kavşak arasındaki çizgiyi orta frontal çap olarak tanımlayın. Aynı şekilde, orta frontal çapı eşit olarak dört parçaya bölün.
      NOT: Son plaka med-sagital düzleme göre simetrik olmadığında, z-y düzlemine daha kısa dikey uzaklığı olan orta frontal eğrinin iki uç noktasından birini seçin. Daha sonra, orta ön çapı 2x kısa uzunluğu olarak tanımlayın ve eşit olarak dört bölüme bölün.
   4. Orta sagital çapının dörtte birinin uzunluğunu ölçmek için alttaki araç çubuğundaki Ara düzey arasındaki ölçü simgesini tıklatın. Düzlemsel Bölüm simgesini tıklatın, Sayı seçeneğine 2 girin, Adım seçeneğine ölçülen değeri girin, ardından ön kısmın bir tarafında iki montaj eğrisi oluşturmak için son plaka görüntüsünü ve x-z düzlemini seçin. Diğer tarafta iki montaj eğrisi oluşturmak için Takas'ı tıklatın. Aynı şekilde, sagital düzlemde diğer üç montaj eğrileri elde.
      NOT: İki orta frontal montaj eğrisi iki orta sagittal montaj eğrisi ile örtüşmektedir.
   5. Sonraki ölçümler için her eğride 11 eşit uzaklık noktası seçin. Özel yöntem aşağıdaki gibidir:
      1. Örnek olarak orta sagital eğriyi ele alarak, orta sagital çapı eşit olarak 10 parçaya bölün, dokuz ara nokta ve iki uç nokta da dahil olmak üzere 11 puan (2.1.3 ve 2.2.1 adımlarına bakın) toplamı elde edin.
      2. Her eşit uzaklık noktasından geçin, uç plaka yüzeyinde dokuz montaj eğrisi edinin (adım 2.2.2'ye bakın). Scan simgesinden Eğri'yi tıklatın ve montaj eğrilerinin kesişme sini ve orta sagital eğrisini seçin. Son olarak, her uç plakaüzerinde toplam 66 nokta elde edin (eğri başına 11 puan altı eğriyle çarpılır). Her noktanın koordinatlarını ölçmek için alttaki araç çubuğundaki Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
3. Son plaka morfolojik parametrelerinin ölçümü
   1. Çizgi parametresi:
      1. Ölçülen iki nokta arasındaki uzaklık olan çizgi parametresinin uzunluğunu ölçmek için Aralar simgesini tıklatın.
   2. Konkavitparametreleri:
      1. x-y düzlemine paralel bir düzlem oluşturma(Şekil 5A): Başlat > Şekil > Generatif Şekil Tasarımı'nıtıklatın. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Çizim simgesine tıklayın ve ardından x-y düzlemini tıklatın. Daire simgesine tıklayın, son plaka yüzeyinde Başlangıç'ı tıklatın, farenin imlecini uygun bir mesafeye sürükleyin ve ardından tıklatın. Çalışma Tezgahı'nı Çıkar simgesini, ardından Dolgu simgesini tıklatın ve sonra tıklatın.
      2. Ofset simgesini tıklatın, dolu düzlemi seçin ve en içbükey kısmına teğet olana kadar ofset seçeneğine uygun bir değer girin ve yakınlaştırın. Başlat > Şekil > Hızlı Yüzey Rekonstrüksiyonu'na tıklayın. Ardından, en içbükey noktayı bulmak ve oluşturmak için 3B eğri simgesini tıklatın. En içbükey noktanın(Şekil 5B)koordinatlarını ölçmek için Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
      3. Arayla Ölçü simgesini tıklatın ve ardından tüm uç plaka concavity derinliğini ölçmek için en içbükey nokta ve x-y düzlemini seçin. Benzer şekilde, belirli bir düzlemde en içbükey derinliği bulun ve oluşturun ve koordinatlarını ölçün.
      4. Sağ taraftaki araç çubuğundaki Projeksiyon simgesini tıklatın ve ardından projektif noktayı elde etmek için en içbükey noktayı ve x-y düzlemini seçin. Projektör noktasının koordinatlarını ölçmek ve koordinatları temel almak için Ölçü Öğesi simgesini tıklatın.
   3. Yüzey alanı parametreleri:
      1. Alttaki araç çubuğundaki Ölçü Ataleti simgesini tıklatın ve alanını ölçmek için son plaka yüzeyini tıklatın. Etkinleştir simgesini tıklatın ve epifiz halkasının iç kenar boşlukları boyunca merkezi bitiş plakasını seçin (adım 1.6'ya bakın), sonra alanını ölçmek için Inatertia Ölçüsimgesini tıklatın(Şekil 5C). Bir epifiz jantı elde etmek için Etkinleştir simgesini, ardından merkezi bitiş plakasını ve son olarak Etkinleştir penceresindeki Swap simgesini tıklatın. Sonra, alanını ölçün.

3. Uç plaka yüzey matematiksel modelin geliştirilmesi

1. Parametrik denklemin uygun sırasını belirleme
   1. Veri analizi ve görselleştirme yazılımını açın (bkz. Malzemeler Tablosu). Giriş x = [karşılık gelen veriler] komut penceresinde. Enter'utıklatın.
      NOT: "Karşılık gelen veriler", bir eğrideki 11 karakteristik noktanın önceki adımlarında ölçülen x-koordinat verilerini ifade eder. Sonraki işlemleriçin aynı uygulama ile, her komutu girdikten sonra Enter'u tıklatın. 3.1-5.5 adımları aynı yazılımla aynı şekilde gerçekleştirilir.
   2. Aynı şekilde, giriş z = [karşılık gelen veri].
   3. i=1:5 z2=polyfit(x,z,i) kodunu girin; Z=polival(z2,x); if sum((Z-z).^2)<0.01 C=i break; sonu; sonu.
      NOT: Protokol, daha yüksek hassasiyet elde etmek için 0,01'in altındaki karelerin hata toplamını ayarlar ve değeri çeşitli talepleri karşılamak için düzeltilebilir.
   4. İstenilen uygun sıraolan Bir C değeri elde etmek için Enter'u tıklatın.
2. Parametre denklemi uydurma
   1. Enterput cftool ve Eğri Montaj Aracı getirmek için Enter'a tıklayın.
   2. Komut penceresinde bir eğrinin koordinatlarını girdi (3.1.1 ve 3.1.2 adımlarına bakın). Eğri Montaj Aracı'nda, x veri seçeneğine sagittal düzlem eğrileri takıldığında frontal düzlem eğrilerini ve y-koordinat verilerini yeralırken x-koordinat verilerini seçin, y veri seçeneğinde z-koordinat verilerini seçin, polinom'useçin ve uygun sırayı girin Elde. Daha sonra, yazılım parametrik denklemi ve otomatik olarak uygun iyilik çıktı olacaktır.
      NOT: Eğri 2B görüntü olduğundan, varsayılan çalışma seçeneği eğriyi takarken Eğri Montaj Aracı'ndaki x ve y seçenekleridir.
   3. Benzer şekilde, 66 noktanın 3B koordinatlarını girve koordinat verilerini ilgili eksen seçenekleriyle eşleştirin. Polinomu seçin ve bitiş plaka yüzeyinin parametrik denklemini elde etmek için uygun sırayı girin (Şekil 6B).

4. Parametrik denkleme dayalı geometrik verilerin elde edilmesi

1. Komut penceresinde ki bitiş plakasındaki herhangi bir noktanın x- ve y-koordinat değerlerini girin.
2. Giriş P_X1, P_X2, P_X3....
   NOT: Px yukarıdaki adımlarda polinom kullanılarak monte edilmiş parametrik denklemin parametreleridir.
3. Denklemi girin ve sonucu elde etmek için Enter tuşuna basın (yani, giriş biçimi: z = P₀₀ + P₁₀*x + P₀₁*y + P₂₀*x^2 + P₁₁*x*y + P₀₂*y^2 + P₃₀*x^3 + P₂₁*x^2*y + 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. Parametrik denkleme dayalı son plakanın gösterimi

1. Giriş P_X1, P_X2, P_X3.... komut penceresinde.
2. X=N₁:0.01:N₂kodunu girin; .
   NOT: N₁–N_2, X ekseni veri aralığıdır (yani, orta koronal eğrinin iki uç noktasının değerleri).
3. "Y=N₃:0.01:N₄;" kodunu girin.
4. Denklemi (yani, z=@(x,y)P₀₀ + P₁₀.*x + P₀₁.*y + P₂₀.*x.^2 + P₁₁.*x.*y + P₀₂.*y.^2 + P₃₀.*x.^3 + P₂₁.*x.^2.*y+ P.*x.^2.*y.**P + ₀₃.*y.^3 + P₄₀.*x.^4 + P₃₁.*x.^3.*y + P₂₂.*x.^2.*y.^2+ P₁₃.*x.*y.^3 + P₀₄.*y.^4;).
5. 3B simülasyon grafikleri elde etmek için ezmesh(z, [N_1,N2,N₃,N₄]) kodunu girin (Şekil 6C).

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

Sonuçlar

Son derece hassas optik 3D menzilli düz yataklı tarayıcı kullanılarak, son plakalar morfolojiyi yeterince karakterize eden 45.000'den fazla dijital noktaya dönüştürüldü(Şekil 2A,B).

Ölçüm protokolünde, son plaka yüzeylerinin mekansal analizi yapılmıştır. Temsili eğriler morfolojiyi karakterize etmek için yüzeye monte edilmiş ve ölçüldü (Şekil 4B). Doğr...

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

Tartışmalar

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...

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

Malzemeler

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