The accuracy of the reproduction of the lumbar spine elements following CT and MRI projections

The paper presents an analysis of factors influencing the accuracy of reproduction of geometry of the vertebrae and the intervertebral disc of the lumbar motion segment for the purpose of designing of an intervertebral disc endoprosthesis. In order to increase the functionality of the new type of endoprostheses by a better adjustment of their structure to the patient’s anatomical features, specialist software was used allowing the processing of the projections of the diagnosed structures. Recommended minimum values of projection features were determined in order to ensure an effective processing of the scanned structures as well as other factors affecting the quality of the reproduction of 3D model geometries. Also, there were generated 3D models of the L4-L5 section. For the final development of geometric models for disc and vertebrae L4 and L5 there has been used smoothing procedure by cubic free curves with the NURBS technique. This allows accurate reproduction of the geometry for the purposes of identification of a spatial shape of the surface of the vertebrae and the vertebral disc and use of the model for designing of a new endoprosthesis, as well as conducting strength tests with the use of finite elements method.

W artykule przedstawiono analizę czynników, które wpływają na dokładność odwzorowania geometrii kręgów i krążka międzykręgowego segmentu ruchowego kręgosłupa lędźwiowego, na potrzeby projektowania endoprotezy krążka międzykręgowego. W celu zwiększenia funkcjonalności nowego typu endoprotez poprzez lepsze dopasowanie ich konstrukcji do cech anatomicznych pacjenta, wykorzystywano specjalistyczne oprogramowanie, które umożliwiło przetwarzanie projekcji zdiagnozowanych struktur. Zgromadzone dane medyczne, pochodzace z projekcji tomografii komputerowej oraz rezonansu magnetycznego zostały opracowane i zestawione w utworzonej bazie danych. Poszczególne zbiory różniły się między sobą właściwościami (rozdzielczością, wielkością pojedynczego piksela, liczbą rastrów, odstępem pomiędzy rastrami oraz grubością rastrów). Na ich podstawie wygenerowano trójwymiarowe modele. Określono zalecane wartości minimalne cech projekcji, które zapewniają efektywne przetwarzanie skanowanych struktur oraz inne czynniki wpływające na jakość odwzorowania geometrii modeli 3D. Do końcowego opracowania modeli geometrycznych krążka oraz kręgów L4 i L5 wykorzystano procedurę wygładzania poprzez kubiczne krzywe swobodne techniką NURBS. Dzięki temu możliwe jest dokładne odwzorowanie geometrii w celu identyfikacji przestrzennego kształtu powierzchni kręgów i krążka międzykręgowego oraz wykorzystania modelu do zaprojektowania nowej endoprotezy, a także do przeprowadzenia badań wytrzymałościowych metodą elementów skończonych.