raport spine 1 2014 consortiu 20pag ver1

Tip proiect Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4 Contract nr. 227/2014 Titlul Sistem de diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei

vertebrale (SPINE) Web http://spine.unitbv.ro Coordonator

Universitatea Transilvania din Braov

Parteneri

Universitatea Tehnica din Cluj - Napoca

Universitatea de Medicina si Farmacie - Carol Davila Bucuresti

SC Electronic April Aparatura Electronica Speciala S.R.L. Cluj - Napoca

Etapa I 2014 Realizarea modelului 3D al coloanei vertebrale

Contents REZUMAT 3 1 GEOMETRIA, ROLUL I FUNCIILE COLOANEI VERTEBRALE ............................ 4

1.1 Geometria coloanei vertebrale ...................................................................................................... 4 1.1.1 Coloana cervicala ................................................................................................................. 4 1.1.2 Coloana toracala ................................................................................................................... 5 1.1.3 Coloana lombara ................................................................................................................... 5 1.1.4 Vertebrele ............................................................................................................................. 6 1.1.5 Articulatiile ........................................................................................................................... 6 1.1.6 Ligamentele .......................................................................................................................... 7 1.1.7 Muchii ................................................................................................................................. 7 1.1.8 Nervii .................................................................................................................................... 8 1.1.9 Unitatea funcional vertebral elementar segment motor-ul Junghans ...................... 8

2 BIOMECANICA COLOANEI VERTEBRALE ................................................................ 9 2.1 Elemente generale de biomecanic a coloanei vertebrale ............................................................ 9 2.2 Studiul mobilitii coloanei vertebrale ......................................................................................... 9

2.2.1 Micarea de flexie ................................................................................................................ 9 2.2.2 Micarea de extensie ...........................................................................................................10 2.2.3 Micarea de inflexiune lateral ............................................................................................10 2.2.4 Micarea de rotaie ..............................................................................................................10

2.3 Tulburrile de static ale coloanei vertebrale ..............................................................................10 2.3.1 Scolioza ...............................................................................................................................10 2.3.2 Cifozele ...............................................................................................................................11

2.4 Analiza examenului radiologic ....................................................................................................11 2.4.1 Planul frontal .......................................................................................................................11 2.4.2 Planul sagital .......................................................................................................................12 2.4.3 Planul orizontal ....................................................................................................................12

2.5 Reprezentarea rahisului n spaiu .................................................................................................13 3 MODELUL GEOMETRIC CAD AL COLOANEI VERTEBRALE ............................... 13

3.1 Achiziia de date ..........................................................................................................................13 3.2 Programe software utilizate n reconstrucia 3D .........................................................................15 3.3 Realizarea modelului CAD..........................................................................................................15

3.3.1 Segmentarea coloanei din CT ..............................................................................................15 3.3.2 Extragerea modelelor 3D ale componentelor coloanei vertebtrale ......................................16

4 MODELUL CINEMATIC AL COLOANEI VERTEBRALE .......................................... 17 4.1 Limitele anatomice normale ale micrilor vertebrelor coloanei ................................................18 4.2 Modelul cinematic .......................................................................................................................18

5 CONCLUZII ..................................................................................................................... 19 6 DISEMINAREA REULTATELOR - PARTICIPRI LA MANIFESTRI TIINIFICE20 BIBLIOGRAFIE ................................................................................................................................... 20

Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale

Raport tehnic Etapa I

Pag. 2

REZUMAT

Etapa I Realizarea modelului 3D al coloanei vertebrale Obiectivul general al proiectului

Dezvoltarea i testarea unui sistem inovativ pentru diagnosticarea i tratamentul afeciunilor coloanei vertebrale. Se urmrete crearea unui dispozitiv mecatronic capabil s msoare n timp real poziia instantanee a coloanei vertebrale umane, facilitnd un diagnostic precis, precum i monitorizarea continu n vederea prevenirii i/sau tratarea afeciunilor acesteia.

Activitile etapei I

Activitate I.1 Modelarea coloanei vertebrale Cercetri privind geometria coloanei vertebrale; Proiectare; cinematica coloanei vertebrale;modelare CAD Activitate I.2 Analiza metodelor existente de determinare a deficienelor cinematice ale coloanei vertebrale

Rezultate R.I.1.a Studiu privind geometria, rolul i funciile coloanei vertebrale; R.I.1.b Model geometric CAD al coloanei vertebrale; R.I.1.c Model cinematic; R.I.2 Studiu privind deficientele cinematice ale coloanei vertebrale

Primul capitol prezint succint cele mai importante informaii privind coloana vertebral. Sunt vizate aspecte privind geometria coloanei i a elementelelor componente (vertebre, discuri intervertebrale, ligamente, muchi, nervi) precum i a articulaiilor intervertebrale. Este prezentat mecanismul de meninere a curburilor coloanei vertebrale i preluare a eforturilor de ctre discurile intervertebrale. n a doua parte sunt detaliate aspecte ale biomecanicii coloanei vertebrale cu accent pe modul de funcionare static i dinamic n vederea ndeplinirii funciilor principale de susinere, deplasare i protecie a mduvei spinrii. Tot n aceast seciune sunt prezentate cele mai importante tulburri de static ale coloanei (scolioza i cifoza) precum i elemente ale examenului clinic de depistare a acestor disfuncionaliti. Capitolul 3 cuprinde date privind tehnici de reconstrucie a coloanei vertebrale i de realizare a modelului 3D folosind tehnici CAD (Computer Aided Design). Este prezentat detaliat modul de lucru folosit n acest proiect reconstrucia 3D pe baza imaginilor obinute prin scanarea in vivo pe Computer Tomograf, utiliznd programe software dedicate (3D Doctor, 3D Slicer, MeshLab, Catia). n capitolul 4 este dezvoltat procedura de construcie a modelului cinematic, folosind modelul geometric 3D obinut n capitolul anterior. Este propus un model propriu, obinut pe baza studierii modelelor cinematice ale coloanei vertebrale din literatura de specialitate, folosind tehnologii i medii avansate de proiectare mecanic (Catia, Matlab). n finalul lucrrii sunt prezentate concluzii cu referire la gradul de ndeplinire a rezultatelor propuse, o list cu referinele bibliografice utilizate, precum i o seciune cu modul de diseminare i participrile la manifestrile tiinifice n domeniul proiectului, ce au avut loc n perioada de raportare



Pag. 3

1 GEOMETRIA, ROLUL I FUNCIILE COLOANEI VERTEBRALE

Coloana vertebrala reprezinta segmentul axial al scheletului si este alcatuita din 33-34 de vertebre dispuse metameric si fiind impartita in cinci regiuni: cervicala, toracala, lombara, sacrala si coocigiana.

1.1 Geometria coloanei vertebrale Coloana vertebral reprezint o structur complex, compus dintr-o serie de elemente rigide (vertebre) conectate ntre ele prin elemente flexibile vsco-elastice (discuri intervertebrale) i pot suporta diverse solicitri (compresiune, ncovoiere i forfecare). Coloana vertebral, segmentul axial al scheletului

trunchiului, este alctuit la om din suprapunerea a 33-34 de vertebre, i a discurilor intervertebrale dintre acestea, msurnd aproximativ 73 cm la brbai i 63 cm la femei. Vertebrele sunt dispuse metameric, una deasupra alteia, i sunt mprite dup regiunile crora le aparin n: cervicale (7 vertebre), toracale (12 vertebre), lombare (5 vertebre), sacrale (5 vertebre) i coccigiene (4 sau 5 vertebre) (Figura 1). Coloana vertebral nu este rectilinie, ci prezint patru curburi fiziologice n plan sagital (planele sunt prezentate n Figura 2). Curburile sagitale au rol n mrirea rezistenei coloanei vertebrale i sunt orientate cu convexitatea nainte (lordoze) i cu convexitatea napoi (cifoze). Acestea sunt: lordoza cervical, cifoza toracic, lordoza lombar i cifoza sacro-coccigian. Curburile fiziologice dau coloanei o mare elasticitate i rezisten, permindu-i s se comporte n timpul cderii ca un resort, amortiznd ocul traumatic asupra coloanei vertebrale (spre deosebire de

spatele plat, cu elasticitate pierdut) (Figura 3) [1] [2] [3] [4]. Cnd una din curburi se accentueaz, coloana vertebral i restabilete echilibrul prin exagerarea curburii din regiunea nvecinat. Coloana vertebral dispune de un mare grad de mobilitate ce intereseaz articulaiile intervertebrale, avnd amplitudine variabil de la regiune la regiune. Curburile coloanei vertebrale au aprut ca o adaptare la ortostatism. Atitudinea corect a corpului este semn al echilibrului fizic i psihic, rezultant a dezvoltrii normale i armonioase a corpului.

1.1.1 Coloana cervicala Exista 7 vertebre cervicale (Figura 5) si 8 radacini nervoase cervicale. Articulatia atlanto-occipitala C0-C1 permite 10 grade de flexie si 25 de grade de extensie. Articulatia atlanto-axiala C1-C2 formeaza segmentul cervical superior si este responsabila de 40-50% din rotatia axiala cervicala totala, demonstrata clinic prin 45 de grade de rotatie in orice directie. Sub nivelul C2-C3, flexia laterala a coloanei cervicale este cuplata cu rotatia in aceeasi directie. Acest segment spinal realizeaza o tranzitie astfel incat miscarea se schimba din rotatie in flexie, extensie si inclinare laterala. Aceasta miscare combinata este facilitata de cele 45 de grade de inclinatie sagitala a articulatiilor zigo-apofizare cervicale [19].

Figura 1 Coloana vertebrala completa

[www. Mayfieldclinic.com]

Figura 2 Planele corpului

Figura 3 Curburile coloanei vertebrale



Pag. 4

Figura 5 Coloana cervicala

1.1.2 Coloana toracala Coloana toracala cuprinde portiunea superioara si mijlocie a coloanei vertebrale, realizand legatura intre coloana cervicala superior si inferior coloana lombara. Aceasta este formata din 12 vertebre, numite T1 pana la T12. In timp ce coloana cervicala are rol principal in flexibilitate (intoarcerea capului in toate directiile), iar coloana lombara este construita pentru forta si flexibilitate (ridicarea unor obiecte grele, aplecarea in fata), coloana toracala are rol in stabilitate. Aceasta stabilitate joaca un rol important in mentinerea pozitiei ortostatice si in protejarea organelor vitale din cutia toracica (inima, plaman). Exista mai multe caracteristici ale coloanei toracale (Figura 4). La nivelul coloanei toracale, discurile intervertebrale sunt mai subtiri decat in zona cervicala sau lombara, acest lucru ducand la relativa inflexibilitate a coloanei toracice. In ciuda acestui fapt, patologia discala la nivel toracal este rara, datorita flexibilitatii scazute. Coloana cervicala si toracala formeaza un canal protector pentru maduva spinarii, numit canalul spinal. Acesta este mai ingust in zona toracala si de aceea maduva este mai usor de lezat la acest nivel in cazul unui traumatism al vertebrelor toracice [19].

1.1.3 Coloana lombara Coloana lombara (Figura 6) are un rol dublu in ceea ce priveste functia, reprezentat de forta cuplata cu flexibilitate. Coloana vertebrala indeplineste un rol major pentru suport si protectie (forta) a continutului canalului spinal (maduva spinarii , conul medular si coada de cal), dar asigura totodata si flexibilitate, permitand membrelor inferioare si superioare plasarea in pozitii corecte in timpul activitatilor din viata cotidiana. Forta atribuita coloanei vertebrale rezulta din marimea si

aranjamentul in spatiu a oaselor, ca si a ligamentelor si muschilor. Flexibilitatea rezulta din numarul mare de articulatii dispuse in serie. Fiecare segment vertebral poate fi vizualizat ca un complex tri-articular-un disc intervertebral cu suprafetele articulare (platourile vertebrale) vertebrale superioara si inferioara si 2 articulatii zigo-apofizare. Tiparul normal al lordozei lombare asigura aceasta stabilitate, dar si creste abilitatea acestei

Figura 7 Vertebra lombara vedere laterala [Modificat dupa Parke WW:

Applied anatomy of the spine. In Rothman RH, Simeone FA, editors: The spine, ed 4 Philadelplia, 1999, Saunders]

Figura 4 Coloana toracala

Figura 6 Coloana lombara



Pag. 5

regiuni de a absorbi socurile. Vertebrele lombare (Figura 7) prezinta componente distincte, care includ corpul vertebral, arcul neural si elementele posterioare. Corpii vertebrali cresc ca marime in directie caudala la nivel vertebral. Ultimele trei vertebre inferioare sunt mai inalte anterior, ceea ce ajuta la crearea lordozei lombare fiziologice. Structura acestor corpi vertebrali mari serveste la functia de incarcare a greutatii pentru a suporta incarcarile axiale vertebrale; oricum, acestia s-ar fractura mult mai usor daca nu ar exista discurile intervertebrale care absorb socurile, plasate strategic intre corpii vertebrali. Laturile arcului osos neural sunt reprezentate de pediculi, care sunt piloni grosi care conecteaza elementele posterioare de corpii vertebrali. Acestia sunt construiti pentru a rezista miscarii de aplecare si pentru a transmite fortele inainte si inapoi de la corpii vertebrali la elementele posterioare [20].

1.1.4 Vertebrele O vertebr este alctuit dintr-o mas osoas anterioar (corpul vertebrei) i un arc posterior sudat de corp (arcul vertebrei). ntre corpul i arcul vertebrei se gsete gaura vertebral. Vertebrele din fiecare regiune au caracteristici morfofuncionale legate de ndeplinirea celor doua funcii importante ale coloanei vertebrale umane: funcia de a suporta greutatea capului, trunchiului i a membrelor superioare i funcia de a asigura o mobilitate suficienta. Suprafeele de sprijin ale corpurilor vertebrale cresc de la o vertebra la alta, forma lor fiind determinat de solicitrile dinamice, n regiunea cervical i n cea lombar, diametrul transversal al corpurilor vertebrale este proporional mai mare dect cel anteroposterior, ceea ce explic posibilitile mai mari ale acestor regiuni de a realiza micrile de flexie i extensie.

1.1.5 Articulatiile Discul intervertebral si legatura sa cu platourile vertebrale este considerat o articulatie cartilaginoasa secundara, sau o simfiza. Discul este format din nucleul pulpos central si inelul fibros la exterior. Nucleul pulpos reprezinta o structura gelatinoasa a discului intervertebral. Nucleul pulpos este format din 90% apa la nastere. Functia principala a discului

intervertebral (Figura 8) este de a

absorbi socurile. In principal, inelul fibros si nu nucleul pulpos actioneaza in absorbtia socurilor (nucleul pulpos este lichid si deci necompresibil). Cand apare o incarcare axiala, cresterea presiunii in nucleul pulpos necompresibil actioneaza asupra inelului fibros si tensioneaza fibrele sale. Daca aceste fibre se rup, atunci rezulta o herniere a nucleului pulpos [20]. Mecanismul de transmitere a greutii n discul vertebral are loc astfel: 1. Compresiunea creste presiunea in nucleul pulpos. Aceasta este exercitata radial n inelul fibros, iar tensiunea in inel creste 2. Tensiunea din inel este exercitata asupra nucleului, prevenind expansiunea radiala a acestuia. Presiunea din nucleu este apoi transmisa platourilor vertebrale

Figura 9 Vedere posterioar a

articulatiilor zigo-apofizare la nivel L3-L4 In partea stanga capsula articulara (C) este intacta. Pe partea dreapta a fost rezecata capsula posterioara, pentru evidentierea

cavitatii articulare (CA) si liniei de insertie a capsulei articulare (linia punctata). Modificat dupa Bogduk N: The zygoapophysial joints. In Bogduk N, editor: Clinical anatomy of the lumbar spine and sacrum, ed 3, Edinburgh,

UK, 1977, Churchill Livingstone

Figura 8 Mecanismul de transmitere a

greutatii n discul intervertebral (Modificat dupa Bogduk N The interbody joint and the

intervertebral discs, In Bogduk N., editor: Clinical anatomy of the lumbar spine and

sacrum, ed 3, Edinburgh, UK, 1977, Churchill



Pag. 6

3. Greutatea este generata, in parte, de inelul fibros si de nucleul pulpos 4. Presiunea radiala din nucleu intareste inelul, iar presiunea de pe paltourile vertebrale transmite greutatea de la o vertebra la alta Articulaia disco-vertebral, format din corpurile vertebrale i discul fibros (amfiartroza), cu 5 grade de libertate: micri de flexie-extensie n jurul unui ax transversal; micri de nclinare lateral n jurul unui ax sagital; micri de rotaie n jurul unui ax vertical; micri de alunecare pe axe paralele ale corpurilor vertebrale; micri de ndeprtare i apropiere ntre doua vertebre, datorita elasticitii discului. Articulaiile apofizelor posterioare, alctuite de suprafeele apofizelor articulare dintre doua vertebre; permit doar simple alunecri anterioare, posterioare sau laterale. La baza mobilitii coloanei vertebrale se afl segmentul motor, alctuit din discul intervertebral i ligamentele acestuia, gurile de conjugare, articulaiile interapofizare i apofizele spinoase cu ligamentele lor. Articulatiile zigo-apofizare, cunoscute si ca articulatiile Z sau fatetare sunt articulatii sinoviale pereche, care au sinovie si capsula. Alinierea lor sau directia ariculatiilor determina directia de miscare a vertebrelor adiacente. Articulatiile zigo-apofizare lombare sunt dispuse in plan sagital si permit astfel in principal flexia si extensia. Sunt permise intr-o proportie mai mica si inflexiunile laterale si rotatiile, ceea ce limiteaza stressul torsional asupra discurilor intervertebrale lombare. Rotatia reprezinta o componenta principala a mobilitatii coloanei toracale. Majoritatea flexiei si extensiei coloanei lombare (90%) se produce la nivelele L4-L5 si L5-S1, ceea ce contribuie la incidenta crescuta a patologiei discale la aceste nivele.

1.1.6 Ligamentele Cele doua seturi principale de ligamente la nivelul coloanei lombare sunt ligamentele longitudinale si ligamentele segmentare.Cele doua ligamente longitudinale sunt cele anterioare si cele posterioare, denumite astfel dupa pozitia lor la nivelul corpului vertebral. Ligamentul longitudinal anterior actioneaza pentru a rezista extensiei, translatiei si rotatiei, iar ligamentul longitudinal posterior actioneaza pentru a rezista flexiei. Ligamentul longitudinal anterior este de 2 ori mai puternic decat ligamentul longitudinal posterior.Ligamentul segmentar principal este ligamentul flavum (galben) , o structura para, care leaga doua lamine adiacente. Este un ligament puternic, dar destul de elastic pentru a permite flexia. Celelalte ligamente segmentare sunt ligamentele supraspinos, interspinos si intertransvers. Ligamentele supraspinoase sunt ligamente puternice care leaga procesele spinoase adiacente si actioneaza pentru a rezista flexiei. Aceste ligamente, impreuna cu ligamentul galben, actioneaza pentru prevenirea fortelor de forfecare excesive in timpul inflexiunii anterioare.Elementele care se opun solicitrilor rotaionale sunt ligamentele. La coloana dorsal proiecia centrului de greutate trece anterior coloanei. Aceasta s-ar prbui nainte dac nu ar interveni fora ligamentului vertebral comun posterior, a ligamentelor interspinoase i a ligamentelor galbene. Situaia este invers la coloana lombar i cervical; proiecia centrului de greutate trece posterior coloanei, iar forele care se opun prbuirii sunt reprezentate de rezistena ligamentului vertebral comun anterior. Ligamentele vertebrale au deci rolul de a absorbi o bun parte din solicitri.

1.1.7 Muchii 1.1.7.1 Muchii cu origine pe coloana lombara Acesti muschi pot fi impartiti din punct de vedere anatomic in muschi ai regiunii anterioare si posterioare. Muschii posteriori sunt reprezentati de latissimus dorsi si paraspinali. Muschii paraspinali lombari sunt erectorii spinali (ilio-costal, longissimus, spinali), care actioneaza ca extensori principali ai coloanei si muschii profunzi (rotatori si multifidus). Muschii multifidus sunt stabilizatori segmentari mici care actioneaza pentru a controla flexia lombara deoarece ei nu pot produce destula forta pentru a extinde cu adevarat coloana vertebrala [19].

1.1.7.2 Musculatura abdominala Musculatura abdominala superficiala include dreptul abdominal si oblicii externi. Stratul muscular profund este format din oblicii interni si transversul abdominal. Muschiului transvers abdominal i s-a acordat recent o atentie deosebita , ca fiind un muschi important de tonifiat in durerea lombara joasa. Conexiunea sa cu fascia toraco-lombara si, in consecinta, abilitatea sa de a actiona asupra coloanei lombare, au fost probabil motivul principal pentru care i s-a acordat aceasta importanta.



Pag. 7

Figura 10 Stratul intermediar al muschilor spatelui:

muschii erectori spinali

Figura 11 Stratul profund al muschilor spatelui

1.1.7.3 Fascia toraco-lombara Fascia toraco-lombara, impreuna cu insertia sa cu muschiul transvers abdominal si oblicii interni, actioneaza ca un corset natural abdominal si lombar. Ea scade fortele de forfecare pe care alti muschi sau pe care miscarile lombare le produc. Acest mecanism de contentie abdominala rezulta din contractia acestor muschi profunzi abdominali, ceea ce creeaza tensiune la nivelul fasciei toraco-lombare, ceea ce produce ulterior o forta de extensie la nivelul coloanei lombare, fara cresterea fortelor de forfecare.

1.1.7.4 Muschii stabilizatori ai pelvisului Muschii stabilizatori ai pelvisului sunt considerati muschi principali deoarece au un efect indirect asupra coloanei lombare , chiar daca nu au o insertie directa pe coloana. Muschiul fesier mediu stabilizeaza pelvisul in timpul mersului. Hipotrofia sau inhibitia acestui muschi produce instabilitate pelvina, ceea ce produce inflexiune laterala lombara si rotatie, rezultand aparitia unor forte crescute de forfecare si de torsiune asupra discurilor lombare. Muschiul piriform este un rotator al soldului si al zonei sacrate si poate produce o rotatie externa excesiva a soldului si sacrata atunci cand se contracta. Acest lucru poate creste fortele de forfecare la nivelul jonctiunii lombo-sacrate (de exemplu, discul intervertebral L5-S1 sau articulatiile zigo-apopfizare).

1.1.8 Nervii Conul medular se termina la nivelul vertebrei L2 si sub acest nivel se afla coada de cal. Coada de cal este formata de radacinile nervoase dorsale si ventrale, care se unesc in gaura intervertebrala pentru a forma nervul spinal [21].

1.1.9 Unitatea funcional vertebral elementar segment motor-ul Junghans Literatura de specialitate prezint anatomia funcional a coloanei vertebrale n diverse modaliti, una din cele mai acceptate fiind aceea conform creia coloana vertebral poate fi reprezentat ca o succesiune de uniti funcionale, denumite uniti motorii sau segment motor. Aceast unitate funcional elementar a coloanei vertebrale este format din: dou vertebre vecine, discul intervertebral dintre acestea, totalitatea ligamentelor i muchilor ce corespund acestor vertebre, precum i din elementele vasculo-neurale ale acestui segment de coloan vertebral.



Pag. 8

2 BIOMECANICA COLOANEI VERTEBRALE

Studiul biomecanicii coloanei vertebrale impune dou aspecte: statica i dinamica. Armonia celor dou componente ale dinamicii coloanei vertebrale asigur coloanei premizele ndeplinirii principalelor funcii: - funcia de susinere: conferind coloanei vertebrale posibilitatea de a realiza i menine poziia

ortostatic; - funcia de protecie, pentru mduva spinrii i pentru celelalte structuri vasculo-nervoase medulare,

att n stare de repaus ct i n stare de mobilizare a coloanei vertebrale; - funcia dinamic: prin care se realizeaz deplasarea ntregului corp n mediul nconjurtor.

Pentru meninerea echilibrului static al coloanei vertebrale este necesar integritatea anatomic i funcional a tuturor structurilor componente: a celor rigide (oase), elastice (ligamente), mobile (articulaii), motorii (muchi) i nervoase. Toate elementele anatomice menionate mai sus au sarcina de a asigura (i) unirea ntre ele a tuturor pieselor componente ale coloanei vertebrale i de a forma o structur rezistent ca i cum ar reprezenta un singur organ; (ii) s asigure posibilitatea meninerii poziiei verticale mpotriva forei gravitaionale; (iii)toate elementele componente ale coloanei trebuie s-i asigure acesteia posibilitatea de a executa mobilizri n spaiu n toate sensurile de micare, la toate segmentele sale funcionale i de a rezista la solicitri dinamice foarte mari i n foarte variate poziii. Coloana vertebral trebuie s ndeplineasc toate aceste sarcini, trebuie s susin i s permit mobilizarea n toate direciile a capului, s confere suport pentru centura scapular i pentru inseria viscerelor din cavitatea toracic i din cea abdominal. Statica coloanei vertebrale este condiionat, dup Steindler, de existena unui echilibru intrinsec i a unui echilibru extrinsec.

2.1 Elemente generale de biomecanic a coloanei vertebrale Raportat la noiunea de segment-motor, coloana vertebral este considerat ca fiind alctuit din trei coloane: o coloan n sectorul anterior, format din suprapunerea, n alternan, a corpilor vertebrali i a discurilor intervertebrale, i dou coloane n sectorul posterior, reprezentate de irul celor dou rnduri simetrice de articulaii interapofizare. Din acest punct de vedere coloana vertebral poate fi privit ca o structur ce are trei puncte de sprijin: unul anterior (corpii vertebrali i DIV) i dou puncte de spijin aflate n sectorul posterior, aezate simetric n dreapta i n stnga, acestea fiind articulaiile interapofizare. Doar coloana cervical prezint o particularitate prin existena a cinci puncte de sprijin: trei n sectorul anterior i dou n cel posterior. Cele trei puncte din sectorul anterior sunt reprezentate de corpii vertebrali cu discurile dintre ei i de cele dou false articulaii intervertebrale ale lui Luschka dispuse simetric, n dreapta i stnga peretelui posterior al vertebrei cervicale. Punctele de sprijin menionate mai sus reprezint punctele de sprijin permanent de care dispune coloana vertebral, dar aceasta poate beneficia i de puncte de sprijin temporar sau ocazional. Aceasta situaie apare n unele momente de dinamic vertebral, cnd sprijinul intervertebral poate fi mrit prin intervenia, de scurt durat, a apofizelor spinoase (ce pot veni n contact intre ele n cazul unor micri ample de extensie) sau a celor transverse, pe partea concavitii la micri excesive de inflexiune lateral. Prezena punctelor de sprijin permanent i intervenia celor de sprijin temporar asigur rigidizarea coloanei la solicitri dinamice variate, asigurnd, simultan, i elasticitatea sa.

2.2 Studiul mobilitii coloanei vertebrale n general, mobilitatea coloanei vertebrale este dificil de evaluat ca micare pur, pentru c, de regul, micrile coloanei sunt combinate, mai mult n cazul regiunii cervicale i mai puin la nivelul coloanei lombare. La nivelul coloanei lombare mobilitatea are valori globale mai mici dect cea ntlnit la nivelul coloanei cervicale, dar este mult mai ampl dect cea de la nivelul coloanei dorsale. Principalele micri ale coloanei lombare sunt cele de flexie-extensie i cele de inflexiune lateral; micrile de rotaie din coloana lombar sunt de foarte mic amplitudine, dar, ori ct de mici ar fi acestea, ele sunt foarte importante pentru funcia complex a acestui segment vertebral.

2.2.1 Micarea de flexie Se efectueaz n plan sagital n jurul unui ax transversal, amplitudinea micrii exprimat n grade i evaluat prin tehnici speciale de cercetare, msoar 400, ceea ce, dup Charnly, ar reprezenta 25% din



Pag. 9

flexia ntregii coloane vertebrale. Amplitudinea micrii de flexie poate fi apreciat i prin msurarea distanei, n centimetri, dintre degetele minilor i sol sau metoda Schober prin care se msoar distana, n cm., dintre apofizele spinoase ale vertebrelor L1 i L5 n ortostatism, care este, n mod normal, de 10 cm., apoi se efectueaz o micare de flexie i se msoar din nou distana dintre reperele L1 i L5, care trebuie s fie de 14 cm.. Principalii muchi implicai n efectuarea micrii de flexie sunt: muchii abdominali i muchii psoas - iliaci.

2.2.2 Micarea de extensie Se execut n acelai plan i n jurul aceluiai ax ca i micarea de flexie, dar n sens invers. Prin tehnici speciale de cercetare micarea de extensie lombar a fost apreciat a fi de 30; tot prin astfel de metode s-a constatat c n micarea de extensie peretele anterior al canalului lombar se alungete cu 12 mm. n timp ce peretele posterior se scurteaz cu 5 mm. Musculatura activ pentru micarea de extensie este reprezentat de: muchii ilio-costali, muchii multifizi, lungul dorsal i muchii interspinoi. Evaluarea clinic a capacitilor funcionale ale musculaturii extensorilor spinali se realizeaz prin tehnicile curente de testing muscular.

2.2.3 Micarea de inflexiune lateral Este micarea de lateroflexie lombar ce se execut n plan frontal n jurul unui ax antero-posterior plasat n planul mediosagital al corpului. Msurtori speciale au apreciat amplitudinea maxim a inflexiunii laterale a coloanei lombare la o valoare care, dup autor, variaz ntre 200 i 350. n practic se urmrete gradul de deplasare a apofizelor spinoase ce se ndeprteaz de un plan de referin mediosagital. Pentru a asigura o oarecare acuratee a micrii este necesar o bun fixare a bazinului indiferent de poziia de start a examinrii: din ortostatism sau din poziia aezat. Aprecierea inflexiunii laterale poate fi realizat urmrind unghiul ce se formeaz ntre linia bicretal a bazinului fixat i linia biacromial, nclinat la sfritul micrii.

2.2.4 Micarea de rotaie Se execut n plan orizontal n jurul unui ax vertical. Aceast micare este mult controversat n literatura de specialitate deoarece configuraia specific a articulaiilor interapofizare n acest segment al coloanei sugereaz imposibilitatea material a efecturii rotaiilor lombare. Studiile cineroentgenografice ale lui Jones au evideniat existena rotaiei la nivelul coloanei lombare, iar studiile lui Lucas confirm existena rotaiei, mai ales la nivelul jonciunii coloanei la nivel dorso-lombar. Particularitatea acestei micri const n faptul c rotaia se face printr-o ndeprtare a feelor articulaiei interapofizare ntr-un sens i deplasarea n sens opus a corpilor vertebrali, printr-o micare de glisare lateral ce are loc n interiorul DIV. Axul vertical al acestei micri este vertical i cade la mijlocul liniei ce unete, orizontal, cele dou articulaii interapofizare. Amplitudinea segmentar a micrii este foarte mic, dar prin cumulare se ajunge la o rotaie total a coloanei lombare i a jonciunii dorso-lombare de 30.

2.3 Tulburrile de static ale coloanei vertebrale

2.3.1 Scolioza Scolioza reprezinta o deformare tridimensionala a coloanei vertebrale, care asociaza o curbura laterala cu

o rotatie vertebrala (Figura 12). Exista scolioze non-structurale sau structurale, iar tratamentul si prognosticul sunt diferite. Scoliozele idiopatice sunt cele mai frecvente si mai importante dintre scoliozele structurale, dar cauzele raman putin cunoscute. In aceste scolioze sunt afectate unul sau mai rar doua nivele distincte vertebrale, care formeaza curbura primara. In zona curburii primare se pierde mobilitatea (curbura fixata) si apare deformare

Figura 12 Diverse grade de scolioza



Pag. 10

rotationala vertebrala (procesele spinoase sunt rotate inspre concavitate si corpii vertebrali care se articuleaza cu coastele in regiunea toracica sunt rotati in convexitate). Deasupra si dedesubtul curburii primare fixate apar curburi secundare mobile pentru a mentine pozitia normala a capului si pelvisului (curburi compensatorii). Deformarea spinala este insotita de scurtarea trunchiului si frecvent de afectarea functiei respiratorii pulmonare si cardiace [22].

2.3.2 Cifozele Cifoza se caracterizeaza prin cresterea convexitatii coloanei toracale, mai vizibila in momentul in care pacientul este privit din lateral (scaderea concavitatii curburii cervicale/lombare se numeste pierderea sau stergerea curburii cervicale/lombare, iar in cazuri severe se poate obseva chiar o cifoza sau o lordoza inversata). Cifoza afecteaza frecvent o portiune intinsa toracala (cifoza regulata), dar exista si cazuri de cifoza angulara, in care exista o alterare brusca a curburii toracice, acompaniata de proeminenta proceselor spinoase (gibozitate). Dei reprezint un fenomen foarte obinuit pentru toate sectoarele de activitate i

locurile de munc, mai multe studii au demonstrat ca afeciunile coloanei lombare sunt cu deosebire rspndite n anumite sectoare de activitate i n cadrul anumitor profesii. Se pare c, n UE, rspndirea afeciunilor coloanei lombare este similar att pentru brbai, ct i pentru femei. Strategiile de prevenire a afeciunilor coloanei lombare cuprind att intervenii la nivelul locului de munc ct i msuri de ordin medical. Se manifest o recunoatere din ce n ce mai larg a faptului ca rezolvarea eficient a problemei necesit o abordare integrat, nglobnd ambele tipuri de intervenii [22].

2.4 Analiza examenului radiologic Deformarea scoliotic este cuantificabil n cele 3 planuri ale spaiului. n cazul unei radiografii de fa n ortostatism se poate vizualiza:

Vertebra de vrf este vertebra cea mai ndeprtat de linia median, ea fiind practic orizontal.

Vertebra limit este cea mai nclinat fa de orizontal. Vertebra neutr este o vertebr care nu prezint rotaie.

O curbur este delimitat de dou vertebre limit (superioar i inferioar), iar sensul curburii este dat de sensul convexitii sale. Curbura este denumit structural dac nu este reductibil. Definim curbura major (principal) ca fiind curbura cu cea mai mare amplitudine (ca numr de vertebre incluse i ca grad de rotaie al acestora), n contrast cu curburile minore (secundare sau concomitente), care ncadreaz n general curburile majore. Curbura compensatorie nu prezint rotaie vertebral pe radiografia n poziie culcat.

2.4.1 Planul frontal Aprecierea staticii bazinului i al echilibrului rahidian Statica bazinului se apreciaz cu ajutorul tangentei la cele dou articulaii sacro-iliace. Dac aceast linie este orizontal, statica bazinului este normal. Dac linia este oblic, bazinul este oblic de partea nclinat, mai scurt. n acest caz, trebuie s verificm dac nu exist o inegalitate de nlime a capetelor femurale, cuantificat n cm [26] . Echilibrul rahisului se apreciaz prin coborrea unei verticale care trece prin mijlocul vertebrei C7: curbura este echilibrat dac verticala trece prin mijlocul sacrului i este dezechilibrat n caz contrar. Analiza deformrilor localizate Trebuie acordat o atenie crescut analizei segmentare a rahisului scoliotic, la nivelul vertebrelor: corpuri vertebrale ale cror platouri nu sunt paralele, ci cuneiforme; asimetria arcului posterior i a apofizelor transverse; evaluarea densitii osoase la nivelul pediculilor; msurarea distanei interpediculare [26].

Figura 14 Msurarea unghiului ilio-lombar permite aprecierea staticii bazinului

Figura 15 Msurarea curburilor vertebrale sagitale

Figura 13 Cifoza



Pag. 11

Msurare unghiului scoliozei Metoda LIPMAN i COBB (v.Figura 12). Metoda FERGUSSON. Tehnica const n trasarea a dou drepte care unesc centrul vertebrei neutre de centrul vertebrei de vrf (superior i inferior) i apoi msurarea unghiului format de cele dou drepte.

Planul de elecie Scolioza este o deformaie tridimensional a coloanei vertebrale i n consecin curbura se proiecteaz oblic pe o radiografie de fa sau de profil. n cazul deformrilor majore, putem realiza o radiografie n plan de electie. Planul de elecie de fa este incidena care proiecteaz vertebra de vrf a curburii strict de fa, iar de profil este incidena care o proiecteaza strict de profil. Este vorba deci de un plan de deformaie maximal, care permite msurarea cea mai exact a angulaiei. n practic, pacientul este aezat astfel nct versantul intern al gibozitatii s fie paralel cu caseta radiologic .n cele din urm, trebuie s tim c exist variaii diurne mici ale acestor valori, sub influena gravitaiei.

2.4.2 Planul sagital Aprecierea echilibrului rahidian Echilibrul rahidian se apreciaz n raport cu verticala cobort de la nivelul conductului auditiv extern. n ortostatism, aceast linie ncrucieaz coloana vertebral la nivelul vertebrelor C6, L3, la mijlocul liniei L5-S1 i trece prin centrul capetelor femurale, fiind tangent la faa anterioar a corpului vertebrei T11 i la faa posterioar a vertebrei L5. Cifoza dorsal se masoar prin unghiul format de prelungirea platoului superior al vertebrei T4 i al platoului inferior al vertebrei T12. Valoarea normal a acestui unghi este de 37 de grade, cu variaii largi de +/-20 de grade. Lordoza lombar se masoar prin unghiul format de prelungirea platoului superior al vertebrei L1 i al platoului inferior al vertebrei L5, valoarea sa fiind de 56 de grade (+/-20 de grade).Unghiul sacrat este reprezentat de nclinarea platoului vertebrei S1 fa de orizontal. Valoarea sa variaz ntre 25 si 55 de grade, n cazul unui echilibru pelvian normal (Figura 15). Cuplul arnierei lombo-sacrate caracterizeaz poziia relativ a interliniei L5-S1, n raport cu articulaiile coxo-femurale. Trebuie trasat o orizontal placnd din centrul vertebrei S2, apoi determinm proiecia pe aceast orizontal din mijlocul interliniei L5-S1 (D1) i din centrul capetelor femurale (distanta D2) i calculm raportul D1/D2. calculat n procente, cuplul arnierei unui bazin echilibrat se situeaz ntre 80-100%. Acesta este inferior valorii de 80% n cazul unui bazin retroversat i superior valorii de 100% pentru un bazin anteversat.

Analiza deformrilor localizate Trebuie verificat absena distrofiei rahidiene de cretere (SCHEUERMANN), regularitatea gurilor de conjugare, posibil liz istmic sau spondilolostezisul.

2.4.3 Planul orizontal Deformarea vertebral se estimeaz prin msurarea rotaiei vertebrale la nivelul vertebrei de vrf. Metoda COBB - Vertebra este n prealabil mprit n 6 pri egale. Aceast metod evalueaz deplasarea apofizei spinoase n raport cu pediculul i cu marginea corpului vertebral, situat de partea concavitii curburii i rotaia este cotat cu 1-4 puncte. Metoda NASH i MOE - Vertebra de vrf este imprit n 6 pri. Aceast metod se bazeaz pe aprecierea deplasrii pediculului dinspre convexitate spre concavitatea curburii. Rotaia estimat astfel este cotat procentual. Metoda MEHTA [25] (Figura 17) - n cadrul rotaiei corpurilor vertebrale, coastele se verticalizeaz de partea convexitii curburii i se orizontalizeaz de partea concavitii. Msurarea se face la nivelul vertebrei de vrf, cu ajutorul unei drepte ce trece prin mijlocul capului i colului costal de o parte i de alta a vertebrei apicale i o perpendicular pe platoul inferior al vertebrei. Vom obine 2 unghiuri costo-vertebrale. Dac diferena ntre aceste dou unghiuri este superioar valorii de 20 de grade, riscul evolutiv al scoliozei se verific n 80% din cazuri. De asemenea, putem estima rapoartele ntre capul coastei i corpul

Figura 17 Msurarea unghiului Mehta

Figura 16 Msurarea rotaiei vertebrale cu ajutorul Scanner-ului (Hobatho)



Pag. 12

vertebral: n mod normal, o distan de 2-4 mm separ capul coastei de vertebra corespunztoare (faza1). Dac coasta atinge rebordul vertebral este vorba de faza 2, deci de o scolioz evolutiv [26].

2.5 Reprezentarea rahisului n spaiu Examenul imagistic modern al scoliozelor idiopatice Dup descoperirea sa, radiografia standard a fost examenul de referin n scoliozele idiopatice. n acelai timp, n ultimii 20 de ani, dezvoltarea examenului imagistic modern a permis progresia cunoterii deformaiei scoliotice, ameliorarea bilanului etiologic i al tratamentului scoliozei [26]. Scanner-ul este cel mai bun examen pentru analiza structurii osoase, dar nu poate fi utilizat dect pentru studierea localizat a rahisului. n literatura de specialitate, gsim 2 indicaii principale ale scanner-ului n cazul scoliozei idiopatice: pentru analiza deformrii zonei de vrf a curburii i pentru controlul poziiei implantelor chirurgicale.

Rezonana magnetic nuclear Descoperit n 1964, fenomenul RMN este aplicaia cea mai recent a imagisticii medicale. Prima descriere a RMN dateaz din anul 1973. RMN definete mai slab osul dect scanner-ul, dar este astazi examenul de elecie n imagistica sistemului nervos central. RMN este mai puin agresiv dect mielografia sau mielo-scanner-ul, avnd o doz de iradiere nul. Mai mult, RMN permite nu numai o analiz morfologic (n T1), dar i o caracterizare a unor anomalii n T2. n cadrul scoliozei idiopatice, RMN se situeaz la nivelul bilanului etiologic. Analiza tridimensional Aspectul tridimensional al deformaiei scoliotice a fost studiat de mai mult timp. ADAMS (citat de DUBOUSSET) a descris n 1865 deformarea scoliotic cu lordoz, rotaie axial i nclinare lateral. Dar apariia i dezvoltarea metodelor radiologice a fcut ca aceast realitate tridimensional s fie uitat i scolioza a fost privit ca o proiecie bidimensional (ntr-o analiz uniplan), uneori de fa i de profil, dar mai frecvent numai de fa (30). n ultimii 20 de ani, noiunea de deformare tridimensional este din nou n centrul patologiei scoliozei. Dezvoltarea informaticii i a imagisticii a permis apariia unor sisteme de analiz tridimensional, care permit o mai bun nelegere a deformrii scoliotice. Reconstrucia prin seuillage (Figura 18), reconstrucia prin detectarea contururilor (Figura 19), reconstrucia prin RMN(164), reconstrucia pornind de la radiografii , reprezinta metode moderne de analiza tridimensionala a rahisului si a deformarilor acestuia. Analiza formei externe a trunchiului prin procedee optice Asimetria trunchiului este principalul semn exterior al scoliozei. Aceast asimetrie st la baza analizei prin procedee optice: metoda Moire, rasyer-stereografia, scannerul optic ISIS si sistemul Orten.

3 MODELUL GEOMETRIC CAD AL COLOANEI VERTEBRALE

Punctul de plecare pentru a putea ndeplini obiectivul principal al proiectului l reprezint realizarea unui model geometric CAD al coloanei vertebrale. Tehnica utilizata pentru reconstrucia 3D a structurilor anatomice a fost segmentarea imaginilor obinute prin scanarea cu Computerul Tomograf.

3.1 Achiziia de date Un scanner 3D este un dispozitiv care analizeaz un obiect real sau un mediu, pentru a colecta date cu privire la forma i, eventual, aspectul su (de exemplu culoare). Datele colectate pot fi apoi utilizate pentru a construi modele digitale tridimensionale. Multe tehnologii diferite pot fi folosite pentru a construi aceste dispozitive de scanare tridimensionale; fiecare tehnologie vine cu propriile sale limitri, avantaje i costuri. Multe limitri apar datorit tipului de obiecte care pot fi digitalizate, de exemplu, tehnologiile optice se

Figura 18 Reconstrucie

tridimensional cu ajutorul Scanner-ului (tehnica

Seuillage) (a-de fa, b-de profil, c- de sus)

Figura 19 Vertebr

reconstruit prin detecia conturului



Pag. 13

confrunt cu numeroase dificulti atunci cnd obiectele scanate sunt cu lucioase, tip oglind sau sunt transparente. De exemplu, scanarea cu ajutorul computerului tomograf industrial poate fi folosit pentru a construi modele 3D digitale, aplicnd control nedistructiv.

Figura 20 Tehnologii de scanare suprafee

Colectarea datelor tridimensionale este util pentru o larg varietate de aplicaii. Aceste dispozitive sunt utilizate pe scar larg de ctre industria de divertisment n producia de filme i jocuri video. Alte aplicaii comune ale acestei tehnologii includ designul industrial, construcia de orteze i proteze, prototiparea, controlul de calitate i documentare de artefacte culturale. Scanarea 3D (digitizarea 3D) este operaia de utilizare a unui dispozitiv de achiziie de date tridimensionale, prin culegerea de coordonate X, Y, Z pentru o multitudine de puncte de pe suprafaa unui obiect fizic. Orice set discret de coordonate X, Y, Z se refer la un punct. Suma acestor puncte poart denumirea de nor de puncte (eng. point cloud). Formatul tipic al fiierului de date pentru norii de puncte este un fiier text ASCII care conine valorile X, Y, Z pentru fiecare punct. Pe de alt parte, informaiile de tip nor de puncte sunt de regul post-procesate ntr-o reea de mici poligoane ce poart numele de mesh (3D mesh). Acest tip de informaie poate fi salvat sub diferite formate, cel mai des intlnit fiind formatul .STL (Surface Tesselation Language). Scanarea 3D a anumitor elemente poate fi efectuat n diferite moduri (Figura 20). n domeniul medical, cele mai utilizate metode de scanare 3D sunt fie prin contact, fie fr contact. n urma scanrii, datele obinute sunt sub forma de puncte, fiecare dintre aceste puncte avnd coordonate proprii. Rezoluia datelor scanate 3D poate fi modificat prin post-procesare n sensul creterii sau descreterii numrului de puncte. Creterea numrului de puncte se face prin interpolare. Aceast operaie nu va "mbuntii precizia de msur" ci doar va mri cantitatea de date stocat pe calculator. Reducerea densitii se va face prin decimarea poligoanelor. Aceast operaie poate fi util de exemplu la calcule de rezisten a materialelor cu element finit FEM, unde numrul de puncte influeneaz semnificativ durata calculelor. Reducerea drastic a numrului de poligoane poate afecta acurateea informaiilor msurate. Procesarea informaiilor de tip Point cloud este prezentat n Figura 21.

Figura 21 Algoritm de procesare a informaiilor de tip point cloud



Pag. 14

Calitatea suprafeelor generate de majoritatea software-urilor de reverse engineering este influenat de doi factori: calitatea modelului ce trebuie scanat i calitatea datelor obinute prin scanare. Din pcate n lumea real nici una din aceste dou cerine nu ating n mod normal un standard suficient de ridicat. Majoritatea modelelor produse manual conin mici imperfeciuni, n timp ce componente existente au defecte. Similar majoritatea datelor obinute prin scanare includ un numr mic de puncte eronate care vor ngreuna generarea de suprafee continue. Ca rezultat, o mare cantitate de timp va fi consumat pentru editarea punctelor nainte de a obine suprafee de calitatea dorit.

3.2 Programe software utilizate n reconstrucia 3D Modelarea 3D a coloanei vertebrale a necesitat identificarea aplicaiilor software capabile s construiasc modelul 3D al corpului uman folosind fiiere de tip DICOM, pe baza tehnicii de segmentare. Acestea sunt: Voxel-Man, Siemens 3D Virtuoso, MRVision, Imod, Imaris, Brain Voyager, Amira, 3D Slicer, 3D Doctor. Pentru a simplifica procesul de analiz al aplicaiilor de segmentare s-au ales doar trei dintre ele, acestea fiind cele mai utilizate. S-au luat n considerare att date oferite de productor, ct i date obinute dup efectuarea unor teste practice. Rezultatele se regsesc n raportul in extenso. Fiecare aplicaie a primit un punctaj cuprins ntre 1 (foarte slab) i 5 (foarte bun) pentru fiecare criteriu. Aplicaia software aleas pentru procesarea imaginilor DICOM este 3D Slicer. Acesta este un pachet software gratuit, conceput pentru vizualizarea i analiza imaginilor medicale. Este disponibil pentru Windows, Linux i Mac OS X. 3D Slicer permite vizualizarea i analiza imginilor obinute prin intermediul CT, RMN, medicinii nucleare i microscopiei.

3.3 Realizarea modelului CAD

3.3.1 Segmentarea coloanei din CT n vederea obinerii imaginilor vectorizate ale unei structuri anatomice, s-a utilizat urmtorul algoritm (Figura 22):

Figura 22 Procedur de lucru pentru reconstruirea 3D a coloanei vertebrale umane

a. Scanarea pacientului cu ajutorul Computerului Tomograf CT; b. ncrcarea fiierelor de tip DICOM ntr-un program software dedicat (3D Slicer, 3D Doctor etc); c. Previzualizarea structurilor anatomice (Figura 23); d. Segmentarea fiecrei imagini (automat sau manual, n funcie de tipul structurii anatomice vizate) (Figura 24);



Pag. 15

Figura 23 Previzualizare structuri anatomice n

format voxeli

Figura 24 Corp uman i coloan vertebral (segmentare

semiautomat)

e. Salvarea imaginilor segmentate, pentru fiecare organ, n fiiere separate, de tip point cloud; f. Prelucrarea fiierelor de tip point cloud i obinerea imaginilor de tip mesh (MeshLab - http://meshlab.sourceforge.net/); prelucrarea mesh-urilor / identificarea, selectarea i extragerea mesh-urilor corespunztoare unei structuri anatomice (Figura 25);

Figura 25 Transformarea imaginii din point cloud n mesh pentru diverse structuri anatomice (piele i sistem osos)

g. Transformarea mesh-urilor n suprafee / reconstrucia organelor n fiiere separate (MeshLab) (Figura 26); h. Asamblarea organelor n medii de proiectare parametrizate (ex. CATIA - http://www.3ds.com), (Figura 28).

3.3.2 Extragerea modelelor 3D ale componentelor coloanei vertebtrale

n vederea realizrii unui model cinematic funcional, folosind medii de proiectare avansata 3D este nevoie ca elementele componente ale coloanei (vertebre) s fie salvate independent, n fiiere separate, sub form de solid (Figura 27). Pentru aceast operaie, s-a utilizat mediul de proiectare CATIA. Ca date de intrare, s-au utilizat fiierele de tip .stp obinute anterior cu programul software MeshLab, ce conine elemente de tip suprafa.

Figura 27 Extragerea componentelor de tip part

Figura 26 Vertebr reconstruit din mesh



Pag. 16

Algoritmul de lucru a constat din urmtorii pai: Separarea fiecarui element (vertebra) de tip suprafa

n fisiere CATPart (26 fisiere); Transformarea din suprafee n solid a elementelor; Asamblarea tuturor celor 26 fisiere intr-un fiier de

ansamblu CATProduct; Identificarea, pentru fiecare vertebr, a unui punct ce

va deveni centrul sistemului de referin local; Realizarea pentru fiecare vertebra a unui fiier de tip

assembly i poziionarea sistemului de referin local peste sistemul de referin global;

Salvarea fiecarui fiier de tip assembly pentru fiecare vertebra n fisiere neutre de tip .stp.

Asfel, au fost obinute toate vertebrele unei coloane vertebrale reale, obinute prin scanarea cu CT, ce pot fi utilizate mai departe pentru construcia unui model cinematic.

4 MODELUL CINEMATIC AL COLOANEI VERTEBRALE

Cinematica este studiul micrii corpurilor rigide fr considerarea forelor care acioneaz asupra lor i de masele lor. Obiectivul analizei cinematice este determinarea traiectoriilor diverselor puncte de interes ale elementelor cinematice (poziii, viteze i acceleraii liniare i unghiulare). Programul ales pentru dezvoltarea modelului cinematic al coloanei [9] este SimMechanics [10], [11]. SimMechanics face parte din programul Matlab i este dedicat simulrilor cu metoda multicorp. Fiecare vertebra prezinta 3 grade de libertate de rotatie: (i) rotatie: flexie-extensie(fata-spate); (ii) rotatie: indoire laterala(stanga-dreapta); (iii) torsiune: rotatie n jurul axei coloanei. Aceste componente de rotatie au centre de rotatie diferite i axe de rotatie non-ortogonale. Modelarea fiecarei vertebre ca articulatie individuala fara a lua n considerare comportamentul de cuplare care exist ntre ele din cauza comportamentului rotaie nu este recomandat deoarece duce la posturi ale coloanei nerealiste. n schimb este preferabil sa se foloseasca doar cateva articulatii necuplate/independente plasate strategic pe

coloana pentru a avea o rigiditate mai realista a sistemului. De asemenea prin reducerea gradelor de libertate ale coloanei este simplificat i controlul acesteia [15]. n Figura 29 este prezentat un model al coloanei vertebrale compus din 3 zone n care s-a decuplat componentele miscarii de torsiune i oscilatie a vertebrelor prin folosirea a 2 tipuri de cuple plasate strategic: (1) cuple de rotatie (1 grad de liberatate) - orientate de-a lungul axei coloanei pentru modelarea torsiunii; (2) cuple oscilante (2 grade de libertate) - folosite pentru evitarea singularitatilor n

intervalul de mobilitate. O alta abordare a problemei cinematice este modelarea coloanei prin impartirea ei in segmente, pozitia unei vertebre fiind data de discretizarea coloanei (Figura 30) conform distantei [16] sau unghiurilor dintre

Figura 29 Model al coloanei vertebrale

Figura 30 Functia pentru coloana cervicala

Figura 28 Coloan vertebral reconstruit complet

i asamblat



Pag. 17

vertebre [17]. Cartografierea cuplelor permite modelarea expresiilor cuplelor pentru mai multe segmente osoase. Aceasta cartografiere este de fapt o functie care are ca intrare gradele de libertate iar ca iesire valorile modificate ale cuplelor(variatia unghiulara). Iesirea acestei functii poate fi combinata cu intrarea altei functii pentru a crea comportamente ale coloanei din ce in ce mai complexe [18]. Acest sistem este compus din trei seturi de cuple, fiecare avand 3 grade de libertate de rotatie pentru flexie/extensie, indoire laterala si rasucire, rezultand un total de 9 grade de libertate pentru controlul ntregii coloane si a cutiei toracice.

4.1 Limitele anatomice normale ale micrilor vertebrelor coloanei Studiile din literatura de specialitate arat c unghiurile de orientare ale vertebrele L1 comparat cu cele ale vertebrei T12 pot avea valori relativ mari. Valorile studiate i utilizate corespund celor ase studii Van Verp, 2000 [12]; Pearcy, 1985 [13]; Pearcy, 1989 [14]; Hindle, 1990 [15]; Peach, 1998 [16]; Russel, 1993 [17]. Aceste valori maxime admise stau la baza modelului cinematic dezvoltat.

4.2 Modelul cinematic Modelul cinematic al coloanei vertebrale conine urmtoarele elemente: o un sistem de referin global n care vor fi analizate poziiile tuturor vertebrelor o vertebrele, avnd geometria din modelul 3D i cu un sistem de referin local ataat fiecreia o deoarece legtura dintre vertebre nu se realizeaz prin cuple cinematice, pentru analiza poziiilor

relative ale vertebrelor se vor introduce elemente de comparare a poziiilor relative ale vertebrelor adiacente.

Vertebra este modelat ca un element nedeformabil din modelul cinematic. Modelul SimMechanics al vertebrei este prezentat n Figura 31 i cuprinde urmtoarele elemente: 1- legtura cu sistemul de referin global 2- transformarea de translaie: coordonatele sistemul de referin local (n sistemul de referin global) ale vertebrei 3- transformarea de rotaie: rotaia sistemul de referin local n sistemul global a vertebrei 4- coordonatele vertebrei n sistemul global 5- transformarea de translaie pentru a identifica poziia relativ la vertebra vecin 6- legtura cu elementul de comparare 7- informaii referitoare la geometria vertebrei n cazul n care poziia vertebrei este comparat cu dou vertebre vecine, atunci modelul vertebrei are dou ieiri (2 i 3 din Figura 31)

Figura 31 Model SimMecahnics al vertebrei (I)

Figura 32 Model SimMecahnics al vertebrei (II)

Vertebrele sunt poziionate n sistemul global de referin prin parametrii citii dintr-un fiier n care se calculeaz i se stocheaz coordonatele vertebrelor. Tot n acest fiier sunt calculate i unghiurile de orientare ale vertebrelor conform valorilor maxime admise din Tabelul 2. Modelul cinematic complet al coloanei este prezentat n Figura 33. Acest model cuprinde vertebrele L1 ... L5 i T1 ... T10. Elementele componente sunt: 1- sistemul de referin global, 2- modelul unei vertebre (conform celor prezentate n Figura 31 i Figura 32), 3- blocuri de comparare pentru suprafeele adiacente. Blocurile de comparare (Figura 34) au n componen: 1- un element de comparare a poziiilor relative ale celor dou suprafee adiacente; 2- un bloc de transformare din date geometrice (lungimi, unghiuri) n date numerice; 3- blocuri de afiare date msurate. n urma rulrii modelului cinematic al coloanei s-au obinut



Pag. 18

rezultatele prezentate n Figura 35. Acest model cinematic poate fi personalizat, n funcie de caracteristicile geometrice ale coloanei vertebrale reconstituite precum i de datele obinute din activitile de diagnosticare.

Figura 33 Model cinematic complet al coloanei vertebrale

Figura 34 Blocuri de comparare

Figura 35 Poziia

5 CONCLUZII

Scopul principal al etapei I a fost realizarea unui model 3D al coloanei vertebrale umane. Ca urmare a desfurrii activitilor prevzute, obiectivele acestei etape au fost atinse n proporie 100%, obinndu-se urmtoarele rezultate: (1) Studiu privind geometria, rolul i funciile coloanei vertebrale. (2) Model geometric CAD al coloanei vertebrale. (3) Model cinematic al coloanei vertebrale. (4) Studiu privind deficientele cinematice ale coloanei vertebrale. (5) Site-ul web i logo-ul proiectului. Parcurgerea activitilor programate n cadrul etapei I, pe lng rezultatele obinute, a condus i la urmtoarele aspecte calitative i de contribuii proprii: instruirea membrilor echipei n domeniul temei de cercetare; formarea de grupuri de cercetare mixte (coordonator-parteneri); elaborarea unei baze de documentare n domeniu; achiziia de consumabile; teste preliminare privind resursele software folosite; identificarea limitelor atinse de cercetrile i realizrile tehnice n domeniul estimrii poziiei coloanei vertebrale; concepia metodologiei de cercetare pentru perioada de derulare a proiectului; concepia unei arhitecturi funcional - structurale originale a produsului bazat pe cercetri teoretice i experimentale; propunerea unei planificri pentru elaborarea de publicaii tiinifice; concepia i dezvoltarea logoului i siteului proiectului; prezentarea i discutarea n cadrul centrului de cercetare a programului de cercetare propus. n concluzie, prin cercetrile realizate i, mai ales, prin rezultatele obinute, obiectivele propuse au fost ndeplinite n integralitate. n funcie de cercetrile ulterioare, este posibil, totui, o optimizare a modelului cinematic al coloanei. Acest raport a fost elaborat avnd la baz rapoartele detaliate elaborate de membrii echipelor coordonatorului i a partenerilor P1 UTCN i P2 -UMF.

1

2

3



Pag. 19

6 DISEMINAREA REZULTATELOR - PARTICIPRI LA MANIFESTRI TIINIFICE

n perioada raportat, membrii echipelor de cercetare din consoriu au participat la diverse manifestri tiinifice n ar sau strintate, dup cum urmeaz: coala de var i conferina internaional International Workshop and Summer School on Medical and Service Robotics, Lausanne, Elveia - Tendine n domeniul roboilor cu aplicaii medicale, inclusiv sisteme de reabilitate i asisten la domiciliu pentru persoanele cu afeciuni locomotorii / 10-12 iulie 2014 / prof. Doina PISLA, dr. ing. Bogdan GERMAN UTCN, prof. Doru Talab UTBv. UTCN, edin de lucru / Definirea clar a direciilor de cercetare n proiectul SPINE / 11 septembrie 2014 / Membri UTCN, UTBV, S.C. Electronic April S.R.L. Conferina Robotics 2014, UPB / ntlniri de lucru / 23-24 octombrie 2014 / conf. dr.ing. Silviu Butnariu, conf. Dr. Gilda Mologhianu, prof. Doina PISLA. Conferina CogInfoCom 2014 / Conferin interdisciplinar, robotic, realitate virtual / 5-7 noiembrie 2014 / conf. dr.ing. Silviu Butnariu, prof. dr.ing. Csaba Antonya The 6th Gyr Symposium and 3rd Hungarian-Polish and Hungarian-Romanian Joint Conference on Computational Intelligence / Conferin interdisciplinar, inteligenta computationala / 15-18 septembrie 2014 / prof. Doru Talab, s.l. Florin Girbacia, dr.ing. Duguleana Mihai UTBv, prof. Doina PISLA UTCN.

BIBLIOGRAFIE

1. Alexa O., S.L., Notiuni de baz n ortopedie i traumatologie, sub coordonarea Prof. Dr. Georgescu. 1999. 80-90. 2. Papilian V., Aparatul locomotor, vol. I, Ediia a Xa revizuit. Editura Bick All, Bucuresti, 2001: p. 17, 18, 23, 24, 25. 3. Andronescu A., Anatomia copilului. 1987: Editura Didactic i Pedagogic. 4. Milenkovic SM, K.R., Belojevic GA.,, Left handedness and spine deformities n early adolescence. Eur J Epidemiol. , 2004. 19(10): p.

969-72. 5. Lyon, R.F., A brief history of 'pixel'. IS&T/SPIE Symposium on Electronic Imaging, 2006. 6. Monheit, G., Badler, N. , A Kinematic Model of the Human Spine and Torso, in Technical Reports (CIS). 1990. 7. Wood, G.D., Kennedy, D. C.,, Simulating mechanical systems in Simulink with SimMechanics, in The Mathworks Report. 2003. 8. Schlotter, M., Multibody System Simulation with SimMechanics. 2003: University of Canterbury. 9. Van Herp G., R.P., Salter P., Paul J. P.,, Three-dimensional lumbar spinal kinematics: a study of range of movement in 100 healthy

subjects aged 20 to 60+ years. Rheumatology, 2000. 39: p. 1337-1340. 10. Pearcy, M.J., Portek, I., Shepherd, J.,, The effect of low back pain on lumbar spinal movements measured by three-dimensional analysis.

Spine 1985. 10: p. 150-153. 11. Pearcy, M.J., Hindle, R.J.,, New method for the non-invasive three-dimensional measurement of human back movement. Clin Biomech,

1989. 4: p. 73-79. 12. Hindle, R.J., Pearcy, M.J., Cross, A.T., Miller, D.H.T.,, Three-dimensional kinematics of the human back. Clin Biomech, 1990. 5: p.

218-228. 13. Peach, J.P., Surtane, C., McGillm S.,, Three-dimensional kin-ematics and trunk muscle myoelectric activity in the young lumbar spine:

A database. Arch Phys Med Rehabil 1998. 79: p. 663-669. 14. Russell, P., Pearcy, M.J., Unsworth, A.,, Measurement of the range and coupled movements observed in the lumbar spine. Br J

Rheumatol 1993. 32: p. 490-497. 15. Daniel Raunhardt and Ronan Boulic, Real-Time Joint Coupling of the Spine for nverse kinematics Journal of Virtual Reality and

Broadcasting, 5(2008), no. 11, November 2008, urn:nbn:de: 0009-6-15886, ISSN 1860-2037. 16. R. Kulpa, F. Multon, and B. Arnaldi, Morphology-independent representation of motions for interactive humanlike animation,

Computer Graphics Forum 24 (2005), no. 3, 343351, ISSN 0167- 7055. 17. Gary Monheit and Norman I. Badler, A kinematic model of the human spine and torso, IEEE Computer Graphics and Applications 11

(1991), no. 2, 2938, ISSN 0272-1716. 18. Wei Shao and Victor Ng-Thow-Hing, A general joint component framework for ealistic articulation in human characters, Proceedings

of the 2003 symposium on Interactive 3D graphics SI3D, 2003, ISBN 1-58113-645-5, pp. 1118. 19. Andersson GBJ, Johnsson B, Nachemson AL: Intradiscal pressure, intra-abdominal pressure and myoelectric back muscle activity

related to posture and loading, Clin Orthop 129:156-164, 1977. 20. Bogduk N: The innervation of the lumbar spine, Spine 8(3):286-293, 1983. 21. Fontera WR, DeLisa JA, Gans BM, Walsh NE, Robinsin LR, et al: Phisical Medicine & Rehabilitation Principles and Practice, ed 5,

Philadelphia, 2010, Lippincott Williams & Wilkins. 22. Parke WW: Applied anatomy of the spine. In Rothman RH, Simeone FA, editors: The spine, ed 4, Philadelphia, 1999, Saunders. 23. Hsu JD, Slager UT, Swank SM, Robinson MH: Idiopathic scoliosis: a clinical, morphometric, and histopathological correlation. J

Pediatr Orthop 1988 Mar-Apr; 8(2): 147-152 15. 24. Cobb J. Outline for the study of scoliosis. In: Instructional Course Lectures. Ann Arbor MI: American Academy of Orthopaedic Surgeons

1948;5:241-7 25. Mehta MH: The natural history of infantile idiopathic scoliosis, Brompton 1999, 71-84 26. Ojoga Florina: Studiu comparativ asupra efectelor clinico-functionale ale metodelor ortopedico-chirurgicale si metodelor conservatoare

fizical-kinetice in scoliozele idiopatice. Teza doctorat UMF Carol Davila, 2006



Pag. 20

REZUMAT1 GEOMETRIA, ROLUL I FUNCIILE COLOANEI VERTEBRALE1.1 Geometria coloanei vertebrale1.1.1 Coloana cervicala1.1.2 Coloana toracala1.1.3 Coloana lombara1.1.4 Vertebrele1.1.5 Articulatiile1.1.6 Ligamentele1.1.7 Muchii1.1.7.1 Muchii cu origine pe coloana lombara1.1.7.2 Musculatura abdominala1.1.7.3 Fascia toraco-lombara1.1.7.4 Muschii stabilizatori ai pelvisului

1.1.8 Nervii1.1.9 Unitatea funcional vertebral elementar segment motor-ul Junghans

2 BIOMECANICA COLOANEI VERTEBRALE2.1 Elemente generale de biomecanic a coloanei vertebrale2.2 Studiul mobilitii coloanei vertebrale2.2.1 Micarea de flexie2.2.2 Micarea de extensie2.2.3 Micarea de inflexiune lateral2.2.4 Micarea de rotaie

2.3 Tulburrile de static ale coloanei vertebrale2.3.1 Scolioza2.3.2 Cifozele

2.4 Analiza examenului radiologic2.4.1 Planul frontalAprecierea staticii bazinului i al echilibrului rahidian Statica bazinului se apreciaz cu ajutorul tangentei la cele dou articulaii sacro-iliace. Dac aceast linie este orizontal, statica bazinului este normal. Dac linia este oblic, bazinul e...Msurare unghiului scoliozei Metoda LIPMAN i COBB (v.Figura 12). Metoda FERGUSSON. Tehnica const n trasarea a dou drepte care unesc centrul vertebrei neutre de centrul vertebrei de vrf (superior i inferior) i apoi msurarea unghiului format de...Planul de elecie Scolioza este o deformaie tridimensional a coloanei vertebrale i n consecin curbura se proiecteaz oblic pe o radiografie de fa sau de profil. n cazul deformrilor majore, putem realiza o radiografie n plan de electie. Pl...

2.4.2 Planul sagitalAprecierea echilibrului rahidianAnaliza deformrilor localizate

2.4.3 Planul orizontal

2.5 Reprezentarea rahisului n spaiuExamenul imagistic modern al scoliozelor idiopaticeRezonana magnetic nuclear

3 MODELUL GEOMETRIC CAD AL COLOANEI VERTEBRALE3.1 Achiziia de date3.2 Programe software utilizate n reconstrucia 3D3.3 Realizarea modelului CAD3.3.1 Segmentarea coloanei din CT3.3.2 Extragerea modelelor 3D ale componentelor coloanei vertebtrale

4 MODELUL CINEMATIC AL COLOANEI VERTEBRALE4.1 Limitele anatomice normale ale micrilor vertebrelor coloanei4.2 Modelul cinematic

5 CONCLUZII6 DISEMINAREA REZULTATELOR - PARTICIPRI LA MANIFESTRI TIINIFICEBIBLIOGRAFIE

raport spine 1 2014 consortiu 20pag ver1

Documents