-
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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.
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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.
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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)
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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);
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014 Sistem de
diagnosticare i terapie a afeciunilor coloanei vertebrale
Raport tehnic Etapa I
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