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利用计算机断层扫描数据构建逼真的马匹全身三维骨骼模型

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DOI：

10.3791/62276

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2021年2月25日

 ,  , 
1Department of Comparative Biomedical Sciences, Louisiana State University School of Veterinary Medicine, 2Department of Pathology, University of Georgia College of Veterinary Medicine

本文内容

摘要

本实验方案的目的是描述一种可用于功能解剖学和生物力学建模、以表征全身力学特性的逼真马匹全身骨骼模型的构建方法。

摘要

基于全身生物力学评估的疗法在人类运动员的损伤预防与康复中已取得成功。类似方法在马匹运动损伤研究中的应用却极为罕见。由机械应力引起的退行性骨关节炎可能源于慢性姿势功能障碍，而由于主要功能障碍部位通常远离组织损伤部位，因此通过全身生物力学建模来识别最为有效。为了表征马匹全身运动学特性，研究人员利用马匹计算机断层扫描（CT）数据构建了一个逼真的马匹骨骼模型，可用于功能解剖学和生物力学建模。利用三维（3D）可视化软件，将马匹CT数据重建为独立的三维数据集（即骨骼），并组装成完整的三维骨骼模型。随后，使用三维动画与建模软件对该模型进行绑定与动画处理。所得的三维骨骼模型可用于表征与退行性组织改变相关的马匹姿势，并识别可减轻组织损伤部位机械应力的姿势。此外，当该模型被扩展为四维（4D）动画时，可用于展示不健康与健康的骨骼运动模式，并有助于为患有退行性跛行的马匹开发个性化的预防与康复治疗方案。尽管该模型即将开放下载，但目前其格式仍需依赖三维动画与建模软件，而该软件对新用户而言学习曲线较陡。本实验方案将指导用户（1）为任何感兴趣的生物体构建此类模型；（2）将此特定马匹模型应用于各自的研究问题。

引言

马匹的慢性跛行通常与进行性退行性组织病变相关，这些病变与人类主要公共卫生问题——骨关节炎（OA）的病变相似1,2,3,4,5,6,7,8,9。在人类医学中，由于针对特定病变的治疗手段（如药物治疗和直接软骨修复）大多未能奏效，目前认为病理力学因素是OA中组织损伤的根本原因。异常或病理性力学作用可直接作用于骨和软骨细胞，诱导炎性介质释放并导致组织进行性退变9。这些发现表明，除非纠正致病的力学因素，否则许多慢性退行性骨与关节疾病将持续进展。因此，人类医学的治疗重点正转向通过靶向运动来"减轻"受累关节负荷的治疗策略10,11。然而，这一转变尚未在马医学中实现，部分原因是尚缺乏可适应个体运动特征的马匹运动模型。

全面的全身生物力学分析在设计训练方案以优化人类运动员的运动表现和促进损伤康复中较为常见11（另见例如期刊 "Sports Biomechanics"），但在马匹运动员中却较少开展（但参见12）。因此，本研究的总体目标是建立马匹跛行的病理力学模型，以用于开发个体化的预防性和康复性治疗方案，从而改善马匹运动员的健康状况。此类病理力学模型能够描述某些功能解剖结构区域（如脊柱）之间的差异，而这些区域的差异不像其他区域（如下肢）那样容易通过肉眼观察分辨。为实现这一目标，首要任务是构建一个解剖结构精确、可操控的全身马匹 骨骼模型，供从事功能解剖学、运动学和动力学分析的研究人员作为模板使用。为了对马匹临床医生和研究人员具有实用价值，该模型必须满足以下要求：（1）具备生物学真实性，以实现准确的解剖定位；（2）能够方便且准确地调整，以模拟健康与非健康马匹的各种姿势；（3）可进行动画模拟，以研究不同步态的影响；（4）便于重复再现特定位置和动作。

基于CT数据构建了一个三维图形 全马骨骼模型 ，该模型中各骨骼之间的相对位置可被操控，并可进行动画处理以匹配运动中马匹图片或视频中的动作，从而创建出四维马匹骨骼模型。根据所研究问题的具体需求，该模型可采用二维、三维或四维形式，或以多种形式组合使用，用于阐明和描述特定姿势或体位的病理力学效应。由于其基础性和灵活性的设计，该模型可作为模板，供研究人员根据其特定的研究问题和数据参数进行修改。这些参数包括例如基于性别和动物体型的解剖学信息、三维运动分析数据、软组织受力估算以及惯性特性等。因此，该模型不仅支持对特定区域或关节进行更详细的分析，还可为无法在活体马匹上实施的实验提供基础。由于标本可获得性（例如肋骨被切断）及扫描设备的实际限制，全马骨骼模型是来自三具马匹标本数据融合的结果。因此，该模型并非单一完整个体的精确再现，而是经过标准化处理，以更广泛地代表个体间的变异性。简而言之，它是一个可供研究人员使用并修改以满足其研究需求的模板。躯干、头颈部及四肢的CT扫描数据来自两具体型相近的马匹标本，使用64层CT扫描仪，骨算法，螺距0.9，层厚1 mm。一组肋骨的CT扫描数据则使用64层CT扫描仪，骨算法，螺距0.9，层厚0.64 mm获取。

骨性关节（例如四肢内的关节）的解剖完整性得以保持。CT 扫描中可用的软组织也被用于确认骨骼的位置。由于胸廓标本上保留并扫描了部分完整的肋骨以及所有肋骨的近端部分，因此可对单独扫描的肋骨进行精确测量，并将其准确定位到全身骨骼模型中。所得的 CT 数字成像和通信医学（DICOM）数据被导入三维可视化软件（见材料表），并将各个骨骼分割为独立的数据集（即骨骼网格）。随后，将各个三维骨骼网格导入三维动画与建模软件（材料表），根据需要进行缩放，并组装成完整的马骨骼，为绑定（rigging）做好准备——这是一种图形化方法，用于连接骨骼网格，使其运动相互关联（图 1）。

方案

1. 前肢固定

  1. 在前肢的所有活动区域放置图形关节。
    注意：最终的关节定位是从肩胛骨到蹄骨远端形成的关节链图2A在腕骨区域，利用三个相邻的关节以增大弯曲半径。
    1. 按压 F3 启用该功能的关键 布线菜单 设置。在菜单中，选择 骨骼 | 创建关节 选择 创建关节 工具
    2. 在 查看 软件面板中，点击关节所在的大致区域 图2A 1到10的顺序，然后按下 输入 关键
    3. 通过点击目标关节并调整其位置来调节关节位置 的 移动工具 由 按压 W 关键在于将关节调整至理想位置。或者，通过点击目标关节并修改其参数来调节关节 翻译X，翻译Y，和翻译Z 在……中发现的数值 通道盒/图层编辑器 面板
  2. 创建5个独立的反向运动学手柄（IK手柄）（关节将按图中编号数字指代） 图2A).
    1. 在菜单中选择 骨骼 | 创建反向动力学控制器 以选择 创建 IK 句柄 工具。使用该 创建 IK 句柄 工具，选择关节1，然后选择关节3；将此IK句柄命名 前腿逆运动学 在 大纲 面板。使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节3，然后选择关节7；将此IK控制器命名 前下侧IK.
    2. 使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节7，然后选择关节8；将此IK控制器命名 前脚趾1 IK 在 轮廓工具 面板。使用 创建 IK 句柄 工具，选择第8个关节，然后选择第9个关节；将此IK控制器命名 前脚掌 2 IK 在 提纲 面板。使用 创建 IK 句柄 工具，选择第9个关节，然后选择第10个关节；将此IK控制器命名 前脚趾3 IK 在 大纲 面板
  3. 创建前肢对照组
    1. 使用非均匀有理B样条（NURBS）创建圆形 圆 菜单中的工具 创建 | NURBS 基本体 | 圆.
    2. 创建两个 NURBS 圆，并使用移动工具将它们移动至分别环绕关节 3 和关节 10 的位置，然后进行命名 前部控制 和 前下控制分别在 轮廓工具 面板
    3. 创建一个NURBS圆形；选择该圆形，然后在 通道盒/图层编辑器 面板，更改该 旋转 Z 值设为90。使用 移动 工具，将其置于第10关节的末端，并命名 前向轻扫 Ctrl 在 轮廓工具 面板
  4. 组 前脚掌1 IK, 前脚掌2 IK，以及 前脚掌3 IK 通过同时选择这三个并按下 CTRL + G 键。将此组命名为 前足组 在 大纲生成器 面板。将IK句柄作为子级 前足趾组 对照组。
    注意：这一点非常重要 Shift + 选择 按照下述确切顺序，以确保获得正确的父树。
    1. 选择 前腿逆运动学，然后 前部 Ctrl 在 大纲生成器 面板，并按下 P 关键
    2. 选择 前下控制，然后 前部控制 在 提要 面板，并按下 P 关键
    3. 选择 前下侧IK，然后 前下控制 在 轮廓工具 面板，并按下 P 关键
    4. 选择 前向轻弹 Ctrl，然后 前下控制 在 大纲生成器 面板并按下 P 关键。
    5. 选择 前足组，然后 前向轻弹 Ctrl 在 大纲 面板，并按下 P 关键。
  5. 使用 结合皮肤 用于将骨网格（籽骨除外，包括距骨）绑定到最 proximal 的关节。确保每个骨网格仅绑定到一个关节。
    1. 点击骨网格， Shift + 单击 在最近端的关节处，并选择 结合皮肤 工具下方 皮肤 | 结合皮肤.
  6. 固定籽骨和舟骨
    1. 创建一个关节，将其置于籽骨中央，并按压 输入 关键。在 查看 面板中，选择籽骨网格，然后 Shift + 单击 骨中间的关节。使用 结合皮肤 用于将网片固定在关节上的工具。
      ​注意：现在可以使用以下方法操作籽骨 移动 和 旋转 调整腿部位置时使用的调节工具。
    2. 在 查看 面板中，选择籽骨中的关节， Shift + 单击 前肢最近的关节，并按压 P 关键。
      注意：此结构将籽骨中的关节与前肢相连。
    3. 重复步骤 1.6.1 至 1.6.2，对其他籽骨和舟骨进行相同操作。
  7. 对另一前肢重复步骤1.1至1.6。
    注意：可选择肩胛骨处的关节，并在所有三个方向上进行平移（6个自由度），使用 移动 工具

2. 后肢固定

  1. 将关节置于后肢运动范围内的所有位置，以获得从距骨头部到蹄骨远端的关节链图2B).
  2. 创建5个独立的IK句柄（关节将参照图中编号） 图2B).
    1. 使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节11，然后选择关节12；将此IK控制器命名 Hind IK 在 轮廓工具 面板。使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节12，然后选择关节14；将此IK控制器命名 后肢下部逆运动学 在 大纲 面板
    2. 使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节14，然后选择关节15；将此反向运动学手柄命名为Hind 脚趾1 IK 在 提纲 面板。使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节15，然后选择关节16；将此IK控制器命名 后肢第二趾IK 在 大纲 面板
    3. 使用 创建 IK 句柄 工具，选择关节16，然后选择关节17；将此IK控制器命名 后肢第三趾IK 在 大纲生成器 面板
  3. 创建后肢对照组
    1. 创建两个名为 NURBS 圆 后肢对照组 和 后肢下部控制 并将它们分别移动至环绕第12关节和第17关节的位置。
    2. 创建一个名为 NURBS 圆 后肢轻弹控制将此圆圈垂直放置，并置于第10关节的末端。
  4. 组别 后肢脚趾1 IK，后肢脚趾2 IK，以及 后肢脚趾3指节屈肌腱插入点 通过同时选择这三个并按下 CTRL + G命名该组 后肢脚趾组.
  5. 将IK句柄设为父子关系 后肢脚趾组 对照组。务必 Shift + 选择 按照下文所述的精确顺序，以确保获得正确的父树。
    1. 选择 Hind IK，然后 后肢对照，然后按下 P 键。
    2. 选择 后肢下部控制，然后 后肢对照组，然后按下 P 关键
    3. 选择 后肢下部逆运动学，然后 后肢下部控制，然后按下 P 关键。
    4. 选择 后肢轻弹控制，然后 后肢下部控制，然后按下 P 关键
    5. 选择 后肢脚趾组，然后 后肢轻弹控制，然后按下 P 关键
  6. 使用 结合皮肤 使用工具将骨骼网格绑定到最近端的关节。确保每个骨骼网格仅绑定到一个关节。
    1. 点击骨网格， Shift + 单击 最靠近近端的关节，并选择 结合皮肤 工具下方 皮肤 | 绑定皮肤.
  7. 固定髌骨、籽骨和舟骨
    1. 创建一个关节，将其置于髌骨中央，并按压 输入 关键。在 查看 面板中，选择髌骨网格，然后 Shift + 单击 在髌骨关节处。使用 结合皮肤 用于将网片固定在关节上的工具。
      注意：现在可以使用以下方法操作髌骨 移动 和 旋转 调整腿部位置时使用的调节工具。
    2. 在 查看 面板中，选择髌骨处的关节， Shift + 单击 前肢最近端的关节处，并按压 P 关键在于使髌骨与前肢的关节形成亲子关系。
    3. 重复步骤 2.7.1 和 2.7.2，针对籽骨和舟状骨进行操作。
  8. 对另一侧后肢重复步骤 2.1 至 2.7。

3. 树突棘骨架固定

  1. 创建一个NURBS平面，调整选项，使其长度大致等于脊柱长度，U向片段数为1，V向片段数为#，其中#为胸椎和腰椎椎骨的数量。
    ​注意：本文中，长度为20，包含22个V型补片。
    1. 选择位于旁边的方框 创建平面 工具下方 创建 | NURBS 基本体 | 平面.
  2. 使用修改后的选项重新构建平面。
    1. 按压 F2 进入建模菜单集的关键步骤。在视图面板中选择平面，然后选择 重建 通过选择方块旁边的工具设置 重建 工具下方 表面 | 重建使用以下选项：U方向跨度数 = 1；V方向跨度数 = #（本例中为22）；选择 "1 线性" 对于 Degree U 和 Degree V 选项均进行相同设置；其余参数保持默认；然后按下 重建 按钮
  3. 创建具有不同选项的 nhairs。
    1. 按压 F5 进入FX菜单设置的键。在视图面板中选择平面，并使用 生成毛发 通过选择方块旁边的选项来修改工具设置 nHair | 创建毛发使用以下选项：输出设置为NURBS曲线；U向数量=1；V向数量=#（本例中为22）；其余选项保持默认；然后按 生成毛发 按钮。
  4. 在大纲面板中删除以下内容： nucleus1, hairSystem1OutputCurves 组，以及 毛发系统1. 完全展开标记为的组 毛囊系统1型，并删除所有标有 曲线__.
    注意：结果应保留一个标记的组 毛囊系统1型 包含标注项目列表的 nurbs平面_卵泡____.
  5. 选择平面，并移动和调整其方向，使其大致与脊柱重叠 移动 工具和 旋转 工具。选择平面，按住鼠标右键，然后选择 控制顶点 使平面的所有顶点可见。
  6. 将顶点移动，使毛囊位于椎骨之间，高度与脊髓位置相对应。在任意位置创建#个独立关节（本例中为22个） 查看 面板，因为这些关节的位置将在后续步骤中进行校正。
  7. 用接头连接 nurbs平面_毛囊____ 使其每个节点下仅有一个关节。
    1. 在 大纲 面板中，选择在步骤 3.6 中创建的关节，然后 Ctrl + 单击 在 nurbs平面_毛囊____，然后按下 P 关键。重复步骤 3.7.1，对在步骤 3.6 中创建的其他关节及其他 nurbs平面_卵泡____ 物体s.
  8. 在 提要 面板， Ctrl + 选择 所有关节；在 香奈儿盒/层盒 面板，设置 X，Y，以及 Z 到 0. 通过复制所有关节 Ctrl + 选择 所有关节 大纲 面板并按下 Ctrl + D 关键。取消所有重复关节的父子关系 Ctrl + 选择 所有重复的关节 轮廓工具 面板并按下 Shift + P 关键词
  9. 固定关节下方 nurbs平面_卵泡____ 与其相应的椎骨网格。
    1. 按压 F3 进入的键 装置搭建 菜单设置。点击原始关节（而非复制的关节）下方 nurbs平面_卵泡____, Shift + 单击 在相应的椎骨网格上，然后使用 结合皮肤 工具下方 皮肤 | 结合皮肤重复步骤 3.9.1 中的操作，针对每个关节和椎骨网格进行。
  10. CTRL + 单击 所有重复的关节和平面，并使用 结合皮肤 使用工具将所有重复的关节绑定到平面上。
    ​注意：现在可以通过操纵重复的关节来控制椎骨。
  11. 对颈椎和尾椎重复步骤 3.1 至 3.10。

4. 肋骨与胸骨的固定

  1. 在肋骨头处、肋软骨近端和肋软骨远端分别放置关节。将肋软骨近端的关节作为子级连接到其肋骨头处的关节。
  2. 将肋软骨远端的关节作为子级连接到最近的肋软骨近端关节。将肋骨头处的关节作为子级连接到控制该肋骨尾侧椎骨的脊柱关节。
  3. 在Rigging菜单下的Skin选项卡中，使用Bind Skin工具将肋骨绑定至其头部的关节，将肋软骨绑定至其近端和远端的两个关节。
  4. 对每根肋骨重复步骤4.1至4.3。
  5. 在每个胸骨节段最颅侧端放置单独的关节。将每个胸骨节段的关节作为子级连接到位于其最背侧的脊柱关节。在Rigging菜单下的Skin选项卡中，使用Bind Skin工具将胸骨节段绑定至其对应的关节。

5. 定位与动画

  1. 在时间轴中选择一个帧。
  2. 调整模型和控制器。通过创建一个自由图像平面导入图像作为参考。
    注意：使用迈布里奇（Muybridge）13 拍摄的马匹行走图像作为概念验证。
    1. 在选中自由图像平面后，在属性编辑器选项卡下的图像平面属性下拉菜单中选择图像文件。
  3. 选择所有控制器和脊柱控制关节，然后按S键将其保存为关键帧。
  4. 在时间轴的不同帧上移动并旋转控制器和脊柱控制关节，然后按S键。
    注意：在时间轴的不同时间点重新定位控制器和脊柱控制关节，并将其保存为关键帧，即可创建动画。无需在时间轴的每一帧都设置关键帧；只需对关键位置或时间点进行关键帧设置。三维动画与建模软件将自动在各控制器和脊柱控制关节的关键帧位置之间进行插值，生成平滑的动画效果。

结果

该方法的结果是在三维动画与建模软件中构建出一具完整的马匹骨骼三维模型，可用于精确的解剖学定位及运动模拟。该模型本身具有针对前肢、后肢、脊柱、颈部和胸廓的图形绑定系统。多个使用者可将该三维模型摆置于不同的姿态（图3 和 图4）。四维模型（运动状态）的运动已与从侧面、背面和正面拍摄的视频，以及高空无人机拍摄的影像进行比对，以更准确地呈现脊柱的运动；同时结合马匹在慢步（视频）、溜跑和快步时的视频资料，生成相应步态的动画。

生物力学模拟；关节控制图；三维骨骼模型分析；运动动力学研究
图13D 马匹模型可在 3D 动画与建模软件中摆出不同姿势，并进行动画处理，以展示各种步态下的全身运动。 (A,C) 马的图形绑定系统。绿色平面展示了可实现骨骼脊柱自然运动的图形丝带脊柱结构。模型上的黄色椭圆和交叉箭头展示了用于移动各种图形绑定及其相连骨骼网格的控制装置。A站立位。C) 饲养位置。B, D) 带有骨骼网格连接到图形绑定系统的模型。控制点的位置变化会改变马骨架的姿态。B站立的马。D饲养马匹 请点击此处查看此图的放大版本。

动物后肢骨骼结构示意图，解剖分析，标注的关节和骨骼
图 2：各肢体通过关节连接，可实现定位和运动生成。（A）前肢，图示关节以数字 1–10 标注。（B）后肢，图示关节以数字 11–17 标注。请点击此处查看此图的放大版本。

马匹运动研究；连续帧、骨骼叠加、运动分析、生物力学示意图。
图3：为验证概念并生成首批动画，将三维马匹模型与经典的迈布里奇13 照片进行匹配。（A）马匹行走时的迈布里奇照片。（B）将三维马匹模型叠加于照片之上，作为动画中的关键帧。（C）三维马匹模型。请点击此处查看该图的高清版本。

马肢的静态平衡受力图，正常负荷与超负荷情况下的物理分析。
图4：可通过将三维马体模型调整为不同姿势（例如此处展示的脊柱横向旋转），以理解此类姿势与病理性力学力分布之间的关系，以及由此导致的受累骨骼结构、关节和软组织的退变。（A）利用经过图形处理的马骨骼照片所绘制的马（带骑手）正常姿势的二维示意图，与三维马体模型的静止图像进行对比，后者隐藏了头部和颈椎，以便观察胸廓结构。（B）利用经过图形处理的马骨骼照片所绘制的马（带骑手）在脊柱发生横向旋转时的二维示意图，与三维马体模型的静止图像进行对比，后者同样隐藏了头部和颈椎以利于胸廓的可视化。请注意此处脊柱横向旋转对骨骼及肢体的影响。图中所示姿势会导致左前肢负荷过重，这一推断得到了活体马匹左侧前蹄壁出现压缩和开裂现象的支持。请点击此处查看该图的放大版本。

视频：四维马匹运动。将骨骼的关键位置与迈布里奇（Muybridge）13 拍摄的马匹照片进行匹配，并通过插值生成马匹行走时的动画。可从前方、侧方、上方及后方观察其运动过程。请点击此处下载该视频

讨论

本实验方案演示了如何创建生物体的三维全身骨骼模型，并展示了如何使用本文所述的马匹全身骨骼模型。该模型目前的格式需要特定的三维动画与建模软件，对于新用户而言学习曲线较陡。然而，隶属于大学的用户可免费获取该软件的一个版本。尽管全身姿势与运动的建模已被用于评估人类运动员以及识别机械性诱发慢性损伤的原因11，但在马匹运动员中的应用尚不常见。为了将此方法用于评估马匹运动损伤及表现问题的潜在成因，研究人员利用三维可视化软件及三维动画与建模软件，基于CT数据构建了一个逼真的马匹全身骨骼模型。该模型不同于其他仅以艺术化图形方式重现骨骼（https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ）或仅展示四肢的马匹模型14,15,16,17。 在此全身模型中，前肢、后肢、脊柱和肋笼均已完成绑定，并配备了控制装置，便于对模型进行操作，以实现真实且精确的姿态调整与动画制作。

用于搭建该模型的绑定协议具有可重复性，并可根据具体马匹的需要进行后续调整，从而实现个性化分析。因此，马匹模型是研究人员在分析运动时可使用的一种工具。然而，该模型并非一种无需输入特定动物参数和研究问题即可自动给出答案的自动化程序，因为模型的准确性直接取决于具体分析的质量。参数输入功能还使得模型能够持续整合未来研究获得的新数据。此外，这种图形绑定协议可被应用或调整，以反映个体之间的解剖学差异，也可被改进用于有效建模其他动物。三维马匹模型可轻松进行操作和定位，以模拟各种姿态和动作，这一优势在四肢的运动模拟中尤为明显，因为四肢的运动相对简单且易于观察与建模。

模型中图形关节的位置确定采用了与其他研究相似的方法18,19。骨骼网格被置于中立位置。图形关节的定位确保骨骼能够自由旋转，而不会与其他骨骼网格发生碰撞。在手指部分，图形关节被放置在球体与运动表面相吻合的位置。肩胛骨的图形关节则置于肩胛骨体的大致中心位置。这种图形关节的定位方式使其可在六个自由度上移动，从而将肩胛骨调整至所需位置。与四肢不同，脊柱的运动不易观察，其复杂性也常被低估，因此建模更为困难。尽管该模型具有足够的灵活性，可用于研究特定脊柱关节的运动及相关问题，但也需要能够反映整个脊柱那些通常难以区分的运动模式。“"带状脊柱"的使用使得在动画过程中脊柱的运动更加逼真。

这一点非常重要，因为在马匹中，脊柱常常是与异常生物力学运动及四肢损伤潜在相关问题的根源，这一点与人类情况相似。该模型的一个优势在于能够精确展示脊柱位置，例如横向椎体旋转20（图4）。通过将该模型与运动学和力分析方法（例如压力板研究以确认四肢负荷增加，以及静态力分析）相结合，可以确定这些姿势在不同步态下对四肢产生的三维影响。目前，软组织肌筋膜成分正在被逐步添加到全身骨骼模型中。未来的目标是拓展该模型在马匹跛行研究中的三维生物力学分析应用。这种拓展将包括利用该模型完成健康与非健康姿势之间的三维力分析比较，并将模型与运动捕捉研究中采集的三维数据点进行配准，从而提供更有效的运动可视化表达。

披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

作者感谢 Jean Luc Cornille 先生（Science of Motion）在建模精度方面提供的帮助；感谢 Martha Littlefield 博士和 James Ray 先生（路易斯安那州立大学兽医学院，LSU SVM），以及 Steve Holladay 博士、Carla Jarrett 博士和 Brent Norwood 先生（佐治亚大学兽医学院，UGA CVM）提供解剖标本的使用权限；感谢 Ajay Sharma 博士（UGA CVM）以及 L. Abbigail Granger 博士和 Mark Hunter 先生（LSU SVM）协助完成 CT 扫描；同时感谢本科生研究人员 Jeremy Baker、Joshua Maciejewski、Sarah Langlois 和 Daniel Pazooki（路易斯安那州立大学兽医学院功能与进化解剖学实验室）在本研究相关工作中所做出的贡献。本研究经费由路易斯安那州立大学兽医学院马匹健康研究计划通过 Charles V. Cusimano 基金资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
AvizoVSG，Visualization Science Group, Inc.，伯灵顿，马萨诸塞州N/A在文中引用为 "3D 可视化软件"
MayaAutodesk, Inc.，加利福尼亚州圣拉斐尔N/A文中引用为 "3D动画与建模软件"；免费学生版

参考文献

  1. Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. Histological study of navicular bone disease. Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).
  2. Rossdale, P. D., Hopes, R., Digby, N. J. W., Offord, K. Epidemiological study of wastage among racehorses 1982 and 1983. The Veterinary Record. 116 (3), 66-69 (1985).
  3. Pool, R. R., Meagher, D. M., Stover, S. M. Pathophysiology of navicular syndrome. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 5 (1), 109-129 (1989).
  4. Blunden, A., Dyson, S., Murray, R., Schramme, M. Histopathology in horses with chronic palmar foot pain and age-matched controls. Part 1: Navicular bone and related structures. Equine Veterinary Journal. 38 (1), 15-22 (2006).
  5. Dyson, S., Murray, R. Magnetic resonance imaging evaluation of 264 horses with foot pain: the podotrochlear apparatus, deep digital flexor tendon and collateral ligaments of the interphalangeal joint. Equine Veterinary Joint. 39 (4), 340-343 (2007).
  6. Dyson, S., Murray, R. Use of concurrent scintigraphic and magnetic resonance imaging evaluation to improve understanding of the pathogenesis of injury of the podotrochlear apparatus. Equine Veterinary Journal. 39 (4), 365-369 (2007).
  7. Egenvall, A., Lonnell, C., Roepstorff, L. Analysis of morbidity and mortality data in riding school horses, with special regard to locomotor problems. Preventive Veterinary Medicine. 88 (3), 193-204 (2009).
  8. Waguespack, R., Hanson, R. R. Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis. Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).
  9. Zhen, G., Cao, X. Targeting TGFβ signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis. Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).
  10. Arendt, E. A., Miller, L. E., Block, J. E. Early knee osteoarthritis management should first address mechanical joint overload. Orthopedic Reviews. 6 (1), 5188(2014).
  11. Rietveld, A. B. Dancers' and musicians' injuries. Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).
  12. Parkes, R., Newton, R., Dyson, S. Is there an association between clinical features, response to diagnostic analgesia and radiological findings in horses with a magnetic resonance imaging diagnosis of navicular disease or other injuries of the podotrochlear apparatus. Veterinary Journal. 204 (1), 40-46 (2015).
  13. Muybridge, E. Animals in motion. , Chapman & Hall. London. (1902).
  14. Brown, N. A. T., Pandy, M. G., Kawcak, C. E., McIlwraith, C. W. Force- and moment-generating capacities of muscles in the distal limb of the horse. Journal of Anatomy. 203 (1), 101-113 (2003).
  15. Harrison, S. M., Whitton, R. C., Kawcak, C. E., Stover, S. M., Pandy, M. G. Relationship between muscle forces, joint loading and utilization of elastic strain energy in equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 3998-4009 (2010).
  16. Harrison, S. M., et al. Forelimb muscle activity during equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).
  17. O'Hare, L. M. S., Cox, P. G., Jeffery, N., Singer, E. R. Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx. Equine Veterinary Journal. 45 (3), 273-277 (2013).
  18. Panagiotopoulou, O., Rankin, J., Gatesy, S., Hutchinson, S. A prelininary case study of the effect of shoe-wearing on the biomechanics of a horse's foot. PerrJ. 4, 2164(2016).
  19. Craig, J., Craig, M., Savoldi, M., Waldsmith, J. Locating rotation centers of the equine digit and their use in quantifying conformation. EponaMind. , Available from: https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/ (2005).
  20. Denoix, J. M. Spinal biomechanics and functional anatomy. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).

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