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

利用马匹的计算机断层扫描数据构建出一个逼真的马骨骼模型，该模型可被操作以理解整个马体的功能性、解剖学及生物力学建模。该技术可快速、简便地调整模型姿态，有助于表征不同马匹姿势。该模型可用于分析与退行性组织疾病相关的马匹姿势，并识别可降低机械应力的姿势。

该方法可进行调整和修改，以协助建立其他物种的模型，用于临床目的（如犬类）或学术研究（如模拟进化过渡过程）。演示该操作的是来自奥斯本实验室的研究生 Alex Lee，图中他正与奥斯本博士在一起。首先，在前肢所有活动区域内的图形关节处开始放置。

按下 F3 键以启用绑定菜单集。在菜单中，单击“Skeleton”（骨骼）并选择“Create Joints”（创建关节），以激活创建关节工具。在软件的视图面板中，按照 1 到 10 的顺序，依次单击关节的大致位置，然后按回车键。

通过单击目标关节并使用移动工具来调整关节位置，移动工具的操作方法是按下 W 键，将关节平移至所需位置。或者，也可通过单击目标关节，并在通道盒或图层编辑器面板中修改“平移 X”、“平移 Y”和“平移 Z”的数值来调整关节位置。接下来，创建五个独立的反向运动学手柄。

在菜单中，单击骨骼（Skeleton），然后选择创建反向运动学手柄（Create IK Handle），以激活创建反向运动学手柄工具。使用该工具，先选择关节一，再选择关节三，并在大纲视图（Outliner）面板中将此反向运动学手柄命名为“Front Leg IK”。然后再次使用该工具，选择关节三和关节七。

将此 IK 句柄命名为 Front Lower IK。使用工具选择第七和第八个关节，并将此 IK 句柄命名为 Front Toe 1 IK。对第八和第九个关节重复此步骤，创建 Front Toe 2 IK。然后对第九和第十个关节执行相同操作，创建 Front Toe 3 IK。为创建前肢控制器，选择“创建 NURBS 基本体”中的“圆形”，即创建一个非均匀有理B样条（NURBS）圆。创建两个 NURBS 圆，分别环绕第三个关节和第十个关节，并在大纲视图面板中将它们分别命名为 Front Control 和 Front Lower Control。再创建一个 NURBS 圆并选中它。

在通道盒或图层编辑器面板中，将旋转Z值更改为90。使用移动工具将其放置在第10个关节的末端，并在大纲视图面板中将其命名为 Front Flick Control。按住Control键同时选中 Front Toe 1 IK、Front Toe 2 IK 和 Front Toe 3 IK，然后按下G键将它们成组。

在大纲面板中将此组命名为“前脚趾组”。首先按住 Ctrl 键选择前腿 IK，然后选择前控制，再按下 P 键，将 IK 句柄和前脚趾组作为子级关联到控制上。接着按住 Ctrl 键选择前小腿控制，然后选择前控制，再按下 P 键。

先按住 Ctrl 键选择前部下级 IK，然后选择前部下部控制，再按下 P 键。接着按住 Ctrl 键选择前部轻弹控制，然后选择前部下部控制，再按下 P 键。最后按住 Ctrl 键选择前部脚趾组，然后选择前部轻弹控制，再按下 P 键。

接下来使用“绑定皮肤”工具将骨骼网格绑定到关节骨架。选择骨骼网格，然后按住 Shift 键选择最靠近的关节，并在“皮肤”菜单下的“绑定皮肤”工具中执行绑定操作。使用“创建关节”工具，在籽骨网格内部创建一个关节。

使用绑定皮肤工具，将籽骨网格绑定到关节上。在籽骨内部选择该关节，再按住 Shift 键选择最近的前肢关节，然后按 P 键将其父子化。创建一个长度大致等于脊柱长度的 NURBS 平面。

选择 1 作为 U 向补丁，选择胸椎和腰椎的数量作为 V 向补丁。在“创建 NURBS 基本体”下的“创建平面”工具旁边，选中对应的方块，然后选择“平面”。如需使用修改后的选项重新构建平面，请按 F2 键进入建模菜单集。

在“视图”面板中选择平面，然后在“曲面与重建”下的重建工具旁选择方块，以设置重建工具参数。将“U方向跨度数”设为1，将“V方向跨度数”设为V补丁的对应数值，将“U方向阶数”和“V方向阶数”均设为1（线性）。其余参数保持默认设置，然后点击“重建”按钮。

要创建 nHairs，请按 F5 键进入 FX 菜单集。通过选择 nHair 旁边的方块并点击“创建毛发”来使用具有修改选项的“创建毛发”工具。将输出设置为 NURBS 曲线，U 数量设为 1，V 数量设为 V patch 的数值，然后按下“创建毛发”按钮。

在大纲视图面板中删除 nucleus1、hairSystem1OutputCurves 组以及 hairSystem1。完全展开标记为 hairSystem1Follicles 的组，并删除所有标注为 curve 的项目。选择平面，然后使用移动和旋转工具将其移动并调整方向，使其大致与脊柱重叠。

选择平面，按住鼠标右键，然后选择控制顶点以显示该平面的所有顶点。移动顶点，使毛囊位于椎骨之间、脊髓所在高度的位置。在视图面板中的任意位置创建多个独立的关节。

这些关节的位置将在后续步骤中进行校正。在大纲视图（Outliner）面板中，选择一个创建的关节，然后按住 Control 键并选择一个 nurbsPlaneFollicle，再按下 P 键。对之前步骤中创建的其他关节以及其他 nurbsPlaneFollicle 对象重复此操作。

在大纲面板中，按住 Control 键并选择所有关节。在通道盒或图层盒面板中，将 X、Y 和 Z 的平移值设为零。在大纲面板中按住 Control 键选择所有关节，然后按住 Control 和 D 键进行复制。

在大纲面板中，按住 Shift 键并选择所有重复的关节，然后按 Shift 和 P 键将其取消父级。按下 F3 键进入绑定菜单集，将位于 nurbsPlaneFollicle 下的关节与其对应的椎骨网格绑定。单击 nurbsPlaneFollicle 下的原始关节，再按住 Shift 键选择对应的椎骨网格。

然后在“皮肤”（Skin）下使用“绑定皮肤”（Bind Skin）工具。对每个关节和椎骨网格重复上述操作。按住 Ctrl 键选择所有复制的关节和平面，并使用“绑定皮肤”（Bind Skin）工具将所有复制的关节绑定到平面上。

在三维动画和建模软件中，图形骨架系统可实现骨骼脊柱的自然运动。该软件显示的模型将骨性网格结构连接至图形绑定系统，从而可以控制骨骼的位置。每个肢体通过关节进行绑定，允许利用图形关节对模型进行定位和运动创建，前肢使用编号为1至10的图形关节，后肢使用编号为11至17的图形关节。

该三维马匹模型已与经典的迈布里奇（Muybridge）照片进行匹配，以验证概念并创建首批动画。该模型可从正常姿势移动至多种姿势，例如脊柱的横向旋转，从而有助于理解不同姿势与病理力学力态之间的关系，以及由此导致的受累骨骼结构、关节和软组织的退变。四维模型的运动已与从侧面、背面和正面拍摄的视频进行比对，以更精确地描绘脊柱运动，并与马匹行走、溜蹄和快跑步态的视频进行比对，以生成相应步态的动画。

研究全身力学对于理解退行性关节疾病的影响至关重要。该模型为研究异常运动和姿势与组织退变之间的关系提供了一种方法。这一基于计算机断层扫描数据的独特马体全身模型因其灵活性以及用户可根据特定问题对其进行修改的能力，能够用于该研究领域及其他领域的研究。