Methodenartikel

Konstruktion eines realistischen, dreidimensionalen Ganzkörper-Pferdeskelettmodells unter Verwendung von Computertomographiedaten

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DOI:

10.3791/62276

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25. Februar 2021

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Der Zweck dieses Protokolls ist es, die Methode der Erstellung eines realistischen Ganzkörper-Skelettmodells eines Pferdes zu beschreiben, das für die funktionelle anatomische und biomechanische Modellierung zur Charakterisierung der Ganzkörpermechanik verwendet werden kann.

Zusammenfassung

Therapien, die auf biomechanischen Ganzkörperbewertungen basieren, sind erfolgreich für die Verletzungsprävention und Rehabilitation bei menschlichen Sportlern. Ähnliche Ansätze wurden selten verwendet, um Sportverletzungen bei Pferden zu untersuchen. Degenerative Osteoarthritis, die durch mechanischen Stress verursacht wird, kann aus einer chronischen posturalen Dysfunktion stammen, die, da die primäre Dysfunktion oft vom Ort der Gewebeverletzung entfernt ist, am besten durch die Modellierung der Ganzkörperbiomechanik identifiziert werden kann. Um die Ganzkörperkinematik von Pferden zu charakterisieren, wurde aus Daten der Pferdecomputertomographie (CT) ein realistisches Skelettmodell eines Pferdes erstellt, das für die funktionelle anatomische und biomechanische Modellierung verwendet werden kann. Pferde-CT-Daten wurden mithilfe einer 3D-Visualisierungssoftware in einzelne dreidimensionale (3D) Datensätze (d.h. Knochen) rekonstruiert und zu einem vollständigen 3D-Skelettmodell zusammengesetzt. Das Modell wurde dann mit 3D-Animations- und Modellierungssoftware manipuliert und animiert. Das resultierende 3D-Skelettmodell kann verwendet werden, um Pferdehaltungen zu charakterisieren, die mit degenerativen Gewebeveränderungen verbunden sind, sowie um Haltungen zu identifizieren, die mechanische Belastungen an den Stellen von Gewebeverletzungen reduzieren. Darüber hinaus kann das Modell, wenn es in 4D animiert wird, verwendet werden, um ungesunde und gesunde Skelettbewegungen zu demonstrieren und präventive und rehabilitative individualisierte Therapien für Pferde mit degenerativen Lahmheiten zu entwickeln. Obwohl das Modell bald zum Download zur Verfügung stehen wird, befindet es sich derzeit in einem Format, das Zugriff auf die 3D-Animations- und Modellierungssoftware erfordert, die für neue Benutzer eine ziemliche Lernkurve aufweist. Dieses Protokoll wird die Benutzer dabei unterstützen, (1) ein solches Modell für jeden interessierenden Organismus zu entwickeln und (2) dieses spezifische Pferdemodell für ihre eigenen Forschungsfragen zu verwenden.

Einleitung

Chronische Lahmheit bei Pferden ist oft mit progressiven degenerativen Gewebeläsionen verbunden, die denen der Osteoarthritis (OA) ähneln, einem großen Problem der öffentlichen Gesundheit beim Menschen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Da in der Humanmedizin therapeutische Ansätze, die sich auf die Behandlung bestimmter Läsionen konzentrieren (z. B. Pharmakotherapie und direkte Chondralreparatur), meist gescheitert sind, werden pathomechanische Kräfte heute als Ursache für Gewebeschäden bei OA erkannt. Aberrante oder pathomechanische Kräfte wirken sowohl auf Knochen- als auch auf Knorpelzellen direkt ein und induzieren die Freisetzung von Entzündungsmediatoren und eine fortschreitende Gewebedegeneration9. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass viele chronisch degenerative Knochen- und Gelenkerkrankungen weiter fortschreiten werden, wenn die ursächlichen mechanischen Kräfte nicht korrigiert werden. Damit verlagert sich der therapeutische Fokus in der Humanmedizin auf Ansätze, die die betroffenen Gelenke durch gezielte Bewegung "entlasten"10,11. Diese Verschiebung wurde jedoch in der Pferdemedizin noch nicht vorgenommen, zum Teil, weil Modelle für Pferdebewegungen benötigt werden, die angepasst werden können, um die Bewegungen eines Individuums zu zeigen.

Eine umfassende biomechanische Ganzkörperanalyse ist bei der Entwicklung von Trainingsprogrammen zur Optimierung der sportlichen Leistung und zur Erleichterung der Verletzungsregeneration bei menschlichen Sportlernüblich 11 (siehe auch z. B. die Zeitschrift "Sports Biomechanics"), wird jedoch bei Pferdesportlern seltener durchgeführt (siehejedoch 12). Übergeordnetes Ziel ist es daher, pathomechanische Modelle der Pferdelahmheit zu etablieren, mit denen individualisierte präventive und rehabilitative Therapien zur Verbesserung der Gesundheit von Pferdesportlern entwickelt werden können. Solche pathomechanischen Modelle können Unterschiede in der funktionellen Anatomie von Regionen (d.h. der Wirbelsäule) charakterisieren, die mit bloßem Auge nicht so leicht erkennbar sind wie andere (d.h. die untere Extremität). Um dieses Ziel zu erreichen, bestand das erste Ziel darin, ein anatomisch genaues, manipulierbares Ganzkörper-, Pferdeskelettmodell zu entwickeln, das von Forschern, die an funktionellen anatomischen, kinematischen und kinetischen Analysen interessiert sind, als Vorlage verwendet werden kann. Um für Pferdekliniker und -forscher nützlich zu sein, muss dieses Modell (1) biologisch realistisch sein, um eine genaue anatomische Positionierung zu ermöglichen, (2) einfache und genaue Anpassungen für die Modellierung verschiedener Haltungen von gesunden und nicht gesunden Pferden ermöglichen, (3) animiert werden können, um die Auswirkungen verschiedener Gangarten zu untersuchen, und (4) wiederholbare Nachbildungen von Positionen und Bewegungen erleichtern.

Aus CT-Daten wurde ein 3D-grafisches Ganzkörper-Pferdeskelettmodell erstellt, in dem die Positionen der Knochen relativ zueinander manipuliert und dann animiert werden konnten, um Bewegungen aus Bildern oder Videos eines Pferdes in Bewegung abzugleichen, wodurch ein 4D-Pferdeskelettmodell erstellt wurde. Je nachdem, was am besten zu der zu beantwortenden Frage passt, kann das Modell in 2D-, 3D- und 4D-Versionen oder in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die pathomechanischen Auswirkungen bestimmter Positionen oder Haltungen zu veranschaulichen und zu charakterisieren. Aufgrund seines grundlegenden und flexiblen Designs dient das Modell als Vorlage, die von Forschern modifiziert werden kann, um ihre spezifischen Fragen und Datenparameter widerzuspiegeln. Zu diesen Parametern gehören beispielsweise anatomische Informationen basierend auf Geschlecht und Tiergröße, 3D-Bewegungsanalysedaten, Weichteilkraftschätzungen und Trägheitseigenschaften. So ermöglicht das Modell eine detailliertere Analyse bestimmter Bereiche oder Gelenke und bietet gleichzeitig die Grundlage für die Durchführung von Experimenten, die an lebenden Pferden nicht durchgeführt werden können. Aufgrund praktischer Einschränkungen in Bezug auf die Verfügbarkeit von Proben (z. B. die geschnittenen Rippen) und den Scanner ist das Ganzkörper-Pferdemodell das Ergebnis der Zusammenführung von Daten von drei Pferdeproben. Somit ist das Modell keine perfekte Darstellung eines einzelnen Individuums, sondern wurde standardisiert, um die individuelle Variabilität breiter darzustellen. Kurz gesagt, es ist eine Vorlage, die verwendet und modifiziert werden muss, um den Bedürfnissen der Forscher gerecht zu werden. CT-Scans des Rumpfes, des Kopfes und des Halses sowie der Gliedmaßen wurden von zwei Pferdeproben von ungefähr gleicher Größe mit einem 64-Scheiben-CT-Scanner unter Verwendung eines Knochenalgorithmus mit einer Tonhöhe von 0,9, 1 mm Scheibe aufgenommen. CT-Scans einer Reihe von Rippen wurden mit einem 64-Schichten-CT-Scanner unter Verwendung eines Knochenalgorithmus mit einer Tonhöhe von 0,9, 0,64 mm Scheiben aufgenommen.

Die anatomische Integrität der knöchernen Gelenke (z. B. innerhalb der Extremität) wurde aufrechterhalten. Die in den CT-Scans verfügbaren Weichteile wurden auch verwendet, um die Platzierung der Knochen zu bestätigen. Da einige ganze Rippen und die proximalen Teile aller Rippen verfügbar waren und an der Thoraxprobe gescannt wurden, konnten die separat gescannten Rippen genau dimensioniert und innerhalb des Ganzkörperskelettmodells platziert werden. Die resultierenden DICOM-Daten (CT Digital Imaging and Communications in Medicine) wurden in die 3D-Visualisierungssoftware importiert (siehe Materialtabelle), und einzelne Knochen wurden in einzelne Datensätze (d. h. Knochennetze) segmentiert. Die einzelnen 3D-Knochennetze wurden dann in die 3D-Animations- und Modellierungssoftware (Table of Materials) importiert, wo sie bei Bedarf dimensioniert und in Vorbereitung auf das Rigging zu einem kompletten Pferdeskelett zusammengesetzt wurden - eine grafische Methode, um die Knochennetze so zu verbinden, dass ihre Bewegungen verknüpft sind (Abbildung 1).

Protokoll

1. Vordergliedmaßen-Rigging

  1. Platzieren Sie grafische Gelenke in allen Bewegungsbereichen innerhalb der Vorderbeine.
    HINWEIS: Die resultierende Gelenkplatzierung ist eine Gelenkkette vom Schulterblatt bis zum distalen Ende des Sargknochens (Abbildung 2A). Im Bereich der Karpalknochen werden 3 Gelenke in unmittelbarer Nähe verwendet, um den Biegeradius zu erhöhen.
    1. Drücken Sie die Taste F3, um das Rigging-Menü zu aktivieren. Wählen Sie in den Menüs Skelett | Erzeugen von Verbindungen, um das Werkzeug "Verbindungen erzeugen" auszuwählen.
    2. Klicken Sie im Bedienfeld "Ansicht " der Software in die ungefähren Bereiche der Gelenke in Abbildung 2A in der Reihenfolge von 1 bis 10, und drücken Sie die EINGABETASTE .
    3. Passen Sie die Position der Gelenke an, indem Sie auf das gewünschte Gelenk klicken, und verwenden Sie das Move Tool, indem Sie die W-Taste drücken, um das Gelenk in die gewünschte Position zu bringen. Alternativ können Sie ein Gelenk anpassen, indem Sie auf das gewünschte Gelenk klicken und die Werte für "X" übersetzen, "Y übersetzen" und "Z " im Bedienfeld " Kanalbox/Ebeneneditor" ändern.
  2. Erstellen Sie 5 separate inverse kinematische Griffe (IK-Griffe) (auf die Gelenke wird mit den Zahlen in Abbildung 2A verwiesen).
    1. Wählen Sie in den Menüs Skelett | IK-Handle erstellen, um das Werkzeug IK-Handle erstellen auszuwählen. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 1 und dann Verbindung 3 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Frontbein IK im Outliner-Panel. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 3 und dann Verbindung 7 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Front Lower IK.
    2. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 7 und dann Verbindung 8 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Front Toe 1 IK im Outliner-Panel . Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 8 und dann Verbindung 9 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Front Toe 2 IK im Outliner-Panel . Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 9 und dann Verbindung 10 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Front Toe 3 IK im Outliner-Panel .
  3. Erstellen von Steuerelementen für Vordergliedmaßen
    1. Erstellen Sie einen NURBS-Kreis (Non-Uniform Rational B-Splines) mithilfe des Kreiswerkzeugs im Menü | erstellen NURBS Primitives | Kreis.
    2. Erstellen Sie zwei NURBS-Kreise, und verschieben Sie sie mit dem Verschiebewerkzeug, um Gelenk 3 und Gelenk 10 einzukreisen, und nennen Sie sie im Outliner-Bedienfeld Front-Strg bzw. Vordere untere Strg.
    3. Erstellen Sie einen NURBS-Kreis; Wählen Sie den Kreis aus und ändern Sie im Bedienfeld "Kanalfeld/Ebeneneditor" den Wert "Z drehen" in 90. Platzieren Sie es mit dem Verschiebewerkzeug an der Spitze des Gelenks 10 und nennen Sie es im Outliner-Bedienfeld Frontstreifen-Strg.
  4. Gruppieren Sie Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK und Front Toe 3 IK, indem Sie alle drei auswählen und die Tasten STRG + G drücken. Benennen Sie diese Gruppe im Outliner-Bereich als Front-Toe-Gruppe. Übergeordnet werden die IK-Handles und die Front Toe Group den Steuerelementen.
    HINWEIS: Es ist wichtig, dass Sie Umschalt + Auswahl in der genau unten beschriebenen Reihenfolge auswählen, um einen ordnungsgemäßen übergeordneten Baum zu gewährleisten.
    1. Wählen Sie Front Leg IK, dann Front Strg im Outliner-Bedienfeld und drücken Sie die P-Taste .
    2. Wählen Sie Front Lower Strg, dann Front Strg im Outliner-Bereich und drücken Sie die P-Taste .
    3. Wählen Sie Front Lower IK, dann Front Lower Strg im Outliner-Panel und drücken Sie die P-Taste .
    4. Wählen Sie Front Flick Strg, dann Front Lower Strg im Outliner-Panel und drücken Sie die P-Taste.
    5. Wählen Sie Front Toe Group, dann Front Flick Strg im Outliner-Bedienfeld und drücken Sie die P-Taste .
  5. Verwenden Sie das Bind Skin-Tool , um die Knochennetze mit Ausnahme von Sesamknochen, einschließlich Strahlbeinknochen, an das proximalste Gelenk zu binden. Stellen Sie sicher, dass jedes Knochennetz nur an ein Gelenk gebunden ist.
    1. Klicken Sie auf das Knochennetz, Shift + klicken Sie auf das proximalste Gelenk und wählen Sie das Werkzeug "Haut binden" unter "Haut" | Binden Sie die Haut.
  6. Rigging von Sesamknochen und dem Strahlbein
    1. Erstellen Sie ein Gelenk, platzieren Sie es in der Mitte des Sesamknochens und drücken Sie die Eingabetaste . Wählen Sie im Bedienfeld "Ansicht " das Sesambeinnetz aus und klicken Sie auf das Gelenk in der Mitte des Knochens. Verwenden Sie das Werkzeug "Haut binden ", um das Netz an das Gelenk zu binden.
      HINWEIS: Der Sesamknochen kann jetzt mit den Werkzeugen Bewegen und Drehen zur Anpassung beim Ändern der Beinposition manipuliert werden.
    2. Wählen Sie im Ansichtsfenster das Gelenk im Sesambein aus, drücken Sie UMSCHALT+Klicken Sie auf das nächstgelegene Gelenk im Vorderbein und drücken Sie die P-Taste .
      HINWEIS: Dies erzieht das Gelenk im Sesambein bis zum Vorderbein.
    3. Wiederholen Sie die Schritte 1.6.1 bis 1.6.2 für andere Sesamknochen und das Strahlbein.
  7. Wiederholen Sie die Schritte 1.1 bis 1.6 für die andere Vordergliedmaße.
    HINWEIS: Das Gelenk am Schulterblatt kann mit dem Move-Werkzeug in alle 3 Richtungen (6 Freiheitsgrade) ausgewählt und übersetzt werden.

2. Hintergliedmaßen-Rigging

  1. Platzieren Sie Gelenke in allen Bewegungsbereichen innerhalb der Hinterbeine, um eine Gelenkkette vom Kopf des Demurs bis zum distalen Ende des Sargknochens zu erhalten (Abbildung 2B).
  2. Erstellen Sie 5 separate IK-Griffe (Gelenke werden auf die Zahlen in Abbildung 2B verwiesen).
    1. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 11 und dann Verbindung 12 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Hind IK im Outliner-Panel . Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 12 und dann Verbindung 14 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Hind Lower IK im Outliner-Panel .
    2. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 14 und dann Verbindung 15 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Hind Toe 1 IK im Outliner-Panel . Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 15 und dann Verbindung 16 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Hind Toe 2 IK im Outliner-Panel .
    3. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen die Option Verbindung 16 und dann Verbindung 17 aus. Nennen Sie diesen IK-Griff Hind Toe 3 IK im Outliner-Panel .
  3. Erstellen von Hinterbein-Steuerelementen
    1. Erstellen Sie zwei NURBS-Kreise mit den Namen Hind Ctrl und Hind Lower Ctrl und verschieben Sie sie, um Gelenk 12 bzw. Gelenk 17 einzukreisen.
    2. Erstellen Sie einen NURBS-Kreis mit dem Namen Hind Flick Strg. Machen Sie diesen Kreis vertikal und platzieren Sie ihn an der Spitze des Gelenks 10.
  4. Gruppe Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK und Hind Toe 3 IK, indem Sie alle drei auswählen und STRG + G drücken. Nennen Sie diese Gruppe Hind Toe Group.
  5. Überführen Sie die IK-Handles und die Hind Toe-Gruppe zu den Steuerelementen. Stellen Sie sicher, dass Sie Umschalt + Auswahl in der genau unten beschriebenen Reihenfolge auswählen, um einen ordnungsgemäßen übergeordneten Baum sicherzustellen.
    1. Wählen Sie Hind IK, dann Hind Strg, und drücken Sie die P-Taste.
    2. Wählen Sie Hind Lower Strg, dann Hind Strg, und drücken Sie die P-Taste.
    3. Wählen Sie Hind Lower IK, dann Hind Lower Strg, und drücken Sie die Taste P.
    4. Wählen Sie Hind Flick Strg, dann Hind Lower Strg, und drücken Sie die P-Taste.
    5. Wählen Sie Hind Toe Group, dann Hind Flick Strg, und drücken Sie die P-Taste .
  6. Verwenden Sie das Bind Skin-Tool , um die Knochennetze an das proximalste Gelenk zu binden. Stellen Sie sicher, dass jedes Knochennetz an nur ein Gelenk gebunden ist.
    1. Klicken Sie auf das Knochennetz, Umschalt + Klicken Sie auf das proximalste Gelenk und wählen Sie das Werkzeug "Haut binden" unter "Haut" | Binden Sie die Haut.
  7. Rigging von Patella, Sesamknochen und Strahlbein
    1. Erstellen Sie einen Joint, platzieren Sie ihn in der Mitte der Patella und drücken Sie die Eingabetaste . Wählen Sie im Ansichtsfenster das Patellanetz aus und klicken Sie bei Umschalt + auf das Gelenk in der Patella. Verwenden Sie das Werkzeug "Haut binden ", um das Netz an das Gelenk zu binden.
      HINWEIS: Die Patella kann jetzt mit den Werkzeugen Bewegen und Drehen zur Einstellung beim Ändern der Beinposition manipuliert werden.
    2. Wählen Sie im Ansichtsfenster das Gelenk in der Patella aus, drücken Sie Umschalt + Klicken Sie auf das nächstgelegene Gelenk im Vorderglied und drücken Sie die P-Taste , um das Gelenk in der Patella mit dem Vorderbein zu überziehen.
    3. Wiederholen Sie die Schritte 2.7.1 und 2.7.2 für die Sesamknochen und das Strahlbein.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 2.1 bis 2.7 für das andere Hinterbein.

3. Bandwirbelsäulen-Rigging

  1. Erstellen Sie eine NURBS-Ebene mit geänderten Optionen mit einer Länge, die ungefähr der Länge der Wirbelsäule mit 1 U-Patch und # V-Patches entspricht, wobei # die Anzahl der Brust- und Lendenwirbel ist.
    HINWEIS: Für dieses Papier beträgt die Länge 20 mit 22-V-Patches.
    1. Wählen Sie das Quadrat neben dem Werkzeug Ebene erstellen unter | erstellen aus. NURBS Primitives | Flugzeug.
  2. Erstellen Sie das Flugzeug mit geänderten Optionen neu.
    1. Drücken Sie die Taste F2, um das Modellierungsmenü aufzurufen. Wählen Sie die Ebene im Ansichtsfenster aus, und wählen Sie die Einstellungen für das Werkzeug "Neu erstellen" aus, indem Sie unter "Flächen" das Quadrat neben dem Werkzeug " Neu erstellen" auswählen | Neu aufbauen. Verwenden Sie die folgenden Optionen: Anzahl der Bereiche U = 1; Anzahl der Spannen V = # (22 in diesem Fall); Wählen Sie "1 Linear" sowohl für die Optionen Grad U als auch Grad V; Behalten Sie die anderen Einstellungen auf der Standardeinstellung bei. und drücken Sie die Taste Rebuild .
  3. Erstellen Sie nhairs mit geänderten Optionen.
    1. Drücken Sie die Taste F5, um das FX-Menü aufzurufen. "Wählen Sie die Ebene im Ansichtsfenster aus und verwenden Sie das Werkzeug "Haare erstellen " mit geänderten Optionen, indem Sie das Quadrat neben nHair | auswählen Erschaffe Haare. Verwenden Sie die folgenden Optionen: Ausgabe auf NURBS-Kurven eingestellt; U-Anzahl =1; V-Zahl = # (22 in diesem Fall); Behalten Sie die Standardeinstellungen für die anderen Optionen bei. und drücken Sie die Schaltfläche Haare erstellen .
  4. Löschen Sie Folgendes im Outliner-Panel: nucleus1, hairSystem1OutputCurves-Gruppe und hairSystem1. Erweitern Sie die Gruppe mit der Bezeichnung hairSystem1Follicles vollständig, und löschen Sie alle mit curve__ gekennzeichneten Elemente.
    HINWEIS: Das Ergebnis sollte eine Gruppe mit der Bezeichnung hairSystem1Follicles hinterlassen, die eine Liste von Elementen mit der Bezeichnung nurbsPlane_Follicle____ enthält.
  5. Wählen Sie die Ebene aus, verschieben und orientieren Sie sie so, dass sie sich grob mit dem Buchrücken überlappt, indem Sie das Verschieben-Werkzeug und das Drehen-Werkzeug verwenden. Wählen Sie die Ebene aus, halten Sie die rechte Maustaste gedrückt, und wählen Sie "Scheitelpunkt steuern", um alle Eckpunkte der Ebene sichtbar zu machen.
  6. Bewegen Sie die Eckpunkte, um die Follikel so auszurichten, dass sie sich zwischen den Wirbeln auf der Höhe befinden, in der sich das Rückenmark befinden würde. Erstellen Sie # Anzahl separater Gelenke (in diesem Fall 22) an einer beliebigen Stelle im Ansichtsfenster , da die Position dieser Verbindungen in späteren Schritten korrigiert wird.
  7. Beschichten Sie ein Gelenk mit einem nurbsPlane_Follicle____, so dass jeder ein einzelnes Gelenk unter seinem Baum hat.
    1. Wählen Sie im Outliner-Bedienfeld eine in Schritt 3.6 erstellte Verbindung aus, klicken Sie dann bei Strg + auf eine nurbsPlane_Follicle____ und drücken Sie die P-Taste. Wiederholen Sie 3.7.1 mit den anderen in Schritt 3.6 erstellten Gelenken und den anderen nurbsPlane_Follicle____ Objekten.
  8. Wählen Sie im Outliner-Bedienfeld Strg + alle Gelenke aus. Setzen Sie im Bedienfeld Chanel Box/Layer Box die Option X, Y und Z übersetzen auf 0. Duplizieren Sie alle Gelenke, indem Sie Strg + alle Gelenke im Outliner-Bedienfeld auswählen und die Tasten Strg + D drücken. Heben Sie die Überführung aller doppelten Verbindungen auf, indem Sie Strg + alle doppelten Verbindungen im Outliner-Bedienfeld auswählen und die Umschalttaste + P-Tasten drücken
  9. Binden Sie die Gelenke unter nurbsPlane_Follicle____ mit ihrem jeweiligen Wirbelnetz.
    1. Drücken Sie die Taste F3, um das Rigging-Menü aufzurufen. Klicken Sie unter nurbsPlane_Follicle____ auf das ursprüngliche Gelenk (nicht auf das doppelte Gelenk), Umschalttaste + Klicken Sie auf das jeweilige Wirbelnetz und verwenden Sie dann das Werkzeug "Haut binden" unter " Haut" | Binden Sie die Haut. Wiederholen Sie diese Aktionen in Schritt 3.9.1 für jedes Gelenk- und Wirbelnetz.
  10. STRG+Klicken Sie auf alle doppelten Gelenke und die Ebene, und verwenden Sie das Werkzeug "Haut binden ", um alle doppelten Gelenke an die Ebene zu binden.
    HINWEIS: Die doppelten Gelenke können jetzt manipuliert werden, um die Wirbel zu kontrollieren.
  11. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 bis 3.10 für die Hals- und Schwanzwirbel.

4. Rippen- und Brustbein-Rigging

  1. Platzieren Sie separate Gelenke am Rippenkopf, am proximalen Ende des Rippenknorpels und am distalen Ende des Rippenknorpels. Übergeordnet das Gelenk am proximalen Ende des Rippenknorpels mit dem Gelenk an seinem Rippenkopf.
  2. Übergeordnet das Gelenk am distalen Ende des Rippenknorpels mit dem nächstgelegenen Gelenk am proximalen Ende des Rippenknorpels. Überziehen Sie das Gelenk am Rippenkopf zu dem Wirbelsäulengelenk, das die Wirbel mit der Rippe steuert.
  3. Verwenden Sie im Menü "Rigging" auf der Registerkarte "Haut" das Werkzeug "Haut binden", um die Rippe an der Spitze des Gelenks und den Rippenknorpel sowohl an den Gelenken an ihrem proximalen Ende als auch am distalen Ende zu binden.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 bis 4.3 für jede Rippe.
  5. Platzieren Sie separate Gelenke am schädelndsten Ende jedes Sternalsegments. Übergeordnet jedes Sternalsegmentgelenk mit dem Wirbelsäulengelenk, das jedem Sternalsegmentgelenk am dorsalsten ist. Verwenden Sie im Menü "Rigging" auf der Registerkarte "Haut" das Werkzeug "Haut binden", um das Sternalsegment an sein Gelenk zu binden.

5. Positionierung und Animation

  1. Wählen Sie einen Frame in der Zeitleiste aus.
  2. Positionieren Sie das Modell und die Steuerelemente. Importieren Sie ein Bild, das als Referenz verwendet werden soll, indem Sie eine freie Bildebene erstellen.
    HINWEIS: Die Bilder von Muybridge13 des Pferdes beim Spaziergang wurden als Proof of Concept verwendet.
    1. Während die Option Freie Bildebene ausgewählt ist, wählen Sie die Bilddatei auf der Registerkarte Attribut-Editor und im Dropdown-Menü Bildebenenattribute aus.
  3. Wählen Sie alle Bedienelemente und die Gelenke der Wirbelsäulensteuerung aus, und drücken Sie die S-Taste , um sie als Keyframe zu speichern.
  4. Verschieben und drehen Sie entlang verschiedener Frames entlang der Zeitleiste die Bedienelemente und Wirbelsäulensteuerungsgelenke, und drücken Sie S.
    HINWEIS: Durch das Neupositionieren von Steuerelementen und Wirbelsäulensteuerungsgelenken und das Speichern als Schlüsselbilder entlang verschiedener Punkte der Zeitleiste wird eine Animation erstellt. Es muss nicht für jedes Bild der Zeitleiste ein Schlüsselbild festgelegt sein. Nur kritische Positionen oder Timings müssen Key-Frames sein. Die 3D-Animations- und Modellierungssoftware interpoliert zwischen den Keyframe-Positionen jedes Steuerungs- und Wirbelsäulengelenks und erzeugt eine glatte Animation.

Ergebnisse

Das Ergebnis der Methode war ein vollständiges 3D-Pferdeskelettmodell innerhalb der 3D-Animations- und Modellierungssoftware, das genaue anatomische Positionierungs- und Bewegungssimulationen ermöglicht. Das Modell selbst verfügt über ein grafisches Rigging-System, das an die Vordergliedmaßen, die Hinterbeine, die Wirbelsäule, den Hals und den Brustkorb delegiert wird. Das 3D-Modell könnte von mehreren Personen in verschiedene Haltungen (Abbildung 3 und Abbildung 4) gebracht werden. Die Bewegungen des 4D-Modells (in Bewegung) wurden mit Videos von der Seite, von hinten und vorne sowie mit Overhead-Drohnenaufnahmen verglichen, um die Bewegung der Wirbelsäule genauer darzustellen, und mit Videos von Pferden auf dem Weg (Video), Galopp und Trab, um Animationen dieser Gangarten zu erstellen.

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Abbildung 1: Das 3D-Pferdemodell kann in verschiedene Haltungen verschoben und animiert werden, um Ganzkörperbewegungen in verschiedenen Gangarten in der 3D-Animations- und Modellierungssoftware zu demonstrieren. (A,C) Grafische Rigging-Systeme für das Pferd. Die grafische Bandwirbelsäule, die eine natürliche Bewegung der knöchernen Wirbelsäule ermöglicht, wird durch die grüne Ebene veranschaulicht. Die Bedienelemente, mit denen die verschiedenen Grafik-Rigs und die angebrachten Knochennetze bewegt werden, werden durch die gelben Ovale und Kreuzpfeile auf dem Modell veranschaulicht. (A) Stehende Position. c) Aufzuchtposition. (B, D) Das Modell mit den Knochennetzen, die am grafischen Rigging-System befestigt sind. Die Positionen der Bedienelemente verändern die Position des Skeletts des Pferdes. (B) Stehendes Pferd. (D) Aufzucht von Pferden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 2: Die Takelage jedes Gliedmaßes mit Gelenken ermöglicht die Positionierung und die Erzeugung von Bewegung. (A) Vorderglied mit grafischen Gelenken, gekennzeichnet mit den Nummern 1-10. (B) Hinterbein mit grafischen Gelenken, gekennzeichnet mit den Nummern 11-17. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 3: Das 3D-Pferdemodell wurde als Proof of Concept und zur Erstellung der ersten Animationen auf klassische Muybridge13-Fotos abgestimmt. (A) Muybridge-Fotos eines Pferdes beim Spaziergang. (B) Das 3D-Pferdemodell, das den Fotos überlagert wird und als Keyframes in der Animation verwendet werden soll. (C) Das 3D-Pferdemodell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Abbildung 4: Das 3D-Pferdemodell kann in verschiedene Haltungen (z.B. die hier gezeigte Querrotation der Wirbelsäule) bewegt werden, um die Beziehung solcher Haltungen zu pathomechanischen Kraftregimen und der daraus resultierenden Degeneration der betroffenen Skelettelemente, Gelenke und Weichteile zu verstehen. (A) Eine grafische 2D-Darstellung einer normalen Haltung eines Pferdes (mit Reiter) unter Verwendung grafisch manipulierter Fotos eines Pferdeskeletts im Vergleich zu einem Standbild von das 3D-Pferdemodell, bei dem Kopf und Halswirbel verborgen sind, um die Visualisierung des Thorax zu ermöglichen. (B) Eine grafische 2D-Darstellung eines Pferdes (mit Reiter) mit einer transversalen Rotation der Wirbelsäule unter Verwendung grafisch manipulierter Fotos eines Pferdeskeletts im Vergleich zu einem Standbild des 3D-Pferdemodells mit verstecktem Kopf und Halswirbeln, um die Visualisierung des Thorax zu ermöglichen. Beachten Sie hier die Wirkung der transversalen Rotation auf das Skelett und die Gliedmaßen des Körpers. Die dargestellte Position würde das linke Vorderbein überlasten, was durch die Kompression und Rissbildung der linken vorderen Hufwand beim lebenden Pferd gestützt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Video. Das 4D-Pferd. Schlüsselpositionen des Skeletts, wie sie auf die Muybridge13-Fotos des Pferdes abgestimmt sind, wurden interpoliert, um eine Animation des Pferdes bei einem Spaziergang zu erstellen. Die Bewegung ist von vorne, seitlich, oben und hinten zu sehen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

Diskussion

Dieses Protokoll zeigt, wie man ein 3D-Ganzkörperskelettmodell eines Organismus erstellt und wie man das in diesem Papier beschriebene Ganzkörper-Pferdeskelettmodell verwendet. Das Modell befindet sich derzeit in einem Format, das eine spezielle 3D-Animations- und Modellierungssoftware erfordert, die für neue Benutzer eine ziemliche Lernkurve aufweist. Eine Version dieser Software ist jedoch für diejenigen, die mit einer Universität verbunden sind, frei verfügbar. Obwohl die Modellierung der Ganzkörperhaltung und -bewegung verwendet wird, um menschliche Athleten zu beurteilen und Ursachen für mechanisch induzierte chronische Verletzungenzu identifizieren 11, wird dies bei Pferdesportlern seltener durchgeführt. Um diesen Ansatz für die Bewertung der möglichen Ursachen von Pferdesportverletzungen und Leistungsproblemen zu nutzen, wurde aus CT-Daten mit der 3D-Visualisierungssoftware und der 3D-Animations- und Modellierungssoftware ein realistisches Ganzkörper-Skelettpferdemodell erstellt. Dieses Modell unterscheidet sich von anderen Pferdemodellen, die entweder künstlerische grafische Nachbildungen des Skeletts (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) sind oder nur die Gliedmaßen14,15,16,17 darstellen. In diesem Ganzkörpermodell waren Vorderbeine und Hinterbeine, Wirbelsäule und Brustkorb alle manipuliert und mit Bedienelementen versehen, die eine einfache Manipulation des Modells für eine realistische und genaue Positionierung und Animation ermöglichen.

Das Protokoll, das zum Rigieren des Modells verwendet wird, ermöglicht die Wiederholbarkeit und zukünftige Änderungen, um den Bedürfnissen des spezifischen Pferdes, das manipuliert wird, gerecht zu werden, was eine individuelle Analyse ermöglicht. Daher ist das Pferdemodell ein Werkzeug, das von Forschern bei der Analyse von Bewegungen verwendet werden kann. Es ist jedoch kein automatisiertes Programm, das Antworten liefert, ohne dass Parameter eingegeben werden, die für das zu modellierende Tier spezifisch sind und die Frage beantwortet wird, da die Genauigkeit des Modells direkt mit der Stärke einer bestimmten Analyse zusammenhängt. Die Möglichkeit, Parameter einzugeben, ermöglicht es auch, das Modell kontinuierlich mit Daten aus zukünftigen Forschungsstudien zu aktualisieren. Darüber hinaus kann dieses grafische Rigging-Protokoll angewendet und/oder angepasst werden, um die anatomischen Unterschiede zwischen Individuen widerzuspiegeln. Es kann auch angepasst werden, um andere Tiere effektiv zu modellieren. Das 3D-Pferdemodell kann leicht manipuliert und positioniert werden, um Positionen und Bewegungen zu simulieren. Dies zeigt sich besonders deutlich bei den Gliedmaßen, da ihre Bewegungen relativ einfach zu sehen und zu modellieren sind.

Die grafische Gelenkpositionierung im Modell wurde durch einen ähnlichen Ansatz bestimmt, der in anderen Studien verwendet wurde18,19. Die Knochennetze wurden in neutraler Position platziert. Grafische Gelenke wurden so positioniert, dass sich die Knochen frei drehen konnten, ohne dass es zu einer Kollision mit anderen Knochennetzen kam. In den Ziffern wurde das grafische Gelenk an der Stelle platziert, an der eine Kugel mit den Bewegungsflächen zusammenfiel. Das grafische Gelenk des Schulterblattes wurde in der ungefähren Mitte der Schulterblattklinge platziert. Diese Positionierung des grafischen Gelenks ermöglicht es, es in 6 Freiheitsgraden zu bewegen, um das Schulterblatt in die gewünschte Position zu bringen. Im Gegensatz zu den Gliedmaßen ist die Bewegung der Wirbelsäule nicht leicht zu sehen, komplexer als oft realisiert und daher schwieriger zu modellieren. Obwohl das Modell die Flexibilität hat, um Bewegungen und Probleme an bestimmten Wirbelsäulengelenken zu untersuchen, musste es auch in der Lage sein, die oft schwer zu unterscheidenden Bewegungen der gesamten Wirbelsäule darzustellen. Die Verwendung des "Ribbon Spine" ermöglicht eine realistischere Bewegung der Wirbelsäule während der Animationen.

Dies ist wichtig, da die Wirbelsäule bei Pferden, wie sie beim Menschen gefunden wurde, oft der Ursprung von Problemen ist, die möglicherweise mit abweichenden biomechanischen Bewegungen und Verletzungen der Gliedmaßen zusammenhängen. Eine Stärke dieses Modells ist die Fähigkeit, Wirbelsäulenpositionen wie transversale Wirbelrotationen20 genau darzustellen (Abbildung 4). Wie sich diese Haltungen bei verschiedenen Gangarten dreidimensional auf die Gliedmaßen auswirken, kann anhand des Modells in Kombination mit kinematischer und Kraftanalyse (z. B. Druckplattenstudien zur Bestätigung einer erhöhten Belastung der Gliedmaßen und statische Kraftanalyse) bestimmt werden. Weichteil-Muskel-Komponenten werden derzeit dem Ganzkörper-Skelettmodell hinzugefügt. Zukünftige Ziele sind es, die Verwendung des Modells in der biomechanischen 3D-Analyse für Studien zur Lahmheit von Pferden auszuweiten. Eine solche Erweiterung würde die Verwendung des Modells zur Durchführung von 3D-Kraftanalysen umfassen, die gesunde und ungesunde Körperhaltungen vergleichen, und die Registrierung des Modells mit 3D-Datenpunkten, die in Motion-Capture-Studien gesammelt wurden, um eine effektivere visuelle Darstellung der Bewegung zu ermöglichen.

Offenlegungen

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte erklärt.

Danksagungen

Die Autoren danken Herrn Jean Luc Cornille, Science of Motion, für seinen Beitrag zur Modellierungsgenauigkeit; Dr. Martha Littlefield und Mr. James Ray (LSU SVM) sowie Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett und Mr. Brent Norwood (UGA CVM) für den Zugang zu anatomischen Proben; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) und Dr. L. Abbigail Granger und Mr. Mark Hunter (LSUSVM) für die Durchführung von CT-Scans; und die Bachelor-Forscher Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois und Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) für ihre Arbeit im Zusammenhang mit dieser Forschung. Die Finanzierung erfolgte durch das Equine Health Studies Program der Louisiana State University School of Veterinary Medicine über ein Stipendium von Charles V. Cusimano.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Aim Text als "3D-Visualisierungssoftware" zitiertMaya
Autodesk, Inc., San Rafael, CAN/Aim Text zitiert als "3D-Animations- und Modellierungssoftware"; Kostenlose Studentenversion

Referenzen

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