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

Aus Pferdecomputertomographiedaten wird ein realistisches Skelettmodell eines Pferdes erstellt, das manipuliert werden kann, um die funktionelle, anatomische und biomechanische Modellierung des gesamten Pferdekörpers zu verstehen. Die Technik ermöglicht eine schnelle und einfache Positionierung des Modells, um unterschiedliche Pferdehaltungen zu charakterisieren. Das Modell kann helfen, Pferdehaltungen im Zusammenhang mit degenerativen Gewebeerkrankungen zu charakterisieren und Haltungen zu identifizieren, die mechanische Belastungen reduzieren.

Die Methode kann angepasst und modifiziert werden, um die Modellierung anderer Arten für klinische Zwecke wie Hunde oder andere akademische Aktivitäten wie die Modellierung evolutionärer Übergänge zu unterstützen. Alex Lee, ein Doktorand des Osborn-Labors, wird das Verfahren demonstrieren und hier mit Dr. Osborn zeigen. Beginnen Sie damit, grafische Gelenke in allen Bewegungsbereichen innerhalb der Vorderbeinlinie zu platzieren.

Drücken Sie die Taste F3, um das Rigging-Menü zu aktivieren. Klicken Sie in den Menüs auf Skelett und Verbindungen erzeugen, um das Werkzeug Verbindungen erzeugen auszuwählen. Klicken Sie im Ansichtsbereich der Software in die ungefähren Bereiche der Gelenke in der Reihenfolge von eins bis 10 und drücken Sie die Eingabetaste.

Passen Sie die Position der Gelenke an, indem Sie auf das gewünschte Gelenk klicken und das Bewegungswerkzeug verwenden, indem Sie die W-Taste drücken, um das Gelenk in die gewünschte Position zu bringen. Alternativ können Sie eine Verbindung anpassen, indem Sie auf die gewünschte Verbindung klicken und die Werte "X" übersetzen, "Y übersetzen" und "Z" im Feld "Kanal" oder im Ebeneneditorfenster ändern. Erstellen Sie als Nächstes fünf separate inverse kinematische Griffe.

Klicken Sie in den Menüs auf Skelett und IK-Handle erstellen, um das Werkzeug IK-Handle erstellen auszuwählen. Wählen Sie mit dem Werkzeug IK-Griff erstellen eine Verbindung eins und dann drei Gelenke aus, und nennen Sie diesen IK-Griff im Outliner-Bedienfeld Frontbein IK". Verwenden Sie dann das Werkzeug und wählen Sie Verbindung drei und Verbindung sieben.

Nennen Sie diesen IK-Griff Front Lower IK. Verwenden Sie das Werkzeug und wählen Sie die Gelenke sieben und acht aus und nennen Sie diesen IK-Griff Front Toe 1 IK. Wiederholen Sie den Schritt mit den Gelenken acht und neun, um die Front Toe 2 IK zu erstellen. Mit den Gelenken neun und 10, um die vordere Zehe 3 zu erstellen IK.To Vorderbeinsteuerungen zu erstellen, erstellen Sie einen ungleichmäßigen rationalen B-Splines oder NURBS-Kreis, indem Sie NURBS-Grundkörper erstellen und Kreis auswählen. Erstellen Sie zwei NURBS-Kreise, die das Gelenk 3 und das Gelenk 10 umgeben, und nennen Sie sie im Outliner-Panel "Front Control" bzw. Front Lower Control. Erstellen Sie einen weiteren NURBS-Kreis und wählen Sie ihn aus.

Ändern Sie im Feld "Kanal" oder im Ebeneneditorfenster den Wert "Z drehen" in 90. Platzieren Sie es mit dem Verschiebewerkzeug an der Spitze des Gelenks 10 und nennen Sie es Front Flick Control" im Outliner-Bedienfeld. Gruppieren Sie Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK und Front Toe 3 IK, indem Sie alle drei auswählen und die G-Taste drücken.

Nennen Sie diese Gruppe im Outliner-Bereich "Front Toe Group". Überführen Sie die IK-Griffe und die vordere Zehengruppe auf die Bedienelemente, indem Sie zuerst die Steuerung des Vorderbein-IK und dann die Vordere Steuerung auswählen und die P-Taste drücken. Control Wählen Sie die Front Lower Control, dann die Front Control aus, und drücken Sie die P-Taste.

Strg wählen Sie die Front Lower IK, dann die Front Lower Control, und drücken Sie die P-Taste. Strg wählen Sie die vordere Flick-Steuerung, dann die Front Lower Control, und drücken Sie die P-Taste. Strg Wählen Sie die Front Toe Group und dann die Front Flick Control aus, und drücken Sie die P-Taste.

Verwenden Sie als Nächstes das Bind Skin-Tool, um die Knochennetze an das Gelenkrigg zu binden. Wählen Sie das Knochennetz aus, und verschieben Sie das proximalste Gelenk, und verwenden Sie das Werkzeug "Haut binden" unter "Haut" und "Haut binden". Erstellen Sie mit dem Werkzeug "Gelenke erstellen" eine Verbindung innerhalb des Sesamknochennetzes.

Binden Sie mit dem Binde Skin-Werkzeug das Sesamknochennetz an das Gelenk. Wählen Sie das Gelenk im Sesamknochen aus und verschieben Sie das nächstgelegene Vorderbeingelenk und drücken Sie die P-Taste, um es zu überziehen. Erstellen Sie eine NURBS-Ebene mit einer Länge, die ungefähr der Länge der Wirbelsäule entspricht.

Wählen Sie 1 für U-Pflaster und die Anzahl der Brust- und Lendenwirbel für V-Pflaster. Wählen Sie das Quadrat neben dem Werkzeug Ebene erstellen (Create Plane) unter Nurbs-Grundtypen erstellen und Ebene (Plane) aus. Um die Ebene mit geänderten Optionen neu zu erstellen, drücken Sie die Taste F2, um das Menü Modellierung (Modellierung) aufzurufen.

Wählen Sie im Ansichtsfenster die Ebene und dann die Einstellungen für das Werkzeug "Neu erstellen" aus, indem Sie unter "Flächen" und "Neu erstellen" das Quadrat neben dem Werkzeug "Neu erstellen" auswählen. Wählen Sie die Anzahl der Bereiche U als 1, die Anzahl der Bereiche V als Anzahl für den V-Patch und 1 linear für die Optionen Grad U und Grad V aus. Behalten Sie die anderen Einstellungen standardmäßig bei und drücken Sie die Schaltfläche Neu erstellen.

Um nHairs zu erstellen, drücken Sie die Taste F5, um den FX-Menüsatz aufzurufen. Verwenden Sie das Werkzeug "Haare erstellen" mit geänderten Optionen, indem Sie das Quadrat neben nHair und "Haare erstellen" auswählen. Stellen Sie die Ausgabe auf NURBS-Kurven, U-Anzahl auf 1, V-Anzahl auf die Zahl für V-Patch ein und drücken Sie dann die Schaltfläche "Haare erstellen".

Löschen Sie nucleus1, die Gruppe hairSystem1OutputCurves und hairSystem1 im Bedienfeld "Outliner". Erweitern Sie die Gruppe mit der Bezeichnung hairSystem1Follicles vollständig, und löschen Sie alle mit einer Kurve gekennzeichneten Elemente. Wählen Sie die Ebene aus, verschieben und orientieren Sie sie so, dass sie sich grob mit dem Rücken überlappt, indem Sie die Werkzeuge "Verschieben" und "Drehen" 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. Bewegen Sie die Eckpunkte, um die Follikel zwischen den Wirbeln in der Höhe auszurichten, in der sich das Rückenmark befinden würde. Erstellen Sie an einer beliebigen Stelle im Ansichtsfenster eine Reihe separater Verbindungen.

Die Position dieser Gelenke wird in späteren Schritten korrigiert. Wählen Sie im Bedienfeld "Outliner" ein erstelltes Gelenk aus, wählen Sie dann "Strg" ein NurbsPlaneFollicle aus und drücken Sie die P-Taste. Wiederholen Sie den Vorgang mit den anderen im vorherigen Schritt erstellten Gelenken und den anderen nurbsPlaneFollicle-Objekten.

Wählen Sie im Outliner-Bedienfeld die Steuerungssteuerung alle Gelenke aus. Legen Sie im Feld "Kanal" oder im Bedienfeld "Ebene" die Option "X, Y und Z übersetzen" auf Null fest. Wählen Sie im Outliner-Bedienfeld alle Gelenke aus und drücken Sie die Tastenkombination Strg und D, um sie zu duplizieren.

Wählen Sie im Outliner-Bedienfeld alle doppelten Gelenke aus und drücken Sie die Umschalttaste und die P-Taste, um das Überziehen aufzuheben. Binden Sie die Gelenke unter nurbsPlaneFollicle mit ihrem jeweiligen Wirbelnetz, indem Sie die Taste F3 drücken, um das Rigging-Menüset aufzurufen. Klicken Sie unter nurbsPlaneFollicle auf das Originalgelenk, Shift wählen Sie das jeweilige Wirbelnetz aus.

Verwenden Sie dann das Tool "Skin binden" unter "Haut" und "Haut binden". Wiederholen Sie diese Aktionen für jedes Gelenk- und Wirbelnetz. Steuern: Wählen Sie alle doppelten Gelenke und die Ebene aus und binden Sie mit dem Werkzeug "Haut binden" alle doppelten Gelenke an die Ebene.

In der 3D-Animations- und Modellierungssoftware ermöglicht die grafische Bandwirbelsäule die natürliche Bewegung der knöchernen Wirbelsäule. Die Software zeigt das Modell mit den Knochennetzen an, die am grafischen Rigging-System befestigt sind, so dass es möglich ist, die Position des Skeletts zu steuern. Die Takelage jedes Gliedmaßes mit Gelenken ermöglicht die Positionierung und die Schaffung von Bewegung unter Verwendung von grafischen Gelenken mit den Zahlen 1 bis 10 für Vorderbeinen und grafischen Gelenken mit den Zahlen 11 bis 17 für die Hinterbeine.

Das 3D-Pferdemodell wurde als Proof of Concept und zur Erstellung der ersten Animationen auf klassische Muybridge-Fotos abgestimmt. Das Modell kann von einer normalen Haltung in verschiedene Haltungen wie eine transversale Rotation der Wirbelsäule verschoben werden, was es ermöglicht, die Beziehung von Haltungen zu pathomechanischen Kraftregimen und die daraus resultierende Degeneration der betroffenen Skelettelemente, Gelenke und Weichteile zu verstehen. Die Bewegungen des 4D-Modells wurden mit Videos von der Seite, Rückseite und Vorderseite verglichen, um die Bewegung der Wirbelsäule genauer darzustellen, und mit Videos von Pferden beim Gehen, Galoppieren und Trab, um Animationen dieser Gangarten zu erstellen.

Das Studium der Ganzkörpermechanik ist notwendig, um die Auswirkungen degenerativer Gelenkerkrankungen zu verstehen. Dieses Modell bietet eine Möglichkeit, die Beziehung zwischen abweichenden Bewegungen und Haltungen und der daraus resultierenden Gewebedegeneration zu untersuchen. Dieses einzigartige Ganzkörper-Pferdemodell, das auf computergestützten Topographiedaten basiert, ermöglicht die Untersuchung dieses und anderer Forschungsbereiche aufgrund seiner Flexibilität und Fähigkeit, von Benutzern modifiziert zu werden, um ihre spezifischen Fragen zu beantworten.