Artículo de método

Construcción de un modelo esquelético equino tridimensional realista, de cuerpo entero utilizando datos de tomografía computarizada

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DOI:

10.3791/62276

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25 de febrero de 2021

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

En este artículo

Resumen

El propósito de este protocolo es describir el método de creación de un modelo esquelético realista de cuerpo entero de un caballo que se puede utilizar para el modelado anatómico y biomecánico funcional para caracterizar la mecánica de todo el cuerpo.

Resumen

Las terapias basadas en evaluaciones biomecánicas de todo el cuerpo son exitosas para la prevención y rehabilitación de lesiones en atletas humanos. Enfoques similares rara vez se han utilizado para estudiar la lesión atlética equina. La osteoartritis degenerativa causada por el estrés mecánico puede originarse a partir de la disfunción postural crónica, que, debido a que la disfunción primaria a menudo está distante del sitio de la lesión tisular, se identifica mejor a través del modelado de la biomecánica de todo el cuerpo. Para caracterizar la cinemática equina de cuerpo entero, se creó un modelo esquelético realista de un caballo a partir de datos de tomografía computarizada (TC) equina que se pueden utilizar para el modelado anatómico y biomecánico funcional. Los datos de TC equina se reconstruyeron en conjuntos de datos tridimensionales individuales (3D) (es decir, huesos) utilizando software de visualización 3D y se ensamblaron en un modelo esquelético 3D completo. El modelo fue manipulado y animado utilizando animación 3D y software de modelado. El modelo esquelético 3D resultante se puede utilizar para caracterizar posturas equinas asociadas con cambios degenerativos en el tejido, así como para identificar posturas que reducen el estrés mecánico en los sitios de lesión tisular. Además, cuando se anima en 4D, el modelo se puede utilizar para demostrar movimientos esqueléticos poco saludables y saludables y se puede utilizar para desarrollar terapias individualizadas preventivas y de rehabilitación para caballos con cojera degenerativa. Aunque el modelo pronto estará disponible para su descarga, actualmente se encuentra en un formato que requiere acceso al software de animación y modelado 3D, que tiene una curva de aprendizaje bastante grande para los nuevos usuarios. Este protocolo guiará a los usuarios en (1) el desarrollo de un modelo de este tipo para cualquier organismo de interés y (2) el uso de este modelo equino específico para sus propias preguntas de investigación.

Introducción

La cojera crónica en caballos a menudo se asocia con lesiones tisulares degenerativas progresivas similares a las de la osteoartritis (OA), un importante problema de salud pública en humanos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En medicina humana, debido a que los enfoques terapéuticos centrados en el tratamiento de lesiones específicas (por ejemplo, farmacoterapia y reparación condral directa) han fracasado en su mayoría, las fuerzas pathomecánicas ahora se reconocen como la causa raíz del daño tisular en la OA. Las fuerzas aberrantes o patomecánicas impactan directamente tanto en las células óseas como en las cartilaginosas, induciendo la liberación de mediadores inflamatorios y la degeneración progresiva de los tejidos9. Estas observaciones indican que a menos que se corrijan las fuerzas mecánicas causales, muchas enfermedades degenerativas crónicas de los huesos y las articulaciones continuarán progresando. Por lo tanto, el enfoque terapéutico en la medicina humana está cambiando a enfoques que "descargan" las articulaciones afectadas a través del ejercicio dirigido10,11. Sin embargo, este cambio aún no se ha realizado en la medicina equina, en parte porque se necesitan modelos para el movimiento equino que se puedan adaptar para mostrar los movimientos de un individuo.

El análisis biomecánico integral de todo el cuerpo es común en el diseño de programas de entrenamiento para optimizar el rendimiento atlético y facilitar la recuperación de lesiones en atletas humanos11 (véase también, por ejemplo, la revista "Sports Biomechanics"), pero se realiza con menos frecuencia para los atletas equinos (pero consulte12). Por lo tanto, el objetivo general aquí es establecer modelos pathomecánicos de cojera equina que puedan usarse para desarrollar terapias preventivas y de rehabilitación individualizadas para mejorar la salud de los atletas equinos. Tales modelos pathomecánicos pueden caracterizar diferencias en la anatomía funcional de regiones (es decir, la columna vertebral) que no son tan fácilmente discernibles a simple vista como otras (es decir, la extremidad inferior). Para lograr este objetivo, el primer objetivo fue desarrollar un modelo esquelético anatómicamente preciso, manipulable, de cuerpo entero y equino que pueda ser utilizado como plantilla por investigadores interesados en análisis anatómicos, cinemáticos y cinéticos funcionales. Para ser útil para los médicos equinos e investigadores, este modelo debe (1) ser biológicamente realista para permitir un posicionamiento anatómico preciso, (2) permitir ajustes fáciles y precisos para modelar diversas posturas de caballos sanos y no sanos, (3) ser capaz de ser animado para estudiar los efectos de varias marchas, y (4) facilitar recreaciones repetibles de posiciones y movimientos.

Se construyó un modelo esquelético equino de cuerpo entero gráfico en 3D a partir de datos de TC en el que las posiciones de los huesos entre sí podían manipularse y luego animarse para que coincidieran con los movimientos de imágenes o videos de un caballo en movimiento, creando así un modelo esquelético equino 4D. Dependiendo de lo que mejor se adapte a la pregunta a abordar, el modelo se puede utilizar en versiones 2D, 3D y 4D o en varias combinaciones para ilustrar y caracterizar los efectos pathomecánicos de posiciones o posturas específicas. Debido a su diseño básico y flexible, el modelo sirve como una plantilla que puede ser modificada por los investigadores para reflejar sus preguntas específicas y parámetros de datos. Tales parámetros incluyen, por ejemplo, información anatómica basada en el sexo y el tamaño del animal, datos de análisis de movimiento 3D, estimaciones de la fuerza de los tejidos blandos y propiedades inerciales. Por lo tanto, el modelo permite un análisis más detallado de áreas o articulaciones específicas, al tiempo que proporciona la base para establecer experimentos que no se pueden realizar en caballos vivos. Debido a las limitaciones prácticas relacionadas con la disponibilidad de muestras (por ejemplo, el corte de costillas) y el escáner, el modelo equino de cuerpo entero es el resultado de la fusión de datos de tres especímenes equinos. Por lo tanto, el modelo no es una representación perfecta de un solo individuo, sino que se ha estandarizado para representar la variabilidad individual de manera más amplia. En definitiva, se trata de una plantilla a utilizar y modificar para adaptarse a las necesidades de los investigadores. Las tomografías computarizadas del tronco, la cabeza y el cuello, y las extremidades se adquirieron de dos especímenes equinos de aproximadamente el mismo tamaño con un escáner de TC de 64 cortes utilizando un algoritmo óseo, paso de 0.9, corte de 1 mm. Las tomografías computarizadas de un conjunto de costillas se adquirieron con un escáner de TC de 64 cortes utilizando un algoritmo óseo, paso de 0,9, cortes de 0,64 mm.

Se mantuvo la integridad anatómica de las articulaciones óseas (por ejemplo, dentro de la extremidad). Los tejidos blandos disponibles en las tomografías computarizadas también se utilizaron para confirmar la colocación de los huesos. Como algunas costillas enteras y las porciones proximales de todas las costillas estaban disponibles y escaneadas en la muestra de tórax, las costillas escaneadas por separado podían dimensionarse con precisión y colocarse dentro del modelo esquelético de cuerpo entero. Los datos resultantes de CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) se importaron al software de visualización 3D (consulte la Tabla de materiales), y los huesos individuales se segmentaron en conjuntos de datos individuales (es decir, mallas óseas). Las mallas óseas 3D individuales se importaron al software de animación y modelado 3D (Tabla de materiales) donde se dimensionaron, si fue necesario, y se ensamblaron en un esqueleto equino completo en preparación para el aparejo, un método gráfico de conexión de las mallas óseas para que sus movimientos estén vinculados (Figura 1).

Protocolo

1. Aparejo de extremidades anteriores

  1. Coloque las articulaciones gráficas dentro de la extremidad anterior en todas las áreas de movimiento.
    NOTA: La colocación de la articulación resultante es una cadena articular desde la escápula hasta el extremo distal del hueso del ataúd (Figura 2A). En el área de los huesos del carpo, se utilizan 3 articulaciones en las proximidades para aumentar el radio de flexión.
    1. Presione la tecla F3 para habilitar el conjunto de menús Rigging . En los menús, seleccione Esqueleto | Crear articulaciones para seleccionar la herramienta Crear articulaciones .
    2. En el panel Ver del software, haga clic en las áreas aproximadas de las articulaciones que se encuentran en la Figura 2A del orden de 1 a 10 y presione la tecla ENTER .
    3. Ajuste la posición de las articulaciones haciendo clic en la articulación deseada y utilice la herramienta Mover presionando la tecla W para traducir la articulación a la posición deseada. Alternativamente, ajuste una articulación haciendo clic en la articulación deseada y alterando los valores Traducir X, Traducir Y y Traducir Z que se encuentran en el panel Editor de capas/Caja de canales .
  2. Cree 5 controladores cinemáticos inversos (identificadores IK) separados (los números que se encuentran en la Figura 2A) harán referencia a las articulaciones.
    1. En los menús, seleccione Esqueleto | Crear identificador de IK para seleccionar la herramienta Crear identificador de IK . Con la herramienta Crear mango de IK , seleccione la junta 1 y, a continuación, la junta 3; asigne a este identificador IK Front Leg IK en el panel Outliner . Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 3 y, a continuación, la junta 7; nombre este identificador IK Front Lower IK.
    2. Con la herramienta Crear mango de IK , seleccione la junta 7 y, a continuación, la junta 8; asigne a este identificador IK Front Toe 1 IK en el panel Outliner . Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 8 y, a continuación, la junta 9; asigne a este identificador IK Front Toe 2 IK en el panel Outliner . Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 9 y, a continuación, la junta 10; asigne a este identificador IK Front Toe 3 IK en el panel Outliner .
  3. Crear controles de extremidad anterior
    1. Crear un círculo de B-Splines racionales no uniformes (NURBS) mediante la herramienta Círculo del menú Crear | | primitivos NURBS Círculo.
    2. Cree dos círculos NURBS y muévalos con la herramienta Mover para rodear la articulación 3 y la articulación 10, y asígneles el nombre Ctrl frontal y Ctrl frontal inferior, respectivamente, en el panel Delineador .
    3. Crear un círculo NURBS; seleccione el círculo y, en el panel Editor de capas/Caja de canales, cambie el valor Girar Z a 90. Con la herramienta Mover , colóquela en la punta de la articulación 10 y asígnele el nombre Ctrl de desplazamiento frontal en el panel Delineador .
  4. Agrupe Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK y Front Toe 3 IK seleccionando los tres y presionando las teclas CTRL + G. Asigne a este grupo el nombre Grupo de dedos de los pies delanteros en el panel Delineador. Padre los controladores IK y el grupo Front Toe a los controles.
    NOTA: Es importante seleccionar Mayús + en el orden exacto que se describe a continuación para garantizar un árbol padre adecuado.
    1. Seleccione Front Leg IK, luego Front Ctrl en el panel Outliner y presione la tecla P .
    2. Seleccione Ctrl frontal inferior y, a continuación, Ctrl frontal en el panel Contorno y presione la tecla P .
    3. Seleccione IK inferior frontal, luego Ctrl frontal inferior en el panel Delineador y presione la tecla P .
    4. Seleccione Ctrl de desplazamiento frontal, luego Ctrl frontal inferior en el panel Delineador y presione la tecla P .
    5. Seleccione Grupo de dedos de los pies delanteros, luego Ctrl de desplazamiento frontal en el panel Delineador y presione la tecla P .
  5. Utilice la herramienta Bind Skin para unir las mallas óseas, excepto los huesos sesamoideos, incluidos los huesos naviculares a la articulación más proximal. Asegúrese de que cada malla ósea solo esté unida a una articulación.
    1. Haga clic en la malla ósea, Mayús + haga clic en la articulación más proximal y seleccione la herramienta Unir piel debajo de piel | Unir la piel.
  6. Aparejo de los huesos sesamoideos y el hueso navicular
    1. Cree una articulación, colóquela en el centro del hueso sesamoideo y presione la tecla Intro . En el panel Ver , seleccione la malla ósea sesamoidea y Mayús + haga clic en la articulación en el centro del hueso. Utilice la herramienta Bind Skin para unir la malla a la articulación.
      NOTA: El hueso sesamoideo ahora se puede manipular utilizando las herramientas Mover y Rotar para el ajuste al cambiar la posición de la pierna.
    2. En el panel Ver , seleccione la articulación en el hueso sesamoideo, Mayús + haga clic en la articulación más cercana en la extremidad anterior y presione la tecla P .
      NOTA: Esto padre la articulación en el hueso sesamoide a la extremidad anterior.
    3. Repita los pasos 1.6.1 a 1.6.2 para otros huesos sesamoideos y el hueso navicular.
  7. Repita los pasos 1.1 a 1.6 para la otra extremidad anterior.
    NOTA: La articulación en la escápula se puede seleccionar y traducir en las 3 direcciones (6 grados de libertad) utilizando la herramienta Mover .

2. Aparejo de extremidades traseras

  1. Coloque las articulaciones dentro de la extremidad posterior en todas las áreas de movimiento para obtener una cadena articular desde la cabeza del recatado hasta el extremo distal del hueso del ataúd (Figura 2B).
  2. Cree 5 identificadores de IK separados (las juntas se referirán a los números que se encuentran en la Figura 2B).
    1. Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 11 y, a continuación, la junta 12; asigne a este identificador IK IK Hind IK en el panel Outliner . Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 12 y, a continuación, la junta 14; asigne a este identificador IK Hind Lower IK en el panel Delineador .
    2. Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 14 y, a continuación, la junta 15; asigne a este identificador IK Hind Toe 1 IK en el panel Outliner . Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 15 y, a continuación, la junta 16; nombre este identificador IK Hind Toe 2 IK en el panel Outliner .
    3. Con la herramienta Crear mango IK , seleccione la junta 16 y, a continuación, la junta 17; nombre este identificador IK Hind Toe 3 IK en el panel Outliner .
  3. Crear controles de extremidades posteriores
    1. Cree dos círculos NURBS llamados Hind Ctrl y Hind Lower Ctrl y muévalos para rodear la articulación 12 y la articulación 17, respectivamente.
    2. Cree un círculo NURBS denominado Hind Flick Ctrl. Haga este círculo vertical y colóquelo en la punta de la articulación 10.
  4. Agrupe Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK y Hind Toe 3 IK seleccionando los tres y presionando CTRL + G. Asigne a este grupo el nombre Hind Toe Group.
  5. Padre los controladores IK y el grupo hind toe a los controles. Asegúrese de seleccionar Mayús + en el orden exacto que se describe a continuación para garantizar un árbol padre adecuado.
    1. Seleccione Hind IK, luego Hind Ctrl y presione la tecla P.
    2. Seleccione Ctrl inferior posterior, luego Ctrl posterior y presione la tecla P .
    3. Seleccione Hind Lower IK, luego Hind Lower Ctrl y presione la tecla P .
    4. Seleccione Retroceso Ctrl, luego Retroceso Ctrl Inferior y presione la tecla P .
    5. Seleccione Grupo de dedos de los pies traseros, luego Deslizar ctrl hacia atrás y presione la tecla P .
  6. Utilice la herramienta Bind Skin para unir las mallas óseas a la articulación más proximal. Asegúrese de que cada malla ósea esté unida a una sola articulación.
    1. Haga clic en la malla ósea, Mayús + haga clic en la articulación más proximal y seleccione la herramienta Unir piel debajo de piel | Unir la piel.
  7. Rótula de aparejo, huesos sesamoideos y hueso navicular
    1. Cree una articulación, colóquela en el centro de la rótula y presione la tecla Intro . En el panel Ver , seleccione la malla de rótula y Mayús + haga clic en la articulación de la rótula. Utilice la herramienta Bind Skin para unir la malla a la articulación.
      NOTA: La rótula ahora se puede manipular utilizando las herramientas Mover y Rotar para el ajuste al cambiar la posición de la pierna.
    2. En el panel Ver , seleccione la articulación en la rótula, Mayús + haga clic en la articulación más cercana en la extremidad anterior y presione la tecla P para padre la articulación en la rótula a la extremidad anterior.
    3. Repita los pasos 2.7.1 y 2.7.2 para los huesos sesamoideos y el hueso navicular.
  8. Repita los pasos 2.1 a 2.7 para la otra extremidad posterior.

3. Aparejo de la columna vertebral de la cinta

  1. Cree un plano NURBS con opciones alteradas con la longitud aproximadamente igual a la longitud de la columna vertebral con 1 parche en U y # parches V, donde # es el número de vértebras torácicas y lumbares.
    NOTA: Para este artículo, la longitud es de 20 con parches de 22 V.
    1. Seleccione el cuadrado que se encuentra junto a la herramienta Crear plano en Crear | | primitivos NURBS Avión.
  2. Reconstruir el avión con opciones alteradas.
    1. Presione la tecla F2 para ingresar al conjunto de menús de modelado. Seleccione el plano en el panel de vista y seleccione la configuración de la herramienta Reconstruir seleccionando el cuadrado situado junto a la herramienta Reconstruir en Superficies | Reconstruir. Utilice las siguientes opciones: número de tramos U = 1; número de vanos V = # (22 en este caso); seleccione "1 Lineal" para las opciones Grado U y Grado V; mantenga las otras configuraciones predeterminadas; y pulse el botón Reconstruir .
  3. Crea nhairs con opciones alteradas.
    1. Presione la tecla F5 para ingresar al conjunto de menús FX. "Seleccione el plano en el panel de vista y use la herramienta Crear cabello con opciones alteradas seleccionando el cuadrado junto a nHair | Crea pelos. Utilice las siguientes opciones: salida establecida en curvas NURBS; Recuento de U = 1; V cuenta = # (22 en este caso); mantener las otras opciones por defecto; y pulsa el botón Crear pelos .
  4. Elimine lo siguiente en el panel del delineador: nucleus1, grupo hairSystem1OutputCurves y hairSystem1. Expanda completamente el grupo etiquetado hairSystem1Follicles y elimine todos los elementos etiquetados con curve__.
    NOTA: El resultado debe dejar un grupo etiquetado como hairSystem1Follicles que contenga una lista de elementos etiquetados nurbsPlane_Follicle____.
  5. Seleccione el plano y muévalo y oriente para que se superponga aproximadamente con la columna vertebral mediante la herramienta Mover y la herramienta Rotar . Seleccione el plano, mantenga pulsado el botón derecho del ratón y seleccione Vértice de control para que todos los vértices del plano sean visibles.
  6. Mueva los vértices para orientar los folículos para que estén entre las vértebras a la altura donde estaría la médula espinal. Cree # número de juntas separadas (22 en este caso) en cualquier lugar del panel Ver , ya que la posición de estas juntas se corregirá en pasos posteriores.
  7. Padre una articulación con un nurbsPlane_Follicle____ de modo que cada uno tenga un solo porro debajo de su árbol.
    1. En el panel Delineador , seleccione una articulación creada en el paso 3.6, luego Ctrl + haga clic en un nurbsPlane_Follicle____ y presione la tecla P . Repita 3.7.1 con las otras articulaciones creadas en el paso 3.6 y las otras nurbsPlane_Follicle____ objeto s.
  8. En el panel Delineador, Ctrl + seleccione todas las juntas; en el panel Chanel Box/Layer Box, establezca traducir X, Y y Z en 0. Duplica todas las articulaciones con Ctrl + seleccionando todas las articulaciones en el panel Delineador y presionando las teclas Ctrl + D. Des-padre de todas las articulaciones duplicadas por Ctrl + seleccionando todas las articulaciones duplicadas en el panel Outliner y presionando las teclas Mayús + P
  9. Unir las articulaciones debajo de nurbsPlane_Follicle____ con su respectiva malla de vértebras.
    1. Presione la tecla F3 para ingresar al conjunto de menús Rigging . Haga clic en la articulación original (no en la articulación duplicada) debajo de nurbsPlane_Follicle____, Mayús + haga clic en la malla de vértebras respectiva y luego use la herramienta Unir piel debajo de piel | Unir la piel. Repita estas acciones en el paso 3.9.1 para cada malla de articulaciones y vértebras.
  10. CTRL + haga clic en todas las articulaciones duplicadas y en el plano, y utilice la herramienta Enlazar máscara para enlazar todas las articulaciones duplicadas al plano.
    NOTA: Las articulaciones duplicadas ahora se pueden manipular para controlar las vértebras.
  11. Repita los pasos 3.1 a 3.10 para las vértebras cervicales y caudales.

4. Aparejo de costillas y esternón

  1. Coloque articulaciones separadas en la cabeza de la costilla, en el extremo proximal del cartílago costal y en el extremo distal del cartílago costal. Padre la articulación en el extremo proximal del cartílago costal a la articulación en su cabeza de costilla.
  2. Padre la articulación en el extremo distal del cartílago costal a la articulación más cercana en el extremo proximal del cartílago costal. Padre la articulación en la cabeza de la costilla a la articulación de la columna vertebral que controla las vértebras caudales a la costilla.
  3. En el menú Rigging ubicado debajo de la pestaña Piel , use la herramienta Bind Skin para unir la costilla a la articulación en su cabeza y el cartílago costal tanto a las articulaciones en su extremo proximal como al extremo distal.
  4. Repita los pasos 4.1 a 4.3 para cada costilla.
  5. Coloque articulaciones separadas en el extremo más craneal de cada segmento esternal. Padre cada articulación del segmento esternal a la articulación espinal más dorsal a cada articulación del segmento esternal. En el menú Rigging establecido en la pestaña Piel , utilice la herramienta Vincular piel para unir el segmento esternal a su articulación.

5. Posicionamiento y animación

  1. Seleccione un fotograma en la línea de tiempo.
  2. Coloque el modelo y los controles. Importe una imagen para usarla como referencia creando un plano de imagen libre.
    NOTA: Las imágenes de Muybridge13 del caballo en la caminata se utilizaron como prueba de concepto.
    1. Mientras se selecciona el Plano de imagen libre , seleccione el archivo de imagen en la pestaña Editor de atributos y en el menú desplegable Atributos del plano de imagen .
  3. Seleccione todos los controles y las articulaciones de control de la columna vertebral, y presione la tecla S para guardarlos como un marco clave.
  4. A lo largo de diferentes fotogramas a lo largo de la línea de tiempo, mueva y gire los controles y las articulaciones de control de la columna vertebral, y presione S.
    NOTA: El reposicionamiento de los controles y las articulaciones de control de la columna vertebral y guardarlos como fotogramas clave a lo largo de diferentes puntos de la línea de tiempo crea una animación. No es necesario que haya un conjunto de fotogramas clave a lo largo de cada fotograma de la línea de tiempo; solo las posiciones o tiempos críticos deben estar enmarcados con claves. El software de animación y modelado 3D interpolará entre las posiciones enmarcadas en las teclas de cada control y la articulación de control de la columna vertebral, creando una animación suave.

Resultados

El resultado del método fue un modelo esquelético equino completo en 3D dentro del software de animación y modelado 3D que permite simulaciones precisas de posicionamiento anatómico y movimiento. El modelo en sí tiene un sistema de aparejo gráfico delegado a las extremidades anteriores, las extremidades posteriores, la columna vertebral, el cuello y la caja torácica. El modelo 3D podría ser colocado en diferentes posturas (Figura 3 y Figura 4) por múltiples individuos. Los movimientos del modelo 4D (en movimiento) se han comparado con videos de costado, espalda y frente, así como con imágenes de drones aéreos para representar con mayor precisión el movimiento de la columna vertebral y el video de los caballos en la caminata (video), canter y trote para crear animaciones de esos pasos.

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Figura 1: El modelo equino 3D se puede mover en varias posturas y animar para demostrar los movimientos de todo el cuerpo en varios pasos en el software de animación y modelado 3D. (A, C) Sistemas de aparejo gráfico para el caballo. La columna vertebral de cinta gráfica que permite el movimiento natural de la columna vertebral ósea se ilustra con el plano verde. Los controles utilizados para mover los diversos equipos gráficos y las mallas óseas adjuntas se ilustran con los óvalos amarillos y las flechas cruzadas en el modelo. (A) Posición de pie. (C) Posición de crianza. (B, D) El modelo con las mallas óseas unidas al sistema de aparejo gráfico. Las posiciones de los controles cambian la posición del esqueleto del caballo. (B) Caballo de pie. (D) Caballo de cría. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: El aparejo de cada extremidad con articulaciones permite el posicionamiento y la creación de movimiento. (A) Extremidad anterior con articulaciones gráficas indicadas con los números 1-10. (B) Extremidad posterior con articulaciones gráficas indicadas con los números 11-17. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: El modelo equino 3D se combinó con las fotos clásicas de Muybridge13 como prueba de concepto y para crear las primeras animaciones. (A) Fotografías de Muybridge de un caballo en el paseo. (B) El modelo equino 3D superpuesto sobre las fotografías que se utilizarán como fotogramas clave en la animación. (C) El modelo equino 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: El modelo equino 3D se puede mover en varias posturas (por ejemplo, la rotación transversal de la columna vertebral demostrada aquí) para comprender la relación de tales posturas con los regímenes de fuerza patomecánica y la degeneración resultante de los elementos esqueléticos, articulaciones y tejidos blandos afectados. (A) Una representación gráfica en 2D de una postura normal de un caballo (con jinete) utilizando fotografías manipuladas gráficamente de un esqueleto equino en comparación con una imagen fija de el modelo equino 3D con la cabeza y las vértebras cervicales ocultas para permitir la visualización del tórax. (B) Una representación gráfica en 2D de un caballo (con jinete) con una rotación transversal de la columna vertebral utilizando fotografías manipuladas gráficamente de un esqueleto equino en comparación con una imagen fija del modelo equino 3D con la cabeza y las vértebras cervicales ocultas para permitir la visualización del tórax. Nótese aquí el efecto de la rotación transversal sobre el esqueleto y las extremidades del cuerpo. La posición representada sobrecargaría la extremidad anterior izquierda, que estaba soportada por la compresión y el agrietamiento de la pared del casco delantero izquierdo en el caballo vivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Vídeo. El caballo 4D. Las posiciones clave del esqueleto, que coinciden con las13 fotos de Muybridge del caballo, se han interpolado para crear una animación del caballo en un paseo. El movimiento se puede ver desde el frente, el costado, la parte superior y la parte posterior. Haga clic aquí para descargar este video.

Discusión

Este protocolo demuestra cómo crear un modelo esquelético 3D de cuerpo entero de un organismo y demuestra cómo usar el modelo esquelético equino de cuerpo entero descrito en este documento. El modelo se encuentra actualmente en un formato que requiere un software específico de animación y modelado 3D, que tiene una curva de aprendizaje bastante grande para los nuevos usuarios. Sin embargo, una versión de este software está disponible gratuitamente para aquellos que están afiliados a una universidad. Aunque el modelado de la postura y el movimiento de todo el cuerpo se utiliza para evaluar a los atletas humanos e identificar las causas de las lesiones crónicas inducidas mecánicamente11, se hace con menos frecuencia con los atletas equinos. Para utilizar este enfoque para la evaluación de las posibles causas de las lesiones atléticas equinas y los problemas de rendimiento, se creó un modelo equino esquelético realista de cuerpo entero a partir de datos de TC utilizando el software de visualización 3D y el software de animación y modelado 3D. Este modelo es diferente de otros modelos equinos que son recreaciones gráficas artísticas del esqueleto (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) o que solo representan las extremidades 14,15,16,17. En este modelo de cuerpo entero, las extremidades anteriores, las extremidades posteriores, la columna vertebral y la caja torácica estaban aparejadas y tenían controles adjuntos que permiten una fácil manipulación del modelo para un posicionamiento y una animación realistas y precisos.

El protocolo utilizado para manipular el modelo permite la repetibilidad y las alteraciones futuras para satisfacer las necesidades del caballo específico que se está manipulando, lo que permite un análisis individualizado. Por lo tanto, el modelo equino es una herramienta para ser utilizada por los investigadores a medida que analizan el movimiento. Sin embargo, no es un programa automatizado que proporciona respuestas sin la entrada de parámetros específicos del animal que se está modelando y la pregunta que se aborda, ya que la precisión del modelo está directamente relacionada con la fuerza de un análisis en particular. La capacidad de introducir parámetros también permite que el modelo se actualice continuamente con datos de futuros estudios de investigación. Además, este protocolo de aparejo gráfico se puede aplicar y/ o ajustar para reflejar las diferencias anatómicas entre individuos. También se puede adaptar para modelar eficazmente otros animales. El modelo equino 3D se puede manipular y posicionar fácilmente para simular posiciones y movimientos. Esto es especialmente evidente con las extremidades, ya que sus movimientos son relativamente simples de ver y modelar.

El posicionamiento gráfico conjunto en el modelo fue determinado por un enfoque similar al utilizado en otros estudios18,19. Las mallas óseas se colocaron en una posición neutral. Las articulaciones gráficas se colocaron de modo que los huesos pudieran girar libremente sin causar ninguna colisión con otras mallas óseas. En los dígitos, la articulación gráfica se colocó en el punto donde una esfera coincidía con las superficies de movimiento. La articulación gráfica de la escápula se colocó en el centro aproximado de la hoja de la escápula. Este posicionamiento de la articulación gráfica permite moverla en 6 grados de libertad para orientar la escápula en la posición deseada. A diferencia de las extremidades, el movimiento de la columna vertebral no se ve fácilmente, es más complejo de lo que a menudo se cree y, por lo tanto, es más difícil de modelar. Aunque el modelo tiene la flexibilidad para ser utilizado para investigar movimientos y problemas en articulaciones espinales específicas, también necesitaba ser capaz de representar los movimientos a menudo difíciles de distinguir de toda la columna vertebral. El uso de la "columna vertebral de cinta" permite un movimiento más realista de la columna vertebral durante las animaciones.

Esto es importante ya que la columna vertebral en los caballos, como se ha encontrado en los seres humanos, es a menudo el origen de problemas que están potencialmente relacionados con movimientos biomecánicos aberrantes y lesiones en las extremidades. Una fortaleza de este modelo es la capacidad de demostrar con precisión las posiciones de la columna vertebral, como las rotaciones vertebrales transversales20 (Figura 4). La forma en que estas posturas impactan las extremidades en tres dimensiones durante varias marchas se puede determinar mediante el uso del modelo en combinación con el análisis cinemático y de fuerza (por ejemplo, estudios de placas de presión para confirmar el aumento de la carga de las extremidades y el análisis de fuerza estática). Los componentes musculofasciales de tejidos blandos se están agregando actualmente al modelo esquelético de cuerpo entero. Los objetivos futuros son ampliar el uso del modelo en el análisis biomecánico 3D para estudios de cojera equina. Dicha expansión incluiría el uso del modelo para completar análisis de fuerza 3D que comparan posturas saludables y no saludables y registrar el modelo con puntos de datos 3D recopilados en estudios de captura de movimiento para proporcionar una representación visual más efectiva del movimiento.

Divulgaciones

Los autores no han declarado conflictos de intereses.

Agradecimientos

Los autores reconocen al Sr. Jean Luc Cornille, de Science of Motion, por su contribución a la precisión del modelado; Martha Littlefield y el Sr. James Ray (LSU SVM), y el Dr. Steve Holladay, la Dra. Carla Jarrett y el Sr. Brent Norwood (UGA CVM) para el acceso a especímenes anatómicos; El Dr. Ajay Sharma (UGACVM) y el Dr. L. Abbigail Granger y el Sr. Mark Hunter (LSUSVM) por la realización de tomografías computarizadas; y los investigadores de pregrado Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois y Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) por su trabajo relacionado con esta investigación. El financiamiento se obtuvo del Programa de Estudios de Salud Equina de la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad Estatal de Louisiana a través de una subvención Charles V. Cusimano.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Acitado en el texto como "software de visualización 3D"
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Acitado en el texto como "software de animación y modelado 3D"; Versión gratuita para estudiantes

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