Construcción de un modelo esquelético equino tridimensional realista, de cuerpo entero utilizando datos de tomografía computarizada
25 de febrero de 2021
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.
Se crea un modelo esquelético realista de un caballo a partir de datos de tomografía computarizada equina que pueden manipularse para comprender el modelado funcional, anatómico y biomecánico de todo el cuerpo equino. La técnica permite un posicionamiento rápido y fácil del modelo para ayudar a caracterizar las diferentes posturas equinas. El modelo puede ayudar a caracterizar las posturas equinas asociadas con enfermedades degenerativas de los tejidos e identificar posturas que reducen las tensiones mecánicas.
El método se puede adaptar y modificar para ayudar en el modelado de otras especies con fines clínicos, como perros u otras actividades académicas como el modelado de transiciones evolutivas. Demostrando el procedimiento estará Alex Lee, un estudiante graduado del laboratorio de Osborn, que se muestra aquí con el Dr. Osborn. Comience colocando articulaciones gráficas dentro de la extremidad anterior en todas las áreas de movimiento.
Presione la tecla F3 para habilitar el conjunto de menús de rigging. En los menús, haga clic en Esqueleto y Crear articulaciones, para seleccionar la herramienta crear articulaciones. En el panel Ver del software, haga clic en las áreas aproximadas de las articulaciones del orden de uno a 10 y presione la tecla Enter.
Ajuste la posición de las articulaciones haciendo clic en la articulación deseada y utilizando la herramienta de movimiento, realizada 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 cuadro Canal o en el panel Editor de capas. A continuación, cree cinco identificadores cinemáticos inversos independientes.
En los menús, haga clic en Esqueleto y Crear identificador de IK para seleccionar la herramienta Crear identificador de IK. Con la herramienta Crear identificador IK, seleccione unir uno, luego unir tres y, a continuación, asigne a este identificador IK el nombre Front Leg IK"en el panel Contorno. Luego use la herramienta y seleccione la articulación tres y la articulación siete.
Asigne a este identificador IK el nombre Front Lower IK. Utilice la herramienta y seleccione las articulaciones siete y ocho y asigne a este mango IK el nombre Front Toe 1 IK. Repite el paso con las articulaciones ocho y nueve para crear el Front Toe 2 IK. Luego, con las uniones nueve y 10 para crear el front toe 3 IK.To crear controles de extremidad anterior, crear un círculo racional B-splines no uniforme, o NURBS, seleccionando Crear primitivas NURBS y Círculo. Cree dos círculos NURBS que rodeen la junta 3 y la articulación 10, y asígneles el nombre "Control frontal" y Control inferior frontal, respectivamente en el panel Delineador. Cree otro círculo NURBS y selecciónelo.
En el cuadro Canal o en el panel Editor de capas, cambie el valor Girar Z a 90. Con la herramienta de movimiento, colóquela en la punta de la junta 10 y asígnele el nombre "Front Flick Control" en el panel Delineador. Grupo Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK y Front Toe 3 IK mediante control seleccionando los tres y presionando la tecla G.
Asigne a este grupo el nombre "Front Toe Group" en el panel Delineador. Padre los mangos IK y el grupo de dedos delanteros a los controles, seleccionando primero el IK de la pata delantera y luego el control frontal y presionando la tecla P. Control seleccione el Control frontal inferior, luego el Control frontal y presione la tecla P.
Control seleccione el IK inferior delantero, luego el control inferior delantero y presione la tecla P. Control seleccione el Control de desplazamiento frontal, luego el Control inferior delantero y pulse la tecla P. Control seleccione el grupo de dedos delanteros, luego el control de desplazamiento frontal y presione la tecla P.
A continuación, utilice la herramienta Bind Skin para unir las mallas óseas a la plataforma articular. Seleccione la malla ósea y desplace la articulación más proximal, y use la herramienta Unir piel que se encuentra debajo de Piel y Unir piel. Con la herramienta Crear articulaciones, cree una articulación dentro de la malla ósea sesamoidea.
Con la herramienta Bind Skin, una la malla ósea sesamoidea a la articulación. Seleccione la articulación dentro del hueso sesamoideo y desplácese, seleccione la articulación de la extremidad anterior más cercana y presione la tecla P para criarla. Cree un plano NURBS con la longitud aproximadamente igual a la longitud de la columna vertebral.
Seleccione 1 para el parche U y el número de vértebras torácicas y lumbares para el parche V. Seleccione el cuadrado que se encuentra junto a la herramienta Crear plano en Crear primitivas NURBS y Plano. Para reconstruir el plano con opciones modificadas, pulse la tecla F2 para entrar en el conjunto de menús Modelado.
Seleccione el Plano en el panel Ver y seleccione la configuración de la herramienta Reconstruir seleccionando el cuadrado situado junto a la herramienta Reconstruir en Superficies y reconstruir. Seleccione el Número de Tramos U como 1, el Número de Tramos V como el número para el parche V y 1 Lineal para las opciones Grado U y Grado V. Mantenga la otra configuración predeterminada y presione el botón Reconstruir.
Para crear nHairs, presione la tecla F5 para ingresar al conjunto de menús FX. Utilice la herramienta Crear cabello con opciones modificadas seleccionando el cuadrado junto a nHair y Crear cabellos. Establezca la salida en curvas NURBS, recuento U en 1, recuento V en el número para el parche V y, a continuación, pulse el botón Crear pelos.
Elimine nucleus1, hairSystem1OutputCurves group y hairSystem1 en el panel Outliner. Expanda completamente el grupo etiquetado hairSystem1Follicles y elimine todos los elementos etiquetados con curva. Seleccione el plano y luego muévalo y oriente para que se superponga aproximadamente con la columna vertebral mediante las herramientas Mover y 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. Mueva los vértices para orientar los folículos entre las vértebras a la altura donde estaría la médula espinal. Cree varias juntas independientes en cualquier lugar del panel Ver.
La posición de estas articulaciones se corregirá en pasos posteriores. En el panel Delineador, seleccione una junta creada, luego Control seleccione un nurbsPlaneFollicle y presione la tecla P. Repita con las otras articulaciones creadas en el paso anterior y los otros objetos nurbsPlaneFollicle.
En el panel Delineador, Control seleccione todas las juntas. En el cuadro Canal o en el panel Cuadro capa, establezca traducir X, Y y Z en cero. Control seleccione todas las uniones en el panel Delineador y pulse las teclas Control y D para duplicarlas.
Controle seleccione todas las juntas duplicadas en el panel Delineador y presione las teclas Mayús y P para anularlas. Une las articulaciones bajo nurbsPlaneFollicle con su respectiva malla de vértebras presionando la tecla F3 para ingresar al conjunto de menús Rigging. Haga clic en la articulación original debajo de nurbsPlaneFollicle, Mayús seleccione la malla de vértebras respectiva.
A continuación, utilice la herramienta Bind Skin en Skin y Bind Skin. Repita estas acciones para cada malla articular y de vértebras. Controle, seleccione todas las articulaciones duplicadas y el plano y utilice la herramienta Enlazar piel para unir todas las articulaciones duplicadas al plano.
En el software de animación y modelado 3D, la columna vertebral de la cinta gráfica permite el movimiento natural de la columna vertebral ósea. El software muestra el modelo con las mallas óseas unidas al sistema de aparejo gráfico que permite controlar la posición de los esqueletos. El aparejo de cada extremidad con articulaciones permite el posicionamiento y la creación de movimiento utilizando articulaciones gráficas con números del 1 al 10 para las extremidades anteriores y articulaciones gráficas con números del 11 al 17 para las extremidades posteriores.
El modelo equino 3D se combinó con las fotos clásicas de Muybridge como prueba de concepto y para crear las primeras animaciones. El modelo se puede mover de una postura normal a varias posturas como una rotación transversal de la columna vertebral, lo que permite comprender la relación de las posturas con los regímenes de fuerza pathomecánica y la degeneración resultante de los elementos esqueléticos, articulaciones y tejidos blandos afectados. Los movimientos del modelo 4D se han comparado con videos de costado, espalda y frente para representar con mayor precisión el movimiento de la columna vertebral y con videos de caballos en la caminata, canter y trote para crear animaciones de esos pasos.
El estudio de la mecánica de todo el cuerpo es necesario para comprender los efectos de las enfermedades degenerativas de las articulaciones. Este modelo proporciona una forma de estudiar la relación entre el movimiento aberrante y las posturas y la degeneración tisular resultante. Este modelo equino único de cuerpo entero basado en datos de topografía computados permite el estudio de esta área de investigación y otras debido a su flexibilidad y capacidad de ser modificada por los usuarios para responder a sus preguntas específicas.
Descripción general
Este artículo presenta un protocolo detallado para crear un modelo esquelético tridimensional realista y manipulable de un caballo utilizando datos de tomografía computarizada (CT). El modelo permite estudios biomecánicos y anatómicos exhaustivos del movimiento equino, con aplicaciones en la comprensión de enfermedades tisulares degenerativas y en el desarrollo de terapias individualizadas para la cojera equina.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Biomecánica
- Medicina Veterinaria
- Modelado y Animación 3D
Antecedentes
- Las evaluaciones biomecánicas del cuerpo completo son efectivas para la prevención y rehabilitación de lesiones humanas, pero rara vez se aplican a atletas equinos.
- La osteoartritis degenerativa en los caballos puede derivarse de una disfunción postural crónica, que a menudo se origina lejos del sitio de la lesión.
- La modelización de la biomecánica del cuerpo completo es esencial para identificar las disfunciones primarias que contribuyen a la degeneración del tejido.
- Los modelos equinos existentes carecen de la flexibilidad y precisión anatómica necesarias para estudios cinemáticos detallados.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un modelo esquelético tridimensional realista y funcional de un caballo a partir de datos de tomografía computarizada.
- Proporcionar un protocolo para construir y animar dichos modelos con fines de investigación biomecánica.
- Permitir el estudio de posturas y movimientos equinos asociados a cambios tisulares degenerativos.
Métodos Utilizados
- Adquisición y reconstrucción de datos de TC equina en conjuntos de datos óseos 3D individuales mediante software de visualización.
- Ensamblaje de los huesos en un modelo esquelético 3D completo.
- Armazón del modelo con articulaciones gráficas y controles de cinemática inversa (IK) para movimientos realistas.
- Vinculación de las mallas óseas al armazón articular y creación de elementos de control usando primitivas NURBS.
- Animación del modelo para replicar las marchas y posturas equinas, validada frente a las clásicas fotografías de Muybridge y secuencias de video.
Resultados principales
- El protocolo permite una colocación rápida y precisa del modelo esquelético equino para estudiar diversas posturas.
- El modelo puede caracterizar posturas asociadas a enfermedades tisulares degenerativas e identificar aquellas que reducen el estrés mecánico.
- Los movimientos y posturas pueden animarse en 4D, lo que permite visualizar la dinámica esquelética sana y patológica.
- El enfoque es adaptable para modelar otras especies o para estudios académicos como las transiciones evolutivas.
Conclusiones
- Este modelo esquelético equino 3D proporciona una herramienta poderosa para estudiar la biomecánica del cuerpo entero y la relación entre el movimiento y la degeneración de los tejidos.
- El protocolo es flexible y puede modificarse para otros organismos o preguntas de investigación.
- Dichos modelos pueden aportar información para terapias preventivas y de rehabilitación de la cojera degenerativa en caballos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Modelos esqueléticos tridimensionales de alta fidelidad y de cuerpo completo derivados de datos de TC permiten reducir riesgos de forma mecanicista y brindan confianza predictiva en la investigación musculoesquelética. Esta capacidad favorece la continuidad traslacional desde el descubrimiento hasta el desarrollo de modelos preclínicos, particularmente para comprender los factores biomecánicos que contribuyen a enfermedades tisulares degenerativas. El enfoque mejora la toma de decisiones en carteras al aclarar la relación entre postura, movimiento y degeneración tisular en modelos animales grandes.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la verificación de hipótesis biomecánicas subyacentes a las enfermedades degenerativas de las articulaciones.
- Apoya la validación funcional de dianas al vincular la mecánica postural con la patología tisular.
- Facilita la reducción de riesgos mecanicistas para intervenciones candidatas dirigidas a la salud músculo-esquelética.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Proporciona un marco anatómico validado para desarrollar ensayos cuantitativos de movimiento.
- Normaliza las mediciones biomecánicas entre posturas y marchas para garantizar la reproducibilidad.
- Permite la evaluación escalable y repetible de intervenciones in silico antes de los estudios in vivo.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Alinea modelos preclínicos con puntos finales biomecánicos relevantes para la enfermedad.
- Apoya la continuidad desde la modelización computacional hasta estudios en animales para el desarrollo de biomarcadores traslacionales.
- Reduce los riesgos en las decisiones de avance al aclarar el impacto de los patrones de movimiento en la degeneración del tejido.
Integración de la Línea de Procesamiento y del Flujo de Trabajo
Este protocolo de modelado 3D conecta el descubrimiento inicial y la investigación preclínica al proporcionar una plataforma reutilizable y modificable para el análisis biomecánico.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre los orígenes de los cambios tisulares degenerativos relacionados con la postura y el movimiento.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos y reproducibles para comparar intervenciones biomecánicas.
- Análisis: Permite la medición de ángulos articulares, estrés postural y trayectorias de movimiento para un análisis robusto de datos.
- Investigación Traducional: Facilita la alineación de modelos computacionales y animales para la validación de biomarcadores y puntos finales.
- Reutilización Empresarial: Adaptable a otras especies y preguntas de investigación, lo que favorece una amplia utilidad en I+D.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la investigación musculoesquelética.
- Valor operativo: Estandariza la modelización biomecánica y favorece la reproducibilidad entre diferentes equipos.
- Valor estratégico: Orienta las decisiones de avance o interrupción al aclarar los factores de riesgo biomecánicos de la degeneración tisular.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de estrategias terapéuticas dirigidas a patologías relacionadas con el movimiento.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en modelado 3D, animación y análisis biomecánico.
- Depende del acceso a imágenes de tomografía computarizada avanzadas y software especializado de animación.
- Exige estandarización entre equipos para la construcción de modelos e interpretación de datos.
- Adaptable a diversas especies, aunque puede requerir modificaciones del protocolo debido a diferencias anatómicas.
- El formato actual del modelo presenta una curva de aprendizaje para nuevos usuarios no familiarizados con herramientas de animación.
