Article de méthode

Construction d’un modèle squelettique équin réaliste, en trois dimensions, à l’aide de données de tomodensitométrie

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DOI :

10.3791/62276

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25 février 2021

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

Dans cet article

Résumé

Le but de ce protocole est de décrire la méthode de création d’un modèle réaliste, complet, squelettique d’un cheval qui peut être utilisé pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle afin de caractériser la mécanique du corps entier.

Résumé

Les thérapies basées sur des évaluations biomécaniques du corps entier sont efficaces pour la prévention des blessures et la réadaptation chez les athlètes humains. Des approches similaires ont rarement été utilisées pour étudier les blessures sportives équines. L’arthrose dégénérative causée par le stress mécanique peut provenir d’un dysfonctionnement postural chronique, qui, parce que le dysfonctionnement primaire est souvent éloigné du site de la lésion tissulaire, est mieux identifié en modélisant la biomécanique du corps entier. Pour caractériser la cinématique équine du corps entier, un modèle squelettique réaliste d’un cheval a été créé à partir de données de tomodensitométrie (TDM) équines pouvant être utilisées pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle. Les données de tomodensitométrie équine ont été reconstruites en ensembles de données tridimensionnelles (3D) individuels (c.-à-d. des os) à l’aide d’un logiciel de visualisation 3D et assemblées en un modèle squelettique 3D complet. Le modèle a ensuite été truqué et animé à l’aide d’un logiciel d’animation et de modélisation 3D. Le modèle squelettique 3D qui en résulte peut être utilisé pour caractériser les postures équines associées à des changements tissulaires dégénératifs ainsi que pour identifier les postures qui réduisent le stress mécanique sur les sites de lésion tissulaire. En outre, lorsqu’il est animé en 4D, le modèle peut être utilisé pour démontrer des mouvements squelettiques malsains et sains et peut être utilisé pour développer des thérapies individualisées préventives et de réadaptation pour les chevaux atteints de boiterie dégénérative. Bien que le modèle soit bientôt disponible en téléchargement, il est actuellement dans un format qui nécessite l’accès au logiciel d’animation et de modélisation 3D, qui a une courbe d’apprentissage assez longue pour les nouveaux utilisateurs. Ce protocole guidera les utilisateurs dans (1) l’élaboration d’un tel modèle pour tout organisme d’intérêt et (2) l’utilisation de ce modèle équin spécifique pour leurs propres questions de recherche.

Introduction

La boiterie chronique chez les chevaux est souvent associée à des lésions tissulaires dégénératives progressives similaires à celles de l’arthrose (OA), un problème majeur de santé publique chez l’homme 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En médecine humaine, parce que les approches thérapeutiques axées sur le traitement de lésions spécifiques (par exemple, la pharmacothérapie et la réparation chondrale directe) ont pour la plupart échoué, les forces pathomécaniques sont maintenant reconnues comme la cause profonde des lésions tissulaires dans l’arthrose. Les forces aberrantes ou pathomécaniques affectent directement les cellules osseuses et cartilagineuses, induisant la libération de médiateurs inflammatoires et la dégénérescence progressive des tissus9. Ces observations indiquent qu’à moins que les forces mécaniques causales ne soient corrigées, de nombreuses maladies dégénératives chroniques des os et des articulations continueront de progresser. Par conséquent, l’accent thérapeutique en médecine humaine se déplace vers des approches qui « déchargent » les articulations touchées par l’exercice ciblé10,11. Cependant, ce changement n’a pas encore été fait en médecine équine, en partie parce que des modèles de mouvement équin qui peuvent être adaptés pour montrer les mouvements d’un individu sont nécessaires.

L’analyse biomécanique complète du corps entier est courante dans la conception de programmes d’entraînement visant à optimiser la performance athlétique et à faciliter la récupération des blessures chez les athlètes humains11 (voir aussi, par exemple, la revue « Sports Biomechanics »), mais elle est moins couramment effectuée pour les athlètes équins (mais voir12). Ainsi, l’objectif global ici est d’établir des modèles pathomécaniques de boiterie équine qui peuvent être utilisés pour développer des thérapies préventives et de réadaptation individualisées afin d’améliorer la santé des athlètes équins. De tels modèles pathomécaniques peuvent caractériser des différences dans l’anatomie fonctionnelle de régions (c.-à-d. la colonne vertébrale) qui ne sont pas aussi facilement discernables à l’œil nu que d’autres (c.-à-d. le membre inférieur). Pour atteindre cet objectif, le premier objectif était de développer un modèle de squelette équin anatomiquement précis, manipulable, corps entier, pouvant être utilisé comme modèle par les chercheurs intéressés par les analyses anatomiques, cinématiques et cinétiques fonctionnelles. Pour être utile aux cliniciens et aux chercheurs équins, ce modèle doit (1) être biologiquement réaliste pour permettre un positionnement anatomique précis, (2) permettre des ajustements faciles et précis pour modéliser diverses postures de chevaux sains et non sains, (3) pouvoir être animé pour étudier les effets de diverses allures, et (4) faciliter les recréations reproductibles de positions et de mouvements.

Un modèle graphique 3D de squelette équin du corps entier a été construit à partir de données de tomodensitométrie dans lequel les positions des os les uns par rapport aux autres pouvaient être manipulées puis animées pour correspondre aux mouvements d’images ou de vidéos d’un cheval en mouvement, créant ainsi un modèle de squelette équin 4D. Selon ce qui correspond le mieux à la question à aborder, le modèle peut être utilisé dans des versions 2D, 3D et 4D ou dans diverses combinaisons pour illustrer et caractériser les effets pathomécaniques de positions ou de postures spécifiques. En raison de sa conception de base et flexible, le modèle sert de modèle qui peut être modifié par les chercheurs pour refléter leurs questions spécifiques et leurs paramètres de données. Ces paramètres comprennent, par exemple, des informations anatomiques basées sur le sexe et la taille de l’animal, des données d’analyse de mouvement 3D, des estimations de la force des tissus mous et des propriétés inertielles. Ainsi, le modèle permet une analyse plus détaillée de zones ou d’articulations spécifiques, tout en fournissant la base pour mettre en place des expériences qui ne peuvent pas être effectuées sur des chevaux vivants. En raison des limites pratiques liées à la disponibilité des spécimens (p. ex., les côtes coupées) et au scanner, le modèle équin du corps entier est le résultat de la fusion des données de trois spécimens équins. Ainsi, le modèle n’est pas une représentation parfaite d’un seul individu, mais a été normalisé pour représenter la variabilité individuelle plus largement. En bref, il s’agit d’un modèle à utiliser et à modifier pour répondre aux besoins des chercheurs. Les tomodensitogrammes du tronc, de la tête et du cou et des membres ont été acquis à partir de deux spécimens équins d’environ la même taille avec un tomodensitomètre à 64 tranches utilisant un algorithme osseux, pas de 0,9, tranche de 1 mm. Les tomodensitogrammes d’un ensemble de côtes ont été acquis avec un tomodensitomètre à 64 tranches à l’aide d’un algorithme osseux, pas de tranches de 0,9, 0,64 mm.

L’intégrité anatomique des articulations osseuses (p. ex. à l’intérieur du membre) a été maintenue. Les tissus mous disponibles dans les tomodensitogrammes ont également été utilisés pour confirmer l’emplacement des os. Comme certaines côtes entières et les parties proximales de toutes les côtes étaient disponibles et scannées sur l’échantillon de thorax, les côtes scannées séparément pouvaient être dimensionnées avec précision et placées dans le modèle squelettique du corps entier. Les données DICOM (CT Digital Imaging and Communications in Medicine) qui en ont résulté ont été importées dans le logiciel de visualisation 3D (voir la Table des matériaux), et les os individuels ont été segmentés en ensembles de données individuels (c.-à-d. mailles osseuses). Les maillages osseux 3D individuels ont ensuite été importés dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D (Table des matériaux) où ils ont été dimensionnés, si nécessaire, et assemblés en un squelette équin complet en préparation du gréement - une méthode graphique de connexion des mailles osseuses afin que leurs mouvements soient liés (Figure 1).

Protocole

1. Gréement des membres antérieurs

  1. Placez des articulations graphiques à l’intérieur du membre antérieur dans toutes les zones de mouvement.
    REMARQUE : Le placement articulaire qui en résulte est une chaîne articulaire allant de l’omoplate à l’extrémité distale de l’os du cercueil (figure 2A). Dans la zone des os du carpe, 3 articulations à proximité sont utilisées pour augmenter le rayon de flexion.
    1. Appuyez sur la touche F3 pour activer le jeu de menus Rigging . Dans les menus, sélectionnez Skeleton | Créer des joints pour sélectionner l’outil Créer des joints .
    2. Dans le panneau Affichage du logiciel, cliquez sur les zones approximatives des joints de la Figure 2A de l’ordre de 1 à 10, puis appuyez sur la touche ENTRÉE .
    3. Ajustez la position des joints en cliquant sur le joint souhaité et utilisez l’outil Déplacer en appuyant sur la touche W pour traduire le joint dans la position souhaitée. Vous pouvez également ajuster un joint en cliquant sur le joint souhaité et en modifiant les valeurs Translate X, Translate Y et Translate Z du panneau Channel Box/Layer Editor .
  2. Créez 5 poignées cinématiques inverses distinctes (poignées IK) (les joints seront désignés par les chiffres de la figure 2A).
    1. Dans les menus, sélectionnez Skeleton | Créer une poignée IK pour sélectionner l’outil Créer une poignée IK. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK, sélectionnez joint 1, puis joint 3 ; nommez cette poignée IK Front Leg IK dans le panneau Outliner. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK, sélectionnez joint 3, puis joint 7 ; nommez cette poignée IK avant inférieur.
    2. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 7, puis joint 8 ; nommez cette poignée IK Front Toe 1 IK dans le panneau Outliner . À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez l’articulation 8, puis l’articulation 9 ; nommez cette poignée IK Front Toe 2 IK dans le panneau Outliner . À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez le joint 9, puis le joint 10 ; nommez cette poignée IK Front Toe 3 IK dans le panneau Outliner .
  3. Créer des contrôles de membres antérieurs
    1. Créez un cercle NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) à l’aide de l’outil Cercle du menu Créer | Primitives NURBS | Cercle.
    2. Créez deux cercles NURBS et déplacez-les à l’aide de l’outil Déplacer pour encercler les articulations 3 et 10, et nommez-les respectivement Ctrl avant et Ctrl inférieure avant dans le panneau Esquisse .
    3. Créer un cercle NURBS; sélectionnez le cercle et, dans le panneau Zone de couche/Éditeur de calque , modifiez la valeur Rotation Z sur 90. À l’aide de l’outil Déplacer , placez-le à l’extrémité du joint 10 et nommez-le Ctrl avant dans le panneau Contour .
  4. Groupez l’orteil avant 1 IK, l’orteil avant 2 IK et l’orteil avant 3 IK en sélectionnant les trois et en appuyant sur les touches CTRL + G. Nommez ce groupe Groupe d’orteils avant dans le panneau Outliner. Parent des poignées IK et du groupe d’orteils avant avec les contrôles.
    REMARQUE: Il est important de sélectionner Maj + dans l’ordre exact décrit ci-dessous pour garantir un arbre parent approprié.
    1. Sélectionnez Front Leg IK, puis Front Ctrl dans le panneau Outliner , puis appuyez sur la touche P .
    2. Sélectionnez Ctrl inférieur avant, puis Ctrl avant dans le panneau Outliner , puis appuyez sur la touche P .
    3. Sélectionnez Front Lower IK, puis Front Lower Ctrl dans le panneau Outliner , puis appuyez sur la touche P .
    4. Sélectionnez Ctrl avant, puis Ctrl inférieur avant dans le panneau Outliner et appuyez sur la touche P .
    5. Sélectionnez Groupe des orteils avant, puis Appuyez sur Ctrl avant dans le panneau Outliner , puis appuyez sur la touche P .
  5. Utilisez l’outil Bind Skin pour lier les mailles osseuses, à l’exception des os sésamoïdes, y compris les os naviculaires à l’articulation la plus proximale. Assurez-vous que chaque maille osseuse n’est liée qu’à une seule articulation.
    1. Cliquez sur le maillage osseux, Maj + cliquez sur l’articulation la plus proximale et sélectionnez l’outil Lier la peau sous Peau | Lier la peau.
  6. Gréement des os sésamoïdes et de l’os naviculaire
    1. Créez une articulation, placez-la au milieu de l’os sésamoïde et appuyez sur la touche Entrée . Dans le panneau Affichage , sélectionnez le maillage osseux sésamoïde, puis Maj + cliquez sur l’articulation au milieu de l’os. Utilisez l’outil Lier l’enveloppe pour lier le maillage à l’articulation.
      REMARQUE: L’os sésamoïde peut maintenant être manipulé à l’aide des outils Déplacer et Faire pivoter pour l’ajustement lors du changement de position de la jambe.
    2. Dans le panneau Affichage , sélectionnez l’articulation dans l’os sésamoïde, Maj + cliquez sur l’articulation la plus proche dans le membre antérieur, puis appuyez sur la touche P .
      REMARQUE: Cela parent l’articulation dans l’os sésamoïde au membre antérieur.
    3. Répétez les étapes 1.6.1 à 1.6.2 pour les autres os sésamoïdes et l’os naviculaire.
  7. Répétez les étapes 1.1 à 1.6 pour l’autre membre antérieur.
    REMARQUE: L’articulation au niveau de l’omoplate peut être sélectionnée et traduite dans les 3 directions (6 degrés de liberté) à l’aide de l’outil Déplacer .

2. Gréement des montants postérieurs

  1. Placez les articulations à l’intérieur du membre postérieur dans toutes les zones de mouvement pour obtenir une chaîne articulaire de la tête du démur à l’extrémité distale de l’os du cercueil (Figure 2B).
  2. Créez 5 poignées IK distinctes (les joints seront référencés aux numéros de la figure 2B).
    1. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 11, puis joint 12 ; nommez cette poignée IK Hind IK dans le panneau Outliner . À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 12, puis joint 14 ; nommez cette poignée IK Hind Lower IK dans le panneau Outliner .
    2. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 14, puis joint 15 ; nommez cette poignée IK Hind Toe 1 IK dans le panneau Outliner . À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 15, puis joint 16 ; nommez cette poignée IK Hind Toe 2 IK dans le panneau Outliner .
    3. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK , sélectionnez joint 16, puis joint 17 ; nommez cette poignée IK Hind Toe 3 IK dans le panneau Outliner .
  3. Créer des contrôles de membres postérieurs
    1. Créez deux cercles NURBS nommés Hind Ctrl et Hind Lower Ctrl et déplacez-les pour encercler l’articulation 12 et l’articulation 17, respectivement.
    2. Créez un cercle NURBS nommé Hind Flick Ctrl. Faites ce cercle à la verticale et placez-le à l’extrémité de l’articulation 10.
  4. Regroupez Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK et Hind Toe 3 IK en sélectionnant les trois et en appuyant sur CTRL + G. Nommez ce groupe Hind Toe Group.
  5. Parent des poignées IK et hind Toe Group aux contrôles. Assurez-vous de Maj + sélectionner dans l’ordre exact décrit ci-dessous pour vous assurer d’avoir un arbre parent approprié.
    1. Sélectionnez Hind IK, puis Hind Ctrl, puis appuyez sur la touche P.
    2. Sélectionnez Ctrl inférieur postérieur, puis Ctrl postérieur, puis appuyez sur la touche P .
    3. Sélectionnez Hind Lower IK, puis Hind Lower Ctrl, puis appuyez sur la touche P .
    4. Sélectionnez Hind Flick Ctrl, puis Hind Lower Ctrl, puis appuyez sur la touche P .
    5. Sélectionnez Hind Toe Group, puis Hind Flick Ctrl, puis appuyez sur la touche P .
  6. Utilisez l’outil Bind Skin pour lier les mailles osseuses à l’articulation la plus proximale. Assurez-vous que chaque maille osseuse est liée à une seule articulation.
    1. Cliquez sur le maillage osseux, Maj + cliquez sur l’articulation la plus proximale et sélectionnez l’outil Lier la peau sous Peau | Lier la peau.
  7. Rotule de gréement, os sésamoïdes et os naviculaire
    1. Créez un joint, placez-le au milieu de la rotule et appuyez sur la touche Entrée . Dans le panneau Affichage , sélectionnez le maillage de la rotule et Maj + cliquez sur l’articulation de la rotule. Utilisez l’outil Lier l’enveloppe pour lier le maillage à l’articulation.
      REMARQUE: La rotule peut maintenant être manipulée à l’aide des outils Déplacer et Faire pivoter pour le réglage lors du changement de position de la jambe.
    2. Dans le panneau Affichage , sélectionnez l’articulation de la rotule, Maj + cliquez sur l’articulation la plus proche du membre antérieur et appuyez sur la touche P pour parenter l’articulation de la rotule au membre antérieur.
    3. Répétez les étapes 2.7.1 et 2.7.2 pour les os sésamoïdes et l’os naviculaire.
  8. Répétez les étapes 2.1 à 2.7 pour l’autre membre postérieur.

3. Gréement de la colonne vertébrale du ruban

  1. Créez un plan NURBS avec des options modifiées avec une longueur à peu près égale à la longueur de la colonne vertébrale avec 1 patch U et # patchs V, où # est le nombre de vertèbres thoraciques et lombaires.
    REMARQUE: Pour ce papier, la longueur est de 20 avec des patchs de 22 V.
    1. Sélectionnez le carré situé en regard de l’outil Créer un plan sous Créer | Primitives NURBS | Avion.
  2. Reconstruisez l’avion avec des options modifiées.
    1. Appuyez sur la touche F2 pour accéder au menu de modélisation. Sélectionnez le plan dans le panneau d’affichage, puis sélectionnez les paramètres de l’outil Reconstruire en sélectionnant le carré en regard de l’outil Reconstruire sous Surfaces | Reconstruire. Utilisez les options suivantes : nombre de travées U = 1 ; nombre de travées V = # (22 dans ce cas); sélectionnez « 1 linéaire » pour les options Degré U et Degré V ; conserver les autres paramètres par défaut ; et appuyez sur le bouton Reconstruire .
  3. Créez des nhairs avec des options modifiées.
    1. Appuyez sur la touche F5 pour accéder au menu FX. « Sélectionnez le plan dans le panneau d’affichage et utilisez l’outil Créer des cheveux avec des options modifiées en sélectionnant le carré en regard de nHair | Créez des cheveux. Utilisez les options suivantes : sortie définie sur courbes NURBS ; Nombre de U = 1; Nombre de V = # (22 dans ce cas); conserver les autres options par défaut ; et appuyez sur le bouton Créer des cheveux .
  4. Supprimez les éléments suivants dans le panneau d’esquisse : nucleus1, hairSystem1OutputCurves group et hairSystem1. Développez complètement le groupe intitulé hairSystem1Follicles et supprimez tous les éléments étiquetés avec curve__.
    REMARQUE: Le résultat doit laisser un groupe étiqueté hairSystem1Follicles qui contient une liste d’éléments étiquetés nurbsPlane_Follicle____.
  5. Sélectionnez le plan, puis déplacez-le et orientez-le de manière à ce qu’il se chevauche approximativement avec la colonne vertébrale à l’aide des outils Déplacer et Rotation . Sélectionnez le plan, maintenez le bouton droit de la souris enfoncé, puis sélectionnez Contrôler le sommet pour rendre tous les sommets du plan visibles.
  6. Déplacez les sommets pour orienter les follicules entre les vertèbres à la hauteur où se trouverait la moelle épinière. Créez un nombre de joints séparés (22 dans ce cas) à n’importe quel endroit du panneau Affichage , car la position de ces joints sera corrigée dans les étapes ultérieures.
  7. Parent un joint avec un nurbsPlane_Follicle____ de sorte que chacun ait un seul joint sous son arbre.
    1. Dans le panneau Outliner , sélectionnez un joint créé à l’étape 3.6, puis Ctrl + cliquez sur un nurbsPlane_Follicle____ et appuyez sur la touche P . Répétez 3.7.1 avec les autres joints créés à l’étape 3.6 et les autres nurbsPlane_Follicle____ objets.
  8. Dans le panneau Outliner, Ctrl + sélectionnez tous les joints ; dans le panneau Boîte Chanel/Boîte de calque, définissez traduire X, Y et Z sur 0. Dupliquez tous les joints en maintenant la touche Ctrl + en sélectionnant tous les joints dans le panneau Outliner et en appuyant sur les touches Ctrl + D. Annulez la parentisation de tous les joints en double par Ctrl + en sélectionnant tous les joints en double dans le panneau Outliner et en appuyant sur les touches Maj + P
  9. Liez les articulations sous nurbsPlane_Follicle____ avec leur maille vertébrale respective.
    1. Appuyez sur la touche F3 pour accéder au menu Rigging . Cliquez sur l’articulation d’origine (et non sur l’articulation dupliquée) sous nurbsPlane_Follicle____, sur Maj + cliquez sur le maillage de vertèbre respectif, puis utilisez l’outil Lier l’enveloppe sous Peau | Lier la peau. Répétez ces actions à l’étape 3.9.1 pour chaque maillage d’articulations et de vertèbres.
  10. CTRL + cliquez sur tous les joints en double et sur le plan, puis utilisez l’outil Lier l’enveloppe pour lier tous les joints en double au plan.
    REMARQUE: Les articulations en double peuvent maintenant être manipulées pour contrôler les vertèbres.
  11. Répétez les étapes 3.1 à 3.10 pour les vertèbres cervicales et caudales.

4. Gréement des côtes et du sternum

  1. Placez des articulations séparées à la tête de la côte, à l’extrémité proximale du cartilage costal et à l’extrémité distale du cartilage costal. Parent l’articulation à l’extrémité proximale du cartilage costal à l’articulation à sa tête de côte.
  2. Parent l’articulation à l’extrémité distale du cartilage costal à l’articulation la plus proche à l’extrémité proximale du cartilage costal. Parent l’articulation de la tête de la côte à l’articulation de la colonne vertébrale qui contrôle les vertèbres caudales à la côte.
  3. Dans le menu Rigging situé sous l’onglet Peau , utilisez l’outil Lier la peau pour lier la côte à l’articulation de sa tête et le cartilage costal aux articulations à son extrémité proximale et à l’extrémité distale.
  4. Répétez les étapes 4.1 à 4.3 pour chaque côte.
  5. Placez des articulations séparées à l’extrémité la plus crânienne de chaque segment sternal. Parent chaque articulation du segment sternal à l’articulation spinale la plus dorsale à chaque articulation du segment sternal. Dans le menu Rigging défini sous l’onglet Skin , utilisez l’outil Bind Skin pour lier le segment sternal à son articulation.

5. Positionnement et animation

  1. Sélectionnez une image dans le scénario.
  2. Positionnez le modèle et les contrôles. Importez une image à utiliser comme référence en créant un plan d’image libre.
    NOTE: Les images de Muybridge13 du cheval à la marche ont été utilisées comme preuve de concept.
    1. Lorsque l’option Plan d’image libre est sélectionnée, sélectionnez le fichier image sous l’onglet Éditeur d’attributs et dans le menu déroulant Attributs du plan d’image .
  3. Sélectionnez toutes les commandes et les articulations de contrôle de la colonne vertébrale, puis appuyez sur la touche S pour les enregistrer en tant qu’image clé.
  4. Le long de différentes images le long de la chronologie, déplacez et faites pivoter les commandes et les articulations de contrôle de la colonne vertébrale, puis appuyez sur S.
    REMARQUE: Le repositionnement des contrôles et des articulations de contrôle de la colonne vertébrale et leur enregistrement en tant qu’images clés le long de différents points de la timeline crée une animation. Il n’est pas nécessaire qu’il y ait une image clé le long de chaque image de la chronologie; seules les positions ou les timings critiques doivent être encadrés par des clés. Le logiciel d’animation et de modélisation 3D interpolera entre les positions clés de chaque articulation de contrôle et de contrôle de la colonne vertébrale, créant ainsi une animation fluide.

Résultats

Le résultat de la méthode a été un modèle 3D complet de squelette équin à l’intérieur du logiciel d’animation et de modélisation 3D qui permet des simulations précises de positionnement anatomique et de mouvement. Le modèle lui-même a un système de gréement graphique délégué aux membres antérieurs, aux membres postérieurs, à la colonne vertébrale, au cou et à la cage thoracique. Le modèle 3D pourrait être placé dans différentes postures (Figure 3 et Figure 4) par plusieurs individus. Les mouvements du modèle 4D (en mouvement) ont été comparés à des vidéos sur le côté, à l’arrière et à l’avant, ainsi qu’à des images de drones aériens pour représenter plus précisément le mouvement de la colonne vertébrale et à des vidéos de chevaux à la marche (vidéo), au galop et au trot pour créer des animations de ces allures.

figure-results-1
Figure 1: Le modèle équin 3D peut être déplacé dans différentes postures et animé pour démontrer les mouvements du corps entier dans diverses allures dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D. (A, C) Systèmes de gréement graphique pour le cheval. La colonne vertébrale du ruban graphique qui permet le mouvement naturel de la colonne vertébrale osseuse est illustrée par le plan vert. Les commandes utilisées pour déplacer les différents gréements graphiques et les mailles osseuses attachées sont illustrées par les ovales jaunes et les flèches croisées sur le modèle. (A) Position debout. C) Position d’élevage. (B, D) Le modèle avec les mailles osseuses attachées au système de gréement graphique. Les positions des commandes modifient la position du squelette du cheval. (B) Cheval debout. D) Cheval d’élevage. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 2: Le gréement de chaque membre avec des articulations permet le positionnement et la création de mouvement. (A) Membre antérieur avec articulations graphiques indiquées par les chiffres 1 à 10. (B) Membre postérieur avec joints graphiques indiqués par les numéros 11 à 17. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 3 : Le modèle équin 3D a été associé aux photos classiques de Muybridge13 comme preuve de concept et pour créer les premières animations. (A) Muybridge photographie un cheval à la promenade. (B) Le modèle équin 3D superposé aux photographies à utiliser comme images clés dans l’animation. (C) Le modèle équin 3D. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Figure 4 : Le modèle équin 3D peut être déplacé dans diverses postures (par exemple, la rotation transversale de la colonne vertébrale démontrée ici) pour comprendre la relation entre de telles postures et les régimes de force pathomécaniques et la dégénérescence résultante des éléments squelettiques, des articulations et des tissus mous affectés. (A) Une représentation graphique 2D d’une posture normale d’un cheval (avec cavalier) à l’aide de photographies manipulées graphiquement d’un squelette équin par rapport à une image fixe de le modèle équin 3D avec la tête et les vertèbres cervicales cachées pour permettre la visualisation du thorax. (B) Une représentation graphique 2D d’un cheval (avec cavalier) avec une rotation transversale de la colonne vertébrale à l’aide de photographies manipulées graphiquement d’un squelette équin par rapport à une image fixe du modèle équin 3D avec la tête et les vertèbres cervicales cachées pour permettre la visualisation du thorax. Notez ici l’effet de la rotation transversale sur le squelette et les membres du corps. La position représentée surchargerait le membre antérieur gauche, qui était soutenu par la compression et la fissuration de la paroi du sabot avant gauche chez le cheval vivant. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Vidéo. Le cheval 4D. Les positions clés du squelette, telles que comparées aux13 photos du cheval de Muybridge, ont été interpolées pour créer une animation du cheval lors d’une promenade. Le mouvement peut être vu de l’avant, du côté, du haut et de l’arrière. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

Discussion

Ce protocole montre comment créer un modèle squelettique 3D du corps entier d’un organisme et montre comment utiliser le modèle squelettique équin du corps entier décrit dans cet article. Le modèle est actuellement dans un format qui nécessite un logiciel d’animation et de modélisation 3D spécifique, qui a une courbe d’apprentissage pour les nouveaux utilisateurs. Cependant, une version de ce logiciel est disponible gratuitement pour ceux qui sont affiliés à une université. Bien que la modélisation de la posture et du mouvement de l’ensemble du corps soit utilisée pour évaluer les athlètes humains et identifier les causes des blessures chroniques induites mécaniquement11, elle est moins courante chez les athlètes équins. Pour utiliser cette approche pour évaluer les causes potentielles des blessures sportives équines et des problèmes de performance, un modèle équin squelettique réaliste du corps entier a été créé à partir des données de tomodensitométrie à l’aide du logiciel de visualisation 3D et du logiciel d’animation et de modélisation 3D. Ce modèle est différent des autres modèles équins qui sont soit des reconstitutions graphiques artistiques du squelette (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), soit qui ne représentent que les membres 14,15,16,17. Dans ce modèle du corps entier, les membres antérieurs, les membres postérieurs, la colonne vertébrale et la cage thoracique étaient tous gréés et avaient des commandes attachées qui permettent une manipulation facile du modèle pour un positionnement et une animation réalistes et précis.

Le protocole utilisé pour truquer le modèle permet la répétabilité et les modifications futures pour répondre aux besoins du cheval spécifique en cours de montage, ce qui permet une analyse individualisée. Ainsi, le modèle équin est un outil à utiliser par les chercheurs lorsqu’ils analysent le mouvement. Cependant, ce n’est pas un programme automatisé qui fournit des réponses sans l’entrée de paramètres spécifiques à l’animal modélisé et la question abordée, car la précision du modèle est directement liée à la force d’une analyse particulière. La possibilité d’entrer des paramètres permet également au modèle d’être continuellement mis à jour avec des données provenant d’études de recherche futures. De plus, ce protocole de gréement graphique peut être appliqué et /ou ajusté pour refléter les différences anatomiques entre les individus. Il peut également être adapté pour modéliser efficacement d’autres animaux. Le modèle équin 3D peut être facilement manipulé et positionné pour simuler des positions et des mouvements. Cela est particulièrement évident avec les membres car leurs mouvements sont relativement simples à voir et à modéliser.

Le positionnement des articulations graphiques dans le modèle a été déterminé par une approche similaire à celle utilisée dans d’autres études18,19. Les mailles osseuses ont été placées dans une position neutre. Les articulations graphiques ont été positionnées de manière à ce que les os puissent tourner librement sans provoquer de collision avec d’autres mailles osseuses. Dans les chiffres, le joint graphique a été placé au point où une sphère coïncidait avec les surfaces de mouvement. L’articulation graphique de l’omoplate a été placée au centre approximatif de la lame de l’omoplate. Ce positionnement de l’articulation graphique permet de la déplacer en 6 degrés de liberté pour orienter l’omoplate dans la position souhaitée. Contrairement aux membres, le mouvement de la colonne vertébrale n’est pas facilement visible, est plus complexe que souvent réalisé et est donc plus difficile à modéliser. Bien que le modèle ait la flexibilité nécessaire pour étudier les mouvements et les problèmes au niveau d’articulations rachidiennes spécifiques, il devait également être en mesure de représenter les mouvements souvent difficiles à distinguer de l’ensemble de la colonne vertébrale. L’utilisation de la « colonne vertébrale ruban » permet un mouvement plus réaliste de la colonne vertébrale pendant les animations.

Ceci est important car la colonne vertébrale chez les chevaux, comme cela a été trouvé chez l’homme, est souvent à l’origine de problèmes potentiellement liés à des mouvements biomécaniques aberrants et à des blessures aux membres. Une force de ce modèle est la capacité de démontrer avec précision les positions de la colonne vertébrale, comme les rotations vertébrales transversales20 (Figure 4). L’impact de ces postures sur les membres en trois dimensions au cours de diverses allures peut être déterminé en utilisant le modèle en combinaison avec une analyse cinématique et de force (par exemple, des études sur les plaques de pression pour confirmer une charge accrue des membres et une analyse de la force statique). Des composants musculofasciaux des tissus mous sont actuellement ajoutés au modèle squelettique du corps entier. Les objectifs futurs sont d’étendre l’utilisation du modèle dans l’analyse biomécanique 3D pour les études de boiterie équine. Une telle expansion comprendrait l’utilisation du modèle pour effectuer des analyses de force 3D qui comparent les postures saines et malsaines et l’enregistrement du modèle avec des points de données 3D recueillis dans les études de capture de mouvement pour fournir une représentation visuelle plus efficace du mouvement.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont déclaré aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

Les auteurs remercient M. Jean Luc Cornille, Science of Motion, pour sa contribution à la précision de la modélisation; Dre Martha Littlefield et M. James Ray (LSU SVM), et Dr Steve Holladay, Dr Carla Jarrett et M. Brent Norwood (UGA CVM) pour l’accès aux échantillons anatomiques; Dr Ajay Sharma (UGACVM) et Dr L. Abbigail Granger et M. Mark Hunter (LSUSVM) pour avoir effectué des tomodensitogrammes; et les chercheurs de premier cycle Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois et Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) pour leurs travaux liés à cette recherche. Le financement a été obtenu du programme d’études sur la santé équine de la Louisiana State University School of Veterinary Medicine via une subvention Charles V. Cusimano.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Acité dans le texte comme « logiciel de visualisation 3D »
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Acité dans le texte comme « logiciel d’animation et de modélisation 3D » ; Version étudiante gratuite

Références

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Mots-clés

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