Name: בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-02-25T14:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 9 s
Description: למדו לבנות מודל שלד סוס תלת-ממדי מנתוני טומוגרפיה ממוחשבים. שיטה זו מאפשרת חקר ביומכניקה שלמות הגוף וזיהוי תנוחות הקשורות להתנוונות רקמות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

המחברים מודים למר ז'אן לוק קורניל, מדע התנועה, על הקלט שלו לדיוק המידול; ד"ר מרתה ליטלפילד ומר ג'יימס ריי (LSU SVM), וד"ר סטיב הולאדיי, ד"ר קרלה ג'ארט ומר ברנט נורווד (UGA CVM) לגישה לדגימות אנטומיות; ד"ר אג'יי שארמה (UGACVM) וד"ר ל. אביגיל גריינג'ר ומר מארק האנטר (LSUSVM) לביצוע סריקות CT; והחוקרים לתואר ראשון ג'רמי בייקר, ג'ושוע מאצ'ייבסקי, שרה לנגלואה ודניאל פאזוקי (בית הספר לרפואה וטרינרית של LSU המעבדה לאנטומיה פונקציונלית ואבולוציונית) על עבודתם הקשורה למחקר זה. המימון נרכש מתוכנית לימודי בריאות הסוסים של בית הספר לרפואה וטרינרית של אוניברסיטת לואיזיאנה באמצעות מענק של צ'ארלס ו' קוסימנו.

<ol><li>Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Histological+study+of+navicular+bone+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Equine+Veterinary+Journal%22%5BJournal%5D)">Histological study of navicular bone disease.</a> Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).</li>
<li>Rossdale, P. D., Hopes, R., Digby, N. J. W., Offord, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidemiological+study+of+wastage+among+racehorses+1982+and+1983%5BTitle%5D)+AND+%22The+Veterinary+Record%22%5BJournal%5D)">Epidemiological study of wastage among racehorses 1982 and 1983.</a> The Veterinary Record. 116 (3), 66-69 (1985).</li>
<li>Pool, R. R., Meagher, D. M., Stover, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pathophysiology+of+navicular+syndrome%5BTitle%5D)+AND+%22Veterinary+Clinics+of+North+America%3A+Equine+Practice%22%5BJournal%5D)">Pathophysiology of navicular syndrome.</a> Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 5 (1), 109-129 (1989).</li>
<li>Blunden, A., Dyson, S., Murray, R., Schramme, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Histopathology+in+horses+with+chronic+palmar+foot+pain+and+age-matched+controls.+Part+1%3A+Navicular+bone+and+related+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Equine+Veterinary+Journal%22%5BJournal%5D)">Histopathology in horses with chronic palmar foot pain and age-matched controls. Part 1: Navicular bone and related structures.</a> Equine Veterinary Journal. 38 (1), 15-22 (2006).</li>
<li>Dyson, S., Murray, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+resonance+imaging+evaluation+of+264+horses+with+foot+pain%3A+the+podotrochlear+apparatus%2C+deep+digital+flexor+tendon+and+collateral+ligaments+of+the+interphalangeal+joint%5BTitle%5D)+AND+%22Equine+Veterinary+Joint%22%5BJournal%5D)">Magnetic resonance imaging evaluation of 264 horses with foot pain: the podotrochlear apparatus, deep digital flexor tendon and collateral ligaments of the interphalangeal joint.</a> Equine Veterinary Joint. 39 (4), 340-343 (2007).</li>
<li>Dyson, S., Murray, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+concurrent+scintigraphic+and+magnetic+resonance+imaging+evaluation+to+improve+understanding+of+the+pathogenesis+of+injury+of+the+podotrochlear+apparatus%5BTitle%5D)+AND+%22Equine+Veterinary+Journal%22%5BJournal%5D)">Use of concurrent scintigraphic and magnetic resonance imaging evaluation to improve understanding of the pathogenesis of injury of the podotrochlear apparatus.</a> Equine Veterinary Journal. 39 (4), 365-369 (2007).</li>
<li>Egenvall, A., Lonnell, C., Roepstorff, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+morbidity+and+mortality+data+in+riding+school+horses%2C+with+special+regard+to+locomotor+problems%5BTitle%5D)+AND+%22Preventive+Veterinary+Medicine%22%5BJournal%5D)">Analysis of morbidity and mortality data in riding school horses, with special regard to locomotor problems.</a> Preventive Veterinary Medicine. 88 (3), 193-204 (2009).</li>
<li>Waguespack, R., Hanson, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Navicular+syndrome+in+equine+patients+anatomy%2C+causes%2C+and+diagnosis%5BTitle%5D)+AND+%22Compendium%3A+Continuing+Education+for+Veterinarians%22%5BJournal%5D)">Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis.</a> Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).</li>
<li>Zhen, G., Cao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeting+TGF%CE%B2+signaling+in+subchondral+bone+and+articular+cartilage+homeostasis%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+in+Pharmacological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Targeting TGFβ signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis.</a> Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).</li>
<li>Arendt, E. A., Miller, L. E., Block, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+knee+osteoarthritis+management+should+first+address+mechanical+joint+overload%5BTitle%5D)+AND+%22Orthopedic+Reviews%22%5BJournal%5D)">Early knee osteoarthritis management should first address mechanical joint overload.</a> Orthopedic Reviews. 6 (1), 5188(2014).</li>
<li>Rietveld, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dancers%27+and+musicians%27+injuries%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Rheumatology%22%5BJournal%5D)">Dancers' and musicians' injuries.</a> Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).</li>
<li>Parkes, R., Newton, R., Dyson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Is+there+an+association+between+clinical+features%2C+response+to+diagnostic+analgesia+and+radiological+findings+in+horses+with+a+magnetic+resonance+imaging+diagnosis+of+navicular+disease+or+other+injuries+of+the+podotrochlear+apparatus%5BTitle%5D)+AND+%22Veterinary+Journal%22%5BJournal%5D)">Is there an association between clinical features, response to diagnostic analgesia and radiological findings in horses with a magnetic resonance imaging diagnosis of navicular disease or other injuries of the podotrochlear apparatus.</a> Veterinary Journal. 204 (1), 40-46 (2015).</li>
<li>Muybridge, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMuybridge%2C+E+%22Animals+in+motion%22">Animals in motion</a>. , Chapman & Hall. London. (1902).</li>
<li>Brown, N. A. T., Pandy, M. G., Kawcak, C. E., McIlwraith, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Force-+and+moment-generating+capacities+of+muscles+in+the+distal+limb+of+the+horse%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Anatomy%22%5BJournal%5D)">Force- and moment-generating capacities of muscles in the distal limb of the horse.</a> Journal of Anatomy. 203 (1), 101-113 (2003).</li>
<li>Harrison, S. M., Whitton, R. C., Kawcak, C. E., Stover, S. M., Pandy, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+between+muscle+forces%2C+joint+loading+and+utilization+of+elastic+strain+energy+in+equine+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Relationship between muscle forces, joint loading and utilization of elastic strain energy in equine locomotion.</a> Journal of Experimental Biology. 213 (23), 3998-4009 (2010).</li>
<li>Harrison, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Forelimb+muscle+activity+during+equine+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Forelimb muscle activity during equine locomotion.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).</li>
<li>O'Hare, L. M. S., Cox, P. G., Jeffery, N., Singer, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finite+element+analysis+of+stress+in+the+equine+proximal+phalanx%5BTitle%5D)+AND+%22Equine+Veterinary+Journal%22%5BJournal%5D)">Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx.</a> Equine Veterinary Journal. 45 (3), 273-277 (2013).</li>
<li>Panagiotopoulou, O., Rankin, J., Gatesy, S., Hutchinson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+prelininary+case+study+of+the+effect+of+shoe-wearing+on+the+biomechanics+of+a+horse%27s+foot%5BTitle%5D)+AND+%22PerrJ%22%5BJournal%5D)">A prelininary case study of the effect of shoe-wearing on the biomechanics of a horse's foot.</a> PerrJ. 4, 2164(2016).</li>
<li>Craig, J., Craig, M., Savoldi, M., Waldsmith, J. Locating rotation centers of the equine digit and their use in quantifying conformation. EponaMind. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/">https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/</a> (2005).</li>
<li>Denoix, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spinal+biomechanics+and+functional+anatomy%5BTitle%5D)+AND+%22Veterinary+Clinics+of+North+America%3A+Equine+Practice%22%5BJournal%5D)">Spinal biomechanics and functional anatomy.</a> Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).</li>
</ol>

המחברים הצהירו כי אין ניגודי עניינים.

פרוטוקול זה מדגים כיצד ליצור מודל שלד תלת-ממדי של כל הגוף של אורגניזם ומדגים כיצד להשתמש במודל שלד הסוסים בכל הגוף המתואר במאמר זה. המודל נמצא כיום בפורמט הדורש תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית ספציפית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. עם זאת, גרסה של תוכנה זו זמינה באופן חופשי עבור אלה הקשורים לאוניברסיטה. למרות שמידול של יציבה ותנועה של כל הגוף משמש להערכת ספורטאים אנושיים ולזיהוי גורמים לפציעות כרוניות הנגרמות באופן מכני11, זה פחות נפוץ עם ספורטאים סוסים. כדי להשתמש בגישה זו להערכת הגורמים הפוטנציאליים לפציעות אתלטיות של סוסים ולבעיות ביצועים, מודל מציאותי של שלד של כל הגוף נוצר מנתוני CT באמצעות תוכנת ההדמיה התלת-ממדית ותוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית. מודל זה שונה מדגמי סוסים אחרים שהם שחזורים גרפיים אמנותיים של השלד (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) או המתארים רק את הגפיים 14,15,16,17. במודל זה של כל הגוף, כולם היו מבוקשים קדמיים, אחוריים, עמוד שדרה וצלעות, והיו מחוברים אליהם פקדים המאפשרים מניפולציה קלה של המודל לצורך מיקום ואנימציה מציאותיים ומדויקים.
הפרוטוקול המשמש להרכבת המודל מאפשר יכולת חזרה ושינויים עתידיים שיתאימו לצרכים של הסוס הספציפי המבולגן, מה שמאפשר ניתוח פרטני. לפיכך, מודל הסוסים הוא כלי שישמש את החוקרים כשהם מנתחים את התנועה. עם זאת, לא מדובר בתוכנה אוטומטית המספקת תשובות ללא קלט של פרמטרים ספציפיים לבעל החיים המדוגמים והשאלה המטופלת, שכן הדיוק של המודל קשור ישירות לחוזקו של ניתוח מסוים. היכולת להזין פרמטרים גם מאפשרת למודל להתעדכן באופן שוטף בנתונים ממחקרים עתידיים. בנוסף, ניתן ליישם ו/או להתאים את פרוטוקול השריגה הגרפי הזה כך שישקף את ההבדלים האנטומיים בין פרטים. זה יכול גם להיות מותאם כדי מודל יעיל של בעלי חיים אחרים. ניתן לתמרן בקלות את מודל הסוסים התלת-ממדי ולמקם אותו כדי לדמות תנוחות ותנועות. זה בולט במיוחד עם הגפיים שכן תנועותיהם פשוטות יחסית לצפייה ולדגם.
מיקום משותף גרפי במודל נקבע על ידי גישה דומה לזו ששימשה במחקרים אחרים18,19. רשתות העצם הוצבו במצב נייטרלי. המפרקים הגרפיים הוצבו כך שהעצמות היו מסוגלות להסתובב בחופשיות מבלי לגרום להתנגשות עם רשתות עצם אחרות. בספרות, המפרק הגרפי הוצב בנקודה שבה כדור עלה בקנה אחד עם משטחי התנועה. המפרק הגרפי של עצם השכמה הוצב במרכז המשוער של להב עצם השכמה. מיקום זה של המפרק הגרפי מאפשר להזיז אותו ב -6 דרגות חופש כדי לכוון את עצם השכמה למצב הרצוי. בניגוד לגפיים, תנועת עמוד השדרה אינה נראית בקלות, מורכבת יותר מכפי שמבינו לעתים קרובות, ולכן קשה יותר לדגמן אותה. למרות שלמודל יש את הגמישות להשתמש בה כדי לחקור תנועות ובעיות במפרקי עמוד השדרה הספציפיים, הוא גם היה צריך להיות מסוגל לייצג את התנועות הקשות לעתים קרובות להבחנה של עמוד השדרה כולו. השימוש ב"עמוד השדרה של הסרט " מאפשר תנועה מציאותית יותר של עמוד השדרה במהלך אנימציות.
זה חשוב מכיוון שעמוד השדרה בסוסים, כפי שנמצא אצל בני אדם, הוא לעתים קרובות המקור לבעיות שעשויות להיות קשורות לתנועות ביומכניות חריגות ולפגיעה בגפיים. חוזק של המודל הזה הוא היכולת להדגים במדויק את מיקומי עמוד השדרה, כמו סיבובי חוליות רוחביים20 (איור 4). כיצד תנוחות אלה משפיעות על הגפיים בשלושה ממדים במהלך הליכה שונה ניתן לקבוע על ידי שימוש במודל בשילוב עם ניתוח קינמטי וכוח (למשל, מחקרי לוחות לחץ כדי לאשר העמסה מוגברת של הגפיים וניתוח כוח סטטי). רכיבי שלד רקמות רכות מתווספים כיום למודל השלד של כל הגוף. מטרות עתידיות הן להרחיב את השימוש במודל בניתוח ביומכני תלת-ממדי למחקרים על צליעת סוסים. הרחבה כזו תכלול שימוש במודל כדי להשלים ניתוחי כוח תלת-ממדיים המשווים בין תנוחות בריאות ולא בריאות ורישום המודל עם נקודות נתונים תלת-ממדיות שנאספו במחקרי לכידת תנועה כדי לספק ייצוג חזותי יעיל יותר של תנועה.

צליעה כרונית בסוסים קשורה לעיתים קרובות לנגעים ניווניים מתקדמים ברקמות הדומות לאלה של דלקת מפרקים ניוונית (OA), בעיה מרכזית בבריאות הציבור בבני אדם 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . ברפואה האנושית, מכיוון שגישות טיפוליות המתמקדות בטיפול בנגעים ספציפיים (למשל, פרמקותרפיה ותיקון כונדרלי ישיר) נכשלו ברובן, כוחות פתומכניים מוכרים כיום כגורם השורשי לנזק לרקמות ב-OA. כוחות חריגים או פתומכניים משפיעים ישירות הן על תאי העצם והן על תאי הסחוס, וגורמים לשחרורם של מתווכים דלקתיים וניוון רקמות פרוגרסיבי9. תצפיות אלה מצביעות על כך שאם לא יתוקנו הכוחות המכניים הסיבתיים, מחלות עצם ומפרקים ניווניות כרוניות רבות ימשיכו להתקדם. לפיכך, ההתמקדות הטיפולית ברפואה האנושית עוברת לגישות ש"פורקות" את המפרקים הפגועים באמצעות פעילות גופנית ממוקדת10,11. עם זאת, שינוי זה עדיין לא נעשה ברפואת הסוסים, בין השאר משום שיש צורך במודלים לתנועת סוסים שניתן להתאים אותם כדי להראות את תנועותיו של הפרט.
ניתוח ביומכני מקיף, של כל הגוף, נפוץ בתכנון תוכניות אימונים כדי לייעל את הביצועים האתלטיים ולהקל על התאוששות מפציעות אצל ספורטאים אנושיים11 (ראו גם למשל, כתב העת "ספורט ביומכניקה"), אך הוא פחות נפוץ עבור ספורטאי סוסים (אך ראו12). לפיכך, מטרת העל כאן היא ליצור מודלים פתומכניים של צליעת סוסים שניתן להשתמש בהם כדי לפתח טיפולים מונעים ושיקומיים אינדיבידואליים כדי לשפר את בריאותם של ספורטאי סוסים. מודלים פתומכניים כאלה יכולים לאפיין הבדלים באנטומיה התפקודית של אזורים (כלומר, עמוד השדרה) שאינם ניתנים להבחנה בקלות לעין בלתי כמו אחרים (כלומר, הגפה התחתונה). כדי להשיג מטרה זו, המטרה הראשונה הייתה לפתח מודל שלד סוסים מדויק מבחינה אנטומית, ניתן למניפולציה, של כל הגוף, שיכול לשמש כתבנית על ידי חוקרים המעוניינים בניתוחים אנטומיים, קינמטיים וקינטיים פונקציונליים. כדי להיות שימושי לקלינאים ולחוקרים של סוסים, מודל זה חייב (1) להיות מציאותי מבחינה ביולוגית כדי לאפשר מיקום אנטומי מדויק, (2) לאפשר התאמות קלות ומדויקות למידול תנוחות שונות של סוסים בריאים ולא בריאים, (3) להיות מסוגל להיות מונפש כדי לחקור את ההשפעות של הליכות שונות, ו-(4) להקל על יצירה חוזרת של תנוחות ותנועות הניתנות לחזרה.
מודל שלד סוסים של כל הגוף הגרפי בתלת-ממד נבנה מנתוני CT שבהם ניתן היה לתמרן את מיקומי העצמות ביחס זו לזו ולאחר מכן להנפשה כדי להתאים לתנועות מתמונות או סרטונים של סוס בתנועה, ובכך ליצור מודל שלד סוסים 4D. בהתאם לשאלה המתאימה ביותר לשאלה שיש להתייחס אליה, ניתן להשתמש במודל בגרסאות דו-ממדיות, תלת-ממדיות ו-4-ממדיות או בשילובים שונים כדי להמחיש ולאפיין את ההשפעות הפתומכניות של תנוחות או תנוחות ספציפיות. בגלל העיצוב הבסיסי והגמיש שלו, המודל משמש כתבנית שניתן לשנות על ידי חוקרים כדי לשקף את השאלות הספציפיות שלהם ואת פרמטרי הנתונים שלהם. פרמטרים כאלה כוללים, למשל, מידע אנטומי המבוסס על מין וגודל בעלי חיים, נתוני ניתוח תנועה תלת-ממדיים, אומדני כוח של רקמות רכות ותכונות אינרציאליות. לפיכך, המודל מאפשר ניתוח מפורט יותר של אזורים או מפרקים ספציפיים, תוך מתן הבסיס גם להגדרת ניסויים שאינם מסוגלים להתבצע על סוסים חיים. בשל מגבלות מעשיות הקשורות לזמינות הדגימות (למשל, הצלעות שנחתכו) והסורק, מודל הסוסים בכל הגוף הוא תוצאה של מיזוג נתונים משלוש דגימות סוסים. לפיכך, המודל אינו ייצוג מושלם של אדם יחיד, אלא עבר סטנדרטיזציה כדי לייצג את השונות האינדיבידואלית באופן רחב יותר. בקיצור, זוהי תבנית שיש להשתמש בה ולשנות אותה כך שתתאים לצרכי החוקרים. סריקות CT של תא המטען, הראש והצוואר והגפיים נרכשו משתי דגימות סוסים בערך באותו גודל עם סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסת מ"מ 1 מ"מ. סריקות CT של קבוצה של צלעות נרכשו באמצעות סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסות 0.64 מ"מ.
השלמות האנטומית של המפרקים הגרמיים (למשל, בתוך הגפה) נשמרה. הרקמות הרכות הקיימות בסריקות ה-CT שימשו גם כדי לאשר את מיקום העצמות. מכיוון שכמה צלעות שלמות וחלקים פרוקסימליים של כל הצלעות היו זמינים ונסרקו על דגימת בית החזה, ניתן היה להגדיל את הצלעות שנסרקו בנפרד ולהניחן בתוך מודל השלד של כל הגוף. נתוני ההדמיה הדיגיטלית והתקשורת ברפואה (DICOM) שהתקבלו כתוצאה מכך יובאו לתוכנת ההדמיה התלת-ממדית (ראו טבלת החומרים), ועצמות בודדות חולקו לערכות נתונים בודדות (כלומר, רשתות עצם). לאחר מכן יובאו רשתות העצם התלת-ממדיות הבודדות לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית (טבלת החומרים), שם גודלן, במידת הצורך, והורכבו לשלד סוסים שלם כהכנה לקרע - שיטה גרפית לחיבור רשתות העצם כך שתנועותיהן יהיו מקושרות (איור 1).

<table><tbody><tr><td>Avizo</td><td>VSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MA</td><td>N/A</td><td>מצוטט בטקסט כ"תוכנת הדמיה תלת מימדית"</td></tr><tr><td>Maya</td><td>Autodesk, Inc., San Rafael, CA</td><td>N/A</td><td>מצוטט בטקסט כ"תוכנת אנימציה ודוגמנות תלת מימדית"; גרסת סטודנטים בחינם</td></tr></tbody></table>

בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים

Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data

טיפולים המבוססים על הערכות ביומכניות של כל הגוף מצליחים למניעת פציעות ושיקום אצל ספורטאים אנושיים. גישות דומות שימשו רק לעתים נדירות לחקר פציעות אתלטיות של סוסים. דלקת מפרקים ניוונית הנגרמת על ידי לחץ מכני יכולה לנבוע מתפקוד לקוי כרוני של היציבה, אשר, מכיוון שהתפקוד התפקודי הראשוני רחוק לעתים קרובות מאתר הפגיעה ברקמות, מזוהה בצורה הטובה ביותר באמצעות מידול ביומכניקה של כל הגוף. כדי לאפיין קינמטיקה של סוסים בכל הגוף, מודל שלד מציאותי של סוס נוצר מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת של סוסים (CT) שיכולים לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים. נתוני CT של סוסים שוחזרו לערכות נתונים תלת-ממדיות (3D) בודדות (כלומר, עצמות) באמצעות תוכנת הדמיה תלת-ממדית והורכבו למודל של שלד תלת-ממדי שלם. לאחר מכן הודגם הונפש והונפש באמצעות תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית. ניתן להשתמש במודל השלד התלת-ממדי שנוצר כדי לאפיין תנוחות סוסים הקשורות לשינויים ניווניים ברקמות, כמו גם כדי לזהות תנוחות המפחיתות את הלחץ המכני באתרי הפגיעה ברקמות. בנוסף, כאשר הוא מונפש לתוך 4D, המודל יכול לשמש כדי להדגים תנועות שלד לא בריאות ובריאות וניתן להשתמש בו כדי לפתח טיפולים אינדיבידואליים מונעים ושיקומיים לסוסים עם צליעה ניוונית. למרות שהמודל יהיה זמין בקרוב להורדה, הוא נמצא כעת בפורמט הדורש גישה לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. פרוטוקול זה ינחה את המשתמשים ב-(1) פיתוח מודל כזה עבור כל אורגניזם בעל עניין ו-(2) שימוש במודל סוסים ספציפי זה לשאלות המחקר שלהם.

התוצאה של השיטה הייתה מודל שלד סוסים מלא בתלת-ממד בתוך תוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית המאפשרת מיקום אנטומי מדויק וסימולציות תנועה. לדגם עצמו יש מערכת קרעים גרפית המואצלת למצח, אחוריים, עמוד שדרה, צוואר וצלעות. המודל התלת-ממדי יכול להיות ממוקם בתנוחות שונות (איור 3 ואיור 4) על-ידי אנשים מרובים. התנועות של מודל 4D (בתנועה) הושוו לסרטונים מהצד, מאחור ומחזית, כמו גם עם צילומי רחפן עיליים כדי לתאר בצורה מדויקת יותר את התנועה של עמוד השדרה והווידאו של סוסים בהליכה (וידאו), קנטר וטרוט כדי ליצור אנימציות של הליכה זו.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig01.jpg"> איור 1: ניתן להעביר את מודל הסוס התלת-ממדי לתנוחות שונות ולהנפשה כדי להדגים תנועות של כל הגוף בהליכות שונות בתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית. עמוד השדרה הגרפי המאפשר תנועה טבעית של עמוד השדרה הגרמי מודגם על ידי המישור הירוק. הפקדים המשמשים להזזת האסדות הגרפיות השונות ורשתות העצם המחוברות מודגמים על ידי האליפסות הצהובות והחצים הצולבים על הדגם. (א) עמדת עמידה. (ג) תנוחת גידול. (ב, ד) הדגם עם רשתות העצם המחוברות למערכת הריגינג הגרפית. מיקומי הפקדים משנים את מיקום השלד של הסוס. (ב) סוס עומד. (ד) גידול סוס. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig02.jpg"> איור 2: הקרע של כל גפה עם מפרקים מאפשר מיקום ויצירת תנועה. (B) הינדלימב עם מפרקים גרפיים המסומנים במספרים 11-17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig03.jpg"> איור 3: מודל הסוסים התלת-ממדי הותאם לתמונות הקלאסיות של Muybridge13 כהוכחת היתכנות וכדי ליצור את האנימציות הראשונות. (A) צילומי מייברידג' של סוס בהליכה. (B) מודל הסוס התלת-ממדי שהונח מעל התצלומים כדי שישמש כמסגרות מפתח באנימציה. (C) מודל הסוס התלת-ממדי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig03large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig04.jpg"> איור 4: ניתן להעביר את מודל הסוסים התלת-ממדי לתנוחות שונות (למשל, הסיבוב הרוחבי של עמוד השדרה שהודגם כאן) כדי להבין את הקשר בין תנוחות כאלה למשטרי כוח פתומכניים ואת ההתנוונות הנובעת מכך של רכיבי השלד, המפרקים והרקמות הרכות המושפעים. מודל הסוסים התלת-ממדי עם הראש וחוליות צוואר הרחם מוסתרים כדי לאפשר הדמיה של בית החזה. (B) ייצוג דו-ממדי גרפי של סוס (עם רוכב) עם סיבוב רוחבי של עמוד השדרה באמצעות תצלומים שעברו מניפולציה גרפית של שלד סוסים בהשוואה לתמונת סטילס של מודל הסוס התלת-ממדי עם הראש וחוליות צוואר הרחם מוסתרים כדי לאפשר הדמיה של בית החזה. שימו לב כאן להשפעת הסיבוב הרוחבי על השלד ועל גפי הגוף. התנוחה המתוארת הייתה מעמיסה על הפורלימב השמאלי, שנתמך על ידי הדחיסה והסדקים של קיר הפרסה הקדמי השמאלי בסוס החי. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig04large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
וידאו. סוס 4D. תנוחות מפתח של השלד, כפי שהן תואמותל-13 התמונות של הסוס של מייברידג', עברו אינטרפולציה כדי ליצור אנימציה של הסוס בטיול. ניתן לראות את התנועה מלפנים, מהצד, מלמעלה ומאחור. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/4D%20Horse.mp4" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להוריד את הסרטון הזה.</a>

מטרת פרוטוקול זה היא לתאר את שיטת היצירה של מודל מציאותי, שלם של הגוף, השלד של סוס, שיכול לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים כדי לאפיין מכניקה של כל הגוף.

Therapies based upon whole-body biomechanical assessments are successful for injury prevention and rehabilitation in human athletes. Similar approaches ...

מודל שלד מציאותי של סוס נוצר מנתוני טומוגרפיה ממוחשבים של סוסים שניתן לתפעל כדי להבין את המודלים הפונקציונליים, האנטומיים והביו-מכניים של כל גוף הסוסים. הטכניקה מאפשרת מיקום מהיר וקל של המודל כדי לסייע באפיון תנוחות סוסים משתנות. המודל יכול לסייע באפיון תנוחות סוסים הקשורות למחלות רקמות ניווניות ולזהות תנוחות המפחיתות לחצים מכניים.ניתן להתאים ולשנות את השיטה כדי לסייע במידול של מינים אחרים למטרות קליניות, כגון כלבים או עיסוקים אקדמיים אחרים כמו מידול מעברים אבולוציוניים. מי שידגים את ההליך יהיה אלכס לי, סטודנט לתואר שני ממעבדת אוסבורן, המוצג כאן עם ד"ר אוסבורן. התחל על ידי הצבת מפרקים גרפיים בתוך הקדמי בכל תחומי התנועה.הקש על מקש F3 כדי להפעיל את ערכת התפריטים של rigging. בתפריטים, לחץ על שלד וצור מפרקים, כדי לבחור את הכלי ליצור מפרקים. בחלונית View של התוכנה, לחץ על האזורים המשוערים של המפרקים בסדר גודל של אחד עד 10 ולחץ על מקש Enter.התאם את מיקום המפרקים על ידי לחיצה על המפרק הרצוי ושימוש בכלי התנועה, המבוצע על ידי לחיצה על מקש W כדי לתרגם את המפרק למצב הרצוי. לחלופין, התאם מפרק על-ידי לחיצה על המפרק הרצוי ושינוי הערכים תרגם X, תרגם Y ו- תרגם Z הנמצאים בתיבה ערוץ או בחלונית עורך שכבה. לאחר מכן, צור חמש נקודות אחיזה קינמטיות הפוכות נפרדות.בתפריטים, לחץ על שלד וצור נקודת אחיזה של IK כדי לבחור בכלי צור נקודת אחיזה של IK. באמצעות הכלי יצירת ידית IK, בחר מפרק אחד, ולאחר מכן משותף שלושה, וציין את ידית ה- IK הזו, רגל קדמית IK" בחלונית Outliner. לאחר מכן השתמש בכלי ובחר מפרק שלוש ומפרק שבע.תן שם לידית IK זו, IK תחתון קדמי. השתמש בכלי ובחר מפרקים שבעה ושמונה וציין נקודת אחיזה זו של IK, Front Toe 1 IK. חזור על השלב עם מפרקים שמונה ותשע כדי ליצור את הבוהן הקדמית 2 IK. לאחר מכן עם מפרקים 9 ו- 10 כדי ליצור את הבוהן הקדמית 3 IK.To ליצור פקדי forelimb, ליצור B-splines רציונליים לא אחידים, או NURBS, מעגל על ידי בחירה צור NURBS פרימיטיבים, ו מעגל. צור שני מעגלי NURBS המקיפים את מפרק 3 ומפרק 10, וקרא להם שליטה קדמית" ובקרה תחתונה קדמית, בהתאמה בלוח מתאר. צור מעגל NURBS נוסף ובחר אותו.בתיבה ערוץ או בחלונית 'עורך שכבות', שנה את הערך 'סובב Z' ל- 90. באמצעות כלי ההזזה, מקם אותו בקצה של מפרק 10 וקרא לו Front Flick Control" בחלונית Outliner. קבוצת חזית בוהן 1 IK, בוהן קדמית 2 IK, ו- Front Toe 3 IK על ידי שליטה בבחירת כל השלושה ולחיצה על מקש G.תן שם לקבוצה זו, קבוצת הבוהן הקדמית", בחלונית 'מתווה'. חבר את ידיות ה- IK וקבוצת הבוהן הקדמית לפקדים, על-ידי שליטה תחילה בחירת ה- IK של הרגל הקדמית ולאחר מכן הבקרה הקדמית והקש על מקש P. שליטה בחר את השליטה התחתונה הקדמית, ולאחר מכן את הבקרה הקדמית, ולחץ על מקש P.שליטה בחר את ה- IK התחתון הקדמי, ולאחר מכן את הבקרה התחתונה הקדמית, ולחץ על מקש P. פקד בחר את פקד ה-Front Flick ולאחר מכן את הבקרה התחתונה הקדמית ולחץ על מקש P. פקד בחר את קבוצת הבוהן הקדמית ולאחר מכן את פקד התנועות הקדמיות ולחץ על מקש P.לאחר מכן השתמש בכלי לאגד עור כדי לקשור את רשתות העצם לאסדת המפרק. בחרו את רשת העצם, והזיזו את המפרק הפרוקסימלי ביותר, והשתמשו בכלי "עור נקשר" שנמצא מתחת לעור ולאגד את העור. באמצעות הכלי Create Joints, צור מפרק בתוך רשת העצם הססמואידית.באמצעות הכלי Bind Skin, קשרו את רשת העצם הססמואידית למפרק. בחר את המפרק בתוך עצם הססמואיד והסט בחר את מפרק ה- forelimb הקרוב ביותר ולחץ על מקש P כדי להורות אותו. צור מישור NURBS כאשר האורך שווה בערך לאורך עמוד השדרה.בחר 1 עבור מדבקת U ומספר החוליות החזיות והמותניות עבור מדבקת V. בחר את הריבוע שנמצא לצד הכלי יצירת מישור תחת צור NURBS פרימיטיבים ומישור. כדי לבנות מחדש את המישור עם אפשרויות שהשתנו, הקש על מקש F2 כדי להיכנס לערכת התפריטים 'מידול'.בחר את המישור בחלונית תצוגה ובחר את הגדרות הכלי לבנות מחדש על-ידי בחירת הריבוע לצד הכלי בנייה מחדש תחת משטחים ובנייה מחדש. בחר את מספר ה- Spans U כ- 1, את מספר Spans V כמספר עבור תיקון V, ו- 1 ליניארי עבור שתי האפשרויות תואר אתה ודרגה V. שמור על ההגדרות האחרות כברירת מחדל ולחץ על לחצן בנייה מחדש.כדי ליצור nHairs, הקש על מקש F5 כדי להזין את ערכת התפריטים של FX. השתמש בכלי יצירת שיער עם אפשרויות שהשתנו על-ידי בחירת הריבוע שליד nHair ויצירת שערות. הגדר את הפלט לעקומות NURBS, ספירת U ל- 1, ספירת V למספר עבור תיקון V ולאחר מכן לחץ על הלחצן צור שערות.מחק גרעין1, שיערSystem1OutputCurves קבוצה, ושיערSystem1 בחלונית Outliner. הרחב באופן מלא את הקבוצה המסומנת hairSystem1Follicles ומחק את כל הפריטים המסומנים בעקומה. בחר את המישור ולאחר מכן הזז וכיוון אותו כך שיהיה חופף בערך עם עמוד השדרה באמצעות הכלים הזזה וסיבוב.בחר את המישור, החזק את לחצן העכבר הימני ובחר Control Vertex כדי להפוך את כל הקודקודים של המישור לגלויים. הזיזו את הקודקודים כדי לכוון את הזקיקים בין החוליות בגובה שבו יהיה חוט השדרה. צור מספר מפרקים נפרדים בכל מקום בחלונית View.המיקום של מפרקים אלה יתוקן בשלבים מאוחרים יותר. בחלונית Outliner, בחר מפרק שנוצר ולאחר מכן Control בחר nurbsPlaneFollicle ולחץ על מקש P. חזור על הפעולה עם המפרקים האחרים שנוצרו בשלב הקודם ועם שאר האובייקטים nurbsPlaneFollicle.בחלונית 'מתווה מתווה', 'בקרה' בחרה את כל המפרקים. בתיבה ערוץ או בחלונית התיבה 'שכבה', הגדר את תרגם X, Y ו-Z לאפס. פקד בחר את כל המפרקים בחלונית 'מתווה' ולחץ על המקשים Control ו-D כדי לשכפל אותם.פקד בחר את כל המפרקים הכפולים בחלונית 'מתווה' ולחץ על המקשים Shift ו-P כדי לבטל את ההתאמה שלהם. קשרו את המפרקים תחת nurbsPlaneFollicle עם רשת החוליות המתאימה להם על ידי לחיצה על מקש F3 כדי להיכנס לערכת התפריטים של Rigging. לחץ על המפרק המקורי תחת nurbsPlaneFollicle, Shift בחר את רשת החוליות המתאימה.לאחר מכן השתמש בכלי לקשור את העור מתחת לעור ולאגד את העור. חזור על פעולות אלה עבור כל רשת מפרק וחוליות. השליטה בחר את כל המפרקים הכפולים ואת המישור והשתמש בכלי Bind Skin כדי לקשור את כל המפרקים הכפולים למישור.בתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית, עמוד השדרה של הסרט הגרפי מאפשר את התנועה הטבעית של עמוד השדרה הגרמי. התוכנה מציגה את הדגם עם רשתות העצם המחוברות למערכת הריגינג הגרפית ומאפשרת לשלוט במיקום השלדים. הקרע של כל איבר עם מפרקים מאפשר מיקום ויצירת תנועה באמצעות מפרקים גרפיים עם מספרים 1 עד 10 עבור forelimbs ומפרקים גרפיים עם מספרים 11 עד 17 עבור hindlimbs.מודל הסוס התלת-ממדי הותאם לתמונות הקלאסיות של מייברידג' כהוכחת היתכנות, וכדי ליצור את האנימציות הראשונות. ניתן להעביר את המודל מתנוחה רגילה לתנוחות שונות כמו סיבוב רוחבי של עמוד השדרה, מה שמאפשר להבין את הקשר בין תנוחות למשטרי כוח פתומכניים ואת הניוון הנובע מכך של רכיבי השלד, המפרקים והרקמות הרכות המושפעים. התנועות של המודל הארבע-ממדי הושוו לסרטונים מהצד, מאחור ומחזית כדי לתאר בצורה מדויקת יותר את תנועת עמוד השדרה ולסרטונים של סוסים בהליכה, קנטר וטרוט כדי ליצור אנימציות של הילוך זה.לימוד מכניקה של כל הגוף נחוץ להבנת ההשפעות של מחלות מפרקים ניווניות. מודל זה מספק דרך לחקור את הקשר בין תנועה ותנוחות חריגות לבין התנוונות רקמות כתוצאה מכך. מודל ייחודי זה של סוסים לכל הגוף המבוסס על נתוני טופוגרפיה ממוחשבים מאפשר לחקור את תחום המחקר הזה ואחרים בגלל הגמישות והיכולת שלו להשתנות על ידי משתמשים כדי לענות על השאלות הספציפיות שלהם.

construction-realistic-whole-body-three-dimensional-equine-skeletal

Research

JoVE Journal

Biology

ביולוגיה

יש צורך לפתח מצורף תותבת חלופי עקב אובדן איבר המיוחסים occlusive מחלות כלי דם וטראומה. מטרת העבודה היא להציג את מערכת osseointegrated אינטליגנטי עיצוב השתל להגדיל קיבעון השלד להפחית את שיעורי ההדבקה periprosthetic עבור חולים הזקוקים טכנולוגיה osseointegrated.

ניתוח Bioelectric של מערכת Osseointegrated שתל Intelligent Design עבור קטועי גפיים

באמצעות הבלטת פלסטיק מודרנית וטכנולוגיות דפוס, ניתן כיום לייצר מודלים פיסיים של נתוני CT רנטגן שנעשו במעבדה במהירות ובזולה. ההדפסה תלת הממדית של טומוגרפית נתוני הדמיה חזקה, מחקר, וכלי חינוכי שכעת ניתן לגשת על ידי קהילת ההדמיה פרה.

הדפסת 3D של Preclinical רנטגן הממוחשבים טומוגרפית נתוני סטים

מתודולוגיה מתוארת במסמך לייצוג נתוני הדמיה אנטומי בתוך קריסטלים. אנו יוצרים מדורגים מודלים תלת מימדיים של נתונים הדמיה ביו לשימוש חריטה בלייזר בתת הקרקע (SSLE) זכוכית קריסטל. כלי זה מציע השלמה שימוש תצוגה חישובית או בתלת ממד מודלים מודפסים בשימוש בתוך הגדרות קליניות או חינוכיות.

Scaled אנטומי דגם הבריאה של נתונים הדמיה טומוגרפית ביו Associated תוויות עבור תת-פני השטח לאחר חריטה בלייזר (SSLE) של קריסטלים זכוכית

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשימוש שלושה דגמים מודפסים תלת-ממדי עבור שטרם-נותחו תכנון וארגון אינטרה-פעיל של מיקומים וסקולרית מסובך בעת טיפול אנומליה מולדת של אבי העורקים.

הדפסה תלת-ממדית של סטייה אבי העורקים מורכבים

כאן אנו מציגים פיתוח של מערך מחזור מדומה להערכת טיפול רב-מודאלי, תכנון טרום התערבותי, והכשרת רופא על אנטומיה של לב וכלי דם. עם היישום של סריקות טומוגרפיות ספציפיות למטופל, התקנה זו אידיאלית עבור גישות טיפוליות, הכשרה, וחינוך ברפואה אישית.

פיתוח והערכה של פאנטום לב וכלי דם בהדפסה תלת-ממדית לתכנון והדרכה התערבותיים

אנו מתארים הליך לעיבוד סריקות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) למדריכי משימות פרוצדורליים בעלי נאמנות גבוהה, ניתנים להחזרה ובעלות נמוכה. תהליכי זיהוי סריקת ה-CT, הייצוא, הפילוח, המידול וההדפסה התלת-ממדית מתוארים כולם, יחד עם הנושאים והלקחים שנלמדו בתהליך.

יצירת מאמן משימות למיקום קו תוך-ממדי בנאמנות גבוהה, בעלות נמוכה ובעלות נמוכה באמצעות הדפסה תלת-ממדית

עבודה זו מציגה פרוטוקול תכנון כירורגי מפורט באמצעות טכנולוגיית תלת מימד עם תוכנת קוד פתוח חופשית. פרוטוקול זה יכול לשמש לכימות נכון של היפוך הירך ולסימולציה של אוסטאוטומיה פרוקסימלית פרוקסימלית של הירך לטיפול בכאבי ברכיים קדמיים.

תכנון וירטואלי תלת מימדי טרום ניתוחי באוסטאוטומיה פרוקסימלית של הירך

מחקר זה נועד ליצור מודל מודפס בתלת-ממד של חוליה מותנית ספציפית למטופל, המכיל הן את החוליות והן את המודלים של עצבי עמוד השדרה המאוחים מטומוגרפיה ממוחשבת ברזולוציה גבוהה (HRCT) ומנתוני MRI-Dixon.

מודל הדפסה תלת מימדית של החוליה המותנית הספציפית של המטופל

פרוטוקול זה מציג צינור מקיף לניתוח דגימות המתקבלות מלבבות אנושיים המשתרעים בקנה מידה מיקרוסקופי ומקרוסקופי.

צינור למחקר אנטומי תלת-ממדי רב-ממדי בקנה מידה של לב האדם

פרוטוקול זה משתמש בטומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת כדי לאפשר כימות חסכוני של מסה רזה, כולל שרירי השלד ורקמת הקרביים, רקמת השומן ורקמת השלד בבעלי חיים קטנים. הוא מבחין בין רקמה רזה לרקמת שומן, מה שמציע יתרונות משמעותיים למחקר ביו-רפואי, במיוחד במחקר תרגומי בבעלי חיים קטנים.

כימות שרירי שלד לא פולשני בבעלי חיים קטנים באמצעות טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת

למדו לבנות מודל שלד סוס תלת-ממדי מנתוני טומוגרפיה ממוחשבים. שיטה זו מאפשרת חקר ביומכניקה שלמות הגוף וזיהוי תנוחות הקשורות להתנוונות רקמות.

בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים

גלה סרטונים נוספים