Articolo metodologico

Costruzione di un modello scheletrico equino realistico, a tutto corpo e tridimensionale utilizzando dati di tomografia computerizzata

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DOI:

10.3791/62276

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25 febbraio 2021

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

In questo articolo

Sommario

Lo scopo di questo protocollo è quello di descrivere il metodo di creazione di un modello scheletrico realistico, a corpo intero, di un cavallo che può essere utilizzato per la modellazione anatomica e biomeccanica funzionale per caratterizzare la meccanica di tutto il corpo.

Abstract

Le terapie basate su valutazioni biomeccaniche di tutto il corpo hanno successo per la prevenzione e la riabilitazione degli infortuni negli atleti umani. Approcci simili sono stati raramente utilizzati per studiare le lesioni atletiche equine. L'artrosi degenerativa causata da stress meccanico può avere origine da disfunzione posturale cronica, che, poiché la disfunzione primaria è spesso distante dal sito di lesione tissutale, è meglio identificata attraverso la modellazione della biomeccanica di tutto il corpo. Per caratterizzare la cinematica equina di tutto il corpo, è stato creato un modello scheletrico realistico di un cavallo da dati di tomografia computerizzata equina (CT) che può essere utilizzato per la modellazione anatomica e biomeccanica funzionale. I dati TC equini sono stati ricostruiti in singoli set di dati tridimensionali (3D) (cioè ossa) utilizzando un software di visualizzazione 3D e assemblati in un modello scheletrico 3D completo. Il modello è stato quindi truccato e animato utilizzando l'animazione 3D e il software di modellazione. Il modello scheletrico 3D risultante può essere utilizzato per caratterizzare le posture equine associate a cambiamenti degenerativi del tessuto e per identificare posture che riducono lo stress meccanico nei siti di lesione tissutale. Inoltre, se animato in 4D, il modello può essere utilizzato per dimostrare movimenti scheletrici malsani e sani e può essere utilizzato per sviluppare terapie individualizzate preventive e riabilitative per cavalli con zoppie degenerative. Sebbene il modello sarà presto disponibile per il download, è attualmente in un formato che richiede l'accesso al software di animazione e modellazione 3D, che ha una curva di apprendimento piuttosto ampia per i nuovi utenti. Questo protocollo guiderà gli utenti nello (1) sviluppo di un tale modello per qualsiasi organismo di interesse e (2) nell'utilizzo di questo specifico modello equino per le proprie domande di ricerca.

Introduzione

La zoppia cronica nei cavalli è spesso associata a lesioni tissutali degenerative progressive simili a quelle dell'osteoartrite (OA), un grave problema di salute pubblicanell'uomo 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Nella medicina umana, poiché gli approcci terapeutici incentrati sul trattamento di lesioni specifiche (ad esempio, farmacoterapia e riparazione diretta della condrale) hanno per lo più fallito, le forze patomeccaniche sono ora riconosciute come la causa principale del danno tissutale nell'OA. Le forze aberranti o patomeccaniche colpiscono direttamente sia le cellule ossee che cartilaginee, inducendo il rilascio di mediatori infiammatori e la progressiva degenerazione tissutale9. Queste osservazioni indicano che, a meno che le forze meccaniche causali non vengano corrette, molte malattie croniche degenerative delle ossa e delle articolazioni continueranno a progredire. Quindi, l'attenzione terapeutica nella medicina umana si sta spostando verso approcci che "scaricano" le articolazioni colpite attraverso l'esercizio mirato10,11. Tuttavia, questo cambiamento non è ancora stato fatto in medicina equina, in parte perché sono necessari modelli per il movimento equino che possono essere adattati per mostrare i movimenti di un individuo.

L'analisi biomeccanica completa di tutto il corpo è comune nella progettazione di programmi di allenamento per ottimizzare le prestazioni atletiche e facilitare il recupero delle lesioni negli atleti umani11 (vedi anche, ad esempio, la rivista "Sports Biomechanics"), ma è meno comunemente fatta per gli atleti equini (ma vedi12). Pertanto, l'obiettivo generale qui è quello di stabilire modelli patomeccanici di zoppia equina che possono essere utilizzati per sviluppare terapie preventive e riabilitative individualizzate per migliorare la salute degli atleti equini. Tali modelli patomeccanici possono caratterizzare differenze nell'anatomia funzionale delle regioni (cioè la colonna vertebrale) che non sono facilmente distinguibili ad occhio nudo come altre (cioè l'arto inferiore). Per raggiungere questo obiettivo, il primo obiettivo è stato quello di sviluppare un modello scheletrico equino anatomicamente accurato, manipolabile, per tutto il corpo, che possa essere utilizzato come modello dai ricercatori interessati alle analisi anatomiche, cinematiche e cinetiche funzionali. Per essere utile ai medici e ai ricercatori equini, questo modello deve (1) essere biologicamente realistico per consentire un posizionamento anatomico accurato, (2) consentire regolazioni facili e accurate per modellare varie posture di cavalli sani e non sani, (3) essere in grado di essere animato per studiare gli effetti di varie andature e (4) facilitare ricreazioni ripetibili di posizioni e movimenti.

Un modello scheletrico grafico 3D di tutto il corpo equino è stato costruito da dati CT in cui le posizioni delle ossa l'una rispetto all'altra potevano essere manipolate e quindi animate per abbinare i movimenti di immagini o video di un cavallo in movimento, creando così un modello scheletrico equino 4D. A seconda di ciò che meglio si adatta alla domanda da affrontare, il modello può essere utilizzato in versioni 2D, 3D e 4D o in varie combinazioni per illustrare e caratterizzare gli effetti patomeccanici di posizioni o posture specifiche. A causa del suo design di base e flessibile, il modello funge da modello che può essere modificato dai ricercatori per riflettere le loro domande specifiche e i parametri dei dati. Tali parametri includono, ad esempio, informazioni anatomiche basate su sesso e dimensioni degli animali, dati di analisi del movimento 3D, stime della forza dei tessuti molli e proprietà inerziali. Pertanto, il modello consente un'analisi più dettagliata di aree o articolazioni specifiche, fornendo al contempo la base per impostare esperimenti che non possono essere eseguiti su cavalli vivi. A causa delle limitazioni pratiche relative alla disponibilità del campione (ad esempio, il taglio delle costole) e allo scanner, il modello equino a corpo intero è il risultato della fusione dei dati di tre campioni equini. Pertanto, il modello non è una rappresentazione perfetta di un singolo individuo, ma è stato standardizzato per rappresentare la variabilità individuale in modo più ampio. In breve, è un modello da utilizzare e modificare per soddisfare le esigenze dei ricercatori. Le scansioni TC del tronco, della testa e del collo e degli arti sono state acquisite da due esemplari equini di circa le stesse dimensioni con uno scanner CT a 64 fette utilizzando un algoritmo osseo, passo di 0,9, fetta di 1 mm. Le scansioni TC di una serie di costole sono state acquisite con uno scanner CT a 64 fette utilizzando un algoritmo osseo, passo di 0,9, fette da 0,64 mm.

L'integrità anatomica delle articolazioni ossee (ad esempio, all'interno dell'arto) è stata mantenuta. I tessuti molli disponibili nelle scansioni TC sono stati utilizzati anche per confermare il posizionamento delle ossa. Poiché alcune costole intere e le porzioni prossimali di tutte le costole erano disponibili e scansionate sul campione del torace, le costole scansionate separatamente potevano essere accuratamente dimensionate e posizionate all'interno del modello scheletrico di tutto il corpo. I dati DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) risultanti sono stati importati nel software di visualizzazione 3D (vedere la Tabella dei materiali) e le singole ossa sono state segmentate in singoli set di dati (ad esempio, mesh ossee). Le singole mesh ossee 3D sono state quindi importate nel software di animazione e modellazione 3D (Table of Materials) dove sono state dimensionate, se necessario, e assemblate in uno scheletro equino completo in preparazione per il rigging, un metodo grafico per collegare le maglie ossee in modo che i loro movimenti siano collegati (Figura 1).

Protocollo

1. Sartiame degli arti anteriori

  1. Posizionare le giunture grafiche all'interno dell'arto anteriore in tutte le aree di movimento.
    NOTA: il posizionamento articolare risultante è una catena articolare dalla scapola all'estremità distale dell'osso della bara (Figura 2A). Nell'area delle ossa carpali, 3 articolazioni nelle immediate vicinanze vengono utilizzate per aumentare il raggio di curvatura.
    1. Premere il tasto F3 per attivare il set Rigging Menu. Nei menu, selezionate Scheletro | Crea giunti per selezionare lo strumento Crea giunti.
    2. Nel pannello Visualizza del software, fate clic nelle aree approssimative dei giunti presenti nella Figura 2A nell'ordine da 1 a 10 e premete il tasto INVIO .
    3. Regolare la posizione dei giunti facendo clic sul giunto desiderato e utilizzare lo strumento Sposta premendo il tasto W per tradurre il giunto nella posizione desiderata. In alternativa, regolate un giunto facendo clic sul giunto desiderato e modificando i valori Traduci X, Traduci Y e Traduci Z che si trovano nel pannello Channel Box/Editor livelli .
  2. Creare 5 maniglie cinematiche inverse separate (maniglie IK) (i giunti saranno indicati con i numeri riportati nella Figura 2A).
    1. Nei menu, selezionate Scheletro | Crea maniglia IK per selezionare lo strumento Crea maniglia IK . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 1, quindi il giunto 3; denominare questa maniglia IK Front Leg IK nel pannello Outliner . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 3, quindi il giunto 7; denominare questa maniglia IK Front Lower IK.
    2. Lo strumento Crea maniglia IK (Create IK Handle ), selezionate il giunto 7, quindi il giunto 8; denominate questa maniglia IK Front Toe 1 IK nel pannello Outliner . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 8, quindi il giunto 9; denominate questa maniglia IK Front Toe 2 IK nel pannello Outliner . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 9, quindi il giunto 10; denominate questa maniglia IK Front Toe 3 IK nel pannello Outliner .
  3. Creare controlli di arto anteriore
    1. Create un cerchio NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) utilizzando lo strumento cerchio del menu Crea | NURBS Primitives | Cerchio.
    2. Create due cerchi NURBS e spostateli utilizzando lo strumento Sposta (Move Tool) per circondare il giunto 3 e il giunto 10, quindi denominateli rispettivamente Ctrl anteriore e Ctrl inferiore anteriore (Front Lower Ctrl) nel pannello Outliner .
    3. Creare un cerchio NURBS; selezionate il cerchio e, nel pannello Editor canale/livello , modificate il valore Ruota Z su 90. Utilizzando lo strumento Sposta , posizionatelo sulla punta del giunto 10 e denominatelo Ctrl scorrimento frontale nel pannello Outliner .
  4. Raggruppa Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK e Front Toe 3 IK selezionando tutti e tre e premendo i tasti CTRL + G. Assegnate a questo gruppo il nome Front Toe Group nel pannello Outliner. Padre delle maniglie IK e del gruppo front-toe ai controlli.
    NOTA: è importante selezionare Maiusc + nell'ordine esatto descritto di seguito per garantire un albero padre corretto.
    1. Selezionate Front Leg IK, quindi Front Ctrl nel pannello Outliner e premete il tasto P .
    2. Selezionate Ctrl anteriore inferiore, quindi Ctrl anteriore nel pannello Outliner e premete il tasto P .
    3. Selezionate Front Lower IK, quindi Front Lower Ctrl nel pannello Outliner e premete il tasto P .
    4. Selezionate Ctrl scorrimento frontale, quindi Ctrl inferiore anteriore nel pannello Outliner e premete il tasto P .
    5. Selezionate Gruppo puntale anteriore, quindi Ctrl scorrimento frontale nel pannello Outliner e premete il tasto P .
  5. Utilizzare lo strumento Lega pelle per legare le maglie ossee, ad eccezione delle ossa sesamoidi, comprese le ossa navicolari all'articolazione più prossimale. Assicurarsi che ogni rete ossea sia legata a una sola articolazione.
    1. Fare clic sulla mesh ossea, maiusc + clic sull'articolazione più prossimale e selezionare lo strumento Lega pelle in Pelle | Legare la pelle.
  6. Rigging ossa sesamoidi e l'osso navicolare
    1. Creare un'articolazione, posizionarla al centro dell'osso sesamoide e premere il tasto Invio . Nel pannello Visualizza , selezionate la mesh ossea sesamoide e tenete premuto Maiusc + fate clic sull'articolazione al centro dell'osso. Utilizzate lo strumento Lega pelle (Bind Skin ) per legare la mesh all'articolazione.
      NOTA: l'osso sesamoide può ora essere manipolato utilizzando gli strumenti Sposta e Ruota per la regolazione quando si cambia la posizione della gamba.
    2. Nel pannello Visualizza , selezionate l'articolazione nell'osso sesamoide, tenete premuto Maiusc + fate clic sull'articolazione più vicina nell'arto anteriore e premete il tasto P .
      NOTA: Questo genitori l'articolazione nell'osso sesamoide all'arto anteriore.
    3. Ripetere i passaggi da 1.6.1 a 1.6.2 per altre ossa sesamoidi e l'osso navicolare.
  7. Ripetere i passaggi da 1.1 a 1.6 per l'altro arto anteriore.
    NOTA: il giunto in corrispondenza della scapola può essere selezionato e tradotto in tutte e 3 le direzioni (6 gradi di libertà) utilizzando lo strumento Sposta .

2. Sartiame posteriore

  1. Posizionare le articolazioni all'interno dell'arto posteriore in tutte le aree di movimento per ottenere una catena articolare dalla testa del demur all'estremità distale dell'osso della bara (Figura 2B).
  2. Creare 5 maniglie IK separate (i giunti faranno riferimento ai numeri trovati nella Figura 2B).
    1. Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 11, quindi il giunto 12; denominate questa maniglia IK Hind IK nel pannello Outliner . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 12, quindi il giunto 14; denominate questa maniglia IK Hind Lower IK nel pannello Outliner .
    2. Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 14, quindi il giunto 15; denominate questa maniglia IK Hind Toe 1 IK nel pannello Outliner . Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 15, quindi il giunto 16; denominare questa maniglia IK Hind Toe 2 IK nel pannello Outliner .
    3. Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK , selezionate il giunto 16, quindi il giunto 17; denominate questa maniglia IK Hind Toe 3 IK nel pannello Outliner .
  3. Creare controlli degli arti posteriori
    1. Create due cerchi NURBS denominati Ctrl posteriore e Ctrl inferiore hind e spostali per circondare rispettivamente l'articolazione 12 e la giunzione 17.
    2. Create un cerchio NURBS denominato Hind Flick Ctrl. Rendi questo cerchio verticale e posizionalo sulla punta del giunto 10.
  4. Raggruppa Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK e Hind Toe 3 IK selezionando tutti e tre e premendo CTRL + G. Assegna a questo gruppo il nome Hind Toe Group.
  5. Generare le maniglie IK e Hind Toe Group ai controlli. Assicurati di maiusc + seleziona nell'ordine esatto descritto di seguito per garantire un albero padre corretto.
    1. Selezionare Hind IK, quindi Hind Ctrl e premere il tasto P.
    2. Seleziona Ctrl posteriore inferiore, quindi Ctrl posteriore e premi il tasto P .
    3. Selezionare Hind Lower IK, quindi Hind Lower Ctrl e premere il tasto P .
    4. Selezionare Hind Flick Ctrl, quindi Hind Lower Ctrl e premere il tasto P .
    5. Seleziona Hind Toe Group, quindi Hind Flick Ctrl e premi il tasto P .
  6. Utilizzate lo strumento Lega pelle per legare le maglie ossee all'articolazione più prossimale. Assicurarsi che ogni rete ossea sia legata a una sola articolazione.
    1. Fate clic sulla mesh ossea, tenete premuto Maiusc + clic sull'articolazione più prossimale e selezionate lo strumento Lega pelle in Pelle | Legare la pelle.
  7. Rotula di rigging, ossa sesamoidi e osso navicolare
    1. Creare un giunto, posizionarlo al centro della rotula e premere il tasto Invio . Nel pannello Visualizza , selezionate la mesh della rotula e Tenete premuto Maiusc + clic sull'articolazione nella rotula. Utilizzate lo strumento Lega pelle (Bind Skin ) per legare la mesh all'articolazione.
      NOTA: la rotula può ora essere manipolata utilizzando gli strumenti Sposta e Ruota per la regolazione quando si cambia la posizione della gamba.
    2. Nel pannello Visualizza , selezionate l'articolazione nella rotula, tenete premuto Maiusc + fate clic sul giunto più vicino nell'arto anteriore e premete il tasto P per generare l'articolazione nella rotula all'arto anteriore.
    3. Ripetere i passaggi 2.7.1 e 2.7.2 per le ossa sesamoidi e l'osso navicolare.
  8. Ripetere i passaggi da 2.1 a 2.7 per l'altro arto posteriore.

3. Sartiame della colonna vertebrale del nastro

  1. Creare un piano NURBS con opzioni modificate con la lunghezza approssimativamente uguale alla lunghezza della colonna vertebrale con 1 cerotto a U e # cerotti a V, dove # è il numero di vertebre toraciche e lombari.
    NOTA: per questo documento, la lunghezza è 20 con patch a 22 V.
    1. Selezionate il quadrato che si trova accanto allo strumento Crea piano in Crea | NURBS Primitives | Aereo.
  2. Ricostruite il piano con opzioni modificate.
    1. Premere il tasto F2 per accedere al set di menu di modellazione. Selezionate il piano nel pannello vista e selezionate le impostazioni dello strumento Ricostruisci selezionando il quadrato accanto allo strumento Ricostruisci in Superfici | Ricostruire. Utilizzare le seguenti opzioni: numero di span U = 1; numero di span V = # (22 in questo caso); selezionare "1 Lineare" per entrambe le opzioni Grado U e Grado V; mantenere le altre impostazioni predefinite; e premi il pulsante Ricostruisci .
  3. Crea nhair con opzioni modificate.
    1. Premere il tasto F5 per accedere al set di menu FX. "Selezionate il piano nel pannello di visualizzazione e utilizzate lo strumento Crea capelli con opzioni modificate selezionando il quadrato accanto a nHair | Crea capelli. Utilizzare le seguenti opzioni: output impostato su curve NURBS; Conteggio U =1; V count = # (22 in questo caso); mantenere le altre opzioni predefinite; e premi il pulsante Crea capelli .
  4. Eliminare quanto segue nel pannello outliner: nucleus1, hairSystem1OutputCurves group e hairSystem1. Espandi completamente il gruppo etichettato hairSystem1Follicles ed elimina tutti gli elementi etichettati con curve__.
    NOTA: il risultato deve lasciare un gruppo etichettato hairSystem1Follicles che contiene un elenco di elementi etichettati nurbsPlane_Follicle____.
  5. Selezionate il piano, spostatelo e orientatelo in modo che si sovrapponga approssimativamente alla spina dorsale utilizzando gli strumenti Sposta (Move ) e Ruota (Rotate ). Selezionate il piano, tenete premuto il pulsante destro del mouse e selezionate Controllo vertice (Control Vertex ) per rendere visibili tutti i vertici del piano.
  6. Spostare i vertici per orientare i follicoli tra le vertebre all'altezza in cui si troverebbe il midollo spinale. Create # numero di giunti separati (22 in questo caso) in qualsiasi punto del pannello Visualizza poiché la posizione di questi giunti verrà corretta nei passaggi successivi.
  7. Genitore di un giunto con un nurbsPlane_Follicle____ in modo che ognuno abbia una singola articolazione sotto il suo albero.
    1. Nel pannello Outliner , selezionate un giunto creato nel passaggio 3.6, quindi tenete premuto Ctrl + clic su un nurbsPlane_Follicle____ e premete il tasto P . Ripetete 3.7.1 con gli altri giunti creati nel passaggio 3.6 e gli altri nurbsPlane_Follicle____ oggettos.
  8. Nel pannello Outliner, Ctrl + seleziona tutte le articolazioni; nel pannello Chanel Box/Layer Box, impostate Traduci X, Y e Z su 0. Duplicate tutte le giunture tenendo premuto Ctrl + selezionando tutti i giunti nel pannello Outliner e premendo i tasti Ctrl + D. Annullare la riproduzione di tutti i giunti duplicati tenendo premuto Ctrl + selezionando tutti i giunti duplicati nel pannello Outliner e premendo i tasti Maiusc + P
  9. Legare le articolazioni sotto nurbsPlane_Follicle____ con la rispettiva rete vertebrale.
    1. Premere il tasto F3 per accedere al set di menu Rigging . Fare clic sull'articolazione originale (non sull'articolazione duplicata) sotto nurbsPlane_Follicle____, Maiusc + clic sulla rispettiva mesh della vertebra, quindi utilizzare lo strumento Lega pelle in Pelle | Legare la pelle. Ripetere queste azioni nel passaggio 3.9.1 per ogni rete articolare e vertebra.
  10. CTRL + fate clic su tutti i giunti duplicati e sul piano e utilizzate lo strumento Associa pelle (Bind Skin ) per associare tutte le giunture duplicate al piano.
    NOTA: le articolazioni duplicate possono ora essere manipolate per controllare le vertebre.
  11. Ripetere i passaggi da 3.1 a 3.10 per le vertebre cervicali e caudali.

4. Sartiame di costole e sterno

  1. Posizionare articolazioni separate alla testa della costola, all'estremità prossimale della cartilagine costale e all'estremità distale della cartilagine costale. Genitore l'articolazione all'estremità prossimale della cartilagine costale all'articolazione alla sua testa della costola.
  2. Genitore dell'articolazione all'estremità distale della cartilagine costale all'articolazione più vicina all'estremità prossimale della cartilagine costale. Genitore l'articolazione alla testa della costola all'articolazione della colonna vertebrale che controlla le vertebre caudali alla costola.
  3. Nel menu Rigging impostato sotto la scheda Pelle , utilizzare lo strumento Lega pelle per legare la costola all'articolazione in testa e la cartilagine costale a entrambe le articolazioni all'estremità prossimale e all'estremità distale.
  4. Ripetere i passaggi da 4.1 a 4.3 per ogni costola.
  5. Posizionare articolazioni separate all'estremità più cranica di ciascun segmento sternale. Genitore ogni articolazione del segmento sternale all'articolazione spinale più dorsale a ciascuna articolazione del segmento sternale. Nel menu Rigging impostato sotto la scheda Pelle , utilizzate lo strumento Lega pelle per associare il segmento sternale alla relativa articolazione.

5. Posizionamento e animazione

  1. Selezionate un fotogramma nella linea temporale.
  2. Posizionate il modello e i controlli. Importare un'immagine da utilizzare come riferimento creando un piano immagine libero.
    NOTA: Le immagini di Muybridge13 del cavallo alla passeggiata sono state utilizzate come prova di concetto.
    1. Mentre è selezionato Piano immagine libero , selezionare il file immagine nella scheda Editor attributi e nel menu a discesa Attributi piano immagine .
  3. Selezionare tutti i controlli e le articolazioni di controllo della colonna vertebrale e premere il tasto S per salvarli come fotogramma chiave.
  4. Lungo diversi fotogrammi lungo la linea temporale, spostate e ruotate i controlli e le articolazioni di controllo della colonna vertebrale, quindi premete S.
    NOTA: il riposizionamento dei controlli e dei giunti di controllo della colonna vertebrale e il loro salvataggio come fotogrammi chiave lungo diversi punti della linea temporale creano un'animazione. Non è necessario che ci sia un fotogramma chiave impostato lungo ogni fotogramma della linea temporale; solo le posizioni critiche o i tempi devono essere inquadrati in chiave. Il software di animazione e modellazione 3D interpolerà tra le posizioni dei fotogrammi chiave di ciascun giunto di controllo e di controllo della colonna vertebrale, creando un'animazione fluida.

Risultati

Il risultato del metodo è stato un modello scheletrico equino completo 3D all'interno del software di animazione e modellazione 3D che consente un accurato posizionamento anatomico e simulazioni di movimento. Il modello stesso ha un sistema di rigging grafico delegato agli arti anteriori, agli arti posteriori, alla colonna vertebrale, al collo e alla gabbia toracica. Il modello 3D potrebbe essere collocato in diverse posture (Figura 3 e Figura 4) da più individui. I movimenti del modello 4D (in movimento) sono stati confrontati con i video laterali, posteriori e anteriori, nonché con le riprese aeree dei droni per rappresentare più accuratamente il movimento della colonna vertebrale e il video dei cavalli alla passeggiata (Video), il galoppo e il trotto per creare animazioni di quelle andature.

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Figura 1: Il modello equino 3D può essere spostato in varie posture e animato per dimostrare i movimenti di tutto il corpo in varie andature nel software di animazione e modellazione 3D. (A, C) Sistemi di sartiame grafico per il cavallo. La spina dorsale a nastro grafico che consente il movimento naturale della colonna vertebrale ossea è illustrata dal piano verde. I controlli utilizzati per spostare i vari rig grafici e le mesh ossee attaccate sono illustrati dagli ovali gialli e dalle frecce incrociate sul modello. (A) Posizione in piedi. C) Posizione di allevamento. (B, D) Il modello con le maglie ossee attaccate al sistema di rigging grafico. Le posizioni dei comandi cambiano la posizione dello scheletro del cavallo. (B) Cavallo in piedi. D) Cavallo da allevamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Il rigging di ogni arto con articolazioni consente il posizionamento e la creazione di movimento. (A) Forelimb con articolazioni grafiche indicate con numeri 1-10. (B) Hindlimb con giunti grafici indicati con i numeri 11-17. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: Il modello equino 3D è stato abbinato alle classiche foto di Muybridge13 come prova di concetto e per creare le prime animazioni. (A) Muybridge fotografie di un cavallo alla passeggiata. (B) Il modello equino 3D sovrapposto alle fotografie da utilizzare come fotogrammi chiave nell'animazione. (C) Il modello equino 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4: Il modello equino 3D può essere spostato in varie posture (ad esempio, la rotazione trasversale della colonna vertebrale qui dimostrata) per comprendere la relazione di tali posture con i regimi di forza patomeccanica e la conseguente degenerazione degli elementi scheletrici, delle articolazioni e dei tessuti molli interessati. (A) Una rappresentazione grafica 2D di una normale postura di un cavallo (con cavaliere) utilizzando fotografie manipolate graficamente di uno scheletro equino rispetto a un'immagine fissa di il modello equino 3D con la testa e le vertebre cervicali nascoste per consentire la visualizzazione del torace. (B) Una rappresentazione grafica 2D di un cavallo (con cavaliere) con una rotazione trasversale della colonna vertebrale utilizzando fotografie manipolate graficamente di uno scheletro equino rispetto a un'immagine fissa del modello equino 3D con la testa e le vertebre cervicali nascoste per consentire la visualizzazione del torace. Nota qui l'effetto della rotazione trasversale sullo scheletro e sugli arti del corpo. La posizione raffigurata sovraccaricherebbe l'arto anteriore sinistro, che era sostenuto dalla compressione e dalla fessurazione della parete anteriore sinistra dello zoccolo nel cavallo vivente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Video. Il cavallo 4D. Le posizioni chiave dello scheletro, abbinate alle13 foto del cavallo di Muybridge, sono state interpolate per creare un'animazione del cavallo durante una passeggiata. Il movimento può essere visto dalla parte anteriore, laterale, superiore e posteriore. Clicca qui per scaricare questo video.

Discussione

Questo protocollo dimostra come creare un modello scheletrico 3D di tutto il corpo di un organismo e dimostra come utilizzare il modello scheletrico equino di tutto il corpo descritto in questo articolo. Il modello è attualmente in un formato che richiede uno specifico software di animazione e modellazione 3D, che ha una curva di apprendimento piuttosto elevata per i nuovi utenti. Tuttavia, una versione di questo software è disponibile gratuitamente per coloro che sono affiliati con un'università. Sebbene la modellazione della postura e del movimento di tutto il corpo sia utilizzata per valutare gli atleti umani e per identificare le cause delle lesioni croniche indotte meccanicamente11, è meno comunemente fatto con gli atleti equini. Per utilizzare questo approccio per la valutazione delle potenziali cause delle lesioni atletiche equine e dei problemi di prestazioni, è stato creato un modello equino scheletrico realistico di tutto il corpo dai dati CT utilizzando il software di visualizzazione 3D e il software di animazione e modellazione 3D. Questo modello è diverso da altri modelli equini che sono ricreazioni grafiche artistiche dello scheletro (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) o che raffigurano solo gli arti 14,15,16,17. In questo modello a corpo intero, gli arti anteriori, gli arti posteriori, la colonna vertebrale e la gabbia toracica erano tutti truccati e avevano controlli collegati che consentono una facile manipolazione del modello per un posizionamento e un'animazione realistici e accurati.

Il protocollo utilizzato per manipolare il modello consente la ripetibilità e le modifiche future per soddisfare le esigenze del cavallo specifico da truccare, consentendo un'analisi individualizzata. Pertanto, il modello equino è uno strumento che deve essere utilizzato dai ricercatori mentre analizzano il movimento. Tuttavia, non è un programma automatizzato che fornisce risposte senza l'input di parametri specifici per l'animale da modellare e la domanda affrontata, poiché l'accuratezza del modello è direttamente correlata alla forza di una particolare analisi. La capacità di inserire parametri consente inoltre di aggiornare continuamente il modello con i dati provenienti da studi di ricerca futuri. Inoltre, questo protocollo di rigging grafico può essere applicato e / o regolato per riflettere le differenze anatomiche tra gli individui. Può anche essere adattato per modellare efficacemente altri animali. Il modello equino 3D può essere facilmente manipolato e posizionato per simulare posizioni e movimenti. Ciò è particolarmente evidente con gli arti in quanto i loro movimenti sono relativamente semplici da vedere e modellare.

Il posizionamento grafico del giunto nel modello è stato determinato da un approccio simile a quello utilizzato in altri studi18,19. Le maglie ossee sono state poste in posizione neutra. Le articolazioni grafiche sono state posizionate in modo che le ossa fossero in grado di ruotare liberamente senza causare alcuna collisione con altre maglie ossee. Nelle cifre, l'articolazione grafica era posizionata nel punto in cui una sfera coincideva con le superfici di movimento. Il giunto grafico della scapola è stato posizionato nel centro approssimativo della lama della scapola. Questo posizionamento del giunto grafico consente di spostarlo in 6 gradi di libertà per orientare la scapola nella posizione desiderata. A differenza degli arti, il movimento della colonna vertebrale non è facilmente visibile, è più complesso di quanto spesso realizzato, e quindi è più difficile da modellare. Sebbene il modello abbia la flessibilità di essere utilizzato per studiare movimenti e problemi in specifiche articolazioni spinali, doveva anche essere in grado di rappresentare i movimenti spesso difficili da distinguere dell'intera colonna vertebrale. L'uso della "spina dorsale del nastro" consente un movimento più realistico della colonna vertebrale durante le animazioni.

Questo è importante in quanto la colonna vertebrale nei cavalli, come è stato trovato negli esseri umani, è spesso l'origine di problemi che sono potenzialmente correlati a movimenti biomeccanici aberranti e lesioni agli arti. Un punto di forza di questo modello è la capacità di dimostrare con precisione le posizioni della colonna vertebrale, come le rotazioni vertebrali trasversali20 (Figura 4). Il modo in cui queste posture influenzano gli arti in tre dimensioni durante le varie andature può essere determinato utilizzando il modello in combinazione con l'analisi cinematica e di forza (ad esempio, studi su piastre di pressione per confermare l'aumento del carico degli arti e analisi della forza statica). I componenti muscolofasciali dei tessuti molli vengono attualmente aggiunti al modello scheletrico di tutto il corpo. Gli obiettivi futuri sono di espandere l'uso del modello nell'analisi biomeccanica 3D per gli studi sulla zoppia equina. Tale espansione includerebbe l'utilizzo del modello per completare analisi di forza 3D che confrontano posture sane e malsane e la registrazione del modello con punti dati 3D raccolti in studi di motion capture per fornire una rappresentazione visiva più efficace del movimento.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno dichiarato conflitti di interesse.

Ringraziamenti

Gli autori riconoscono Jean Luc Cornille, Science of Motion, per il suo contributo all'accuratezza della modellazione; Dr. Martha Littlefield e Mr. James Ray (LSU SVM), e Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett e Mr. Brent Norwood (UGA CVM) per l'accesso a campioni anatomici; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) e Dr. L. Abbigail Granger e Mr. Mark Hunter (LSUSVM) per condurre scansioni TC; e i ricercatori universitari Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois e Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) per il loro lavoro relativo a questa ricerca. Il finanziamento è stato ottenuto dal programma di studi sulla salute equina della Louisiana State University School of Veterinary Medicine tramite una sovvenzione Charles V. Cusimano.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Acitato nel testo come "software di visualizzazione 3D"
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Acitato nel testo come "software di animazione e modellazione 3D"; Versione gratuita per studenti

Riferimenti

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