Costruzione di un modello scheletrico equino realistico, a tutto corpo e tridimensionale utilizzando dati di tomografia computerizzata
25 febbraio 2021
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.
Un modello scheletrico realistico di un cavallo viene creato da dati di tomografia computerizzata equina che possono essere manipolati per comprendere la modellazione funzionale, anatomica e biomeccanica dell'intero corpo equino. La tecnica consente un posizionamento rapido e facile del modello per aiutare a caratterizzare diverse posture equine. Il modello può aiutare a caratterizzare le posture equine associate a malattie degenerative dei tessuti e identificare posture che riducono le sollecitazioni meccaniche.
Il metodo può essere adattato e modificato per aiutare nella modellazione di altre specie per scopi clinici, come cani o altre attività accademiche come la modellazione di transizioni evolutive. A dimostrare la procedura sarà Alex Lee, uno studente laureato del laboratorio di Osborn, mostrato qui con il Dr.Osborn. Inizia posizionando le giunture grafiche all'interno dell'arto anteriore in tutte le aree di movimento.
Premere il tasto F3 per abilitare il set di menu di rigging. Nei menu, fate clic su Ossatura (Skeleton) e Crea giunti (Create Joints) per selezionare lo strumento Crea giunti (Create Joints). Nel pannello Visualizza del software, fare clic nelle aree approssimative delle articolazioni nell'ordine da uno a 10 e premere il tasto Invio.
Regolare la posizione dei giunti facendo clic sul giunto desiderato e utilizzando lo strumento di spostamento, eseguito 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 nella casella Canale o nel pannello Editor livello. Quindi, create cinque maniglie cinematiche inverse separate.
Nei menu, fate clic su Ossatura e Crea maniglia IK per selezionare lo strumento Crea maniglia IK. Utilizzando lo strumento Crea maniglia IK, selezionate il giunto uno, quindi il giunto tre e denominate questa maniglia IK, Gamba anteriore IK"nel pannello Outliner. Quindi utilizzare lo strumento e selezionare il giunto tre e il giunto sette.
Denominare questa maniglia IK, Front Lower IK. Usa lo strumento e seleziona i giunti sette e otto e chiama questa maniglia IK, Front Toe 1 IK. Ripeti il passaggio con le articolazioni otto e nove per creare il Front Toe 2 IK. Quindi, con le giunture nove e 10 per creare il front toe 3 IK.To creare controlli degli arti anteriori, creare un cerchio B-spline razionali non uniformi, o NURBS, selezionando Crea primitive NURBS e Cerchio. Create due cerchi NURBS che circondano il giunto 3 e il giunto 10 e denominateli rispettivamente "Front Control" e Front Lower Control, rispettivamente nel pannello Outliner. Create un altro cerchio NURBS e selezionatelo.
Nella casella Canale o nel pannello Editor livelli, modificate il valore Ruota Z impostandolo su 90. Utilizzando lo strumento di spostamento, posizionatelo sulla punta del giunto 10 e denominatelo Front Flick Control"nel pannello Outliner. Raggruppa la punta anteriore 1 IK, la punta anteriore 2 IK e la punta anteriore 3 IK tramite controllo selezionando tutte e tre e premendo il tasto G.
Denominate questo gruppo, Front Toe Group" nel pannello Outliner. Parent le maniglie IK e front Toe Group ai controlli, selezionando prima il Front Leg IK quindi il Front Control e premendo il tasto P. Controllo selezionare il Controllo inferiore anteriore, quindi il Controllo anteriore e premere il tasto P.
Controllare selezionare l'IK inferiore anteriore, quindi il controllo inferiore anteriore e premere il tasto P. Controllo selezionare il Controllo scorrimento anteriore, quindi il Controllo inferiore anteriore e premere il tasto P. Control selezionare front toe Group, quindi Front Flick Control e premere il tasto P.
Utilizzare quindi lo strumento Lega pelle per legare le maglie ossee al rig articolare. Selezionate la mesh ossea e spostate la selezione dell'articolazione più prossimale, quindi utilizzate lo strumento Lega pelle disponibile in Pelle e Lega pelle. Utilizzando lo strumento Crea giunzioni, create un'articolazione all'interno della mesh ossea sesamoide.
Utilizzando lo strumento Lega pelle, legare la rete ossea sesamoide all'articolazione. Selezionare l'articolazione all'interno dell'osso sesamoide e spostare selezionare l'articolazione dell'arto anteriore più vicina e premere il tasto P per proiettarla. Create un piano NURBS con la lunghezza approssimativamente uguale alla lunghezza della colonna vertebrale.
Selezionare 1 per il cerotto U e il numero di vertebre toraciche e lombari per il cerotto V. Selezionate il quadrato che si trova accanto allo strumento Crea piano in Crea primitive NURBS e Piano. Per ricostruire il piano con opzioni modificate, premete il tasto F2 per accedere al set di menu Modellazione.
Selezionate il piano nel pannello Vista e selezionate le impostazioni dello strumento Ricostruisci selezionando il quadrato accanto allo strumento Ricostruisci in Superfici e ricostruisci. Selezionate il numero di span U come 1, il numero di span V come numero per la patch V e 1 lineare per entrambe le opzioni Grado U e Grado V. Mantenere le altre impostazioni predefinite e premere il pulsante Ricostruisci.
Per creare nHairs, premere il tasto F5 per accedere al set di menu FX. Utilizzate lo strumento Crea capelli con opzioni modificate selezionando il quadrato accanto a nHair e Crea capelli. Impostare l'output su curve NURBS, conteggio U su 1, conteggio V sul numero per patch V, quindi premere il pulsante Crea capelli.
Eliminare nucleus1, hairSystem1OutputCurves group e hairSystem1 nel pannello Outliner. Espandi completamente il gruppo con etichetta hairSystem1Follicles ed elimina tutti gli elementi etichettati con curve. Selezionate il piano, quindi spostatelo e orientatelo in modo che si sovrapponga approssimativamente alla colonna vertebrale 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. Spostare i vertici per orientare i follicoli tra le vertebre all'altezza in cui si troverebbe il midollo spinale. Create un numero di giunti separati in qualsiasi punto del pannello Visualizza.
La posizione di queste articolazioni verrà corretta nelle fasi successive. Nel pannello Outliner, selezionate un giunto creato, quindi controllate un nurbsPlaneFollicle e premete il tasto P. Ripetete con gli altri giunti creati nel passaggio precedente e gli altri oggetti nurbsPlaneFollicle.
Nel pannello Outliner, Controllo selezionare tutti i giunti. Nella casella Canale o nel pannello Casella livello, impostate Su zero Traduci X, Y e Z. Controllo Selezionare tutti i giunti nel pannello Outliner e premere i tasti Ctrl e D per duplicarli.
Controllate di selezionare tutti i giunti duplicati nel pannello Outliner e premete i tasti Maiusc e P per annullarne l'identificazione. Legare le articolazioni sotto nurbsPlaneFollicle con la rispettiva rete vertebrale premendo il tasto F3 per accedere al set di menu Rigging. Fare clic sull'articolazione originale sotto nurbsPlaneFollicle, Shift selezionare la rispettiva mesh della vertebra.
Quindi utilizzare lo strumento Lega pelle in Pelle e Lega pelle. Ripeti queste azioni per ogni rete articolare e vertebra. Controllate la selezione di tutte le giunture duplicate e del piano e utilizzate lo strumento Associa pelle (Bind Skin) per associare tutte le giunture duplicate al piano.
Nel software di animazione e modellazione 3D, la colonna vertebrale del nastro grafico consente il movimento naturale della colonna vertebrale ossea. Il software visualizza il modello con le maglie ossee attaccate al sistema di rigging grafico che consente di controllare la posizione degli scheletri. Il rigging di ogni arto con articolazioni consente il posizionamento e la creazione di movimento utilizzando articolazioni grafiche con numeri da 1 a 10 per gli arti anteriori e articolazioni grafiche con numeri da 11 a 17 per gli arti posteriori.
Il modello equino 3D è stato abbinato alle classiche foto di Muybridge come prova di concetto e per creare le prime animazioni. Il modello può essere spostato da una postura normale a varie posture come una rotazione trasversale della colonna vertebrale, rendendo possibile comprendere la relazione delle posture con i regimi di forza patomeccanica e la conseguente degenerazione degli elementi scheletrici, delle articolazioni e dei tessuti molli interessati. I movimenti del modello 4D sono stati confrontati con i video dal lato, dalla parte posteriore e anteriore per rappresentare più accuratamente il movimento della colonna vertebrale e con i video dei cavalli durante la passeggiata, il galoppo e il trotto per creare animazioni di quelle andature.
Studiare la meccanica di tutto il corpo è necessario per comprendere gli effetti delle malattie degenerative delle articolazioni. Questo modello fornisce un modo per studiare la relazione tra movimento e posture aberranti e conseguente degenerazione dei tessuti. Questo esclusivo modello equino a corpo intero basato su dati topografici calcolati consente lo studio di questa area di ricerca e di altre grazie alla sua flessibilità e capacità di essere modificato dagli utenti per rispondere alle loro domande specifiche.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo dettagliato per la creazione di un modello scheletrico 3D realistico e manipolabile di un cavallo, utilizzando dati di tomografia computerizzata (CT). Il modello consente studi biomeccanici e anatomici approfonditi del movimento equino, con applicazioni nella comprensione delle malattie degenerative dei tessuti e nello sviluppo di terapie personalizzate per il claudicamento equino.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biomeccanica
- Medicina Veterinaria
- Modellazione e Animazione 3D
Sfondo
- Le valutazioni biomeccaniche su tutto il corpo sono efficaci nella prevenzione e nella riabilitazione delle lesioni umane, ma raramente vengono applicate agli atleti equini.
- L'artrosi degenerativa nei cavalli può derivare da disfunzioni posturali croniche, spesso originate a distanza dal sito della lesione.
- La modellizzazione della biomeccanica su tutto il corpo è essenziale per identificare le disfunzioni primarie che contribuiscono alla degenerazione dei tessuti.
- I modelli equini esistenti non dispongono della flessibilità e dell'accuratezza anatomica necessarie per studi cinematici dettagliati.
Scopo dello studio
- Sviluppare un modello scheletrico 3D realistico e funzionale di un cavallo a partire da dati TC.
- Fornire un protocollo per la costruzione e l'animazione di tali modelli per la ricerca biomeccanica.
- Permettere lo studio delle posture e dei movimenti equini associati a cambiamenti tissutali degenerativi.
Metodi Utilizzati
- Acquisizione e ricostruzione di dati TC equini in set di dati ossei 3D individuali mediante software di visualizzazione.
- Assemblaggio delle ossa in un modello scheletrico 3D completo.
- Creazione di un sistema di articolazioni grafiche e di maniglie cinematiche inverse (IK) per movimenti realistici.
- Collegamento delle mesh ossee al sistema articolato e creazione di elementi di controllo mediante primitive NURBS.
- Animazione del modello per riprodurre andature e posture equine, validate mediante confronto con le classiche fotografie di Muybridge e filmati video.
Risultati principali
- Il protocollo consente un posizionamento rapido e preciso del modello scheletrico equino per lo studio di diverse posture.
- Il modello può caratterizzare posture associate a malattie tissutali degenerative e identificare quelle che riducono lo stress meccanico.
- I movimenti e le posture possono essere animati in 4D, permettendo la visualizzazione della dinamica scheletrica sana e patologica.
- L'approccio è adattabile per la modellizzazione di altre specie o per studi accademici come le transizioni evolutive.
Conclusioni
- Questo modello scheletrico equino 3D fornisce uno strumento potente per lo studio della biomeccanica dell'intero organismo e della relazione tra movimento e degenerazione dei tessuti.
- Il protocollo è flessibile e può essere modificato per altri organismi o domande di ricerca.
- Questi modelli possono contribuire allo sviluppo di terapie preventive e riabilitative per le zoppie degenerative nei cavalli.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Modelli scheletrici tridimensionali ad alta fedeltà e a tutto il corpo, derivati da dati TC, consentono una riduzione del rischio di tipo meccanicistico e una maggiore affidabilità predittiva nella ricerca muscolo-scheletrica. Questa capacità favorisce una continuità traslazionale dalla fase di scoperta allo sviluppo di modelli preclinici, in particolare per comprendere i fattori biomeccanici coinvolti nelle malattie degenerative dei tessuti. L'approccio migliora le decisioni relative al portafoglio di ricerca chiarificando la relazione tra postura, movimento e degenerazione dei tessuti in modelli animali di grandi dimensioni.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi di ipotesi biomeccaniche alla base delle malattie degenerative delle articolazioni.
- Supporta la validazione funzionale degli obiettivi collegando la meccanica posturale alla patologia tissutale.
- Facilita la riduzione del rischio meccanicistico per interventi candidati mirati alla salute muscoloscheletrica.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce un quadro anatomico validato per lo sviluppo di saggi quantitativi del movimento.
- Standardizza le misurazioni biomeccaniche tra diverse posture e andature per garantire riproducibilità.
- Consente una valutazione scalabile e ripetibile di interventi in silico prima di studi in vivo.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i modelli preclinici a endpoint biomeccanici rilevanti per la malattia.
- Supporta la continuità dal modellamento computazionale agli studi sugli animali per lo sviluppo di biomarcatori traslazionali.
- Riduce i rischi nelle decisioni di avanzamento chiarificando l'impatto dei pattern di movimento sulla degenerazione dei tessuti.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo di modellazione 3D collega la fase iniziale della scoperta alla ricerca preclinica, fornendo una piattaforma riutilizzabile e modificabile per l'analisi biomeccanica.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sull'origine dei cambiamenti tissutali degenerativi associati alla postura e al movimento.
- Screening: Fornisce risultati quantitativi e riproducibili per il confronto di interventi biomeccanici.
- Analisi dati: Consente la misurazione di angoli articolari, dello stress posturale e delle traiettorie del movimento per un'analisi dati accurata.
- Ricerca traslazionale: Facilita l'allineamento tra modelli computazionali e modelli animali per la validazione di biomarcatori e endpoint.
- Riutilizzo aziendale: Adattabile ad altre specie e domande di ricerca, sostenendo un'ampia applicabilità in R&S.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella ricerca muscoloscheletrica.
- Valore operativo: Standardizza la modellizzazione biomeccanica e favorisce la riproducibilità tra diversi gruppi di lavoro.
- Valore strategico: Guida le decisioni di proseguimento o interruzione dei progetti chiarificando i fattori di rischio biomeccanici legati alla degenerazione dei tessuti.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione adeguata ai rischi delle strategie terapeutiche rivolte alle patologie correlate al movimento.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche nella modellazione 3D, nell'animazione e nell'analisi biomeccanica.
- È subordinato all'accesso a tecniche avanzate di imaging TC e a software specializzati per l'animazione.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per la costruzione dei modelli e l'interpretazione dei dati.
- È adattabile a diverse specie, ma potrebbe richiedere modifiche delle procedure a causa delle differenze anatomiche.
- Il formato attuale del modello presenta una curva di apprendimento per nuovi utenti non esperti degli strumenti di animazione.
