コンピュータ断層撮影データを用いたリアルな全身3次元馬骨格モデルの構築
2021年2月25日
このプロトコルの目的は、全身力学を特徴付けるための機能解剖学的および生体力学的モデリングに使用できる、馬の現実的で全身の骨格モデルの作成方法を記述することです。
馬の現実的な骨格モデルは、馬のコンピュータ断層撮影データから作成され、馬の体全体の機能的、解剖学的、および生体力学的モデリングを理解するために操作することができます。この技術により、モデルの迅速かつ容易な位置決めが可能になり、さまざまな馬の姿勢を特徴付けることができます。このモデルは、変性組織疾患に関連するウマの姿勢を特徴付け、機械的ストレスを軽減する姿勢を特定するのに役立ちます。
この方法は、イヌや進化的移行のモデリングのような他の学術的追求のような臨床目的のために他の種のモデリングを支援するために適応および修正することができる。手順を実演するのは、オズボーン研究所の大学院生であるAlex Leeで、オズボーン博士と一緒にここに表示されます。まず、動きのすべての領域で前肢の内側にグラフィックジョイントを配置します。
F3 キーを押して、リギングメニューセットを有効にします。メニューで、「スケルトン」と「ジョイントを作成」をクリックして、ジョイント作成ツールを選択します。ソフトウェアの [表示] パネルで、ジョイントのおおよその領域を 1 ~ 10 の順序でクリックし、Enter キーを押します。
ジョイントの位置を調整するには、目的のジョイントをクリックし、移動ツールを使用して、Wキーを押してジョイントを所望の位置に平行移動させます。または、目的のジョイントをクリックし、[チャンネル] ボックスまたは [レイヤーエディター] パネルにある [X]、[Translate Y]、および [Z を変換] の値を変更して、ジョイントを調整します。次に、5 つの個別の逆運動学的ハンドルを作成します。
メニューで、「スケルトン」および「IK ハンドルの作成」をクリックして、「IK ハンドルの作成」ツールを選択します。IK ハンドルを作成ツールを使用して、ジョイント 1 つ、次にジョイント 3 つを選択し、アウトライナーパネルでこの IK ハンドルに「フロントレッグ IK」という名前を付けます。次に、ツールを使用して、ジョイント3とジョイント7を選択します。
この IK ハンドルには、前面下部 IK という名前を付けます。このツールを使用して、ジョイントを 7 つと 8 つ選択し、この IK ハンドルに Front Toe 1 IK という名前を付けます。ジョイント 8 と 9 で手順を繰り返して、フロント トゥ 2 IK を作成します。次に、ジョイント 9 と 10 を使用してフロントトゥ 3 を作成し、前肢コントロールを作成 IK.To、不均一な有理 B スプライン (NURBS) を作成し、「NURBS プリミティブを作成」を選択して円を作成し、「円」を作成します。ジョイント 3 とジョイント 10 を囲む 2 つの NURBS 円を作成し、アウトライナーパネルでそれぞれ「フロントコントロール」と「フロントロワーコントロール」という名前を付けます。別の NURBS サークルを作成して選択します。
チャンネルボックスまたはレイヤーエディタパネルで、「Z を回転」の値を 90 に変更します。移動ツールを使用して、ジョイント 10 の先端に置き、アウトライナーパネルで「フロントフリックコントロール」という名前を付けます。コントロールでフロントトゥ 1 IK、フロントトゥ 2 IK、フロントトゥ 3 IK をグループ化し、3 つすべてを選択して G キーを押します。
このグループに「アウトライナーパネル」で「フロントトゥグループ」という名前を付けます。IK ハンドルとフロント トゥ グループをコントロールの親にします。最初にコントロール、次にフロント コントロールを選択し、P キーを押します。コントロール 前面下側コントロール、次に前面コントロールを選択し、P キーを押します。
コントロール 前面下部 IK、前面下部コントロールを選択し、P キーを押します。コントロール 前面フリックコントロール、前面下限コントロールを選択し、P キーを押します。コントロール フロントトゥグループ、フロントフリックコントロールを選択し、P キーを押します。
次に、スキンをバインドツールを使用して、ボーンメッシュをジョイントリグにバインドします。ボーンメッシュを選択し、シフトして最も近位の関節を選択し、「スキン」と「スキンをバインド」の下にある「スキンをバインド」ツールを使用します。ジョイントを作成ツールを使用して、セサモイドボーンメッシュ内にジョイントを作成します。
スキンのバインドツールを使用して、セサモイドボーンメッシュを関節にバインドします。セサモイド骨の内側の関節を選択し、最も近い前肢関節を選択し、Pキーを押して親にします。背骨の長さとほぼ同じ長さの NURBS 平面を作成します。
Uパッチの場合は1を選択し、Vパッチの場合は胸椎と腰椎の数を選択します。[NURBS プリミティブの作成] および [平面の作成] ツールの横にある正方形を選択します。オプションを変更して平面を再構築するには、F2 キーを押してモデリングメニューセットに入ります。
ビューパネルで平面を選択し、「サーフェス」および「再構築」の下の「再構築」ツールの横にある四角形を選択して、「再構築ツール」設定を選択します。V パッチの数値として [スパン U の数] を 1 として、および [次数 U] オプションと [次数 V ] オプションの両方に 1 線形を選択します。その他の設定はデフォルトのままにして、[再構築]ボタンを押します。
nHairs を作成するには、F5 キーを押して FX メニュー セットに入ります。[ヘアを作成]ツールを使用して、オプションを変更し、[nHair]の横にある正方形を選択し、[ヘアを作成]を選択します。出力をNURBS曲線に設定し、Uカウントを1に設定し、VカウントをVパッチの数に設定してから、ヘアの作成ボタンを押します。
アウトライナーパネルで nucleus1、hairSystem1OutputCurves グループ、および hairSystem1 を削除します。hairSystem1Follicles というラベルの付いたグループを完全に展開し、曲線でラベル付けされたすべての項目を削除します。平面を選択し、移動ツールと回転ツールを使用して、背骨とほぼ重なるように平面を移動および方向付けします。
平面を選択し、マウスの右ボタンを押したまま、[頂点の制御]を選択して、平面のすべての頂点を表示します。頂点を動かして、脊髄がある高さの椎骨間の卵胞を方向付けます。ビューパネルの任意の場所に多数の個別のジョイントを作成します。
これらの関節の位置は、後の手順で修正されます。アウトライナーパネルで、作成したジョイントを選択し、次にコントロールして nurbsPlaneFollicle を選択し、P キーを押します。前の手順で作成した他のジョイントと、他の nurbsPlaneFollicle オブジェクトについても繰り返します。
アウトライナーパネルで、コントロールですべてのジョイントを選択します。チャンネルボックスパネルまたはレイヤーボックスパネルで、X、Y、Z をゼロに設定します。コントロール アウトライナーパネルですべてのジョイントを選択し、Control キーと D キーを押してジョイントを複製します。
コントロール アウトライナーパネルで複製されたジョイントをすべて選択し、Shift キーと P キーを押して親を解除します。nurbsPlaneFollicle の下の関節をそれぞれの椎骨メッシュでバインドするには、F3 キーを押して [リギング] メニュー セットに入ります。nurbsPlaneFollicleの下にある元の関節をクリックし、それぞれの椎骨メッシュを選択してシフトします。
次に、「スキン」の下にある「スキンをバインド」ツールと「スキンをバインド」を使用します。関節メッシュと椎骨メッシュごとにこれらの操作を繰り返します。コントロール すべての複製ジョイントと平面を選択し、スキンをバインドツールを使用して、重複するすべてのジョイントを平面にバインドします。
3Dアニメーションおよびモデリングソフトウェアでは、グラフィックリボン背骨が骨脊椎の自然な動きを可能にします。グラフィックリギングシステムに取り付けられたボーンメッシュでモデルが表示され、スケルトンの位置を制御できます。関節を備えた各四肢のリギングは、前肢のための番号1〜10のグラフィックジョイントおよび後肢のための番号11〜17のグラフィックジョイントを使用して位置決めおよび動きの作成を可能にする。
3D馬モデルは、概念実証として古典的なMuybridgeの写真と照合され、最初のアニメーションを作成しました。このモデルは、通常の姿勢から脊椎の横回転のような様々な姿勢に移動できるため、姿勢と病態機械的な力体制との関係、およびその結果生じる罹患した骨格要素、関節、および軟組織の変性を理解することができる。4Dモデルの動きを、背骨の動きをより正確に描写するために横、後ろ、正面のビデオと比較し、散歩、キャンター、トロットでの馬のビデオと比較して、それらの歩行のアニメーションを作成しました。
変性関節疾患の影響を理解するためには、全身力学の研究が必要です。このモデルは、異常な動きと姿勢、および結果として生じる組織変性との関係を研究する方法を提供する。計算された地形データに基づくこのユニークな全身馬モデルは、その柔軟性とユーザーが特定の質問に答えるために変更する能力のために、この研究分野やその他の研究を可能にします。
概要
本記事では、コンピュータ断層撮影（CT）データを用いて、写実的かつ操作可能な馬の3D骨格モデルを作成するための詳細なプロトコルを提示します。このモデルにより、馬の運動に関する包括的な生体力学的および解剖学的研究が可能となり、退行性組織疾患の理解や、馬の跛行に対する個別化療法の開発に応用できます。
研究の主要構成要素
科学分野
- バイオメカニクス
- 獣医学
- 3Dモデリングおよびアニメーション
背景
- 全身のバイオメカニクス評価は、ヒトの負傷予防やリハビリテーションにおいて有効である一方、馬の競技動物への適用例はほとんどない。
- 馬の変形性関節症は、慢性的な姿勢機能不全によって引き起こされることがあり、その原因は負傷部位から遠く離れた場所にあることが多い。
- 組織変性に寄与する根本的な機能不全を特定するためには、全身のバイオメカニクスをモデル化することが不可欠である。
- 既存の馬のモデルは、詳細なキネマティクス研究に必要とされる柔軟性と解剖学的精度を欠いている。
研究目的
- CTデータから、写実的かつ機能的な馬の3D骨格モデルを構築する。
- 生体メカニクス研究向けに、このようなモデルの構築およびアニメーション作成のためのプロトコルを提供する。
- 退行性組織変化に関連する馬の姿勢および動作の研究を可能にする。
使用した手法
- 可視化ソフトウェアを用いた、馬のCTデータの取得および個別の3D骨データセットへの再構成。
- 個々の骨を組み立て、完全な3D骨格モデルを構築。
- リアルな動きを実現するため、グラフィックジョイントとインバースキネマティクス（IK）ハンドルを用いてモデルにリギングを実施。
- 骨のメッシュをジョイントリグにバインドし、NURBSプリミティブを用いてコントロール要素を作成。
- 馬の歩様や姿勢を再現するようにモデルをアニメーション化し、Muybridgeの古典的な写真およびビデオ映像を用いて検証。
主な結果
- このプロトコルにより、馬の骨格モデルを迅速かつ正確に配置し、さまざまな姿勢を研究することが可能になります。
- このモデルを用いて、変性組織疾患に関連する姿勢を特徴づけ、機械的ストレスを軽減する姿勢を特定できます。
- 動作や姿勢を4Dでアニメーション化できるため、健康な状態と不健康な状態の両方における骨格ダイナミクスの可視化が可能です。
- この手法は、他の種のモデリングや、進化上の転移などの学術的研究にも応用可能です。
結論
- この馬の3D骨格モデルは、全身のバイオメカニクスおよび運動と組織変性の関係を研究するための強力なツールとなります。
- 本プロトコルは柔軟であり、他の生物や研究課題に合わせて変更することが可能です。
- このようなモデルは、馬の退行性跛行に対する予防的およびリハビリテーション療法の情報提供に役立ちます。
よくある質問
産業界における重要性
CTデータから導出された高精度な全身3D骨格モデルは、筋骨格系研究におけるメカニズムに基づくリスク低減と予測の信頼性を可能にします。この機能は、特に変性組織疾患におけるバイオメカニクス的な寄与因子の理解において、創薬から前臨床モデル開発に至るトランスレーショナルな連続性をサポートします。このアプローチは、大型動物モデルにおける姿勢、動作、および組織変性の関係を明確にすることで、ポートフォリオの意思決定を強化します。
バイオファーマ研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 変形性関節疾患の根底にあるバイオメカニカルな仮説の検証を可能にします。
- 姿勢メカニクスと組織病理を関連付けることで、機能的なターゲット検証をサポートします。
- 筋骨格系の健康を標的とした候補介入策について、メカニズムに基づいたリスク低減を促進します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 定量的な運動アッセイを開発するための、検証済み解剖学的フレームワークを提供します。
- 再現性を確保するため、さまざまな姿勢や歩行におけるバイオメカニクス測定を標準化します。
- in vivo試験に先立ち、in silicoで介入策のスケーラブルかつ反復可能な評価を可能にします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 前臨床モデルを、疾患に関連するバイオメカニクス的なエンドポイントに適合させます。
- 計算モデリングから動物研究への連続性を担保し、トランスレーショナルなバイオマーカーの開発を支援します。
- 運動パターンが組織変性に及ぼす影響を明確にすることで、開発進展における意思決定のリスクを低減します。
パイプラインおよびワークフローの統合
この3Dモデリングプロトコルは、生体力学的解析のための再利用および変更可能なプラットフォームを提供することにより、初期段階の発見と前臨床研究を橋渡しします。
- 探索生物学：姿勢や動作に関連する退行性組織変化の要因に関する仮説検証を支援します。
- スクリーニング：生体力学的介入を比較するための、定量的で再現性のあるアウトプットを提供します。
- 分析：関節角度、姿勢ストレス、および動作軌跡の測定を可能にし、強固なデータ分析を実現します。
- トランスレーショナルリサーチ：バイオマーカーおよびエンドポイントの検証に向けた、計算モデルと動物モデルの整合性を促進します。
- エンタープライズ再利用：他の種や研究課題への適応が可能であり、幅広い研究開発（R&D）における有用性をサポートします。
運用および組織への影響
- 科学的価値： 筋骨格系研究における予測の信頼性を高め、メカニズムに関する曖昧さを軽減する。
- 運用の価値： 生体力学的なモデリングを標準化し、チーム間での再現性をサポートする。
- 戦略的価値： 組織変性の生体力学的なリスク要因を明確にすることで、継続または中止（go/no-go）の判断に有用な情報を提供する。
- ポートフォリオへの影響： 動作に関連する病理を標的とした治療戦略において、リスクを調整した優先順位付けを可能にする。
実施上の留意点
- 3Dモデリング、アニメーション、および生体力学的解析の専門知識が必要です。
- 高度なCTイメージングおよび専用のアニメーションソフトウェアへのアクセスに依存します。
- モデル構築およびデータ解釈において、チームを横断した標準化が求められます。
- さまざまな種に適応可能ですが、解剖学的構造の違いに応じてプロトコルの変更が必要な場合があります。
- 現在のモデル形式は、アニメーションツールに不慣れな新規ユーザーにとって習得に時間を要します。
