Methodenartikel

Constructie van een realistisch, whole-body, driedimensionaal paardenskeletmodel met behulp van computertomografiegegevens

4.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/62276

⸱

25 februari 2021

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

In dit artikel

Samenvatting

Het doel van dit protocol is om de methode te beschrijven voor het creëren van een realistisch, skeletmodel van een paard dat kan worden gebruikt voor functionele anatomische en biomechanische modellering om de mechanica van het hele lichaam te karakteriseren.

Samenvatting

Therapieën op basis van biomechanische beoordelingen van het hele lichaam zijn succesvol voor blessurepreventie en revalidatie bij menselijke atleten. Soortgelijke benaderingen zijn zelden gebruikt om atletisch letsel bij paarden te bestuderen. Degeneratieve artrose veroorzaakt door mechanische stress kan het gevolg zijn van chronische posturale disfunctie, die, omdat de primaire disfunctie vaak ver verwijderd is van de plaats van weefselbeschadiging, het best kan worden geïdentificeerd door modellering van biomechanica van het hele lichaam. Om de kinematica van het hele lichaam te karakteriseren, werd een realistisch skeletmodel van een paard gemaakt op basis van equine computed tomography (CT) -gegevens die kunnen worden gebruikt voor functionele anatomische en biomechanische modellering. Equine CT-gegevens werden gereconstrueerd in individuele driedimensionale (3D) datasets (d.w.z. botten) met behulp van 3D-visualisatiesoftware en samengevoegd tot een compleet 3D-skeletmodel. Het model werd vervolgens opgetuigd en geanimeerd met behulp van 3D-animatie en modelleringssoftware. Het resulterende 3D-skeletmodel kan worden gebruikt om paardenhoudingen te karakteriseren die verband houden met degeneratieve weefselveranderingen en om houdingen te identificeren die mechanische stress verminderen op de plaatsen van weefselletsel. Bovendien kan het model, wanneer het in 4D wordt geanimeerd, worden gebruikt om ongezonde en gezonde skeletbewegingen aan te tonen en kan het worden gebruikt om preventieve en rehabiliterende geïndividualiseerde therapieën te ontwikkelen voor paarden met degeneratieve lamenesses. Hoewel het model binnenkort beschikbaar zal zijn om te downloaden, is het momenteel in een formaat dat toegang vereist tot de 3D-animatie- en modelleringssoftware, die een behoorlijke leercurve heeft voor nieuwe gebruikers. Dit protocol zal gebruikers begeleiden bij (1) het ontwikkelen van een dergelijk model voor elk organisme van belang en (2) het gebruik van dit specifieke paardenmodel voor hun eigen onderzoeksvragen.

Inleiding

Chronische kreupelheid bij paarden wordt vaak geassocieerd met progressieve degeneratieve weefsellaesies vergelijkbaar met die van artrose (OA), een groot probleem voor de volksgezondheid bij mensen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . In de menselijke geneeskunde, omdat therapeutische benaderingen gericht op de behandeling van specifieke laesies (bijv. Farmacotherapie en direct chondraal herstel) meestal hebben gefaald, worden pathomechanische krachten nu erkend als de oorzaak van weefselschade bij artrose. Afwijkende of pathomechanische krachten beïnvloeden zowel bot- als kraakbeencellen rechtstreeks, waardoor ontstekingsmediatoren en progressieve weefseldegeneratie worden veroorzaakt9. Deze waarnemingen geven aan dat tenzij de oorzakelijke mechanische krachten worden gecorrigeerd, veel chronische degeneratieve bot- en gewrichtsaandoeningen zich zullen blijven ontwikkelen. Vandaar dat de therapeutische focus in de menselijke geneeskunde verschuift naar benaderingen die de aangetaste gewrichten "ontladen" door gerichte oefening10,11. Deze verschuiving is echter nog niet gemaakt in de paardengeneeskunde, deels omdat modellen voor paardenbewegingen nodig zijn die kunnen worden aangepast om de bewegingen van een individu te laten zien.

Uitgebreide biomechanische analyse van het hele lichaam is gebruikelijk bij het ontwerpen van trainingsprogramma's om atletische prestaties te optimaliseren en blessureherstel bij menselijke atletente vergemakkelijken 11 (zie ook bijvoorbeeld het tijdschrift "Sports Biomechanics"), maar wordt minder vaak gedaan voor paardensporters (maar zie12). Het overkoepelende doel hier is dus om pathomechanische modellen van paardenlammeheid vast te stellen die kunnen worden gebruikt om geïndividualiseerde preventieve en revalidatietherapieën te ontwikkelen om de gezondheid van paardensporters te verbeteren. Dergelijke pathomechanische modellen kunnen verschillen in de functionele anatomie van regio's (d.w.z. de wervelkolom) karakteriseren die niet zo gemakkelijk te onderscheiden zijn voor het blote oog als andere (d.w.z. de onderste ledemaat). Om dit doel te bereiken, was het eerste doel om een anatomisch nauwkeurig, manipulateerbaar, paardenskeletmodel voor het hele lichaam te ontwikkelen dat als sjabloon kan worden gebruikt door onderzoekers die geïnteresseerd zijn in functionele anatomische, kinematische en kinetische analyses. Om nuttig te zijn voor paardenartsen en onderzoekers, moet dit model (1) biologisch realistisch zijn om nauwkeurige anatomische positionering mogelijk te maken, (2) eenvoudige en nauwkeurige aanpassingen mogelijk maken voor het modelleren van verschillende houdingen van gezonde en niet-gezonde paarden, (3) geanimeerd kunnen worden om de effecten van verschillende gangen te bestuderen, en (4) herhaalbare herscheppingen van posities en bewegingen vergemakkelijken.

Een 3D grafisch skeletmodel voor paarden met het hele lichaam werd gebouwd op basis van CT-gegevens waarin de posities van botten ten opzichte van elkaar konden worden gemanipuleerd en vervolgens geanimeerd om bewegingen van foto's of video's van een paard in beweging te matchen, waardoor een 4D-paardenskeletmodel werd gecreëerd. Afhankelijk van wat het beste past bij de vraag die moet worden beantwoord, kan het model worden gebruikt in 2D-, 3D- en 4D-versies of in verschillende combinaties om de pathomechanische effecten van specifieke posities of houdingen te illustreren en te karakteriseren. Vanwege het eenvoudige en flexibele ontwerp dient het model als een sjabloon dat door onderzoekers kan worden aangepast om hun specifieke vragen en gegevensparameters weer te geven. Dergelijke parameters omvatten bijvoorbeeld anatomische informatie op basis van geslacht en diergrootte, 3D-bewegingsanalysegegevens, schattingen van de kracht van zacht weefsel en traagheidseigenschappen. Het model maakt dus een meer gedetailleerde analyse van specifieke gebieden of gewrichten mogelijk, terwijl het ook de basis biedt voor het opzetten van experimenten die niet kunnen worden uitgevoerd op levende paarden. Vanwege praktische beperkingen met betrekking tot de beschikbaarheid van specimens (bijvoorbeeld de ribben gesneden) en de scanner, is het paardenmodel voor het hele lichaam het resultaat van het samenvoegen van gegevens van drie paardenspecimens. Het model is dus geen perfecte weergave van een enkel individu, maar is gestandaardiseerd om individuele variabiliteit breder weer te geven. Kortom, het is een sjabloon dat moet worden gebruikt en aangepast aan de behoeften van onderzoekers. CT-scans van de romp, het hoofd en de nek en ledematen werden verkregen van twee paardenspecimens van ongeveer dezelfde grootte met een 64-slice CT-scanner met behulp van een botalgoritme, toonhoogte van 0,9, 1 mm slice. CT-scans van een set ribben werden verkregen met een 64-slice CT-scanner met behulp van een botalgoritme, pitch van 0,9, 0,64 mm slices.

Anatomische integriteit van de benige gewrichten (bijv. in de ledemaat) werd gehandhaafd. De zachte weefsels die beschikbaar zijn in de CT-scans werden ook gebruikt om de plaatsing van de botten te bevestigen. Omdat sommige hele ribben en de proximale delen van alle ribben beschikbaar waren en op het thoraxmonster werden gescand, konden de afzonderlijk gescande ribben nauwkeurig worden gedimensioneerd en binnen het skeletmodel voor het hele lichaam worden geplaatst. De resulterende CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) -gegevens werden geïmporteerd in de 3D-visualisatiesoftware (zie de tabel met materialen) en individuele botten werden gesegmenteerd in individuele datasets (d.w.z. botnetten). De individuele 3D-botnetten werden vervolgens geïmporteerd in de 3D-animatie- en modelleringssoftware (Table of Materials) waar ze, indien nodig, werden gedimensioneerd en samengevoegd tot een compleet paardenskelet ter voorbereiding op rigging - een grafische methode om de botnetten te verbinden zodat hun bewegingen zijn gekoppeld (figuur 1).

Protocol

1. Voorpoot tuigage

  1. Plaats grafische gewrichten in de voorpoot in alle bewegingsgebieden.
    OPMERKING: De resulterende gewrichtsplaatsing is een gezamenlijke keten van het schouderblad naar het distale uiteinde van het kistbot (figuur 2A). In het gebied van de carpale botten worden 3 gewrichten in de buurt gebruikt om de buigradius te vergroten.
    1. Druk op de F3-toets om de set Rigging Menu in te schakelen. Selecteer in de menu's Skeleton | Verbindingen maken om het gereedschap Verbindingen maken te selecteren.
    2. Klik in het deelvenster Weergave van de software in de geschatte gebieden van de verbindingen in figuur 2A in de volgorde van 1 tot 10 en druk op enter.
    3. Pas de positie van de gewrichten aan door op de gewenste verbinding te klikken en gebruik de Move Tool door op de W-toets te drukken om de verbinding in de gewenste positie te vertalen. U kunt ook een verbinding aanpassen door op de gewenste verbinding te klikken en de waarden Vertalen X, Vertalen Y en Vertalen Z in het deelvenster Kanaalvak/Laageditor te wijzigen.
  2. Maak 5 afzonderlijke inverse kinematische handgrepen (IK-handgrepen) (verbindingen worden aangeduid met de nummers in figuur 2A).
    1. Selecteer in de menu's Skeleton | IK-ingang maken om het gereedschap IK-handle maken te selecteren. Selecteer met het gereedschap IK-handle maken verbinding 1 en vervolgens verbinding 3; geef deze IK-handle Front Leg IK in het deelvenster Outliner . Selecteer met het gereedschap IK-handle maken verbinding 3 en vervolgens verbinding 7; noem deze IK-handle Front Lower IK.
    2. Selecteer met het gereedschap IK-handle maken verbinding 7 en vervolgens verbinding 8; geef deze IK-handle Front Toe 1 IK in het deelvenster Outliner . Selecteer met het gereedschap IK-handle maken verbinding 8 en vervolgens voeg 9; geef deze IK-handle Front Toe 2 IK in het deelvenster Outliner . Selecteer met het gereedschap IK-handle maken verbinding 9 en vervolgens voeg 10; noem deze IK-handle Front Toe 3 IK in het deelvenster Outliner .
  3. Voorpootregelaars maken
    1. Maak een nurbs-cirkel (Non-Uniform Rational B-Splines) met het gereedschap Cirkel in het menu | NURBS Primitieven | Cirkel.
    2. Maak twee NURBS-cirkels en verplaats ze met het gereedschap Verplaatsen om verbinding 3 en voeg 10 te omcirkelen en geef ze respectievelijk Front Ctrl en Front Lower Ctrl in het deelvenster Outliner .
    3. Maak een NURBS-cirkel; selecteer de cirkel en wijzig in het deelvenster Kanaalvak/Laageditor de waarde Z roteren in 90. Plaats het met het gereedschap Verplaatsen op de punt van gewricht 10 en geef het de naam Voorzet ctrl in het deelvenster Overzicht .
  4. Groep Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK en Front Toe 3 IK door ze alle drie te selecteren en op de CTRL + G-toetsen te drukken. Geef deze groep de naam Front Toe Group in het deelvenster Outliner . Koppel de IK-handgrepen en Front Toe Group aan de besturingselementen.
    OPMERKING: Het is belangrijk om Shift + te selecteren in de exacte volgorde die hieronder wordt beschreven om een goede bovenliggende boom te garanderen.
    1. Selecteer Front Leg IK, vervolgens Front Ctrl in het deelvenster Outliner en druk op de P-toets .
    2. Selecteer Voorste onderste Ctrl en vervolgens Front Ctrl in het deelvenster Outliner en druk op de P-toets .
    3. Selecteer Front Lower IK, vervolgens Front Lower Ctrl in het deelvenster Outliner en druk op de P-toets .
    4. Selecteer Voor veeg Ctrl, vervolgens Voorste onderste Ctrl in het deelvenster Overzicht en druk op de P-toets .
    5. Selecteer Front Toe Group, vervolgens Front Flick Ctrl in het deelvenster Outliner en druk op de P-toets .
  5. Gebruik het gereedschap Huid binden om de botnetten, met uitzondering van sesamoïde botten, inclusief naviculare botten, aan het meest proximale gewricht te binden. Zorg ervoor dat elk botgaas slechts aan één gewricht is gebonden.
    1. Klik op het botgaas, Shift + klik op het meest proximale gewricht en selecteer het gereedschap Huid binden onder Skin | Bind de huid.
  6. Rigging sesamoïde botten en het naviculare bot
    1. Maak een verbinding, plaats deze in het midden van het sesamoïde bot en druk op Enter . Selecteer in het deelvenster Beeld het sesamoïde botnet en Shift + klik op het gewricht in het midden van het bot. Gebruik het gereedschap Skin binden om het gaas aan het gewricht te binden.
      OPMERKING: Het sesamoïde bot kan nu worden gemanipuleerd met de gereedschappen Verplaatsen en Roteren voor aanpassing bij het wijzigen van de beenpositie.
    2. Selecteer in het deelvenster Beeld het gewricht in het sesamoïde bot, Shift + klik op het dichtstbijzijnde gewricht in de voorpoot en druk op de P-toets .
      OPMERKING: Dit ouders het gewricht in het sesamoïde bot naar de voorpoot.
    3. Herhaal stap 1.6.1 tot en met 1.6.2 voor andere sesamoïde botten en het naviculare bot.
  7. Herhaal stap 1.1 tot en met 1.6 voor de andere voorpoot.
    OPMERKING: Het gewricht bij het schouderblad kan worden geselecteerd en vertaald in alle 3 richtingen (6 vrijheidsgraden) met behulp van het gereedschap Verplaatsen .

2. Achterste tuigage

  1. Plaats gewrichten in de achterklep in alle bewegingsgebieden om een gewrichtsketting te verkrijgen van de kop van de demur tot het distale uiteinde van het kistbot (figuur 2B).
  2. Maak 5 afzonderlijke IK-handles (verbindingen worden verwezen naar de nummers in figuur 2B).
    1. Selecteer met het gereedschap IK-handgreep maken verbinding 11 en vervolgens verbinding 12; geef deze IK-handle de naam Hind IK in het deelvenster Outliner . Selecteer met het gereedschap IK-handgreep maken verbinding 12 en vervolgens verbinding 14; geef deze IK-handle de naam Hind Lower IK in het deelvenster Outliner .
    2. Selecteer met het gereedschap IK-handgreep maken verbinding 14 en vervolgens verbinding 15; geef deze IK-handle Hind Toe 1 IK in het deelvenster Outliner . Selecteer met het gereedschap IK-handgreep maken verbinding 15 en vervolgens verbinding 16; noem deze IK-handle Hind Toe 2 IK in het deelvenster Outliner .
    3. Selecteer met het gereedschap IK-handgreep maken verbinding 16 en vervolgens verbinding 17; noem deze IK-handle Hind Toe 3 IK in het deelvenster Outliner .
  3. Hindlimb-besturingselementen maken
    1. Maak twee NURBS-cirkels met de naam Hind Ctrl en Hind Lower Ctrl en verplaats ze om respectievelijk gewricht 12 en gewricht 17 te omcirkelen.
    2. Maak een NURBS-cirkel met de naam Hind Flick Ctrl. Maak deze cirkel verticaal en plaats deze op de punt van gewricht 10.
  4. Groep Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK en Hind Toe 3 IK door ze alle drie te selecteren en op CTRL + G te drukken. Noem deze groep Hind Toe Group.
  5. Koppel de IK-handles en Hind Toe Group aan de besturingselementen. Zorg ervoor dat u Shift + selecteert in de exacte volgorde die hieronder wordt beschreven om een goede bovenliggende boom te garanderen.
    1. Selecteer Hind IK, vervolgens Hind Ctrl en druk op de P-toets.
    2. Selecteer Hind Lower Ctrl, vervolgens Hind Ctrl en druk op de P-toets .
    3. Selecteer Hind Lower IK, vervolgens Hind Lower Ctrl en druk op de P-toets .
    4. Selecteer Hind Flick Ctrl, vervolgens Hind Lower Ctrl en druk op de P-toets .
    5. Selecteer Hind Toe Group, vervolgens Hind Flick Ctrl en druk op de P-toets .
  6. Gebruik het gereedschap Huid binden om de botnetten aan het meest proximale gewricht te binden. Zorg ervoor dat elk botgaas aan slechts één gewricht is gebonden.
    1. Klik op het botgaas, Shift + klik op het meest proximale gewricht en selecteer het gereedschap Skin binden onder Skin | Bind de huid.
  7. Rigging patella, sesamoïde botten en navicular bot
    1. Maak een verbinding, plaats deze in het midden van de patella en druk op enter . Selecteer in het deelvenster Beeld het patellagaas en Shift + klik op de verbinding in de patella. Gebruik het gereedschap Skin binden om het gaas aan het gewricht te binden.
      OPMERKING: De patella kan nu worden gemanipuleerd met behulp van de gereedschappen Verplaatsen en Roteren voor aanpassing bij het wijzigen van de beenpositie.
    2. Selecteer in het deelvenster Beeld het gewricht in de patella, Shift + klik op het dichtstbijzijnde gewricht in de voorpoot en druk op de P-toets om het gewricht in de patella naar de voorpoot te brengen.
    3. Herhaal stap 2.7.1 en 2.7.2 voor de sesamoïde botten en het naviculare bot.
  8. Herhaal stap 2.1 tot en met 2.7 voor de andere achterklep.

3. Lint rug rigging

  1. Maak een NURBS-vlak met gewijzigde opties met een lengte die ongeveer gelijk is aan de lengte van de wervelkolom met 1 U-patch en # V-patches, waarbij # het aantal thoracale en lumbale wervels is.
    OPMERKING: Voor dit papier is de lengte 20 met 22 V-patches.
    1. Selecteer het vierkant naast het gereedschap Vlak maken onder | NURBS Primitieven | Vliegtuig.
  2. Bouw het vliegtuig opnieuw op met gewijzigde opties.
    1. Druk op de F2-toets om de set modelleringsmenu's te openen. Selecteer het vlak in het weergavevenster en selecteer de instellingen van het gereedschap Opnieuw opbouwen door het vierkant naast het gereedschap Opnieuw opbouwen te selecteren onder Oppervlakken | Herbouwen. Gebruik de volgende opties: aantal reeksen U = 1; aantal reeksen V = # (22 in dit geval); selecteer "1 Lineair" voor zowel de opties Graad U als Graad V; de andere instellingen op standaard te houden; en druk op de knop Rebuild (Rebuild ).
  3. Maak nhairs met gewijzigde opties.
    1. Druk op de F5-toets om de FX-menuset te openen. "Selecteer het vlak in het weergavevenster en gebruik het gereedschap Haar maken met gewijzigde opties door het vierkant naast nHair | Maak haren. Gebruik de volgende opties: uitvoer ingesteld op NURBS-curven; U tellen =1; V-telling = # (22 in dit geval); houd de andere opties standaard; en druk op de knop Haren maken .
  4. Verwijder het volgende in het deelvenster outliner: nucleus1, hairSystem1OutputCurves group en hairSystem1. Vouw de groep met het label hairSystem1Follicles volledig uit en verwijder alle items met curve__.
    OPMERKING: Het resultaat moet een groep met het label hairSystem1Follicles achterlaten die een lijst met items bevat die nurbsPlane_Follicle____ zijn gelabeld.
  5. Selecteer het vlak en verplaats en oriënteer het zo dat het ongeveer overlapt met de rug met behulp van het gereedschap Verplaatsen en Roteren . Selecteer het vlak, houd de rechtermuisknop ingedrukt en selecteer Vertex bedienen om alle hoekpunten van het vlak zichtbaar te maken.
  6. Verplaats de hoekpunten om de follikels te oriënteren tussen de wervels op de hoogte waar het ruggenmerg zou zijn. Maak # aantal afzonderlijke verbindingen (22 in dit geval) op elke plaats in het deelvenster Weergave , omdat de positie van deze verbindingen in latere stappen wordt gecorrigeerd.
  7. Ouder een joint met een nurbsPlane_Follicle____ zodat elk een enkel gewricht onder zijn boom heeft.
    1. Selecteer in het deelvenster Outliner een verbinding die is gemaakt in stap 3.6, ctrl + klik vervolgens op een nurbsPlane_Follicle____ en druk op de P-toets . Herhaal 3.7.1 met de andere verbindingen die in stap 3.6 zijn gemaakt en de andere nurbsPlane_Follicle____ objects.
  8. Selecteer in het deelvenster Outliner Ctrl + alle verbindingen; stel in het deelvenster Chanel Box/Layer Box X, Y en Z vertalen in op 0. Dupliceer alle verbindingen door Ctrl + alle verbindingen in het deelvenster Outliner te selecteren en op de Ctrl + D-toetsen te drukken. Alle dubbele verbindingen ontkoppelen door Ctrl + alle dubbele verbindingen in het deelvenster Outliner te selecteren en op de Shift + P-toetsen te drukken
  9. Bind de gewrichten onder nurbsPlane_Follicle____ met hun respectievelijke wervelgaas.
    1. Druk op de F3-toets om de menuset Rigging te openen. Klik op het originele gewricht (niet het dubbele gewricht) onder nurbsPlane_Follicle____, Shift + klik op het betreffende wervelgaas en gebruik vervolgens het gereedschap Huid binden onder Skin | Bind de huid. Herhaal deze acties in stap 3.9.1 voor elk gewricht en wervelgaas.
  10. CTRL + klik op alle dubbele verbindingen en het vlak en gebruik het gereedschap Skin binden om alle dubbele verbindingen aan het vlak te binden.
    OPMERKING: De dubbele gewrichten kunnen nu worden gemanipuleerd om de wervels te beheersen.
  11. Herhaal stap 3.1 tot en met 3.10 voor de hals- en staartwervels.

4. Rib- en borstbeentuiging

  1. Plaats afzonderlijke gewrichten aan de ribbenkop, aan het proximale uiteinde van het kraakbeen en aan het distale uiteinde van het kraakbeen. Breng het gewricht aan het proximale uiteinde van het kraakbeen van de kust naar het gewricht aan de ribbenkop.
  2. Ouder het gewricht aan het distale uiteinde van het costale kraakbeen naar het dichtstbijzijnde gewricht aan het proximale uiteinde van het costale kraakbeen. Ouder het gewricht aan de ribkop naar het wervelkolomgewricht dat de wervels caudaal naar de rib bestuurt.
  3. Gebruik in het menu Rigging onder het tabblad Huid het gereedschap Huid binden om de rib aan het gewricht aan het hoofd en het kraakbeen aan zowel de gewrichten aan het proximale uiteinde als het distale uiteinde te binden.
  4. Herhaal stap 4.1 tot en met 4.3 voor elke rib.
  5. Plaats afzonderlijke gewrichten aan het meest craniale uiteinde van elk sternaal segment. Ouder elk sternaal segmentgewricht naar het spinale gewricht dat het meest dorsaal is voor elk sternaal segmentgewricht. Gebruik in de menuset Rigging onder het tabblad Skin het gereedschap Skin binden om het sternale segment aan het gewricht te binden.

5. Positionering en animatie

  1. Selecteer een frame in de tijdlijn.
  2. Plaats het model en de besturingselementen. Importeer een afbeelding om als referentie te gebruiken door een vrij afbeeldingsvlak te maken.
    OPMERKING: De beelden van Muybridge13 van het paard tijdens de wandeling werden gebruikt als proof of concept.
    1. Terwijl het vrije afbeeldingsvlak is geselecteerd, selecteert u het afbeeldingsbestand op het tabblad Kenmerkeditor en in het vervolgkeuzemenu Kenmerken van afbeeldingsvlak .
  3. Selecteer alle besturingselementen en de gewrichten voor wervelkolombesturing en druk op de S-toets om ze op te slaan als een sleutelframe.
  4. Langs verschillende frames langs de tijdlijn, beweeg en roteer de bedieningselementen en wervelkolomcontrolegewrichten en druk op S.
    OPMERKING: Door besturingselementen en wervelkolomcontrolegewrichten te verplaatsen en op te slaan als sleutelframes langs verschillende punten van de tijdlijn, wordt een animatie gemaakt. Er hoeft geen sleutelframe te zijn ingesteld langs elk frame van de tijdlijn; alleen kritieke posities of timings moeten worden ingekaderd. De 3D-animatie- en modelleringssoftware interpoleert tussen de sleutelposities van elk controle- en wervelkolomcontrolegewricht, waardoor een vloeiende animatie ontstaat.

Resultaten

Het resultaat van de methode was een 3D volledig paardenskeletmodel in de 3D-animatie- en modelleringssoftware dat nauwkeurige anatomische positionerings- en bewegingssimulaties mogelijk maakt. Het model zelf heeft een grafisch riggingsysteem gedelegeerd aan de voorpoten, achterpoten, wervelkolom, nek en ribbenkast. Het 3D-model kan door meerdere personen in verschillende houdingen (figuur 3 en figuur 4) worden geplaatst. De bewegingen van het 4D-model (in beweging) zijn vergeleken met video's van de zijkant, achterkant en voorkant, evenals met dronebeelden boven het hoofd om de beweging van de wervelkolom en video van paarden tijdens de wandeling (video), galop en draf nauwkeuriger weer te geven om animaties van die gangen te maken.

figure-results-1
Figuur 1: Het 3D-paardenmodel kan in verschillende houdingen worden verplaatst en worden geanimeerd om bewegingen van het hele lichaam in verschillende gangen te demonstreren in de 3D-animatie- en modelleringssoftware. (A, C) Grafische riggingsystemen voor het paard. De grafische lintrug die natuurlijke beweging van de benige wervelkolom mogelijk maakt, wordt geïllustreerd door het groene vlak. De bedieningselementen die worden gebruikt om de verschillende grafische rigs en de bijgevoegde botnetten te verplaatsen, worden geïllustreerd door de gele ovalen en kruispijlen op het model. (A) Staande positie. C) Opfokpositie. (B, D) Het model met de botgaas bevestigd aan het grafische tuigagesysteem. De posities van de bedieningselementen veranderen de positie van het skelet van het paard. (B) Staand paard. (D) Opfokpaard. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: De tuigage van elke ledemaat met gewrichten maakt positionering en het creëren van beweging mogelijk. (A) Voorpoot met grafische gewrichten aangegeven met nummers 1-10. (B) Achterwand met grafische verbindingen aangegeven met de nummers 11-17. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Het 3D-paardenmodel werd gekoppeld aan klassieke Muybridge13-foto's als proof of concept en om de eerste animaties te maken. (A) Muybridge foto's van een paard tijdens de wandeling. (B) Het 3D-paardenmodel over de foto's heen gelegd om als keyframes in de animatie te worden gebruikt. (C) Het 3D-paardenmodel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Het 3D-paardenmodel kan in verschillende houdingen worden verplaatst (bijvoorbeeld de transversale rotatie van de wervelkolom die hier wordt gedemonstreerd) om de relatie van dergelijke houdingen tot pathmechanische krachtregimes en de resulterende degeneratie van de aangetaste skeletelementen, gewrichten en zachte weefsels te begrijpen. (A) Een grafische 2D-weergave van een normale houding van een paard (met ruiter) met behulp van grafisch gemanipuleerde foto's van een paardenskelet in vergelijking met een stilstaand beeld van een paard het 3D-paardenmodel met het hoofd en de halswervels verborgen om de visualisatie van de thorax mogelijk te maken. (B) Een grafische 2D-weergave van een paard (met ruiter) met een transversale rotatie van de wervelkolom met behulp van grafisch gemanipuleerde foto's van een paardenskelet in vergelijking met een stilstaand beeld van het 3D-paardenmodel met het hoofd en de halswervels verborgen om de visualisatie van de thorax mogelijk te maken. Let hier op het effect van de transversale rotatie op het skelet en de ledematen van het lichaam. De afgebeelde positie zou de linkervoorpoot overbelasten, wat werd ondersteund door het samendrukken en kraken van de linker voorhoefwand bij het levende paard. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Video. Het 4D Paard. Sleutelposities van het skelet, zoals afgestemd op de Muybridge13 foto's van het paard, zijn geïnterpoleerd om een animatie van het paard tijdens een wandeling te maken. De beweging is te zien vanaf de voorkant, zijkant, bovenkant en achterkant. Klik hier om deze video te downloaden.

Discussie

Dit protocol demonstreert hoe je een 3D-skeletmodel voor het hele lichaam van een organisme kunt maken en laat zien hoe je het hele lichaam paardenskeletmodel kunt gebruiken dat in dit artikel wordt beschreven. Het model bevindt zich momenteel in een formaat dat een specifieke 3D-animatie- en modelleringssoftware vereist, die een behoorlijke leercurve heeft voor nieuwe gebruikers. Een versie van deze software is echter vrij beschikbaar voor degenen die verbonden zijn aan een universiteit. Hoewel het modelleren van de houding en beweging van het hele lichaam wordt gebruikt om menselijke atleten te beoordelen en om oorzaken van mechanisch geïnduceerde chronische verwondingen te identificeren11, wordt het minder vaak gedaan bij paardensporters. Om deze aanpak te gebruiken voor de beoordeling van de mogelijke oorzaken van atletische blessures en prestatieproblemen bij paarden, werd een realistisch skeletachtigenmodel voor het hele lichaam gemaakt op basis van CT-gegevens met behulp van de 3D-visualisatiesoftware en 3D-animatie- en modelleringssoftware. Dit model verschilt van andere paardenmodellen die ofwel artistieke grafische recreaties van het skelet zijn (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) of die alleen de ledematen 14,15,16,17 weergeven. In dit model voor het hele lichaam waren voorpoten, achterpoten, wervelkolom en ribbenkast allemaal opgetuigd en hadden bedieningselementen bevestigd die eenvoudige manipulatie van het model mogelijk maken voor realistische en nauwkeurige positionering en animatie.

Het protocol dat wordt gebruikt om het model op te tuigen, maakt herhaalbaarheid en toekomstige wijzigingen mogelijk om aan de behoeften van het specifieke paard te voldoen, waardoor geïndividualiseerde analyse mogelijk wordt. Het paardenmodel is dus een hulpmiddel dat door onderzoekers kan worden gebruikt bij het analyseren van beweging. Het is echter geen geautomatiseerd programma dat antwoorden geeft zonder de invoer van parameters die specifiek zijn voor het dier dat wordt gemodelleerd en de vraag wordt behandeld, omdat de nauwkeurigheid van het model direct verband houdt met de sterkte van een bepaalde analyse. De mogelijkheid om parameters in te voeren maakt het ook mogelijk om het model voortdurend bij te werken met gegevens uit toekomstige onderzoeksstudies. Bovendien kan dit grafische riggingprotocol worden toegepast en / of aangepast om de anatomische verschillen tussen individuen weer te geven. Het kan ook worden aangepast om andere dieren effectief te modelleren. Het 3D-paardenmodel kan eenvoudig worden gemanipuleerd en gepositioneerd om posities en bewegingen te simuleren. Dit is vooral duidelijk bij de ledematen omdat hun bewegingen relatief eenvoudig te zien en te modelleren zijn.

De grafische gezamenlijke positionering in het model werd bepaald door een vergelijkbare benadering als die in andere studieswerd gebruikt 18,19. De botnetten werden in een neutrale positie geplaatst. Grafische gewrichten werden zo geplaatst dat de botten vrij konden draaien zonder een botsing met andere botnetten te veroorzaken. In de cijfers werd de grafische verbinding geplaatst op het punt waar een bol samenviel met de bewegingsoppervlakken. Het grafische gewricht van het schouderblad werd bij benadering in het midden van het schouderblad geplaatst. Deze positionering van de grafische verbinding maakt het mogelijk om deze in 6 vrijheidsgraden te bewegen om de schouderblad in de gewenste positie te oriënteren. In tegenstelling tot de ledematen is de beweging van de wervelkolom niet gemakkelijk te zien, is complexer dan vaak wordt gerealiseerd en is dus moeilijker te modelleren. Hoewel het model de flexibiliteit heeft om te worden gebruikt om bewegingen en problemen bij specifieke spinale gewrichten te onderzoeken, moest het ook in staat zijn om de vaak moeilijk te onderscheiden bewegingen van de hele wervelkolom weer te geven. Het gebruik van de "lintrug" zorgt voor een meer realistische beweging van de wervelkolom tijdens animaties.

Dit is belangrijk omdat de wervelkolom bij paarden, zoals bij mensen is gevonden, vaak de oorzaak is van problemen die mogelijk verband houden met afwijkende biomechanische bewegingen en letsel aan de ledematen. Een kracht van dit model is het vermogen om nauwkeurig wervelkolomposities aan te tonen, zoals transversale wervelrotaties20 (figuur 4). Hoe deze houdingen de ledematen in drie dimensies beïnvloeden tijdens verschillende gangen kan worden bepaald door het model te gebruiken in combinatie met kinematische en krachtanalyse (bijv. Drukplaatstudies om verhoogde belasting van de ledematen en statische krachtanalyse te bevestigen). Weke delen musculofasciale componenten worden momenteel toegevoegd aan het skeletmodel van het hele lichaam. Toekomstige doelen zijn om het gebruik van het model in 3D-biomechanische analyse uit te breiden voor studies van paardenlamme toestand. Een dergelijke uitbreiding zou het gebruik van het model omvatten om 3D-krachtanalyses te voltooien die gezonde en ongezonde houdingen vergelijken en het model registreren met 3D-gegevenspunten die zijn verzameld in motion capture-studies om een effectievere visuele weergave van beweging te bieden.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben verklaard geen belangenconflicten te hebben.

Dankbetuigingen

De auteurs erkennen de heer Jean Luc Cornille, Science of Motion, voor zijn inbreng in de nauwkeurigheid van het modelleren; Dr. Martha Littlefield en Mr. James Ray (LSU SVM), en Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett en Mr. Brent Norwood (UGA CVM) voor toegang tot anatomische specimens; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) en Dr. L. Abbigail Granger en Mr. Mark Hunter (LSUSVM) voor het uitvoeren van CT-scans; en niet-gegradueerde onderzoekers Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois en Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) voor hun werk met betrekking tot dit onderzoek. Financiering werd verkregen van het Equine Health Studies Program van de Louisiana State University School of Veterinary Medicine via een Charles V. Cusimano-beurs.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Ageciteerd in tekst als "3D visualisatiesoftware"
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Ageciteerd in tekst als "3D animatie- en modelleringssoftware"; Gratis studentenversie

Referenties

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

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Driedimensionale modelleringbiomechanica van het gehele lichaamequine kinematicabiomechanische modelleringskeletanimatiejoint riggingdegeneratieve artrosehoudingsstoornis

Gerelateerde artikelen