Constructie van een realistisch, whole-body, driedimensionaal paardenskeletmodel met behulp van computertomografiegegevens
25 februari 2021
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.
Een realistisch skeletmodel van een paard wordt gemaakt van computertomografiegegevens van paarden die kunnen worden gemanipuleerd om de functionele, anatomische en biomechanische modellering van het hele paardenlichaam te begrijpen. De techniek maakt een snelle en eenvoudige positionering van het model mogelijk om verschillende paardenhoudingen te karakteriseren. Het model kan helpen bij het karakteriseren van paardenhoudingen geassocieerd met degeneratieve weefselziekten en het identificeren van houdingen die mechanische stress verminderen.
De methode kan worden aangepast en aangepast om te helpen bij het modelleren van andere soorten voor klinische doeleinden, zoals honden of andere academische bezigheden zoals het modelleren van evolutionaire overgangen. De procedure wordt gedemonstreerd door Alex Lee, een afgestudeerde student van het Osborn-laboratorium, hier getoond met Dr.Osborn. Begin met het plaatsen van grafische gewrichten in de voorpoot in alle bewegingsgebieden.
Druk op de F3-toets om de rigging-menuset in te schakelen. Klik in de menu's op Skeleton en Create Joints om het gereedschap Joints maken te selecteren. Klik in het deelvenster Weergave van de software in de geschatte gebieden van de gewrichten in de volgorde van één tot 10 en druk op de enter-toets.
Pas de positie van de gewrichten aan door op de gewenste verbinding te klikken en het bewegingsgereedschap te gebruiken, uitgevoerd 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 vak Kanaal of het deelvenster Laageditor te wijzigen. Maak vervolgens vijf afzonderlijke inverse kinematische handgrepen.
Klik in de menu's op Skeleton en Create IK Handle om het gereedschap IK Handle maken te selecteren. Gebruik het gereedschap IK-handle maken om één te maken en vervolgens drie te voegen en deze IK-handle Ik ik te noemen in het deelvenster Outliner. Gebruik vervolgens de tool en selecteer gewricht drie en gewricht zeven.
Noem deze IK-handle, Front Lower IK. Gebruik de tool en selecteer de gewrichten zeven en acht en noem deze IK-handgreep Front Toe 1 IK. Herhaal de stap met de gewrichten acht en negen om de Front Toe 2 IK te maken. Vervolgens met de gewrichten negen en 10 om de Front Toe 3 te maken IK.To voorpootregelaars te maken, een niet-uniforme rationele B-splines of NURBS-cirkel te maken door NURBS-primitieven maken en Cirkel te selecteren. Maak twee NURBS-cirkels rond gewricht 3 en voeg 10 en noem ze respectievelijk Front Control" en Front Lower Control in het deelvenster Outliner. Maak een andere NURBS-cirkel en selecteer deze.
Wijzig in het vak Kanaal of het deelvenster Laageditor de waarde Z roteren in 90. Plaats het met het gereedschap Verplaatsen op de punt van gewricht 10 en noem het Front Flick Control" in het deelvenster Outliner. Groep Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK en Front Toe 3 IK door Control alle drie te selecteren en op de G-toets te drukken.
Geef deze groep de naam Front Toe Group"in het deelvenster Outliner. Koppel de IK-handgrepen en frontteengroep aan de bedieningselementen, door eerst control de Front Leg IK te selecteren en vervolgens de Front Control en druk op de P-toets. Control selecteert de Front Lower Control, vervolgens de Front Control en druk op de P-toets.
Control selecteer de Front Lower IK, vervolgens de Front Lower Control en druk op de P-toets. Control selecteert de Front Flick Control, vervolgens de Front Lower Control en druk op de P-toets. Control selecteert de Front Toe Group, vervolgens de Front Flick Control en druk op de P-toets.
Gebruik vervolgens het gereedschap Skin binden om de botnetten aan de gewrichtsinstallatie te binden. Selecteer het botgaas en verschuif het meest proximale gewricht en gebruik het gereedschap Skin binden onder Skin en Bind Skin. Maak met het gereedschap Gewrichten maken een verbinding in het sesamoïde botnet.
Bind met het gereedschap Skin binden het sesamoïde botgaas aan het gewricht. Selecteer het gewricht in het sesamoïde bot en verschuif selecteer het dichtstbijzijnde voorpootgewricht en druk op de P-toets om het te bovenliggen. Maak een NURBS-vlak met een lengte die ongeveer gelijk is aan de lengte van de wervelkolom.
Selecteer 1 voor U-patch en het aantal thoracale en lumbale wervels voor V-patch. Selecteer het vierkant naast het gereedschap Vlak maken onder NURBS-primitieven maken en Vlak. Als u het vliegtuig opnieuw wilt opbouwen met gewijzigde opties, drukt u op de F2-toets om de menuset Modellering te openen.
Selecteer het vlak in het deelvenster Weergave en selecteer de instellingen van het gereedschap Opnieuw opbouwen door het vierkant naast het gereedschap Opnieuw opbouwen te selecteren onder Oppervlakken en Opnieuw opbouwen. Selecteer het aantal reeksen U als 1, het aantal reeksen V als het getal voor V-patch en 1 lineair voor zowel de opties Graad U als Graad V. Houd de andere instellingen op standaard en druk op de knop Opnieuw opbouwen.
Als u nHairs wilt maken, drukt u op de F5-toets om de FX-menuset te openen. Gebruik het gereedschap Haar maken met gewijzigde opties door het vierkant naast nHair en Haren maken te selecteren. Stel de uitvoer in op NURBS-curven, U-telling op 1, V-telling op het getal voor V-patch en druk vervolgens op de knop Haren maken.
Verwijder nucleus1, hairSystem1OutputCurves group en hairSystem1 in het deelvenster Outliner. Vouw de groep met het label hairSystem1Follicles volledig uit en verwijder alle items met een curve. Selecteer het vlak en verplaats het en oriënteer het zo dat het ruwweg overlapt met de rug met behulp van de gereedschappen Verplaatsen en Roteren.
Selecteer het vlak, houd de rechtermuisknop ingedrukt en selecteer Vertex bedienen om alle hoekpunten van het vlak zichtbaar te maken. Beweeg de hoekpunten om de follikels tussen de wervels te oriënteren op de hoogte waar het ruggenmerg zou zijn. Maak een aantal afzonderlijke verbindingen op elke plaats in het deelvenster Beeld.
De positie van deze gewrichten zal in latere stappen worden gecorrigeerd. Selecteer in het deelvenster Outliner een gemaakte verbinding, selecteer vervolgens Control een nurbsPlaneFollicle en druk op de P-toets. Herhaal dit met de andere gewrichten die in de vorige stap zijn gemaakt en de andere nurbsPlaneFollicle-objecten.
Selecteer in het deelvenster Outliner alle verbindingen. Stel in het vak Kanaal of het vak Laag de translate X, Y en Z in op nul. Control selecteer alle verbindingen in het deelvenster Outliner en druk op de Toetsen Control en D om ze te dupliceren.
Control selecteer alle dubbele verbindingen in het deelvenster Outliner en druk op de Shift- en P-toetsen om ze te ontkoppelen. Bind de gewrichten onder nurbsPlaneFollicle met hun respectievelijke wervelgaas door op de F3-toets te drukken om de menuset Rigging te openen. Klik op het originele gewricht onder nurbsPlaneFollicle, Shift selecteer het betreffende wervelgaas.
Gebruik vervolgens het gereedschap Skin binden onder Skin en Bind Skin. Herhaal deze acties voor elk gewricht en wervelgaas. Controleer alle dubbele gewrichten en het vlak en gebruik het gereedschap Skin binden om alle dubbele verbindingen aan het vlak te binden.
In de 3D-animatie- en modelleringssoftware maakt de grafische lintrug de natuurlijke beweging van de benige wervelkolom mogelijk. De software toont het model met de botnetten bevestigd aan het grafische rigging-systeem, waardoor het mogelijk is om de positie van de skeletten te regelen. De tuigage van elke ledemaat met gewrichten maakt positionering en het creëren van beweging mogelijk met behulp van grafische gewrichten met nummers 1 tot 10 voor voorpoten en grafische gewrichten met nummers 11 tot 17 voor achterpoten.
Het 3D-paardenmodel werd gekoppeld aan klassieke Muybridge-foto's als proof of concept en om de eerste animaties te maken. Het model kan worden verplaatst van een normale houding naar verschillende houdingen zoals een transversale rotatie van de wervelkolom, waardoor het mogelijk wordt om de relatie van houdingen tot pathomechanische krachtregimes en de resulterende degeneratie van de aangetaste skeletelementen, gewrichten en zachte weefsels te begrijpen. De bewegingen van het 4D-model zijn vergeleken met video's van de zijkant, achterkant en voorkant om de beweging van de wervelkolom nauwkeuriger weer te geven en met video's van paarden tijdens het lopen, galopperen en draven om animaties van die gangen te maken.
Het bestuderen van de mechanica van het hele lichaam is noodzakelijk om de effecten van degeneratieve gewrichtsaandoeningen te begrijpen. Dit model biedt een manier om de relatie tussen afwijkende bewegingen en houdingen en resulterende weefseldegeneratie te bestuderen. Dit unieke paardenmodel voor het hele lichaam op basis van computertopografiegegevens maakt de studie van dit onderzoeksgebied en andere mogelijk vanwege de flexibiliteit en het vermogen om door gebruikers te worden aangepast om hun specifieke vragen te beantwoorden.
Overzicht
Dit artikel presenteert een gedetailleerd protocol voor het creëren van een realistisch, manipuleerbaar 3D-skeletmodel van een paard met behulp van gegevens van computertomografie (CT). Het model maakt uitgebreide biomechanische en anatomische studies van de beweging van paarden mogelijk, met toepassingen in het begrijpen van degeneratieve weefselziekten en het ontwikkelen van geïndividualiseerde therapieën voor kreupelheid bij paarden.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Biomechanica
- Veterinaire Geneeskunde
- 3D-modellering en Animatie
Achtergrond
- Biomechanische beoordelingen van het hele lichaam zijn effectief voor preventie van letsel en revalidatie bij mensen, maar worden zelden toegepast op equine atleten.
- Degeneratieve artrose bij paarden kan het gevolg zijn van chronische houdingsdysfunctie, die vaak ver van de plaats van het letsel ontstaat.
- Het modelleren van de biomechanica van het hele lichaam is essentieel voor het identificeren van primaire dysfuncties die bijdragen aan weefseldegeneratie.
- Bestaande equine modellen missen de flexibiliteit en anatomische nauwkeurigheid die nodig zijn voor gedetailleerde kinematische studies.
Doel van de studie
- Om een realistisch, functioneel 3D-skeletmodel van een paard te ontwikkelen op basis van CT-gegevens.
- Om een protocol te bieden voor het construeren en animeren van dergelijke modellen voor biomechanisch onderzoek.
- Om de studie van equiene houdingen en bewegingen die geassocieerd zijn met degeneratieve weefselveranderingen mogelijk te maken.
Gebruikte methoden
- Acquisitie en reconstructie van equine CT-data tot individuele 3D-botdatasets met behulp van visualisatiesoftware.
- Assemblage van de botten tot een compleet 3D-skeletmodel.
- Rigging van het model met grafische gewrichten en inverse kinematische (IK) handles voor realistische beweging.
- Binding van botmeshes aan de joint rig en creatie van besturingselementen met behulp van NURBS-primitieven.
- Animatie van het model om equine gangen en houdingen te repliceren, gevalideerd aan de hand van klassieke Muybridge-foto's en videobeelden.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol maakt een snelle en nauwkeurige positionering van het skeletmodel van het paard mogelijk om verschillende houdingen te bestuderen.
- Het model kan houdingen karakteriseren die verband houden met degeneratieve weefselziekten en die identificeren die de mechanische stress verminderen.
- Bewegingen en houdingen kunnen in 4D worden geanimeerd, waardoor visualisatie van gezonde en ongezonde skeletdynamiek mogelijk is.
- De aanpak is aanpasbaar voor het modelleren van andere soorten of voor academische studies, zoals evolutionaire overgangen.
Conclusies
- Dit 3D-model van het paardenskelet biedt een krachtig instrument voor het bestuderen van de biomechanica van het hele lichaam en de relatie tussen beweging en weefseldegeneratie.
- Het protocol is flexibel en kan worden aangepast voor andere organismen of onderzoeksvragen.
- Dergelijke modellen kunnen bijdragen aan preventieve en rehabilitatieve therapieën voor degeneratieve kreupheid bij paarden.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Hoogwaardige, volledige 3D-skeletmodellen van het hele lichaam, afgeleid van CT-gegevens, maken mechanistische risicoreductie en voorspellende betrouwbaarheid in musculoskeletaal onderzoek mogelijk. Deze mogelijkheid ondersteunt de translationele continuïteit van ontdekking tot de ontwikkeling van preklinische modellen, in het bijzonder voor het begrijpen van biomechanische bijdragers aan degeneratieve weefselziekten. De aanpak verbetert de besluitvorming over de portfolio door de relatie tussen houding, beweging en weefseldegeneratie in grote diermodellen te verduidelijken.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt het toetsen van biomechanische hypothesen mogelijk die ten grond liggen aan degeneratieve gewrichtsaandoeningen.
- Ondersteunt functionele targetvalidatie door houdingsmechanica te koppelen aan weefselpathologie.
- Faciliteert mechanistische risicoreductie voor kandidaat-interventies gericht op de musculoskeletale gezondheid.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt een gevalideerd anatomisch kader voor de ontwikkeling van kwantitatieve bewegingsassays.
- Standaardiseert biomechanische metingen over verschillende houdingen en gangen voor reproduceerbaarheid.
- Maakt schaalbare, herhaalbare evaluatie van interventies in silico mogelijk voorafgaand aan in vivo studies.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt preklinische modellen uit met biomechanische eindpunten die relevant zijn voor de ziekte.
- Ondersteunt de continuïteit van computationele modellering naar dierstudies voor de ontwikkeling van translationele biomarkers.
- Vermindert de risico's bij beslissingen over verdere ontwikkeling door de impact van bewegingspatronen op weefseldegeneratie te verduidelijken.
Pipeline- & Workflowintegratie
Dit 3D-modelleringsprotocol slaat een brug tussen vroege ontdekking en preklinisch onderzoek door een herbruikbaar, aanpasbaar platform voor biomechanische analyse te bieden.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing naar de oorsprong van degeneratieve weefselveranderingen die verband houden met houding en beweging.
- Screening: Levert kwantitatieve, reproduceerbare resultaten voor het vergelijken van biomechanische interventies.
- Analytics: Maakt meting van gewrichtshoeken, houdingsstress en bewegingstrajecten mogelijk voor robuuste data-analyse.
- Translationeel Onderzoek: Faciliteert de afstemming van computationele en diermodellen voor de validatie van biomarkers en eindpunten.
- Enterprise Hergebruik: Aanpasbaar aan andere soorten en onderzoeksvragen, wat een brede bruikbaarheid voor R&D ondersteunt.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in musculoskeletaal onderzoek.
- Operationele waarde: Standaardiseert biomechanische modellering en ondersteunt reproduceerbaarheid tussen teams.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen door biomechanische risicofactoren voor weefseldegeneratie te verduidelijken.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering mogelijk van therapeutische strategieën gericht op bewegingsgerelateerde pathologieën.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in 3D-modellering, animatie en biomechanische analyse.
- Afhankelijk van toegang tot geavanceerde CT-beeldvorming en gespecialiseerde animatiesoftware.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor modelconstructie en datainterpretatie.
- Aanpasbaar aan verschillende soorten, maar kan protocolwijzigingen vereisen vanwege anatomische verschillen.
- Het huidige modelformaat brengt een leercurve met zich mee voor nieuwe gebruikers die niet bekend zijn met animatietools.
