Artykuł metodologiczny

Budowa realistycznego, obejmującego całe ciało, trójwymiarowego modelu szkieletu koni z wykorzystaniem danych z tomografii komputerowej

4.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/62276

⸱

25 lutego 2021

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

W tym artykule

Podsumowanie

Celem tego protokołu jest opisanie metody tworzenia realistycznego, obejmującego całe ciało, szkieletowego modelu konia, który może być wykorzystany do funkcjonalnego modelowania anatomicznego i biomechanicznego w celu scharakteryzowania mechaniki całego ciała.

Streszczenie

Terapie oparte na ocenie biomechanicznej całego ciała są skuteczne w zapobieganiu kontuzjom i rehabilitacji u sportowców. Podobne podejścia rzadko stosowano do badania urazów sportowych koni. Choroba zwyrodnieniowa stawów spowodowana stresem mechanicznym może wynikać z przewlekłej dysfunkcji postawy, która, ponieważ pierwotna dysfunkcja jest często oddalona od miejsca uszkodzenia tkanki, najlepiej zidentyfikować poprzez modelowanie biomechaniki całego ciała. Aby scharakteryzować kinematykę całego ciała koni, stworzono realistyczny model szkieletu konia na podstawie danych z tomografii komputerowej (CT) koni, które można wykorzystać do funkcjonalnego modelowania anatomicznego i biomechanicznego. Dane z tomografii komputerowej koni zostały zrekonstruowane w indywidualne trójwymiarowe (3D) zestawy danych (tj. kości) za pomocą oprogramowania do wizualizacji 3D i złożone w kompletny model szkieletu 3D. Model został następnie zmontowany i animowany za pomocą oprogramowania do animacji i modelowania 3D. Uzyskany w ten sposób model szkieletu 3D można wykorzystać do scharakteryzowania postaw koni związanych ze zmianami zwyrodnieniowymi tkanek, a także do identyfikacji postaw, które zmniejszają naprężenia mechaniczne w miejscach uszkodzenia tkanek. Ponadto, po animacji w 4D, model może być używany do demonstrowania niezdrowych i zdrowych ruchów szkieletu oraz może być wykorzystywany do opracowywania profilaktycznych i rehabilitacyjnych zindywidualizowanych terapii dla koni ze zwyrodnieniowymi kulawiznami. Chociaż model będzie wkrótce dostępny do pobrania, obecnie jest w formacie, który wymaga dostępu do oprogramowania do animacji i modelowania 3D, co ma sporą krzywą uczenia się dla nowych użytkowników. Protokół ten poprowadzi użytkowników do (1) opracowania takiego modelu dla każdego organizmu będącego przedmiotem zainteresowania oraz (2) wykorzystania tego konkretnego modelu koni do własnych pytań badawczych.

Wprowadzenie

Przewlekła kulawizna u koni jest często związana z postępującymi zmianami zwyrodnieniowymi tkanek podobnymi do tych w chorobie zwyrodnieniowej stawów (OA), głównym problemem zdrowia publicznego u ludzi1,2,3,4,5,6,7,8,9. W medycynie ludzkiej, ponieważ podejścia terapeutyczne skoncentrowane na leczeniu określonych zmian chorobowych (np. farmakoterapia i bezpośrednia naprawa chrzęstna) w większości zawiodły, siły patomechaniczne są obecnie uznawane za główną przyczynę uszkodzenia tkanek w chorobie zwyrodnieniowej stawów. Nieprawidłowe lub patomechaniczne siły wpływają bezpośrednio zarówno na komórki kostne, jak i chrzęstne, indukując uwalnianie mediatorów stanu zapalnego i postępującą degenerację tkanek9. Obserwacje te wskazują, że jeśli przyczynowe siły mechaniczne nie zostaną skorygowane, wiele przewlekłych chorób zwyrodnieniowych kości i stawów będzie nadal postępować. W związku z tym nacisk terapeutyczny w medycynie ludzkiej przesuwa się w kierunku podejść, które "odciążają" chore stawy poprzez ukierunkowane ćwiczenia10,11. Jednak ta zmiana nie została jeszcze dokonana w medycynie koni, częściowo dlatego, że potrzebne są modele ruchu koni, które można dostosować do pokazywania ruchów danej osoby.

Kompleksowa, biomechaniczna analiza całego ciała jest powszechna w projektowaniu programów treningowych w celu optymalizacji wyników sportowych i ułatwienia powrotu do zdrowia po kontuzjach u ludzkich sportowców11 (zobacz także np. czasopismo "Sports Biomechanics"), ale rzadziej jest wykonywana dla sportowców koni (ale zobacz12). W związku z tym nadrzędnym celem jest ustanowienie patomechanicznych modeli kulawizny koni, które można wykorzystać do opracowania zindywidualizowanych terapii profilaktycznych i rehabilitacyjnych w celu poprawy zdrowia sportowców koni. Takie modele patomechaniczne mogą charakteryzować różnice w anatomii funkcjonalnej obszarów (tj. kręgosłupa), które nie są tak łatwo dostrzegalne gołym okiem jak inne (np. kończyna dolna). Aby osiągnąć ten cel, pierwszym celem było opracowanie anatomicznie dokładnego, podatnego na manipulację, obejmującego całe ciało modelu szkieletu koni, który może być wykorzystany jako szablon przez badaczy zainteresowanych funkcjonalnymi analizami anatomicznymi, kinematycznym i kinetycznym. Aby model ten był użyteczny dla klinicystów i badaczy zajmujących się końmi, musi (1) być biologicznie realistyczny, aby umożliwić dokładne ustawienie anatomiczne, (2) umożliwiać łatwe i dokładne dostosowanie do modelowania różnych postaw zdrowych i niezdrowych koni, (3) być w stanie być animowany w celu badania efektów różnych chodów oraz (4) ułatwiać powtarzalne odtwarzanie pozycji i ruchów.

Na podstawie danych z CT zbudowano graficzny model szkieletu całego ciała konia z grafiki komputerowej, w którym można było manipulować pozycjami kości względem siebie, a następnie animować je tak, aby odpowiadały ruchom ze zdjęć lub filmów przedstawiających konia w ruchu, tworząc w ten sposób model szkieletu konia 4D. W zależności od tego, co najlepiej pasuje do pytania, które należy rozwiązać, model może być używany w wersjach 2D, 3D i 4D lub w różnych kombinacjach do zilustrowania i scharakteryzowania patomechanicznych skutków określonych pozycji lub postaw. Ze względu na swoją podstawową i elastyczną konstrukcję model służy jako szablon, który może być modyfikowany przez badaczy w celu odzwierciedlenia ich konkretnych pytań i parametrów danych. Parametry te obejmują na przykład informacje anatomiczne oparte na płci i wielkości zwierzęcia, dane analizy ruchu 3D, szacunki siły działającej na tkanki miękkie i właściwości bezwładności. W ten sposób model pozwala na bardziej szczegółową analizę określonych obszarów lub stawów, a jednocześnie stanowi podstawę do przeprowadzenia eksperymentów, których nie można przeprowadzić na żywych koniach. Ze względu na praktyczne ograniczenia związane z dostępnością próbki (np. przecięcie żeber) i skanerem, model całego ciała konia jest wynikiem połączenia danych z trzech okazów koniowatych. W związku z tym model nie jest idealną reprezentacją pojedynczego osobnika, ale został ustandaryzowany, aby szerzej reprezentować indywidualną zmienność. Krótko mówiąc, jest to szablon, który można wykorzystać i zmodyfikować w celu dostosowania do potrzeb badaczy. Tomografia komputerowa tułowia, głowy i szyi oraz kończyn została pobrana od dwóch próbek koni o mniej więcej tej samej wielkości za pomocą 64-warstwowego tomografu komputerowego przy użyciu algorytmu kostnego, podziałka 0,9,1 mm. Tomografia komputerowa zestawu żeber została uzyskana za pomocą 64-warstwowego tomografu komputerowego przy użyciu algorytmu kostnego, podziałka 0,9, 0,64 mm warstwy.

Zachowana została integralność anatomiczna stawów kostnych (np. w obrębie kończyny). Tkanki miękkie dostępne w tomografii komputerowej zostały również wykorzystane do potwierdzenia ułożenia kości. Ponieważ niektóre całe żebra i proksymalne części wszystkich żeber były dostępne i skanowane na próbce klatki piersiowej, oddzielnie zeskanowane żebra można było dokładnie zwymiarować i umieścić w modelu szkieletu całego ciała. Uzyskane dane z CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) zostały zaimportowane do oprogramowania do wizualizacji 3D (patrz Tabela materiałów), a poszczególne kości zostały podzielone na indywidualne zestawy danych (tj. siatki kostne). Poszczególne siatki kostne 3D zostały następnie zaimportowane do oprogramowania do animacji i modelowania 3D (Tabela materiałów), gdzie w razie potrzeby zostały zwymiarowane i złożone w kompletny szkielet konia w ramach przygotowań do olinowania - graficznej metody łączenia siatek kostnych tak, aby ich ruchy były połączone (Rysunek 1).

Protokół

1. Olinowanie kończyn przednich

  1. Umieść stawy graficzne wewnątrz kończyny przedniej we wszystkich obszarach ruchu.
    UWAGA: Wynikowe umiejscowienie stawu to łańcuch stawowy od łopatki do dystalnego końca kości trumny (Rysunek 2A). W okolicy kości nadgarstka stosuje się 3 stawy znajdujące się w bliskiej odległości w celu zwiększenia promienia zgięcia.
    1. Naciśnij F3, aby włączyć zestaw menu olinowania. W menu wybierz Szkielet | Utwórz połączenia, aby wybrać narzędzie Utwórz połączenia.
    2. W panelu Widok oprogramowania kliknij przybliżone obszary połączeń znajdujących się w Rysunek 2A w kolejności od 1 do 10 i naciśnij ENTER.
    3. Dostosuj położenie stawów, klikając żądane połączenie i użyj narzędzia Przesuń, naciskając W, aby przesunąć połączenie do żądanej pozycji. Alternatywnie, dostosuj połączenie, klikając żądane połączenie i zmieniając wartości Przesuń X, Przesuń Y i Przesuń Z znajdujące się w panelu Channel Box/Layer Editor.
  2. Utwórz 5 oddzielnych uchwytów kinematyki odwrotnej (uchwytów kinematyki odwrotnej) (połączenia będą określane liczbami znajdującymi się w Rysunek 2A).
    1. W menu wybierz Szkielet | Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej, aby wybrać narzędzie Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 1, a następnie połączenie 3; nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Noga przednia IK w panelu Szkicownik. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 3, a następnie połączenie 7; nazwij ten uchwyt IK Przedni Dolny IK.
    2. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 7, a następnie połączenie 8 i nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Front Toe 1 IK w panelu Szkicownik. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 8, a następnie połączenie 9; nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Front Toe 2 IK w panelu Outliner. Korzystając z narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej, wybierz połączenie 9, a następnie połączenie 10; nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Front Toe 3 IK w panelu Outliner.
  3. Tworzenie elementów sterujących kończynami przednimi
    1. Tworzenie niejednorodnego okręgu Rational B-Splines (NURBS) za pomocą narzędzia Okrąg w menu Utwórz | Prymitywy NURBS | Okrąg.
    2. Utwórz dwa okręgi NURBS i przesuń je za pomocą narzędzia Przesuń, aby otoczyć połączenia 3 i 10, a następnie nazwij je odpowiednio Front Ctrl i Front Lower Ctrl w panelu Szkicownik.
    3. Utwórz okrąg NURBS, zaznacz okrąg, a następnie w panelu Pole kanału/Edytor warstw zmień wartość Obróć Z na 90. Za pomocą narzędzia Przesuń umieść je na końcu złącza 10 i nadaj mu nazwę Front Flick Ctrl w panelu Szkicownik
      4. .
  4. Zgrupuj Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK i Front Toe 3 IK, zaznaczając wszystkie trzy i naciskając CTRL + G. Nadaj tej grupie nazwę Front Toe Group (Grupa palców u przodu) w panelu Outliner (Szkicownik). Umieść uchwyty kinematyki odwrotnej i grupę palców przednich do elementów sterujących.
    UWAGA: Ważne jest, aby wcisnąć Shift + wybrać dokładnie w kolejności opisanej poniżej, aby zapewnić prawidłowe drzewo nadrzędne.
    1. Wybierz opcję Przednia noga IK, a następnie Front Ctrl w panelu Szkicownik i naciśnij P.
    2. Wybierz opcję Przedni dolny Ctrl, a następnie Przedni Ctrl w panelu Szkicownik i naciśnij P.
    3. Wybierz opcję Front Lower IK, a następnie Front Lower Ctrl w panelu Outliner i naciśnij P.
    4. Wybierz polecenie Front Flick Ctrl, a następnie Front Lower Ctrl w panelu Szkicownik i naciśnij P.
    5. Wybierz opcję Grupa palców przednich, a następnie naciśnij Ctrl w panelu Szkicownik i naciśnij P.
  5. Użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać siatki kostne, z wyjątkiem kości trzeszczkowych, w tym trzeszczki, z najbardziej proksymalnym stawem. Upewnij się, że każda siatka kostna jest związana tylko z jednym stawem.
    1. Kliknij siatkę kostną, Shift + kliknij najbardziej proksymalny staw i wybierz narzędzie Zwiąż skórę w obszarze Skóra | Zwiąż skórę.
  6. Olinowanie kości trzeszczkowych i trzeszczki
    1. Utwórz staw, umieść go w środku kości trzeszczkowej i naciśnij Enter. W panelu Widok zaznacz siatkę kostną trzeszczkową, a następnie naciśnij Shift + kliknij staw w środku kości. Użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać siatkę ze złączem.
      UWAGA: Kością trzeszczkową można teraz manipulować za pomocą narzędzi Przesuwanie i Obracanie w celu regulacji podczas zmiany pozycji nogi.
    2. W panelu Widok zaznacz staw w kości trzeszczkowej, naciśnij Shift + kliknij najbliższy staw w kończynie przedniej i naciśnij P.
      UWAGA: To rodzi staw w kości trzeszczkowej do kończyny przedniej.
    3. Powtórzyć kroki od 1.6.1 do 1.6.2 dla innych kości trzeszczkowych i trzeszczki.
  7. Powtórz kroki od 1.1 do 1.6 dla drugiej kończyny przedniej.
    UWAGA: Połączenie przy łopatce można wybrać i przesunąć we wszystkich 3 kierunkach (6 stopni swobody) za pomocą narzędzia Przesuń.

2. Olinowanie kończyn tylnych

  1. Umieść stawy wewnątrz kończyny tylnej we wszystkich obszarach ruchu, aby uzyskać łańcuch stawowy od głowy ciała do dystalnego końca kości trumny (Rysunek 2B).
  2. Utwórz 5 oddzielnych uchwytów kinematyki odwrotnej (połączenia będą odnosić się do numerów znajdujących się w Rysunek 2B).
    1. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 11, a następnie połączenie 12 i nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej w panelu Szkicownik. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie 12, a następnie połączenie 14; nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Tylny dolny IK w panelu Szkicownik.
    2. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt KO wybierz połączenie 14, a następnie połączenie 15; nazwij ten uchwyt KO Tylny palec 1 IK w panelu Szkicownik. Korzystając z narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej, wybierz połączenie 15, a następnie połączenie 16; nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Tylny palec 2 IK w panelu Szkicownik.
    3. Korzystając z narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej, wybierz połączenie 16, a następnie połączenie 17 i nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej Tylny palec 3 IK w panelu Szkicownik.
  3. Tworzenie kontrolek kończyn tylnych
    1. Utwórz dwa okręgi NURBS o nazwach Hind Ctrl i Hind Lower Ctrl i przesuń je tak, aby obejmowały odpowiednio połączenie 12 i połączenie 17.
    2. Utwórz okrąg NURBS o nazwie Hind Flick Ctrl. Ustaw ten okrąg pionowo i umieść go na końcu złącza 10.
  4. Zgrupuj Tylny palec u nogi 1 IK, Tylny palec u nogi 2 IK i Tylny palec u nogi 3 IK, zaznaczając wszystkie trzy i naciskając CTRL + G. Nazwij tę grupę Hind Toe Group.
  5. Nadrzędny uchwyty kinematyki odwrotnej i grupę tylnych palców do elementów sterujących. Upewnij się, że Shift + wybierz dokładnie w kolejności opisanej poniżej, aby zapewnić prawidłowe drzewo nadrzędne.
    1. Wybierz Hind IK, a następnie Hind Ctrl i naciśnij P.
    2. Wybierz Hind Lower Ctrl, a następnie Hind Ctrl i naciśnij P.
    3. Wybierz Hind Lower IK, a następnie Hind Lower Ctrl i naciśnij P.
    4. Wybierz opcję Hind Flick Ctrl, a następnie Hind Lower Ctrl i naciśnij P.
    5. Wybierz opcję Hind Toe Group, a następnie Hind Flick Ctrl i naciśnij P.
  6. Użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać siatki kostne z najbardziej proksymalnym stawem. Upewnij się, że każda siatka kostna jest związana tylko z jednym stawem.
    1. Kliknij siatkę kostną, Shift + kliknij najbardziej proksymalny staw i wybierz narzędzie Zwiąż skórę w obszarze Skóra | Zwiąż skórę.
  7. Olinowanie rzepki, kości trzeszczkowych i trzeszczki
    1. Utwórz jointa, umieść go na środku rzepki i naciśnij Enter. W panelu Widok zaznacz siatkę rzepki i naciśnij Shift + kliknij staw w rzepce. Użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać siatkę ze złączem.
      UWAGA: Rzepką można teraz manipulować za pomocą narzędzi Przesuń i Obróć w celu regulacji podczas zmiany pozycji nogi.
    2. W panelu Widok wybierz staw w rzepce, naciśnij Shift + kliknij najbliższy staw kończyny przedniej i naciśnij P, aby ustawić staw w rzepce względem stawu w kończynie przedniej.
    3. Powtórzyć kroki 2.7.1 i 2.7.2 dla kości trzeszczkowych i trzeszczki.
  8. Powtórz kroki od 2.1 do 2.7 dla drugiej kończyny tylnej.

3. Wstążkowe olinowanie kręgosłupa

  1. Utwórz płaszczyznę NURBS ze zmienionymi opcjami o długości w przybliżeniu równej długości kręgosłupa z 1 łatką U i # łatami V, gdzie # to liczba kręgów piersiowych i lędźwiowych.
    UWAGA: W przypadku tego papieru długość wynosi 20 z łatkami 22 V.
    1. Zaznacz kwadrat znajdujący się obok narzędzia Utwórz płaszczyznę w obszarze Utwórz | Prymitywy NURBS | Samolot.
  2. Odbuduj samolot ze zmienionymi opcjami.
    1. Naciśnij F2, aby wejść do zestawu menu modelowania. Wybierz płaszczyznę w panelu widoku, a następnie wybierz ustawienia narzędzia Przebuduj, wybierając kwadrat obok narzędzia Przebuduj w obszarze Powierzchnie | Odbudowa. Użyj następujących opcji: liczba przęseł U = 1; liczba przęseł V = # (w tym przypadku 22); wybierz "1 liniowy" zarówno dla opcji Stopień U, jak i Stopień V; Zachowaj inne ustawienia domyślne; i naciśnij przycisk Odbuduj.
  3. Utwórz nhairs ze zmienionymi opcjami.
    1. Naciśnij F5, aby wejść do zestawu menu FX. "Wybierz płaszczyznę w panelu widoku i użyj narzędzia Utwórz włosy ze zmienionymi opcjami, zaznaczając kwadrat obok nHair | Utwórz włosy. Użyj następujących opcji: dane wyjściowe ustawione na krzywe NURBS; Liczba U = 1; Liczba V = # (w tym przypadku 22); Zachowaj inne opcje domyślne; i naciśnij przycisk Utwórz włosy.
  4. Usuń następujące elementy z panelu szkicownika: jądro1, grupę hairSystem1OutputCurves i hairSystem1. Całkowicie rozwiń grupę oznaczoną jako hairSystem1Follicles i usuń wszystkie elementy oznaczone symbolem curve__.
    UWAGA: Wynik powinien pozostawić grupę oznaczoną jako hairSystem1Follicles, która zawiera listę elementów oznaczonych jako nurbsPlane_Follicle____.
  5. Zaznacz płaszczyznę, a następnie przesuń ją i ustaw tak, aby z grubsza zachodziła na grzbiet za pomocą narzędzi Przesuwanie i Obróć. Wybierz płaszczyznę, przytrzymaj prawy przycisk myszy i wybierz opcję Kontroluj wierzchołek, aby wszystkie wierzchołki płaszczyzny były widoczne.
  6. Przesuń wierzchołki, aby zorientować mieszki włosowe tak, aby znajdowały się między kręgami na wysokości, na której znajdowałby się rdzeń kręgowy. Utwórz # liczbę oddzielnych połączeń (w tym przypadku 22) w dowolnym miejscu w panelu Widok, ponieważ położenie tych połączeń zostanie skorygowane w późniejszych krokach.
  7. Ułóż staw za pomocą nurbsPlane_Follicle____ tak, aby każdy z nich miał pojedynczy staw pod swoim drzewem.
    1. W panelu Szkicownik wybierz połączenie utworzone w kroku 3.6, a następnie naciśnij Ctrl + kliknięcie na nurbsPlane_Follicle____ i naciśnij P. Powtórz czynności 3.7.1 z innymi połączeniami utworzonymi w kroku 3.6 i pozostałymi nurbsPlane_Follicle____ obiektu.
  8. W panelu Szkicownik naciśnij Ctrl + zaznacz wszystkie połączenia, a w panelu Pudełko kanału/Pole warstwy ustaw Przekształć X, Y i Z na 0. Zduplikuj wszystkie połączenia, naciskając Ctrl + Szkicownik, zaznaczając wszystkie połączenia w panelu Szkicownik i naciskając Ctrl + D. Usuń elementy nadrzędne wszystkich zduplikowanych połączeń, naciskając Ctrl + Zaznacz wszystkie zduplikowane połączenia w panelu Szkicownik i naciskając Shift + P
  9. Zwiąż stawy pod nurbsPlane_Follicle____ odpowiednią siatką kręgów.
    1. Naciśnij F3, aby wejść do zestawu menu Rigging. Kliknij oryginalny staw (nie zduplikowany staw) pod nurbsPlane_Follicle____, Shift + kliknij odpowiednią siatkę kręgów, a następnie użyj narzędzia Zwiąż skórę w obszarze Skóra | Zwiąż skórę. Powtórz te czynności w kroku 3.9.1 dla każdej siatki stawów i kręgów.
  10. Ctrl + kliknij wszystkie zduplikowane połączenia i płaszczyznę, a następnie użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać wszystkie zduplikowane połączenia z płaszczyzną.
    UWAGA: Zduplikowanymi stawami można teraz manipulować, aby kontrolować kręgi.
  11. Powtórz kroki od 3.1 do 3.10 dla kręgów szyjnych i ogonowych.

4. Olinowanie żeber i mostka

  1. Umieść oddzielne stawy na głowie żebra, na bliższym końcu chrząstki żebrowej i na dystalnym końcu chrząstki żebrowej. Ułóż staw na bliższym końcu chrząstki żebrowej do stawu w głowie żebra.
  2. Macierzystwo stawu na dystalnym końcu chrząstki żebrowej do najbliższego stawu na bliższym końcu chrząstki żebrowej. Staw macierzysty przy głowie żebra do stawu kręgosłupa, który kontroluje kręgi ogonowe do żebra.
  3. W menu Olinowanie ustawionym na karcie Skóra, użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby przywiązać żebro do stawu na jego głowie, a chrząstkę żebrową do obu stawów na jej bliższym i dalszym końcu.
  4. Powtórz kroki od 4.1 do 4.3 dla każdego żebra.
  5. Umieść oddzielne stawy na najbardziej czaszkowym końcu każdego segmentu mostka. Rodzic każdy staw segmentu mostka do stawu rdzeniowego, najbardziej grzbietowo do każdego stawu segmentu mostka. W menu Olinowanie ustawionym na karcie Skóra użyj narzędzia Zwiąż skórę, aby związać segment mostka z jego stawem.

5. Pozycjonowanie i animacja

  1. Zaznacz klatkę na osi czasu.
  2. Określ położenie modelu i elementów sterujących. Zaimportuj obraz, który będzie używany jako odniesienie, tworząc płaszczyznę obrazu swobodnego.
    UWAGA: Obrazy z Muybridge13 przedstawiające konia na stępie zostały użyte jako dowód koncepcji.
    1. Gdy wybrana jest opcja Swobodna płaszczyzna obrazu, wybierz plik obrazu na karcie Edytor atrybutów i w menu rozwijanym Atrybuty płaszczyzny obrazu.
  3. Zaznacz wszystkie elementy sterujące i przeguby sterujące grzbietem, a następnie naciśnij S, aby zapisać je jako klatkę kluczową.
  4. Wzdłuż różnych klatek na osi czasu przesuwaj i obracaj elementy sterujące oraz stawy sterujące grzbietu, a następnie naciśnij S.
    UWAGA: Zmiana położenia elementów sterujących i stawów kontrolnych kręgosłupa oraz zapisanie ich jako klatek kluczowych wzdłuż różnych punktów osi czasu powoduje utworzenie animacji. Nie musi istnieć klatka kluczowa ustawiona wzdłuż każdej klatki osi czasu; Tylko krytyczne pozycje lub czasy muszą być ujęte w ramy kluczowe. Oprogramowanie do animacji i modelowania 3D będzie interpolować między pozycjami klatek kluczowych każdego połączenia kontrolnego i sterującego grzbietu, tworząc płynną animację.

Wyniki

Wynikiem zastosowanej metody był pełny trójwymiarowy model szkieletu konia w oprogramowaniu do animacji i modelowania 3D, który umożliwia dokładne pozycjonowanie anatomiczne oraz symulacje ruchu. Sam model posiada system riggowania graficznego przypisany do przednich kończyn, tylnych kończyn, kręgosłupa, szyi i klatki piersiowej. Model 3D mógł być ustawiany w różnych pozach (Rysunek 3 oraz Rysunek 4) przez wiele osób. Ruchy modelu 4D (w ruchu) zostały porównane z nagraniami wideo z boku, z tyłu i z przodu, a także z ujęciami z drona nad głowami, aby dokładniej oddać ruch kręgosłupa, oraz z nagraniami koni w stępie (Video), galopie i kłusie w celu stworzenia animacji tych chodem.

figure-results-1
Rysunek 1: Trójwymiarowy model konia może być ustawiany w różnych pozach i animowany w celu zaprezentowania ruchów całego ciała w różnych chódach w oprogramowaniu do modelowania i animacji 3D. (A,C) Graficzne systemy riggowania konia. Graficzna wstęga kręgosłupa, która umożliwia naturalny ruch kręgosłupa kostnego, jest zilustrowana zieloną płaszczyzną. Sterowniki używane do poruszania poszczególnymi rigami graficznymi i przypisanymi do nich siatkami kostnymi są zilustrowane żółtymi owalami i strzałkami krzyżowymi na modelu. (A) Pozycja stojąca. (C) Pozycja wspięta na tylne nogi. (B, D) Model z siatkami kostnymi przypisanymi do graficznego systemu riggowania. Pozycje sterowników zmieniają położenie szkieletu konia. (B) Koń stojący. (D) Koń wspięty na tylne nogi. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Wyposażenie każdej kończyny w stawy umożliwia ich pozycjonowanie i tworzenie ruchu. (A) Kończyna przednia z graficznymi stawami oznaczonymi numerami 1-10. (B) Kończyna tylna z graficznymi stawami oznaczonymi numerami 11-17. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Trójwymiarowy model konia został dopasowany do klasycznych zdjęć Muybridge'a13 w ramach dowodu koncepcji oraz w celu stworzenia pierwszych animacji. (A) Zdjęcia Muybridge'a przedstawiające konia w stępie. (B) Trójwymiarowy model konia nałożony na zdjęcia, wykorzystany jako klatki kluczowe w animacji. (C) Trójwymiarowy model konia. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rycina 4: Trójwymiarowy model konia można ustawiać w różnych pozach (np. zaprezentowana tutaj rotacja poprzeczna kręgosłupa), aby zrozumieć związek takich postaw z patomechanicznymi reżimami sił oraz wynikającą z nich degeneracją dotkniętych elementów szkieletu, stawów i tkanek miękkich. (A) Graficzna reprezentacja 2D prawidłowej postawy konia (z jeźdźcem) z wykorzystaniem graficznie zmodyfikowanych fotografii szkieletu konia w porównaniu z nieruchomym obrazem trójwymiarowego modelu konia, w którym głowa i kręgi szyjne są ukryte, aby umożliwić wizualizację klatki piersiowej. (B) Graficzna reprezentacja 2D konia (z jeźdźcem) z rotacją poprzeczną kręgosłupa z wykorzystaniem graficznie zmodyfikowanych fotografii szkieletu konia w porównaniu z nieruchomym obrazem trójwymiarowego modelu konia, w którym głowa i kręgi szyjne są ukryte, aby umożliwić wizualizację klatki piersiowej. Należy zwrócić uwagę na wpływ rotacji poprzecznej na szkielet i kończyny ciała. Przedstawiona pozycja spowodowałaby przeciążenie lewej przedniej kończyny, co u żywego konia objawiłoby się kompresją i pękaniem ściany lewego przedniego kopyta. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wideo. Koń 4D. Kluczowe pozycje szkieletu, dopasowane do zdjęć konia wykonanych przez Muybridge'a13 , zostały zinterpolowane w celu stworzenia animacji idącego konia. Ruch można obserwować z przodu, z boku, z góry i z tyłu. Kliknij tutaj, aby pobrać to wideo.

Dyskusja

Protokół ten pokazuje, jak stworzyć trójwymiarowy model szkieletowy całego ciała organizmu i pokazuje, jak wykorzystać model szkieletu całego ciała konia opisany w tym artykule. Model jest obecnie w formacie, który wymaga specjalnego oprogramowania do animacji i modelowania 3D, co ma sporą krzywą uczenia się dla nowych użytkowników. Jednak wersja tego oprogramowania jest dostępna bezpłatnie dla tych, którzy są powiązani z uniwersytetem. Chociaż modelowanie postawy i ruchu całego ciała jest wykorzystywane do oceny sportowców i identyfikowania przyczyn przewlekłych urazów wywołanych mechanicznie11, rzadziej wykonuje się je u sportowców konnych. Aby wykorzystać to podejście do oceny potencjalnych przyczyn urazów sportowych koni i problemów z wydajnością, stworzono realistyczny model szkieletu konia całego ciała na podstawie danych z tomografii komputerowej przy użyciu oprogramowania do wizualizacji 3D oraz oprogramowania do animacji i modelowania 3D. Ten model różni się od innych modeli koni, które są albo artystycznymi graficznymi odtworzeniami szkieletu (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), albo przedstawiają tylko kończyny 14,15,16,17. W tym modelu całego ciała kończyny przednie, tylne, kręgosłup i klatka piersiowa były uzbrojone i miały dołączone elementy sterujące, które pozwalają na łatwą manipulację modelem w celu realistycznego i dokładnego pozycjonowania i animacji.

Protokół użyty do zmontowania modelu pozwala na powtarzalność i przyszłe zmiany w celu dopasowania do potrzeb konkretnego konia, który jest olinowywany, umożliwiając zindywidualizowaną analizę. Tak więc model koni jest narzędziem do wykorzystania przez badaczy podczas analizy ruchu. Nie jest to jednak zautomatyzowany program, który udziela odpowiedzi bez wprowadzania parametrów specyficznych dla modelowanego zwierzęcia i zadanego pytania, ponieważ dokładność modelu jest bezpośrednio związana z siłą danej analizy. Możliwość wprowadzania parametrów pozwala również na ciągłą aktualizację modelu o dane z przyszłych badań naukowych. Dodatkowo, ten graficzny protokół olinowania może być zastosowany i/lub dostosowany w celu odzwierciedlenia różnic anatomicznych między osobami. Można go również dostosować do skutecznego modelowania innych zwierząt. Model 3D konia można łatwo manipulować i ustawiać w celu symulacji pozycji i ruchów. Jest to szczególnie widoczne w przypadku kończyn, ponieważ ich ruchy są stosunkowo łatwe do zobaczenia i modelowania.

Graficzne ustawienie stawów w modelu wyznaczono przy użyciu podobnego podejścia jak w innych badaniach18,19. Siatki kostne zostały umieszczone w pozycji neutralnej. Stawy graficzne zostały ustawione tak, aby kości mogły się swobodnie obracać, nie powodując kolizji z innymi siatkami kostnymi. W cyfrach przegub graficzny został umieszczony w miejscu, w którym kula pokrywała się z powierzchniami ruchu. Graficzny staw łopatki został umieszczony w przybliżeniu pośrodku ostrza łopatki. Takie umiejscowienie przegubu graficznego pozwala na przesuwanie go w 6 stopniach swobody, aby zorientować łopatkę w żądanej pozycji. W przeciwieństwie do kończyn, ruch kręgosłupa nie jest łatwo zauważalny, jest bardziej złożony niż często się wydaje, a co za tym idzie trudniejszy do modelowania. Chociaż model jest na tyle elastyczny, że może być używany do badania ruchów i problemów w określonych stawach kręgosłupa, musiał być również w stanie przedstawić często trudne do rozróżnienia ruchy całego kręgosłupa. Zastosowanie "grzbietu wstęgowego" pozwala na bardziej realistyczne poruszanie grzbietem podczas animacji.

Jest to ważne, ponieważ kręgosłup u koni, jak stwierdzono u ludzi, jest często źródłem problemów, które są potencjalnie związane z nieprawidłowymi ruchami biomechanicznymi i urazami kończyn. Mocną stroną tego modelu jest możliwość dokładnego zademonstrowania pozycji kręgosłupa, takich jak poprzeczne obroty kręgów20 (ryc. 4). To, w jaki sposób te postawy wpływają na kończyny w trzech wymiarach podczas różnych chodów, można określić, korzystając z modelu w połączeniu z analizą kinematyczną i siłą (np. badania płyt naciskowych w celu potwierdzenia zwiększonego obciążenia kończyn i analiza siły statycznej). Komponenty mięśniowo-powięziowe tkanek miękkich są obecnie dodawane do modelu szkieletu całego ciała. Przyszłe cele to rozszerzenie zastosowania modelu w analizie biomechanicznej 3D do badań kulawizny koni. Takie rozszerzenie obejmowałoby wykorzystanie modelu do przeprowadzenia analiz sił 3D, które porównują zdrowe i niezdrowe postawy oraz zarejestrowanie modelu za pomocą punktów danych 3D zebranych w badaniach przechwytywania ruchu, aby zapewnić bardziej efektywną wizualną reprezentację ruchu.

Oświadczenia

Autorzy zadeklarowali brak konfliktu interesów.

Podziękowania

Autorzy dziękują Panu Jean Luc Cornille, Nauka o Ruchu, za jego wkład w dokładność modelowania; Dr Martha Littlefield i Pan James Ray (LSU SVM) oraz Dr Steve Holladay, Dr Carla Jarrett i Pan Brent Norwood (UGA CVM) za dostęp do próbek anatomicznych; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) oraz Dr. L. Abbigail Granger i Pan Mark Hunter (LSUSVM) za przeprowadzenie tomografii komputerowej; oraz studentom licencjackim Jeremy'emu Bakerowi, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois i Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) za pracę związaną z tymi badaniami. Finansowanie zostało pozyskane z Programu Studiów nad Zdrowiem Koni Louisiana State University School of Veterinary Medicine za pośrednictwem grantu Charlesa V. Cusimano.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Acytowane w tekście jako "oprogramowanie do wizualizacji 3D"
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Acytowane w tekście jako "oprogramowanie do animacji i modelowania 3D"; Darmowa wersja studencka

Bibliografia

  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).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Modelowanie tr jwymiarowebiomechanika ca ego cia akinematyka konimodelowanie biomechaniczneanimacja szkieletowarigging staw wzwyrodnienie staw wdysfunkcje postawy

Powiązane artykuły