Budowa realistycznego, obejmującego całe ciało, trójwymiarowego modelu szkieletu koni z wykorzystaniem danych z tomografii komputerowej
25 lutego 2021
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.
Realistyczny model szkieletu konia jest tworzony na podstawie danych tomografii komputerowej koni, którymi można manipulować, aby zrozumieć funkcjonalne, anatomiczne i biomechaniczne modelowanie całego ciała konia. Technika ta pozwala na szybkie i łatwe ustawienie modelu, aby pomóc scharakteryzować różne postawy koni. Model może pomóc w scharakteryzowaniu postaw koni związanych z chorobami zwyrodnieniowymi tkanek i zidentyfikowaniu postaw, które zmniejszają naprężenia mechaniczne.
Metoda może być dostosowywana i modyfikowana, aby pomóc w modelowaniu innych gatunków do celów klinicznych, takich jak psy lub innych zajęć akademickich, takich jak modelowanie przejść ewolucyjnych. Procedurę zademonstruje Alex Lee, doktorant z laboratorium Osborna, na zdjęciu z dr Osbornem. Zacznij od umieszczenia stawów graficznych wewnątrz kończyny przedniej we wszystkich obszarach ruchu.
Naciśnij F3, aby włączyć zestaw menu olinowania. W menu kliknij Szkielet i Utwórz połączenia, aby wybrać narzędzie do tworzenia połączeń. W panelu Widok oprogramowania kliknij przybliżone obszary połączeń w kolejności od 1 do 10 i naciśnij Enter.
Dostosuj położenie stawów, klikając żądany staw i używając narzędzia do przesuwania, które wykonuje się poprzez naciśnięcie W, aby przesunąć złącze do żądanej pozycji. Alternatywnie, dostosuj połączenie, klikając żądane połączenie i zmieniając wartości Przekształć X, Przesuń Y i Przekształć Z znajdujące się w polu Kanał lub panelu Edytor warstw. Następnie utwórz pięć oddzielnych uchwytów kinematyki odwrotnej.
W menu kliknij Szkielet i Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej, aby wybrać narzędzie Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej. Za pomocą narzędzia Utwórz uchwyt kinematyki odwrotnej wybierz połączenie pierwsze, a następnie połączenie trzecie i nadaj temu uchwytowi kinematyki odwrotnej nazwę Ramię przednie IK" w panelu Szkicownik. Następnie użyj narzędzia i wybierz połączenie trzecie i połączenie siódme.
Nazwij ten uchwyt IK, Front Lower IK. Użyj narzędzia i wybierz połączenia siódme i ósme i nazwij ten uchwyt kinematyki odwrotnej, Front Toe 1 IK. Powtórz ten krok ze stawami ósmym i dziewiątym, aby utworzyć Front Toe 2 IK. Następnie za pomocą stawów 9 i 10, aby utworzyć Front Toe 3 IK.To utworzyć elementy sterujące kończynami przednimi, utwórz niejednorodne racjonalne B-splajny lub NURBS, okrąg, wybierając Utwórz prymitywy NURBS i Okrąg. Utwórz dwa okręgi NURBS otaczające złącze 3 i złącze 10 i nazwij je odpowiednio Przednie sterowanie" i Przedni dolny układ sterowania w panelu Szkicownik. Utwórz kolejny okrąg NURBS i zaznacz go.
W polu Kanał lub panelu Edytor warstw zmień wartość opcji Obróć Z na 90. Za pomocą narzędzia do przesuwania umieść je na końcu złącza 10 i nazwij je Sterowanie przesunięciem do przodu"w panelu Szkicownik. Zgrupuj Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK i Front Toe 3 IK za pomocą Control, zaznaczając wszystkie trzy i naciskając G.
Nazwij tę grupę, Grupa palców przednich" w panelu Szkicownik. Umieść uchwyty kinematyki odwrotnej i grupę palców przednich w elementach sterujących, najpierw wybierając kinematykę odwrotną przedniej nogi, a następnie przednią nogę i naciśnij P. Element sterujący wybierz przedni dolny element sterujący, a następnie przedni element sterujący i naciśnij P.
Element sterujący wybierz przedni dolny element sterujący, a następnie przedni dolny element sterujący i naciśnij P. Sterowanie wybierz element sterujący Front Flick Control, a następnie Front Lower Control i naciśnij P. Control wybierz grupę Front Toe, a następnie Front Flick Control i naciśnij P.
Następnie użyj narzędzia Bind Skin, aby związać siatki kostne z zestawem stawowym. Zaznacz siatkę kostną i z przesunięciem shift zaznacz najbardziej proksymalny staw, a następnie użyj narzędzia Zwiąż skórę znajdującego się w obszarze Skóra i Zwiąż skórę. Za pomocą narzędzia Utwórz połączenia utwórz staw wewnątrz siatki kostnej trzeszczki.
Za pomocą narzędzia Bind Skin (Wiązanie skóry) zwiąż siatkę kostną z trzeszczkiem ze stawem. Wybierz staw wewnątrz kości trzeszczkowej i przesuń shift, wybierz najbliższy staw kończyny przedniej i naciśnij P, aby go wyrodzicać. Utwórz płaszczyznę NURBS o długości w przybliżeniu równej długości grzbietu.
Wybierz 1 dla łaty U i liczbę kręgów piersiowych i lędźwiowych dla łaty V. Zaznacz kwadrat znajdujący się obok narzędzia Utwórz płaszczyznę w obszarze Utwórz prymitywy NURBS i Płaszczyzna. Aby odbudować płaszczyznę ze zmienionymi opcjami, naciśnij F2, aby wejść do zestawu menu Modelowanie.
Wybierz płaszczyznę w panelu Widok i wybierz ustawienia narzędzia Przebudowa, wybierając kwadrat obok narzędzia Przebuduj w obszarze Powierzchnie i przebudowa. Wybierz liczbę przęseł U jako 1, liczbę przęseł V jako liczbę dla łaty V i 1 liniową dla opcji Stopień U i Stopień V. Pozostaw inne ustawienia domyślne i naciśnij przycisk Odbuduj.
Aby utworzyć nHairs, naciśnij F5, aby wejść do zestawu menu FX. Użyj narzędzia Utwórz włosy ze zmienionymi opcjami, zaznaczając kwadrat obok nHair i Utwórz włosy. Ustaw wyjście na krzywe NURBS, liczbę U na 1, liczbę V na liczbę dla łaty V, a następnie naciśnij przycisk Utwórz włosy.
Usuń jądro1, grupę hairSystem1OutputCurves i hairSystem1 w panelu Outliner. Całkowicie rozwiń grupę oznaczoną hairSystem1Follicles i usuń wszystkie elementy oznaczone krzywą. Zaznacz płaszczyznę, a następnie przesuń ją i ustaw tak, aby z grubsza nakładała się na grzbiet, za pomocą narzędzi Przesuwanie i Obracanie.
Wybierz płaszczyznę, przytrzymaj prawy przycisk myszy i wybierz opcję Kontroluj wierzchołek, aby wszystkie wierzchołki płaszczyzny były widoczne. Przesuń wierzchołki, aby zorientować mieszki włosowe między kręgami na wysokości, na której znajdowałby się rdzeń kręgowy. Utwórz kilka oddzielnych połączeń w dowolnym miejscu panelu Widok.
Położenie tych połączeń zostanie skorygowane w późniejszych krokach. W panelu Szkicownik wybierz utworzone połączenie, a następnie Control wybierz nurbsPlaneFollicle i naciśnij P. Powtórz te czynności z innymi stawami utworzonymi w poprzednim kroku i innymi obiektami nurbsPlaneFollicle.
W panelu Szkicownik wybierz opcję Control i zaznacz wszystkie połączenia. W polu Kanał lub w panelu Warstwa ustaw wartość Przeklój X, Y i Z na zero. Zaznacz Control i zaznacz wszystkie połączenia w panelu Szkicownik, a następnie naciśnij Control i D, aby je zduplikować.
Zaznacz wszystkie zduplikowane połączenia w panelu Szkicownik i naciśnij Shift i P, aby usunąć ich macierzy. Powiąż stawy pod nurbsPlaneFollicle z odpowiednią siatką kręgów, naciskając F3, aby wejść do zestawu menu Rigging. Kliknij oryginalny staw w obszarze nurbsPlaneFollicle, Shift wybierz odpowiednią siatkę kręgów.
Następnie użyj narzędzia Bind Skin (Powiąż skórę) w obszarze Skin (Skóra) i Bond Skin (Zwiąż skórę). Powtórz te czynności dla każdej siatki stawów i kręgów. Kontroluj, zaznacz wszystkie zduplikowane połączenia i płaszczyznę, a następnie użyj narzędzia Powiąż skórę, aby związać wszystkie zduplikowane połączenia z płaszczyzną.
W oprogramowaniu do animacji i modelowania 3D grzbiet wstęgi graficznej umożliwia naturalny ruch kręgosłupa kostnego. Oprogramowanie wyświetla model z siatkami kostnymi dołączonymi do graficznego systemu olinowania, co umożliwia kontrolę położenia szkieletów. Olinowanie każdej kończyny ze stawami pozwala na pozycjonowanie i tworzenie ruchu za pomocą stawów graficznych z numerami od 1 do 10 dla kończyn przednich i stawów graficznych z numerami od 11 do 17 dla kończyn tylnych.
Model 3D konia został dopasowany do klasycznych zdjęć Muybridge'a jako dowód słuszności koncepcji i stworzenia pierwszych animacji. Model można przenieść z normalnej postawy do różnych pozycji, takich jak poprzeczna rotacja kręgosłupa, co umożliwia zrozumienie związku postaw z reżimami sił patomechanicznych i wynikającą z tego degeneracją dotkniętych elementów szkieletowych, stawów i tkanek miękkich. Ruchy modelu 4D zostały porównane z filmami z boku, z tyłu i z przodu, aby dokładniej zobrazować ruch kręgosłupa oraz z filmami przedstawiającymi konie w stępie, galopie i kłusie, aby stworzyć animacje tych chodów.
Studiowanie mechaniki całego ciała jest niezbędne do zrozumienia skutków chorób zwyrodnieniowych stawów. Model ten umożliwia badanie związku między nieprawidłowymi ruchami i postawami a wynikającą z nich degeneracją tkanek. Ten unikalny model całego ciała konia oparty na obliczonych danych topograficznych umożliwia badanie tego obszaru badawczego i innych ze względu na jego elastyczność i możliwość modyfikowania przez użytkowników w celu odpowiedzi na ich konkretne pytania.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia szczegółowy protokół tworzenia realistycznego, manipulowalnego trójwymiarowego modelu szkieletu konia w oparciu o dane z tomografii komputerowej (CT). Model ten umożliwia kompleksowe badania biomechaniczne i anatomiczne ruchu koni, znajdując zastosowanie w zrozumieniu chorób zwyrodnieniowych tkanek oraz w opracowywaniu indywidualnych terapii kulawości u koni.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika
- Medycyna weterynaryjna
- Modelowanie i animacja 3D
Wprowadzenie
- Biomechaniczne oceny całego ciała są skuteczne w zapobieganiu urazom i rehabilitacji ludzi, lecz rzadko stosuje się je u koni sportowych.
- Zwyrodnienie stawów u koni może być wynikiem przewlekłej dysfunkcji postawy, która często ma źródło w miejscu oddalonym od miejsca urazu.
- Modelowanie biomechaniki całego ciała jest niezbędne do zidentyfikowania pierwotnych dysfunkcji przyczyniających się do degeneracji tkanek.
- Istniejące modele koni nie posiadają elastyczności i dokładności anatomicznej niezbędnej do szczegółowych badań kinematycznych.
Cel badania
- Opracowanie realistycznego, funkcjonalnego trójwymiarowego modelu szkieletu konia na podstawie danych z tomografii komputerowej (CT).
- Przedstawienie protokołu tworzenia i animowania takich modeli na potrzeby badań biomechanicznych.
- Umożliwienie badania postaw i ruchów koni powiązanych z degeneracyjnymi zmianami w tkankach.
Zastosowane metody
- Pozyskiwanie i rekonstrukcja danych CT konia w indywidualne zestawy danych kostnych 3D przy użyciu oprogramowania do wizualizacji.
- Montaż kości w kompletny trójwymiarowy model szkieletowy.
- Rigging modelu z zastosowaniem stawów graficznych i uchwytów kinematyki odwrotnej (IK) w celu uzyskania realistycznego ruchu.
- Przypisanie siatek kostnych do rigu stawowego oraz tworzenie elementów sterujących przy użyciu prymitywów NURBS.
- Animacja modelu w celu odtworzenia chodem i postaw konia, zwalidowana na podstawie klasycznych zdjęć Muybridge'a oraz materiałów wideo.
Główne wyniki
- Protokół ten umożliwia szybkie i precyzyjne pozycjonowanie modelu szkieletu konia w celu badania różnych postaw.
- Model pozwala na charakterystykę postaw związanych z degeneracyjnymi chorobami tkanek oraz identyfikację tych, które redukują stres mechaniczny.
- Ruchy i postawy mogą być animowane w 4D, co pozwala na wizualizację zdrowej i patologicznej dynamiki szkieletu.
- Podejście to można zaadaptować do modelowania innych gatunków lub do badań akademickich, takich jak przejścia ewolucyjne.
Wnioski
- Ten trójwymiarowy model szkieletu konia stanowi potężne narzędzie do badania biomechaniki całego organizmu oraz zależności między ruchem a degeneracją tkanek.
- Protokół jest elastyczny i może zostać zmodyfikowany dla innych organizmów lub pytań badawczych.
- Takie modele mogą służyć do opracowywania terapii zapobiegawczych i rehabilitacyjnych w przypadku degeneracyjnej kulawizny u koni.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Wysokiej wierności trójwymiarowe modele szkieletowe całego ciała, opracowane na podstawie danych z tomografii komputerowej (CT), umożliwiają mechanistyczne ograniczanie ryzyka i zwiększają pewność predykcyjną w badaniach nad układem mięśniowo-szkieletowym. Możliwość ta wspiera ciągłość translacyjną – od etapu odkryć po rozwój modeli przedklinicznych, szczególnie w zakresie zrozumienia biomechanicznych czynników przyczyniających się do chorób degeneracyjnych tkanek. Podejście to usprawnia podejmowanie decyzji w ramach portfela projektów poprzez wyjaśnienie relacji między postawą, ruchem a degeneracją tkanek w modelach dużych zwierząt.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia weryfikację hipotez biomechanicznych leżących u podstaw chorób zwyrodnieniowych stawów.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez powiązanie mechaniki postawy z patologią tkanek.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego dla potencjalnych interwencji ukierunkowanych na zdrowie układu mięśniowo-szkieletowego.
Przesiewy i opracowywanie analiz
- Zapewnia zwalidowane ramy anatomiczne do opracowywania ilościowych testów ruchu.
- Standaryzuje pomiary biomechaniczne dla różnych postaw i sposobów poruszania się w celu zapewnienia powtarzalności.
- Umożliwia skalowalną i powtarzalną ocenę interwencji in silico przed badaniami in vivo.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Dostosowuje modele przedkliniczne do biomechanicznych punktów końcowych istotnych dla przebiegu choroby.
- Wspiera ciągłość przejścia od modelowania komputerowego do badań na zwierzętach w celu opracowania translacyjnych biomarkerów.
- Minimalizuje ryzyko przy podejmowaniu decyzji o dalszym rozwoju badań poprzez wyjaśnienie wpływu wzorców ruchu na degenerację tkanek.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół modelowania 3D łączy fazę wczesnych odkryć z badaniami przedklinicznymi, zapewniając wielokrotnego użytku i modyfikowalną platformę do analiz biomechanicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez dotyczących przyczyn degeneracyjnych zmian tkankowych związanych z postawą i ruchem.
- Przesiewowanie: Dostarcza ilościowych, powtarzalnych wyników do porównywania interwencji biomechanicznych.
- Analityka: Umożliwia pomiar kątów w stawach, stresu postawy oraz trajektorii ruchu w celu przeprowadzenia rzetelnej analizy danych.
- Badania translacyjne: Ułatwia dopasowanie modeli obliczeniowych i zwierzęcych do walidacji biomarkerów i punktów końcowych.
- Zastosowanie w przedsiębiorstwach: Możliwość adaptacji do innych gatunków i pytań badawczych, co wspiera szerokie zastosowanie w obszarze B+R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach układu mięśniowo-szkieletowego.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje modelowanie biomechaniczne i wspiera powtarzalność wyników między zespołami.
- Wartość strategiczna: Ułatwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań poprzez wyjaśnienie biomechanicznych czynników ryzyka degeneracji tkanek.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację strategii terapeutycznych celujących w patologie związane z ruchem w oparciu o ocenę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w modelowaniu 3D, animacji oraz analizie biomechanicznej.
- Zależy od dostępu do zaawansowanej obrazowniki CT oraz specjalistycznego oprogramowania do animacji.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie konstrukcji modeli i interpretacji danych.
- Można dostosować do różnych gatunków, jednak różnice anatomiczne mogą wymagać modyfikacji protokołu.
- Obecny format modelu wiąże się z koniecznością nauki dla nowych użytkowników nieznających narzędzi do animacji.
