Construção de um modelo esquelético equino realista, de corpo inteiro e tridimensional usando dados de tomografia computadorizada
25 de fevereiro de 2021
O objetivo deste protocolo é descrever o método de criação de um modelo esquelético realista, de corpo inteiro e esquelético de um cavalo que possa ser usado para modelagem anatômica e biomecânica funcional para caracterizar a mecânica do corpo inteiro.
Um modelo esquelético realista de um cavalo é criado a partir de dados de tomografia computadorizada equina que podem ser manipulados para entender a modelagem funcional, anatômica e biomecânica de todo o corpo equino. A técnica permite um posicionamento rápido e fácil do modelo para ajudar a caracterizar diferentes posturas equinas. O modelo pode ajudar a caracterizar posturas equinas associadas a doenças degenerativas do tecido e identificar posturas que reduzem o estresse mecânico.
O método pode ser adaptado e modificado para auxiliar na modelagem de outras espécies para fins clínicos, como cães ou outras atividades acadêmicas, como modelar transições evolutivas. Demonstrando o procedimento estará Alex Lee, um estudante de pós-graduação do laboratório Osborn, aqui apresentado com o Dr. Osborn. Comece colocando juntas gráficas dentro do membro dianteiro em todas as áreas de movimento.
Pressione a tecla F3 para habilitar o conjunto do menu de aparelhamento. Nos menus, clique em Skeleton e Create Joints, para selecionar a ferramenta criar juntas. No painel Exibir do software, clique nas áreas aproximadas das juntas na ordem de 1 a 10 e pressione a tecla enter.
Ajuste a posição das juntas clicando na articulação desejada e usando a ferramenta de movimento, realizada pressionando a tecla W para traduzir a articulação na posição desejada. Alternativamente, ajuste uma articulação clicando na articulação desejada e alterando os valores Translate X, Translate Y e Translate Z encontrados na caixa de canal ou no painel do editor camada. Em seguida, crie cinco alças cinemáticas inversas separadas.
Nos menus, clique em Skeleton e Create IK Handle para selecionar a ferramenta Criar alça iK. Usando a ferramenta Criar manusear iK, selecione a articulação uma e, em seguida, a junta três e nomeie esta alça IK, Front Leg IK" no painel Contorno. Em seguida, use a ferramenta e selecione a junta três e a junta sete.
Diga este cabo IK, Front Lower IK. Use a ferramenta e selecione juntas sete e oito e nomeie esta alça IK, Front Toe 1 IK. Repita o passo com as articulações oito e nove para criar o Dedo frontal 2 IK. Em seguida, com as articulações nove e 10 para criar o Front Toe 3 IK.To criar controles de membros dianteiros, criar um B-splines racional não uniforme, ou NURBS, círculo selecionando Criar Primitivos NURBS e Círculo. Crie dois círculos NURBS circundando a junta 3 e a junta 10, e nomeie-os Controle frontal"e Controle Inferior Frontal, respectivamente no painel Contorno. Crie outro círculo NURBS e selecione-o.
No painel do editor Channel ou Layer, altere o valor do Rotate Z para 90. Usando a ferramenta de movimento, coloque-a na ponta da junta 10 e nomeie-a Front Flick Control", no painel Contorno. Group Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK e Front Toe 3 IK by Control selecionando os três e pressionando a tecla G.
Nomeie este grupo, Front Toe Group", no painel Contorno. Pai o IK Handles e Front Toe Group para os controles, primeiro controle selecionando o IK da perna dianteira e depois o Controle frontal e pressione a tecla P. Controle selecione o controle inferior dianteiro, depois o controle frontal e pressione a tecla P.
Controle selecione a IK inferior frontal, depois o controle inferior frontal e pressione a tecla P. Controle selecione o Controle do Movimento Frontal, depois o Controle Inferior frontal e pressione a tecla P. Controle selecione o Front Toe Group, depois o Front Flick Control e pressione a tecla P.
Em seguida, use a ferramenta Bind Skin para ligar as malha ósseas à plataforma articular. Selecione a malha óssea e selecione a articulação mais proximal e use a ferramenta Bind Skin encontrada sob pele de pele e pele de ação. Usando a ferramenta Criar juntas, crie uma articulação dentro da malha óssea sesamoid.
Usando a ferramenta Bind Skin, ligue a malha óssea sesamoid à articulação. Selecione a articulação dentro do osso sesamóide e selecione a articulação do membro dianteiro mais próximo e pressione a tecla P para pai. Crie um plano NURBS com o comprimento aproximadamente igual ao comprimento da coluna vertebral.
Selecione 1 para o patch U e o número de vértebras torácicas e lombares para patch V. Selecione o quadrado encontrado ao lado da ferramenta Criar plano em Criar Primitivos NURBS e Plano. Para reconstruir o plano com opções alteradas, pressione a tecla F2 para entrar no conjunto de menus Modelagem.
Selecione o Plano no painel Exibir e selecione as configurações da Ferramenta de reconstrução selecionando o quadrado ao lado da ferramenta Reconstruir em Superfícies e Reconstruir. Selecione o Número de Spans U como 1, o Número de Intervalos V como o número para patch V e 1 Linear para as opções Grau você e Grau V. Mantenha as outras configurações à revelia e pressione o botão Reconstruir.
Para criar nHairs, pressione a tecla F5 para entrar no conjunto de menus FX. Use a ferramenta Criar cabelo com opções alteradas selecionando o quadrado ao lado de nHair e Create Hairs. Defina a saída para curvas NURBS, contagem U para 1, contagem V para o número para patch V e pressione o botão Criar cabelos.
Exclua o nucleus1, o grupo hairSystem1OutputCurves e o hairSystem1 no painel Contorno. Expanda totalmente o grupo rotulado hairSystem1Follicles e exclua todos os itens rotulados com curva. Selecione o plano e, em seguida, mova-o e oriente-o para que ele esteja aproximadamente sobreposto com a coluna usando as ferramentas Mover e Girar.
Selecione o plano, segure o botão direito do mouse e selecione Control Vertex para tornar todos os vértices do avião visíveis. Mova os vértices para orientar os folículos entre as vértebras na altura onde a medula espinhal estaria. Crie uma série de juntas separadas em qualquer lugar do painel Exibir.
A posição dessas articulações será corrigida em etapas posteriores. No painel Contorno, selecione uma junta criada e, em seguida, controle uma nurbsPlaneFollicle e pressione a tecla P. Repita com as outras juntas criadas na etapa anterior e os outros objetos nurbsPlaneFollicle.
No painel Contorno, selecione todas as juntas. Na caixa do canal ou no painel caixa camada, defina o Translate X, Y e Z a zero. Controle selecionar todas as juntas no painel Contorno e pressione as teclas Control e D para duplica-las.
Controle selecione todas as juntas duplicadas no painel Contorno e pressione as teclas Shift e P para descompensá-las. Vincule as juntas sob nurbsPlaneFollicle com sua respectiva malha vértebra pressionando a tecla F3 para entrar no conjunto do menu Rigging. Clique na articulação original em nurbsPlaneFollicle, Selecione a respectiva malha vértebra.
Em seguida, use a ferramenta Bind Skin sob Pele e Pele De Ligação. Repita essas ações para cada malha articular e vértebra. Controle selecionar todas as juntas duplicadas e o plano e use a ferramenta Bind Skin para ligar todas as juntas duplicadas ao plano.
No software de animação e modelagem 3D, a coluna da fita gráfica permite o movimento natural da coluna óssea. O software exibe o modelo com as malhas ósseas ligadas ao sistema de aparelhamento gráfico, possibilitando o controle da posição dos esqueletos. O aparelhamento de cada membro com articulações permite o posicionamento e a criação de movimento usando articulações gráficas com números de 1 a 10 para membros dianteiros e articulações gráficas com números de 11 a 17 para blocos traseiros.
O modelo 3D de equino foi combinado com fotos clássicas de Muybridge como prova de conceito, e para criar as primeiras animações. O modelo pode ser movido de uma postura normal para várias posturas, como uma rotação transversal da coluna vertebral, possibilitando compreender a relação das posturas com os regimes de força patomecanical e a consequente degeneração dos elementos esqueléticos afetados, articulações e tecidos moles. Os movimentos do modelo 4D foram comparados com vídeos do lado, costas e frente para mais precisamente retratar o movimento da coluna vertebral e para vídeos de cavalos na caminhada, galopetador e trote para criar animações dessas marchas.
Estudar a mecânica do corpo inteiro é necessário para entender os efeitos das doenças articulares degenerativas. Este modelo fornece uma maneira de estudar a relação entre movimento aberrante e posturas e degeneração de tecido resultante. Este modelo único de equinos de corpo inteiro baseado em dados de topografia computado permite o estudo desta área de pesquisa e outros devido à sua flexibilidade e capacidade de ser modificado pelos usuários para responder suas perguntas específicas.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo detalhado para a criação de um modelo esquelético tridimensional realista e manipulável de um cavalo, utilizando dados de tomografia computadorizada (CT). O modelo permite estudos abrangentes da biomecânica e da anatomia do movimento equino, com aplicações na compreensão de doenças degenerativas dos tecidos e no desenvolvimento de terapias individualizadas para claudicação equina.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Biomecânica
- Medicina Veterinária
- Modelagem e Animação 3D
Antecedentes
- Avaliações biomecânicas do corpo inteiro são eficazes na prevenção e reabilitação de lesões humanas, mas raramente são aplicadas a atletas equinos.
- A osteoartrite degenerativa em cavalos pode resultar de disfunção postural crônica, muitas vezes originada longe do local da lesão.
- A modelagem da biomecânica do corpo inteiro é essencial para identificar as disfunções primárias que contribuem para a degeneração tecidual.
- Os modelos equinos existentes carecem da flexibilidade e precisão anatômica necessárias para estudos cinemáticos detalhados.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um modelo esquelético tridimensional realista e funcional de um cavalo a partir de dados de TC.
- Fornecer um protocolo para a construção e animação de tais modelos para pesquisas em biomecânica.
- Permitir o estudo de posturas e movimentos equinos associados a alterações teciduais degenerativas.
Métodos Utilizados
- Aquisição e reconstrução de dados de TC equina em conjuntos de dados ósseos 3D individuais utilizando software de visualização.
- Montagem dos ossos em um modelo esquelético 3D completo.
- Preparação do modelo com articulações gráficas e controles de cinemática inversa (IK) para movimentação realista.
- Associação das malhas ósseas à estrutura articulada e criação de elementos de controle usando primitivas NURBS.
- Animação do modelo para replicar andaduras e posturas equinas, validada com base em fotos clássicas de Muybridge e gravações em vídeo.
Resultados Principais
- O protocolo permite o posicionamento rápido e preciso do modelo esquelético equino para estudar várias posturas.
- O modelo pode caracterizar posturas associadas a doenças teciduais degenerativas e identificar aquelas que reduzem o estresse mecânico.
- Os movimentos e posturas podem ser animados em 4D, permitindo a visualização da dinâmica esquelética saudável e não saudável.
- A abordagem é adaptável para modelar outras espécies ou para estudos acadêmicos, como transições evolutivas.
Conclusões
- Este modelo esquelético tridimensional de equinos fornece uma ferramenta poderosa para estudar a biomecânica de todo o corpo e a relação entre movimento e degeneração tecidual.
- O protocolo é flexível e pode ser modificado para outros organismos ou questões de pesquisa.
- Esses modelos podem auxiliar no desenvolvimento de terapias preventivas e reabilitadoras para claudicação degenerativa em cavalos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Modelos esqueléticos tridimensionais de alta fidelidade e corpo inteiro derivados de dados de TC permitem a redução de riscos mecanicistas e confiança preditiva em pesquisas musculoesqueléticas. Essa capacidade apoia a continuidade translacional desde a descoberta até o desenvolvimento de modelos pré-clínicos, particularmente para compreender os fatores biomecânicos que contribuem para doenças degenerativas dos tecidos. A abordagem aprimora a tomada de decisões em portfólios ao esclarecer a relação entre postura, movimento e degeneração tecidual em modelos animais de grande porte.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação de hipóteses biomecânicas subjacentes às doenças degenerativas das articulações.
- Apoia a validação funcional de alvos ao associar a mecânica postural à patologia tecidual.
- Facilita a redução de riscos mecanicistas para intervenções candidatas direcionadas à saúde músculo-esquelética.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Fornece uma estrutura anatômica validada para o desenvolvimento de ensaios quantitativos de movimento.
- Padroniza medições biomecânicas entre posturas e padrões de marcha para garantir reprodutibilidade.
- Permite avaliação escalonável e repetível de intervenções in silico antes de estudos in vivo.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha modelos pré-clínicos com pontos finais biomecânicos relevantes para a doença.
- Apóia a continuidade do modelo computacional aos estudos em animais para o desenvolvimento de biomarcadores translacionais.
- Reduz os riscos nas decisões de avanço ao esclarecer o impacto dos padrões de movimento na degeneração tecidual.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este protocolo de modelagem 3D conecta a fase inicial de descoberta e a pesquisa pré-clínica ao fornecer uma plataforma reutilizável e modificável para análise biomecânica.
- Biologia da Descoberta: Apoia testes de hipóteses sobre as origens de alterações teciduais degenerativas associadas à postura e ao movimento.
- Triagem: Fornece resultados quantitativos e reprodutíveis para comparação de intervenções biomecânicas.
- Análises: Permite a medição de ângulos articulares, estresse postural e trajetórias de movimento para análise robusta de dados.
- Pesquisa Translacional: Facilita o alinhamento de modelos computacionais e animais para validação de biomarcadores e desfechos.
- Reutilização Empresarial: Adaptável a outras espécies e questões de pesquisa, apoiando ampla utilidade em P&D.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na pesquisa musculoesquelética.
- Valor Operacional: Padroniza a modelagem biomecânica e favorece a reprodutibilidade entre equipes.
- Valor Estratégico: Orienta decisões de prosseguir/não prosseguir ao esclarecer fatores de risco biomecânicos para a degeneração tecidual.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de estratégias terapêuticas voltadas a patologias relacionadas ao movimento.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em modelagem 3D, animação e análise biomecânica.
- Depende do acesso a imagens de tomografia computadorizada avançadas e a softwares especializados de animação.
- Exige padronização entre equipes para a construção de modelos e interpretação de dados.
- Adaptável a diversas espécies, mas pode exigir modificações no protocolo devido a diferenças anatômicas.
- O formato atual do modelo apresenta uma curva de aprendizado para novos usuários não familiarizados com ferramentas de animação.
