Методическая статья

Построение реалистичной трехмерной модели скелета лошадей всего тела с использованием данных компьютерной томографии

4.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/62276

⸱

25 февраля 2021 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Целью данного протокола является описание метода создания реалистичной, цельнотелевой, скелетной модели лошади, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования для характеристики механики всего тела.

Аннотация

Методы лечения, основанные на биомеханических оценках всего тела, являются успешными для профилактики травм и реабилитации у спортсменов-людей. Подобные подходы редко использовались для изучения спортивных травм лошадей. Дегенеративный остеоартрит, вызванный механическим стрессом, может возникнуть из-за хронической постуральной дисфункции, которая, поскольку первичная дисфункция часто удалена от места повреждения тканей, лучше всего идентифицируется путем моделирования биомеханики всего тела. Для характеристики кинематики лошадей всего тела была создана реалистичная скелетная модель лошади на основе данных компьютерной томографии (КТ) лошадей, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования. Данные КТ лошадей были реконструированы в отдельные трехмерные (3D) наборы данных (т.е. кости) с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и собраны в полную 3D-скелетную модель. Затем модель была сфальсифицирована и анимирована с использованием программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Полученная 3D-модель скелета может быть использована для характеристики поз лошадей, связанных с дегенеративными изменениями тканей, а также для выявления поз, которые уменьшают механическое напряжение в местах повреждения тканей. Кроме того, при анимации в 4D модель может быть использована для демонстрации нездоровых и здоровых скелетных движений и может быть использована для разработки профилактической и реабилитационной индивидуализированной терапии для лошадей с дегенеративными хромотами. Хотя модель скоро будет доступна для загрузки, в настоящее время она находится в формате, который требует доступа к программному обеспечению для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Этот протокол будет направлять пользователей в (1) разработке такой модели для любого интересующего организма и (2) использовании этой конкретной модели лошадей для их собственных исследовательских вопросов.

Введение

Хроническая хромота у лошадей часто связана с прогрессирующими дегенеративными поражениями тканей, аналогичными остеоартриту (ОА), основной проблеме общественного здравоохранения у людей 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . В медицине человека, поскольку терапевтические подходы, ориентированные на лечение конкретных поражений (например, фармакотерапия и прямая хондральная репарация), в основном потерпели неудачу, патомеханические силы в настоящее время признаны основной причиной повреждения тканей при ОА. Аберрантные или патомеханические силы воздействуют непосредственно как на костные, так и на хрящевые клетки, вызывая высвобождение медиаторов воспаления и прогрессирующую дегенерацию тканей9. Эти наблюдения показывают, что, если причинные механические силы не будут исправлены, многие хронические дегенеративные заболевания костей и суставов будут продолжать прогрессировать. Следовательно, терапевтический фокус в медицине человека смещается в сторону подходов, которые «разгружают» пораженные суставы с помощью целенаправленныхупражнений 10,11. Однако этот сдвиг еще не был сделан в медицине лошадей, отчасти потому, что необходимы модели движения лошадей, которые могут быть адаптированы, чтобы показать движения человека.

Комплексный биомеханический анализ всего тела распространен при разработке тренировочных программ для оптимизации спортивных результатов и облегчения восстановления после травм у спортсменов-людей11 (см. также, например, журнал «Спортивная биомеханика»), но реже делается для спортсменов лошадей (см.12). Таким образом, главной целью здесь является создание патомеханических моделей хромоты лошадей, которые могут быть использованы для разработки индивидуализированных профилактических и реабилитационных методов лечения для улучшения здоровья спортсменов лошадей. Такие патомеханические модели могут характеризовать различия в функциональной анатомии областей (т.е. позвоночника), которые не так легко различимы невооруженным глазом, как другие (т.е. нижняя конечность). Для достижения этой цели первой задачей была разработка анатомически точной, манипулируемой модели скелета лошадей, которая может быть использована в качестве шаблона исследователями, заинтересованными в функциональном анатомическом, кинематическом и кинетическом анализе. Чтобы быть полезной для клиницистов лошадей и исследователей, эта модель должна (1) быть биологически реалистичной, чтобы обеспечить точное анатомическое позиционирование, (2) позволять легко и точно корректировать различные позы здоровых и нездоровых лошадей, (3) быть анимированной для изучения эффектов различных походок и (4) облегчать повторяемые воссоздания положений и движений.

3D-графическая скелетная модель всего тела лошади была построена из данных КТ, в которой положения костей относительно друг друга можно было манипулировать, а затем анимировать, чтобы они соответствовали движениям из изображений или видео лошади в движении, создавая таким образом 4D-модель скелета лошади. В зависимости от того, что лучше всего соответствует рассматриваемому вопросу, модель может использоваться в 2D, 3D и 4D версиях или в различных комбинациях для иллюстрации и характеристики патомеханических эффектов конкретных позиций или поз. Из-за своего базового и гибкого дизайна модель служит шаблоном, который может быть изменен исследователями для отражения их конкретных вопросов и параметров данных. К таким параметрам относятся, например, анатомическая информация, основанная на поле и размере животного, данные анализа 3D-движения, оценки силы мягких тканей и инерционные свойства. Таким образом, модель позволяет более детально анализировать конкретные области или суставы, а также обеспечивает основу для постановки экспериментов, которые не могут быть выполнены на живых лошадях. Из-за практических ограничений, связанных с наличием образцов (например, разрезание ребер) и сканером, модель лошадей всего тела является результатом объединения данных трех образцов лошадей. Таким образом, модель не является идеальным представлением одного индивида, но была стандартизирована для представления индивидуальной изменчивости в более широком смысле. Короче говоря, это шаблон, который будет использоваться и модифицироваться в соответствии с потребностями исследователей. Компьютерная томография туловища, головы и шеи, а также конечностей была получена от двух образцов лошадей примерно одинакового размера с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 1 мм среза. Компьютерная томография набора ребер была получена с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 0,64 мм срезов.

Сохранялась анатомическая целостность костных суставов (например, внутри конечности). Мягкие ткани, доступные в компьютерной томографии, также использовались для подтверждения размещения костей. Поскольку некоторые целые ребра и проксимальные части всех ребер были доступны и отсканированы на образце грудной клетки, отдельно отсканированные ребра могли быть точно измерены и помещены в скелетную модель всего тела. Полученные данные CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) были импортированы в программное обеспечение для 3D-визуализации (см. Таблицу материалов), а отдельные кости были сегментированы в отдельные наборы данных (т. Е. Костные сетки). Затем отдельные 3D-костяные сетки были импортированы в программное обеспечение для 3D-анимации и моделирования (Таблица материалов), где они были измерены, если это необходимо, и собраны в полный скелет лошади при подготовке к такелажу - графическому методу соединения костных сеток таким образом, чтобы их движения были связаны (рисунок 1).

Протокол

1. Такелаж передних конечностей

  1. Поместите графические соединения внутри передней конечности во всех областях движения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Полученное размещение сустава представляет собой суставную цепь от лопатки до дистального конца кости гроба (рисунок 2А). В области запястных костей для увеличения радиуса изгиба используются 3 сустава в непосредственной близости.
    1. Нажмите клавишу F3 , чтобы включить набор меню такелажа . В меню выберите Скелет | Создать суставы, чтобы выбрать инструмент «Создать суставы ».
    2. На панели View программного обеспечения щелкните приблизительные области стыков, найденные на рисунке 2A , в порядке от 1 до 10 и нажмите клавишу ENTER .
    3. Отрегулируйте положение суставов, щелкнув по нужному соединению, и используйте инструмент «Переместить», нажав клавишу W , чтобы перевести сустав в нужное положение. Кроме того, можно настроить соединение, щелкнув по нужному соединению и изменив значения Translate X, Translate Y и Translate Z, найденные на панели Channel Box/Layer Editor .
  2. Создайте 5 отдельных обратных кинематических дескрипторов (ОК-дескрипторов) (стыки будут обозначаться числами, указанными на рисунке 2A).
    1. В меню выберите Скелет | Создать маркер ОК, чтобы выбрать инструмент Создать маркер ОК . С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 1, затем соединение 3; Назовите этот маркер IK Front Leg IK на панели Outliner . С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 3, затем соединение 7; Назовите этот маркер IK Передний нижний IK.
    2. С помощью инструмента «Создать ручку ОК» выберите соединение 7, затем соединение 8; Назовите этот маркер IK Front Toe 1 IK на панели Outliner . С помощью инструмента «Создать ручку ОК» выберите соединение 8, затем соединение 9; Назовите этот маркер IK Front Toe 2 IK на панели Outliner . С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 9, затем соединение 10; Назовите этот маркер IK Front Toe 3 IK на панели Outliner .
  3. Создание элементов управления передними конечностями
    1. Создайте неоднородный рациональный круг B-splines (NURBS) с помощью инструмента «Круг» в меню «Создать | NURBS Примитивы | Круг.
    2. Создайте два круга NURBS и переместите их с помощью инструмента «Перемещение», чтобы окружить стыки 3 и 10, и назовите их Front Ctrl и Front Lower Ctrl соответственно на панели «Контур ».
    3. Создайте круг NURBS; выделите круг и на панели редактора канальной коробки/слоя измените значение параметра Поворот Z на 90. С помощью инструмента «Перемещение» поместите его на кончик сустава 10 и назовите его Front Flick Ctrl на панели «Контур ».
  4. Сгруппируйте передний носок 1 IK, передний носок 2 IK и передний носок 3 IK, выбрав все три и нажав клавиши CTRL + G. Назовите эту группу «Группа передних пальцев ног» на панели «Контур». Передайте управляющим элементам управления маркеры IK и группу передних пальцев ног.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Важно выбрать Shift + в точном порядке, описанном ниже, чтобы обеспечить правильное родительское дерево.
    1. Выберите Front Leg IK, затем Front Ctrl на панели Outliner и нажмите клавишу P .
    2. Выберите Клавишу Ctrl с нижней панели переднего края, затем клавишу CTRL спереди на панели «Контур » и нажмите клавишу P .
    3. Выберите Front Lower IK, затем Front Lower Ctrl на панели Outliner и нажмите клавишу P .
    4. Выберите Клавишу Ctrl с пролистыванием передней панели, затем клавишу Ctrl с нижней стороны на панели «Структура » и нажмите клавишу P .
    5. Выберите Front Toe Group, затем Front Flick Ctrl на панели Outliner и нажмите клавишу P .
  5. Используйте инструмент Bind Skin для связывания костных сеток, за исключением сесамовидных костей, включая навикулярные кости с наиболее проксимальным суставом. Убедитесь, что каждая костная сетка связана только с одним суставом.
    1. Нажмите на костную сетку, Shift + нажмите на самый проксимальный сустав и выберите инструмент Bind Skin в разделе Skin | Связывайте кожу.
  6. Оснастка сесамовидных костей и навикулярной кости
    1. Создайте сустав, поместите его в середину сесамовидной кости и нажмите клавишу Enter . На панели «Вид» выберите сетку из сесамовидной кости и нажмите клавишу «Shift» + щелкните сустав в середине кости. Используйте инструмент Bind Skin для привязки сетки к суставу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сесамовидной костью теперь можно манипулировать с помощью инструментов «Перемещение» и «Поворот» для регулировки при изменении положения ноги.
    2. На панели «Вид » выберите стык в сесамовидной кости, Shift + щелкните ближайший сустав в передней конечности и нажмите клавишу P .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это родительский сустав в сесамовидной кости к передней конечности.
    3. Повторите шаги 1.6.1-1.6.2 для других сесамовидных костей и навикулярной кости.
  7. Повторите шаги с 1.1 по 1.6 для другой передней части.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Сустав в лопатке может быть выбран и переведен во всех 3 направлениях (6 степеней свободы) с помощью инструмента «Перемещение ».

2. Задний такелаж

  1. Поместите суставы внутри задней конечности во всех областях движения, чтобы получить суставную цепь от головки демура до дистального конца кости гроба (рисунок 2B).
  2. Создайте 5 отдельных дескрипторов ОК (соединения будут ссылаться на числа, найденные на рисунке 2B).
    1. С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 11, затем соединение 12; Назовите этот маркер IK Hind IK на панели Outliner . С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 12, затем соединение 14; назовите этот ОК-дескриптор Hind Lower IK на панели Outliner .
    2. С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 14, затем соединение 15; Назовите этот ОК-дескриптор Hind Toe 1 IK на панели Outliner . С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 15, затем соединение 16; Назовите этот ОК-дескриптор Hind Toe 2 IK на панели Outliner .
    3. С помощью инструмента «Создать ручку ОК » выберите соединение 16, затем соединение 17; Назовите этот ОК-дескриптор Hind Toe 3 IK на панели «Контур ».
  3. Создание элементов управления задними конечностями
    1. Создайте два круга NURBS с именами Hind Ctrl и Hind Lower Ctrl и переместите их в окружение соединения 12 и 17 соответственно.
    2. Создайте круг NURBS с именем Hind Flick Ctrl. Сделайте этот круг вертикальным, и поместите его на кончик сустава 10.
  4. Сгруппируйте задний палец 1 IK, задний палец 2 IK и задний палец 3 IK , выбрав все три и нажав клавиши CTRL + G. Назовите эту группу Hind Toe Group.
  5. Передайте дескрипторы IK и группу Hind Toe элементам управления. Обязательно выберите Shift + в точном порядке, описанном ниже, чтобы обеспечить правильное родительское дерево.
    1. Выберите Hind IK, затем Hind Ctrl и нажмите клавишу P.
    2. Выберите Задний нижний Ctrl, затем Задний ctrl и нажмите клавишу P .
    3. Выберите Задний нижний IK, затем Задний нижний Ctrl и нажмите клавишу P .
    4. Выберите Задний пролистывание Ctrl, затем Задний нижний Ctrl и нажмите клавишу P .
    5. Выберите «Группа задних пальцев», затем «Задний проведите пальцем ctrl» и нажмите клавишу P .
  6. Используйте инструмент Bind Skin для связывания костных сеток с наиболее проксимальным суставом. Убедитесь, что каждая костная сетка связана только с одним суставом.
    1. Нажмите на костную сетку, Shift + щелкните самый проксимальный сустав и выберите инструмент «Связать кожу» в разделе «Кожа» | Связывайте кожу.
  7. Оснастка надколенника, сесамовидные кости и пуповинная кость
    1. Создайте соединение, поместите его в середину коленной чашечки и нажмите клавишу Enter . На панели «Вид » выберите сетку надколенника и shift + нажмите на стык в коленной чашечке. Используйте инструмент Bind Skin для привязки сетки к суставу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Коленной чашечкой теперь можно манипулировать с помощью инструментов «Перемещение» и «Поворот» для регулировки при изменении положения ног.
    2. На панели «Вид» выберите стык в надколеннике, Shift + щелкните на ближайшем суставе в передней конечности и нажмите клавишу P , чтобы передать сустав в надколеннике к передней конечности.
    3. Повторите шаги 2.7.1 и 2.7.2 для сесамовидных костей и навикулярной кости.
  8. Повторите шаги с 2.1 по 2.7 для другой задней конечности.

3. Ленточный корешковый такелаж

  1. Создайте плоскость NURBS с измененными вариантами с длиной, примерно равной длине позвоночника с 1 U-патчем и # V-пластырем, где # — количество грудных и поясничных позвонков.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для этой статьи длина составляет 20 с патчами 22 В.
    1. Выделите квадрат рядом с инструментом «Создать плоскость » в разделе «Создать | NURBS Примитивы | Самолет.
  2. Перестройте самолет с измененными параметрами.
    1. Нажмите клавишу F2 , чтобы войти в набор меню моделирования. Выберите плоскость на панели представления и выберите параметры инструмента «Перестроить », щелкнув квадрат рядом с инструментом «Перестроить» в разделе «Поверхности | Перестроить. Используйте следующие параметры: количество пролетов U = 1; количество пролетов V = # (в данном случае 22); выберите «1 линейный» для параметров «Градус I» и «Градус V»; сохранить остальные настройки по умолчанию; и нажмите кнопку Перестроить .
  3. Создавайте nhairs с измененными параметрами.
    1. Нажмите клавишу F5 , чтобы войти в набор меню FX. «Выберите плоскость на панели просмотра и используйте инструмент «Создать волосы» с измененными параметрами, выбрав квадрат рядом с nHair | Создавайте волоски. Используйте следующие параметры: вывод задается кривыми NURBS; Количество U = 1; V count = # (в данном случае 22); оставить остальные параметры по умолчанию; и нажмите кнопку Создать волосы .
  4. Удалите на панели контура следующее: nucleus1, группа hairSystem1OutputCurves и hairSystem1. Полностью разверните группу с меткой hairSystem1Follicles и удалите все элементы, помеченные curve__.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Результат должен оставить группу с меткой hairSystem1Follicles , которая содержит список элементов, помеченных nurbsPlane_Follicle____.
  5. Выделите плоскость, переместите и наведите ее так, чтобы она примерно перекрывалась с корешком, с помощью инструментов «Перемещение» и «Поворот». Выделите плоскость, удерживайте правую кнопку мыши и выберите Control Vertex, чтобы сделать видимыми все вершины плоскости.
  6. Переместите вершины, чтобы сориентировать фолликулы между позвонками на высоте, где будет спинной мозг. Создайте # количество отдельных соединений (22 в данном случае) в любом месте панели View , так как положение этих соединений будет исправлено на последующих шагах.
  7. Родительский сустав с nurbsPlane_Follicle____ так, чтобы каждый из них имел один сустав под своим деревом.
    1. На панели Outliner выберите стык, созданный на шаге 3.6, затем ctrl + щелкните nurbsPlane_Follicle____ и нажмите клавишу P . Повторите 3.7.1 с другими соединениями, созданными на шаге 3.6, и с другим nurbsPlane_Follicle____ объектом s.
  8. На панели «Контур» нажмите Ctrl + выделите все стыки; на панели Chanel Box/Layer Box установите для параметра Перевести X, Y и Z значение 0. Продублируйте все стыки с помощью Ctrl + выделив все стыки на панели Outliner и нажав клавиши Ctrl + D. Отмените родительские все дубликаты соединений с помощью Ctrl + выделив все дубликаты соединений на панели Outliner и нажав клавиши Shift + P
  9. Свяжите суставы под nurbsPlane_Follicle____ соответствующей сеткой позвонков.
    1. Нажмите клавишу F3 , чтобы войти в набор меню «Такелаж ». Нажмите на исходный сустав (не дублирующийся сустав) под nurbsPlane_Follicle____, Shift + нажмите на соответствующую сетку позвонка, а затем используйте инструмент Bind Skin под Skin | Связывайте кожу. Повторите эти действия на этапе 3.9.1 для каждой сетки суставов и позвонков.
  10. CTRL + щелкните все дубликаты соединений и плоскость, а затем с помощью инструмента «Связать кожу» привяжите все дубликаты соединений к плоскости.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Дублирующимися суставами теперь можно манипулировать, чтобы контролировать позвонки.
  11. Повторите шаги с 3.1 по 3.10 для шейных и хвостовых позвонков.

4. Реберная и грудинная оснастка

  1. Поместите отдельные суставы на головке ребра, на проксимальном конце реберного хряща и на дистальном конце реберного хряща. Отведите сустав на проксимальном конце реберного хряща к суставу в головке ребра.
  2. Отсоедините сустав на дистальном конце реберного хряща к ближайшему суставу на проксимальном конце реберного хряща. Отведите сустав в головке ребра к суставу позвоночника, который контролирует позвонки каудально к реберу.
  3. В меню «Такелаж », установленном под вкладкой «Кожа», используйте инструмент « Связать кожу», чтобы связать ребро с суставом в его голове и реберный хрящ с обоими суставами на его проксимальном конце и дистальном конце.
  4. Повторите шаги с 4.1 по 4.3 для каждого ребра.
  5. Поместите отдельные суставы на самом черепном конце каждого стернального сегмента. Родитель каждого стернального сегмента сустава к спинномозговому суставу наиболее дорсальный к каждому стернальному сегменту сустава. В меню «Такелаж », установленном на вкладке «Кожа», используйте инструмент « Связать кожу», чтобы привязать стернальный сегмент к его суставу.

5. Позиционирование и анимация

  1. Выберите кадр на временной шкале.
  2. Расположите модель и элементы управления. Импортируйте изображение для использования в качестве ссылки, создав свободную плоскость изображения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изображения с Мейбриджа13 лошади на прогулке были использованы в качестве доказательства концепции.
    1. При выборе параметра «Свободная плоскость изображения » выберите файл изображения на вкладке «Редактор атрибутов» и в раскрывающемся меню «Атрибуты плоскости изображения ».
  3. Выделите все элементы управления и суставы управления позвоночником и нажмите клавишу S , чтобы сохранить их в качестве ключевого кадра.
  4. Вдоль различных кадров вдоль временной шкалы перемещайте и поворачивайте элементы управления и суставы управления позвоночником, а также нажимайте клавишу S.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изменение положения элементов управления и суставов управления позвоночником и сохранение их в виде ключевых кадров в разных точках временной шкалы создает анимацию. Вдоль каждого кадра временной шкалы не обязательно должен быть установлен ключевой кадр; только критические позиции или тайминги должны быть обрамлены ключом. Программное обеспечение для 3D-анимации и моделирования будет интерполировать между ключевыми позициями каждого элемента управления и соединения управления позвоночником, создавая плавную анимацию.

Результаты

Результатом метода стала 3D-модель скелета лошадей внутри программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования, которая позволяет точное анатомическое позиционирование и моделирование движения. Сама модель имеет графическую такелажную систему, делегированную передним конечностям, задним конечностям, позвоночнику, шее и грудной клетке. 3D-модель может быть помещена в различные позы (рисунок 3 и рисунок 4) несколькими людьми. Движения 4D-модели (в движении) сравнивались с видео сбоку, сзади и спереди, а также с кадрами дронов над головой, чтобы более точно изобразить движение позвоночника и видео лошадей на прогулке (видео), кантере и рыси для создания анимации этих походок.

figure-results-1
Рисунок 1: 3D-модель лошади может быть перемещена в различные позы и анимирована для демонстрации движений всего тела в различных походках в программном обеспечении для 3D-анимации и моделирования. (A, C) Графические такелажные системы для лошади. Графическая лента позвоночника, обеспечивающая естественное движение костного отдела позвоночника, проиллюстрирована зеленой плоскостью. Элементы управления, используемые для перемещения различных графических оснасток и прикрепленных костяных сеток, иллюстрируются желтыми овалами и поперечными стрелками на модели. (A) Положение стоя. (C) Положение для поднятия. (В, Г) Модель с костяными сетками, прикрепленными к графической такелажной системе. Положения органов управления изменяют положение скелета лошади. (B) Стоячая лошадь. (D) Выращивание лошадей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-2
Рисунок 2: Оснастка каждой конечности с суставами позволяет позиционировать и создавать движение. (А) Передний край с графическими суставами, обозначенными цифрами 1-10. (B) Задние конечности с графическими соединениями, обозначенными цифрами 11-17. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-3
Рисунок 3: 3D-модель лошади была сопоставлена с классическими фотографиями Muybridge13 в качестве доказательства концепции и создания первых анимаций. (А) Мейбридж фотографирует лошадь на прогулке. (B) 3D-модель лошади, наложенная на фотографии, которые будут использоваться в качестве ключевых кадров в анимации. (C) 3D-модель лошадей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

figure-results-4
Рисунок 4: 3D-модель лошади может быть перемещена в различные позы (например, поперечное вращение позвоночника, продемонстрированное здесь), чтобы понять связь таких поз с патомеханическими силовыми режимами и результирующей дегенерацией пораженных скелетных элементов, суставов и мягких тканей. (A) Графическое 2D-представление нормальной позы лошади (с всадником) с использованием графически обработанных фотографий скелета лошади по сравнению с неподвижным изображением 3D-модель лошади со скрытыми головой и шейными позвонками для визуализации грудной клетки. (B) Графическое 2D-изображение лошади (с всадником) с поперечным вращением позвоночника с использованием графически обработанных фотографий скелета лошади по сравнению с неподвижным изображением 3D-модели лошади со скрытыми головой и шейными позвонками для визуализации грудной клетки. Обратите внимание здесь на влияние поперечного вращения на скелет и конечности тела. Изображенное положение перегружало бы левую переднюю конечность, которая поддерживалась сжатием и треском левой передней стенки копыта у живой лошади. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Видео. 4D Лошадь. Ключевые положения скелета, соответствующие13 фотографиям лошади Мейбриджа, были интерполированы, чтобы создать анимацию лошади на прогулке. Движение можно увидеть спереди, сбоку, сверху и сзади. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Обсуждение

Этот протокол демонстрирует, как создать 3D-скелетную модель всего тела организма и демонстрирует, как использовать скелетную модель всего тела лошади, описанную в этой статье. Модель в настоящее время находится в формате, который требует определенного программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Тем не менее, версия этого программного обеспечения находится в свободном доступе для тех, кто связан с университетом. Хотя моделирование осанки и движения всего тела используется для оценки спортсменов-людей и выявления причин механически индуцированных хронических травм11, это реже делается с лошадьми-спортсменами. Чтобы использовать этот подход для оценки потенциальных причин спортивных травм лошадей и проблем с производительностью, была создана реалистичная скелетная модель всего тела лошади с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Эта модель отличается от других моделей лошадей, которые либо являются художественным графическим воссозданием скелета (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), либо изображают только конечности 14,15,16,17. В этой модели всего тела передние конечности, задние конечности, позвоночник и грудная клетка были оснащены и имели элементы управления, которые позволяют легко манипулировать моделью для реалистичного и точного позиционирования и анимации.

Протокол, используемый для настройки модели, обеспечивает повторяемость и будущие изменения в соответствии с потребностями конкретной лошади, позволяющей проводить индивидуальный анализ. Таким образом, модель лошадей является инструментом, который будет использоваться исследователями при анализе движения. Однако это не автоматизированная программа, которая предоставляет ответы без ввода параметров, специфичных для моделируемого животного, и рассматриваемого вопроса, поскольку точность модели напрямую связана с силой конкретного анализа. Возможность ввода параметров также позволяет постоянно обновлять модель данными будущих исследований. Кроме того, этот графический протокол такелажа может быть применен и/или скорректирован для отражения анатомических различий между людьми. Он также может быть адаптирован для эффективного моделирования других животных. 3D-моделью лошадей можно легко манипулировать и позиционировать для имитации положений и движений. Это особенно очевидно с конечностями, поскольку их движения относительно просты для просмотра и моделирования.

Графическое позиционирование суставов в модели определяли подходом, аналогичным тому, который использовался в других исследованиях18,19. Костяные сетки были размещены в нейтральном положении. Графические суставы были расположены таким образом, чтобы кости могли свободно вращаться, не вызывая столкновения с другими костными сетками. В цифрах графическое соединение помещалось в точке, где сфера совпадала с поверхностями движения. Графическое соединение лопатки помещали в примерный центр лезвия лопатки. Такое позиционирование графического сустава позволяет перемещать его в 6 степенях свободы для ориентации лопатки в нужное положение. В отличие от конечностей, движение позвоночника нелегко увидеть, оно сложнее, чем часто реализуется, и, следовательно, его труднее моделировать. Хотя модель обладает гибкостью, которую можно использовать для исследования движений и проблем в конкретных спинномозговых суставах, она также должна была быть в состоянии представить часто трудно различимые движения всего позвоночника. Использование «ленточного позвоночника» позволяет более реалистично двигать позвоночник во время анимации.

Это важно, так как позвоночник у лошадей, как было обнаружено у людей, часто является источником проблем, которые потенциально связаны с аберрантными биомеханическими движениями и травмами конечностей. Сильной стороной этой модели является способность точно демонстрировать положения позвоночника, такие как поперечные вращения позвонков20 (рисунок 4). Как эти позы влияют на конечности в трех измерениях во время различных походок, можно определить, используя модель в сочетании с кинематическим и силовым анализом (например, исследования нажимных пластин для подтверждения повышенной нагрузки конечностей и статический силовой анализ). Мышечно-мышечные компоненты мягких тканей в настоящее время добавляются к скелетной модели всего тела. Будущие цели заключаются в расширении использования модели в 3D биомеханическом анализе для исследований хромоты лошадей. Такое расширение будет включать использование модели для завершения 3D-анализа силы, который сравнивает здоровые и нездоровые позы, и регистрацию модели с помощью точек 3D-данных, собранных в исследованиях захвата движения, чтобы обеспечить более эффективное визуальное представление движения.

Раскрытие информации

Авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Авторы выражают признательность г-ну Жану Люку Корниллю, специалисту по науке о движении, за его вклад в повышение точности моделирования; д-р Марта Литтлфилд и г-н Джеймс Рэй (LSU SVM), а также д-р Стив Холладей, д-р Карла Джарретт и г-н Брент Норвуд (UGA CVM) для доступа к анатомическим образцам; д-р Аджай Шарма (UGACVM) и д-р Л. Аббигейл Грейнджер и г-н Марк Хантер (LSUSVM) за проведение компьютерной томографии; и исследователи бакалавриата Джереми Бейкер, Джошуа Мацеевски, Сара Ланглуа и Даниэль Пазуки (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) за их работу, связанную с этим исследованием. Финансирование было получено от Программы исследований здоровья лошадей Школы ветеринарной медицины Университета штата Луизиана через грант Чарльза В. Кузимано.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
AvizoVSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MAN/Aупоминается в тексте как "программное обеспечение для 3D-визуализации"
MayaAutodesk, Inc., San Rafael, CAN/Aупоминается в тексте как "программное обеспечение для 3D-анимации и моделирования"; Бесплатная студенческая версия

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи