Построение реалистичной трехмерной модели скелета лошадей всего тела с использованием данных компьютерной томографии
25 февраля 2021 г.
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.
Реалистичная скелетная модель лошади создается из данных компьютерной томографии лошадей, которыми можно манипулировать, чтобы понять функциональное, анатомическое и биомеханическое моделирование всего тела лошади. Техника позволяет быстро и легко позиционировать модель, чтобы помочь охарактеризовать различные позы лошадей. Модель может помочь охарактеризовать позы лошадей, связанные с дегенеративными заболеваниями тканей, и определить позы, которые уменьшают механические нагрузки.
Метод может быть адаптирован и модифицирован, чтобы помочь в моделировании других видов для клинических целей, таких как собаки или другие академические занятия, такие как моделирование эволюционных переходов. Продемонстрировать процедуру будет Алекс Ли, аспирант из лаборатории Осборна, показанный здесь с доктором Осборном. Начните с размещения графических суставов внутри передней конечности во всех областях движения.
Нажмите клавишу F3, чтобы включить набор меню такелажа. В меню выберите Скелет и Создать суставы, чтобы выбрать инструмент создания суставов. На панели Вид программного обеспечения щелкните в приблизительных областях стыков порядка от одного до 10 и нажмите клавишу ввода.
Отрегулируйте положение суставов, нажав на нужный сустав и используя инструмент перемещения, выполненный нажатием клавиши W, чтобы перевести сустав в нужное положение. Кроме того, можно настроить соединение, щелкнув нужное соединение и изменив значения Translate X, Translate Y и Translate Z, найденные в поле «Канал» или на панели редактора «Слой». Затем создайте пять отдельных обратных кинематических маркеров.
В меню выберите Скелет и Создать маркер ОК, чтобы выбрать инструмент Создать маркер ОК. С помощью инструмента «Создать рукоятку ОК» выберите «Соедините один», затем соедините три и назовите этот маркер IK «Передняя нога IK» на панели «Контур». Затем используйте инструмент и выберите соединение три и соединение семь.
Назовите этот маркер IK, Передний нижний IK. Используйте инструмент и выберите соединения семь и восемь и назовите этот маркер IK, Front Toe 1 IK. Повторите шаг с суставами восемь и девять, чтобы создать Front Toe 2 IK. Затем с помощью соединений девять и 10 для создания Front Toe 3 IK.To создать элементы управления передними конечностями, создать неоднородные рациональные B-сплайны, или NURBS, круг, выбрав Создать примитивы NURBS и Круг. Создайте два круга NURBS, окружающие соединение 3 и соединение 10, и назовите их «Передний контроль» и «Передний нижний элемент управления» соответственно на панели Outliner. Создайте еще один круг NURBS и выберите его.
В поле «Канал» или на панели редактора «Слой» измените значение параметра «Повернуть Z» на 90. С помощью инструмента «Перемещение» поместите его на кончик сустава 10 и назовите его «Управление передним движением» на панели «Контур». Сгруппируйте передний носок 1 IK, передний носок 2 IK и передний носок 3 IK, выбрав все три и нажав клавишу G.
Назовите эту группу «Группа передних пальцев ног» на панели «Контур». Сопоставьте ручки ОК и группу передних пальцев ног к элементам управления, сначала выбрав ОК передней ножки, затем передний элемент управления и нажав клавишу P. Элемент управления выберите Передний нижний элемент управления, затем Передний элемент управления и нажмите клавишу P.
Элемент управления выберите передний нижний IK, затем передний нижний элемент управления и нажмите клавишу P. Элемент управления выберите элемент управления «Передний пролистывание», затем «Передний нижний элемент управления» и нажмите клавишу P. Элемент управления выберите группу передних пальцев ног, затем элемент управления пролистыванием передней части и нажмите клавишу P.
Затем используйте инструмент Bind Skin, чтобы связать костные сетки с суставной установкой. Выберите костную сетку, выберите наиболее проксимальный сустав и используйте инструмент «Связать кожу», который находится в разделе «Кожа» и «Связать кожу». С помощью инструмента «Создать суставы» создайте сустав внутри сесамовидной костной сетки.
С помощью инструмента Bind Skin привяжите сесамовидную костную сетку к суставу. Выберите сустав внутри сесамовидной кости и сместите, выберите ближайший сустав передней конечности и нажмите клавишу P, чтобы передать его. Создайте плоскость NURBS с длиной, примерно равной длине позвоночника.
Выберите 1 для U пластыря и количество грудных и поясничных позвонков для V-пластыря. Выделите квадрат рядом с инструментом «Создать плоскость» в разделах «Создать примитивы NURBS» и «Плоскость». Чтобы перестроить самолет с измененными параметрами, нажмите клавишу F2, чтобы войти в набор меню Моделирование.
Выберите «Плоскость» на панели «Вид» и выберите параметры инструмента «Перестроить», щелкнув квадрат рядом с инструментом «Перестроить» в разделе «Поверхности и перестроить». Выберите Число диапазонов U как 1, Число диапазонов V в качестве числа для исправления V и 1 Линейный для параметров Градус U и Градус V. Оставьте остальные настройки по умолчанию и нажмите кнопку Перестроить.
Чтобы создать nHairs, нажмите клавишу F5, чтобы войти в набор меню FX. Используйте инструмент «Создать волосы» с измененными параметрами, выбрав квадрат рядом с nHair и «Создать волосы». Установите выходные данные в кривые NURBS, U count равны 1, V count в число для V патча, затем нажмите кнопку Create Hairs .
Удалите группу nucleus1, hairSystem1OutputCurves и hairSystem1 на панели «Контур». Полностью разверните группу с меткой hairSystem1Follicles и удалите все элементы, помеченные кривой. Выделите плоскость, затем 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. Переместите вершины, чтобы сориентировать фолликулы между позвонками на высоте, где будет спинной мозг. Создайте несколько отдельных соединений в любом месте панели «Вид».
Положение этих суставов будет исправлено на последующих этапах. На панели Outliner выберите созданное соединение, затем Control выберите nurbsPlaneFollicle и нажмите клавишу P. Повторите с другими соединениями, созданными на предыдущем шаге, и другими объектами nurbsPlaneFollicle.
На панели «Контур» в разделе «Управление» выберите все соединения. В поле «Канал» или «Слой» установите для параметров «Перевести X, Y и Z» значение нуля. Элемент управления, выберите все соединения на панели Outliner и нажмите клавиши Control и D, чтобы дублировать их.
Элемент управления, выделите все дубликаты соединений на панели Outliner и нажмите клавиши Shift и P, чтобы удалить их. Свяжите суставы под nurbsPlaneFollicle соответствующей сеткой позвонков, нажав клавишу F3, чтобы войти в набор меню Rigging. Нажмите на исходный сустав под nurbsPlaneFollicle, Shift выберите соответствующую сетку позвонка.
Затем используйте инструмент «Связать кожу» под кожей и «Связать кожу». Повторите эти действия для каждого сустава и сетки позвонков. Управление выделением всех дублирующихся соединений и плоскости и использование инструмента Bind Skin для привязки всех дублирующихся соединений к плоскости.
В программном обеспечении для 3D-анимации и моделирования графическая лента позвоночника обеспечивает естественное движение костного отдела позвоночника. Программа отображает модель с костными сетками, прикрепленными к графической такелажной системе, что позволяет контролировать положение скелетов. Оснастка каждой конечности суставами позволяет позиционировать и создавать движения с помощью графических суставов с номерами от 1 до 10 для передних конечностей и графических суставов с номерами от 11 до 17 для задних конечностей.
3D-модель лошадей была сопоставлена с классическими фотографиями Мейбриджа в качестве доказательства концепции и создания первых анимаций. Модель может быть перемещена из нормальной позы в различные позы, такие как поперечное вращение позвоночника, что позволяет понять связь поз с патомеханическими силовыми режимами и результирующей дегенерацией пораженных скелетных элементов, суставов и мягких тканей. Движения 4D-модели сравнивались с видео сбоку, сзади и спереди, чтобы более точно изобразить движение позвоночника, и с видео лошадей на прогулке, кантере и рыси для создания анимации этих походок.
Изучение механики всего тела необходимо для понимания последствий дегенеративных заболеваний суставов. Эта модель обеспечивает способ изучения взаимосвязи между аберрантными движениями и позами и результирующей дегенерацией тканей. Эта уникальная модель лошадей всего тела, основанная на данных компьютерной топографии, позволяет изучать эту область исследований и другие области из-за ее гибкости и способности быть измененными пользователями для ответа на их конкретные вопросы.
Обзор
В данной статье представлен подробный протокол создания реалистичной, доступной для манипуляций трехмерной скелетной модели лошади на основе данных компьютерной томографии (КТ). Модель позволяет проводить комплексные биомеханические и анатомические исследования движений лошадей, что находит применение в изучении дегенеративных заболеваний тканей и разработке индивидуальных методов терапии хромоты у лошадей.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомеханика
- Ветеринарная медицина
- 3D-моделирование и анимация
Теоретические сведения
- Биомеханическая оценка всего тела эффективна для предотвращения травм и реабилитации людей, однако она редко применяется к лошадям, участвующим в спорте.
- Дегенеративный остеоартрит у лошадей может быть следствием хронической постуральной дисфункции, которая часто возникает в областях, удаленных от места повреждения.
- Моделирование биомеханики всего тела имеет важное значение для выявления первичных дисфункций, способствующих дегенерации тканей.
- Существующим моделям лошадей не хватает гибкости и анатомической точности, необходимых для детальных кинематических исследований.
Цель исследования
- Разработать реалистичную функциональную трехмерную модель скелета лошади на основе данных КТ.
- Представить протокол построения и анимации таких моделей для биомеханических исследований.
- Обеспечить возможность изучения поз и движений лошадей, связанных с дегенеративными изменениями тканей.
Используемые методы
- Сбор и реконструкция данных КТ лошадей в индивидуальные 3D-наборы данных костей с помощью программного обеспечения для визуализации.
- Сборка костей в полную трехмерную модель скелета.
- Риггинг модели с созданием графических суставов и контроллеров инверсной кинематики (IK) для обеспечения реалистичного движения.
- Привязка полигональных сеток костей к ригу суставов и создание элементов управления с использованием примитивов NURBS.
- Анимация модели для воспроизведения аллюров и поз лошади, верифицированная с помощью классических фотографий Майбриджа и видеоматериалов.
Основные результаты
- Данный протокол обеспечивает быстрое и точное позиционирование скелетной модели лошади для изучения различных поз.
- С помощью модели можно охарактеризовать позы, связанные с дегенеративными заболеваниями тканей, и определить те, которые снижают механическое напряжение.
- Движения и позы могут быть анимированы в 4D, что позволяет визуализировать динамику здорового и больного скелета.
- Этот подход применим для моделирования других видов или для академических исследований, таких как эволюционные переходы.
Выводы
- Эта 3D-модель скелета лошади представляет собой эффективный инструмент для изучения биомеханики всего тела и взаимосвязи между движением и дегенерацией тканей.
- Данный протокол является гибким и может быть модифицирован для других организмов или исследовательских задач.
- Подобные модели могут быть использованы для разработки методов профилактики и реабилитационной терапии при дегенеративных хромотах у лошадей.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Высокоточные полнотелые 3D-модели скелета, созданные на основе данных КТ, позволяют снизить механистические риски и повысить прогностическую достоверность в исследованиях опорно-двигательного аппарата. Эта возможность обеспечивает трансляционную преемственность — от этапа открытия до разработки доклинических моделей, что особенно важно для понимания биомеханических факторов, способствующих развитию дегенеративных заболеваний тканей. Данный подход улучшает процесс принятия решений по портфелю исследований, уточняя взаимосвязь между позой, движением и дегенерацией тканей на моделях крупных животных.
Стратегические области применения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет проверять биомеханические гипотезы, лежащие в основе дегенеративных заболеваний суставов.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней путем установления связи между механикой осанки и патологией тканей.
- Способствует механистическому снижению рисков при разработке потенциальных методов лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированную анатомическую основу для разработки количественных методов анализа движений.
- Стандартизирует биомеханические измерения для различных поз и типов походки для обеспечения воспроизводимости.
- Позволяет проводить масштабируемую и повторяемаяя оценку вмешательств in silico перед исследованиями in vivo.
Трансляционные и доклинические исследования
- Приводит доклинические модели в соответствие с биомеханическими конечными точками, имеющими значение для заболевания.
- Обеспечивает преемственность от компьютерного моделирования к исследованиям на животных для разработки трансляционных биомаркеров.
- Снижает риски при принятии решений о дальнейшем продвижении, уточняя влияние паттернов движения на дегенерацию тканей.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный протокол 3D-моделирования связывает этап раннего поиска с доклиническими исследованиями, предоставляя многократно используемую и модифицируемую платформу для биомеханического анализа.
- Фундаментальная биология: Поддерживает проверку гипотез о причинах дегенеративных изменений тканей, связанных с осанкой и движением.
- Скрининг: Обеспечивает количественные, воспроизводимые результаты для сравнения биомеханических воздействий.
- Аналитика: Позволяет измерять углы в суставах, постуральный стресс и траектории движений для проведения надежного анализа данных.
- Трансляционные исследования: Способствует согласованию вычислительных и животных моделей для валидации биомаркеров и конечных точек.
- Корпоративное повторное использование: Адаптируема для других видов и исследовательских задач, что обеспечивает широкую применимость в сфере НИОКР.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность в исследованиях опорно-двигательного аппарата.
- Операционная ценность: стандартизирует биомеханическое моделирование и обеспечивает воспроизводимость результатов между различными исследовательскими группами.
- Стратегическая ценность: помогает принимать решения о целесообразности дальнейших разработок путем уточнения биомеханических факторов риска дегенерации тканей.
- Влияние на портфель проектов: позволяет осуществлять приоритизацию терапевтических стратегий, направленных на патологии, связанные с двигательной активностью, с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области 3D-моделирования, анимации и биомеханического анализа.
- Зависит от наличия доступа к современным методам КТ-визуализации и специализированному программному обеспечению для анимации.
- Необходима межкомандная стандартизация процесса построения моделей и интерпретации данных.
- Метод применим к различным видам, однако может потребовать модификации протокола с учетом анатомических особенностей.
- Текущий формат модели требует определенного времени на освоение новыми пользователями, не знакомыми с инструментами анимации.
