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Biology

Construção de um modelo esquelético equino realista, de corpo inteiro e tridimensional usando dados de tomografia computadorizada

Published: February 25, 2021 doi: 10.3791/62276
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Comparative Biomedical Sciences, Louisiana State University School of Veterinary Medicine, 2Department of Pathology, University of Georgia College of Veterinary Medicine

Summary

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.

Abstract

Terapias baseadas em avaliações biomecânicas de todo o corpo são bem sucedidas para prevenção e reabilitação de lesões em atletas humanos. Abordagens semelhantes raramente têm sido usadas para estudar lesões atléticas equinas. A osteoartrite degenerativa causada pelo estresse mecânico pode se originar de disfunção postural crônica, que, por se a disfunção primária é muitas vezes distante do local da lesão tecidual, é melhor identificada através da modelagem da biomecânica do corpo inteiro. Para caracterizar a cinemática equina de corpo inteiro, foi criado um modelo esquelético realista de um cavalo a partir de dados de tomografia computadorizada equina (TC) que podem ser usados para modelagem anatômica e biomecânica funcional. Os dados da Equina CT foram reconstruídos em conjuntos de dados tridimensionais individuais (3D) (ou seja, ossos) usando software de visualização 3D e montados em um modelo esquelético 3D completo. O modelo foi então manipulado e animado usando animação 3D e software de modelagem. O modelo esquelético 3D resultante pode ser usado para caracterizar posturas equinas associadas a alterações degenerativas de tecidos, bem como para identificar posturas que reduzem o estresse mecânico nos locais de lesão tecidual. Além disso, quando animado em 4D, o modelo pode ser usado para demonstrar movimentos esqueléticos insalubres e saudáveis e pode ser usado para desenvolver terapias individualizadas preventivas e reabilitatórias para cavalos com lamenesses degenerativas. Embora o modelo esteja disponível em breve para download, ele está atualmente em um formato que requer acesso ao software de animação e modelagem 3D, que tem uma curva de aprendizado para novos usuários. Este protocolo orientará os usuários em (1) desenvolver tal modelo para qualquer organismo de interesse e (2) usar este modelo equino específico para suas próprias questões de pesquisa.

Introduction

A lameness crônica em cavalos é frequentemente associada a lesões de tecido degenerativo progressivo semelhantes às da osteoartrite (OA), um grande problema de saúde pública em humanos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Na medicina humana, como as abordagens terapêuticas focadas no tratamento de lesões específicas (por exemplo, farmacoterapia e reparação direta de chondral) falharam principalmente, as forças pathomecanical são agora reconhecidas como a causa raiz dos danos teciduais em OA. Forças aberrantes ou pathomechanical impactam diretamente as células ósseas e cartilagens, induzindo a liberação de mediadores inflamatórios e degeneração progressiva do tecido9. Essas observações indicam que, a menos que as forças mecânicas causais sejam corrigidas, muitas doenças crônicas degenerativas e articulares continuarão a progredir. Assim, o foco terapêutico na medicina humana está mudando para abordagens que "descarregam" as articulações afetadas através do exercíciodirecionado 10,11. No entanto, essa mudança ainda não foi feita na medicina equina, em parte porque são necessários modelos de movimento equino que podem ser adaptados para mostrar os movimentos de um indivíduo.

A análise biomecânica abrangente e de corpo inteiro é comum na concepção de programas de treinamento para otimizar o desempenho atlético e facilitar a recuperação de lesões em atletas humanos11 (veja também, por exemplo, a revista "Biomechanics Esportiva"), mas é menos comumente feita para atletas equinos (mas veja12). Assim, o objetivo geral aqui é estabelecer modelos patomecânicos de lameness equina que possam ser utilizados para desenvolver terapias preventivas e reabilitatórias individualizadas para melhorar a saúde dos atletas equinos. Tais modelos pathomechanicos podem caracterizar diferenças na anatomia funcional de regiões (ou seja, a coluna vertebral) que não são tão facilmente perceptíveis a olho nu como outras (ou seja, o membro inferior). Para alcançar esse objetivo, o primeiro objetivo foi desenvolver um modelo esquelético anatomicamente preciso, manipulador, de corpo inteiro, equino que possa ser usado como modelo por pesquisadores interessados em análises anatômicas, cinemáticas e cinéticas funcionais. Para ser útil aos médicos e pesquisadores equinos, esse modelo deve (1) ser biologicamente realista para permitir um posicionamento anatômico preciso, (2) permitir ajustes fáceis e precisos para modelar várias posturas de cavalos saudáveis e não saudáveis, (3) ser capaz de ser animado para estudar os efeitos de várias marchas, e (4) facilitar recriações repetiveis de posições e movimentos.

Um modelo esquelético gráfico gráfica de corpo inteiro foi construído a partir de dados ct em que as posições dos ossos em relação uns aos outros poderiam ser manipuladas e, em seguida, animadas para combinar movimentos de imagens ou vídeos de um cavalo em movimento, criando assim um modelo esquelético de equino 4D. Dependendo do que melhor se encaixa na questão a ser abordada, o modelo pode ser usado em versões 2D, 3D e 4D ou em várias combinações para ilustrar e caracterizar os efeitos pathomechanical de posições ou posturas específicas. Devido ao seu design básico e flexível, o modelo serve como um modelo que pode ser modificado pelos pesquisadores para refletir suas perguntas específicas e parâmetros de dados. Tais parâmetros incluem, por exemplo, informações anatômicas baseadas em sexo e tamanho animal, dados de análise de movimento 3D, estimativas de força de tecido mole e propriedades inerciais. Assim, o modelo permite uma análise mais detalhada de áreas ou articulações específicas, ao mesmo tempo em que fornece a base para a realização de experimentos que não podem ser realizados em cavalos vivos. Devido a limitações práticas relacionadas à disponibilidade da amostra (por exemplo, o corte das costelas) e ao scanner, o modelo de equino de todo o corpo é o resultado da fusão de dados de três espécimes equinos. Assim, o modelo não é uma representação perfeita de um único indivíduo, mas tem sido padronizado para representar a variabilidade individual de forma mais ampla. Em suma, é um modelo a ser usado e modificado para atender às necessidades dos pesquisadores. Tomografias do tronco, cabeça e pescoço e membros foram adquiridas de duas amostras de equinos aproximadamente do mesmo tamanho com um scanner de tomografia de 64 fatias usando um algoritmo ósseo, tom de fatia de 0,9, 1 mm. Tomografias computadorizadas de um conjunto de costelas foram adquiridas com um scanner de tomografia de 64 fatias usando um algoritmo ósseo, tom de fatias de 0,9, 0,64 mm.

A integridade anatômica das articulações ósseas (por exemplo, dentro do membro) foi mantida. Os tecidos moles disponíveis nas tomografias também foram utilizados para confirmar a colocação dos ossos. Como algumas costelas inteiras e as porções proximais de todas as costelas estavam disponíveis e escaneadas no espécime do tórax, as costelas escaneadas separadamente poderiam ser dimensionadas com precisão e colocadas dentro do modelo esquelético do corpo inteiro. Os dados resultantes da CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) foram importados para o software de visualização 3D (ver a Tabela de Materiais), e os ossos individuais foram segmentados em conjuntos de dados individuais (ou seja, malhas ósseas). As malhas ósseas 3D individuais foram então importadas para o software de animação e modelagem 3D (Tabela de Materiais) onde foram dimensionadas, se necessário, e montadas em um esqueleto equino completo em preparação para a manipulação - um método gráfico de conexão das malhas ósseas para que seus movimentos sejam ligados (Figura 1).

Protocol

1. Aparelhamento de membros dianteiros

  1. Coloque juntas gráficas dentro do membro dianteiro em todas as áreas de movimento.
    NOTA: A colocação articular resultante é uma corrente articular da escápula até a extremidade distal do osso do caixão (Figura 2A). Na área dos ossos do carpo, 3 articulações próximas são usadas para aumentar o raio de dobra.
    1. Pressione a tecla F3 para habilitar o conjunto menu rigging . Nos menus, selecione Esqueleto | Criar juntas para selecionar a ferramenta Criar juntas .
    2. No painel Exibir do software, clique nas áreas aproximadas das juntas encontradas na Figura 2A na ordem de 1 a 10 e pressione a tecla ENTER.
    3. Ajuste a posição das juntas clicando na articulação desejada e use a ferramenta de movimento pressionando a tecla W para traduzir a junta na posição desejada. Alternativamente, ajuste uma articulação clicando na articulação desejada e alterando os valores Translate X, Translate Y e Translate Z encontrados no painel Channel Box/Layer Editor .
  2. Crie 5 alças kinemáticas inversas separadas (alças IK) (as juntas serão referidas pelos números encontrados na Figura 2A).
    1. Nos menus, selecione Esqueleto | Crie o manus manusear IK para selecionar a ferramenta Criar manusear IK . Usando a ferramenta Criar manusear iK , selecione a junta 1 e, em seguida, a junta 3; nomeie esta alça IK Front Leg IK no painel Contorno . Usando a ferramenta Criar manusear iK , selecione a junta 3 e, em seguida, a junta 7; nomeie esta alça IK Front Lower IK.
    2. Usando a ferramenta Criar manusear iK , selecione a junta 7 e, em seguida, a junta 8; nomeie esta alça IK Front Toe 1 IK no painel Contorno . Usando a ferramenta Criar manusear iK , selecione a junta 8 e, em seguida, a junta 9; nomeie esta alça IK Front Toe 2 IK no painel Contorno . Usando a ferramenta Criar manusear iK , selecione a junta 9 e, em seguida, a junta 10; nomeie esta alça IK Front Toe 3 IK no painel Contorno .
  3. Criar controles dianteiros
    1. Crie um círculo B-Splines Racional Não Uniforme (NURBS) usando a ferramenta Circle no menu Criar | NURBS Primitivos | O Círculo.
    2. Crie dois Círculos NURBS e mova-os usando a Ferramenta Move para cercar a junta 3 e a junta 10, e nomeie-os Ctrl dianteiro e ctrl inferior dianteiro, respectivamente, no painel Contorno .
    3. Criar um Círculo NURBS; selecione o círculo e, no Painel de Editor de Caixa de Canal/Camada , altere o valor de Rotação Z para 90. Usando a ferramenta Mover , coloque-a na ponta da junta 10 e nomeie-a Front Flick Ctrl no painel Contorno .
  4. Group Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK e Front Toe 3 IK selecionando os três e pressionando as teclas CTRL + G . Nomeie este grupo Front Toe Group no painel Contorno . Pai das alças IK e Front Toe Group para os controles.
    NOTA: É importante mudar + selecionar na ordem exata descrita abaixo para garantir uma árvore-mãe adequada.
    1. Selecione A IK da perna dianteira, em seguida, front ctrl no painel Contorno e pressione a tecla P .
    2. Selecione Front Lower Ctrl, em seguida , Front Ctrl no painel Contorno e pressione a tecla P .
    3. Selecione Front Lower IK, em seguida, Front Lower Ctrl no painel Contorno e pressione a tecla P .
    4. Selecione Front Flick Ctrl, em seguida, Front Lower Ctrl no painel Contorno e pressione a tecla P .
    5. Selecione Front Toe Group e, em seguida, Front Flick Ctrl no painel Contorno e pressione a tecla P .
  5. Use a ferramenta Bind Skin para ligar as malhas ósseas, exceto ossos sesamoides, incluindo ossos naviculares à articulação mais proximal. Certifique-se de que cada malha óssea está ligada apenas a uma articulação.
    1. Clique na malha óssea, Shift + clique na articulação mais proximal e selecione a ferramenta Bind Skin em Skin | Bind Skin.
  6. Manipulando ossos sesamoides e o osso navicular
    1. Crie uma articulação, coloque-a no meio do osso sesamóide e pressione a tecla Enter. No painel Exibir , selecione a malha óssea sesamoid e Shift + clique na articulação no meio do osso. Use a ferramenta Bind Skin para amarrar a malha à articulação.
      NOTA: O osso sesamoide agora pode ser manipulado usando as ferramentas Mover e Girar para ajuste ao mudar a posição da perna.
    2. No painel Exibir , selecione a articulação no osso sesamoid, Shift + clique na articulação mais próxima do membro dianteiro e pressione a tecla P .
      NOTA: Este pais a articulação no osso sesamóide para o membro dianteiro.
    3. Repita as etapas 1.6.1 a 1.6.2 para outros ossos sesamoides e o osso navicular.
  7. Repita as etapas 1.1 a 1.6 para o outro membro dianteiro.
    NOTA: A junta na escápula pode ser selecionada e traduzida em todas as 3 direções (6 graus de liberdade) usando a ferramenta Mover .

2. Aparelhamento de hindlimb

  1. Coloque as articulações dentro da retalho traseira em todas as áreas de movimento para obter uma corrente articular da cabeça do demur até a extremidade distal do osso do caixão (Figura 2B).
  2. Crie 5 alças IK separadas (as juntas serão encaminhadas para os números encontrados na Figura 2B).
    1. Usando a ferramenta Criar IK , selecione a junta 11 e, em seguida, a junta 12; nomeie este IK manusear Hind IK no painel Contorno . Usando a ferramenta Criar iK , selecione a junta 12 e, em seguida, a junta 14; nomeie esta alça IK Hind Lower IK no painel Contorno .
    2. Usando a ferramenta Criar iK , selecione a junta 14 e, em seguida, a junta 15; nomeie este IK alça Hind Toe 1 IK no painel Contorno . Usando a ferramenta Criar iK , selecione a junta 15 e, em seguida, a junta 16; nomeie esta alça IK Hind Toe 2 IK no painel Contorno .
    3. Usando a ferramenta Criar iK , selecione a junta 16 e, em seguida, a junta 17; nomeie este IK alça Hind Toe 3 IK no painel Contorno .
  3. Criar controles de escalada traseira
    1. Crie dois Círculos NURBS chamados Hind Ctrl e Hind Lower Ctrl e mova-os para cercar a junta 12 e a junta 17, respectivamente.
    2. Crie um Círculo NURBS chamado Hind Flick Ctrl. Faça este círculo vertical, e coloque-o na ponta da junta 10.
  4. Grupo Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK e Hind Toe 3 IK selecionando todos os três e pressionando CTRL + G. Diga o nome desse grupo Hind Toe Group.
  5. Pai das alças IK e Hind Toe Group para os controles. Certifique-se de Shift + selecione na ordem exata descrita abaixo para garantir uma árvore-mãe adequada.
    1. Selecione Hind IK, depois Hind Ctrl e pressione a tecla P.
    2. Selecione Hind Lower Ctrl, depois Hind Ctrl e pressione a tecla P .
    3. Selecione Hind Lower IK, em seguida, Hind Lower Ctrl e pressione a tecla P .
    4. Selecione Hind Flick Ctrl, depois Hind Lower Ctrl e pressione a tecla P .
    5. Selecione Hind Toe Group, em seguida , Hind Flick Ctrl e pressione a tecla P .
  6. Use a ferramenta Bind Skin para ligar as malha ósseas à articulação mais proximal. Certifique-se de que cada malha óssea está ligada a apenas uma articulação.
    1. Clique na malha óssea, Shift + clique na articulação mais proximal e selecione a ferramenta Bind Skin em Skin | Bind Skin.
  7. Patela rigging, ossos sesamóides e osso navicular
    1. Crie uma junta, coloque-a no meio da patela e pressione a tecla Enter. No painel Exibir , selecione a malha da patela e Shift + clique na junta na patela. Use a ferramenta Bind Skin para amarrar a malha à articulação.
      NOTA: A patela agora pode ser manipulada usando as ferramentas Mover e Girar para ajuste ao mudar a posição da perna.
    2. No painel Exibir , selecione a junta na patela, Shift + clique na junta mais próxima do membro dianteiro e pressione a tecla P para pai da junta na patela para o membro dianteiro.
    3. Repita as etapas 2.7.1 e 2.7.2 para os ossos sesamoides e o osso navicular.
  8. Repita as etapas 2.1 a 2.7 para a outra etapa traseira.

3. Aparelhamento da coluna de fita

  1. Crie um Plano NURBS com opções alteradas com o comprimento aproximadamente igual ao comprimento da coluna vertebral com 1 u-patch e # V-patches, onde # é o número de vértebras torácicas e lombar.
    NOTA: Para este papel, o comprimento é de 20 com patches de 22 V.
    1. Selecione o quadrado encontrado ao lado da ferramenta Criar plano em Criar | NURBS Primitivos | O avião.
  2. Reconstrua o avião com opções alteradas.
    1. Pressione a tecla F2 para entrar no conjunto do menu de modelagem. Selecione o plano no painel de exibição e selecione as configurações da ferramenta Reconstruir selecionando o quadrado ao lado da ferramenta Reconstruir sob superfícies | Reconstruir. Use as seguintes opções: número de faixas U = 1; número de faixas V = # (22 neste caso); selecione "1 Linear" para as opções Grau você e Grau V; manter as outras configurações à revelia; e pressione o botão Reconstruir.
  3. Crie nhairs com opções alteradas.
    1. Pressione a tecla F5 para entrar no conjunto de menus FX. "Selecione o plano no painel de exibição e use a ferramenta Criar cabelo com opções alteradas selecionando o quadrado ao lado do nHair | Crie cabelos. Use as seguintes opções: conjunto de saída para curvas NURBS; Contagem u =1; Contagem v = # (22 neste caso); manter as outras opções à revelia; e pressione o botão Criar cabelos .
  4. Exclua o seguinte no painel de contorno: nucleus1, grupo hairSystem1OutputCurves e hairSystem1. Expanda totalmente o grupo rotulado de hairSystem1Follicles e exclua todos os itens rotulados com curve__.
    NOTA: O resultado deve deixar um grupo rotulado de hairSystem1Follicles que contém uma lista de itens rotulados nurbsPlane_Follicle____.
  5. Selecione o plano e mova-o e oriente-o para que ele esteja aproximadamente sobreposto com a coluna usando a ferramenta Mover e Girar . Selecione o plano, segure o botão direito do mouse e selecione Control Vertex para tornar todos os vértices do avião visíveis.
  6. Mova os vértices para orientar os folículos para estar entre as vértebras na altura onde a medula espinhal estaria. Crie # número de juntas separadas (22 neste caso) em qualquer lugar do painel Exibir , pois a posição dessas juntas será corrigida em etapas posteriores.
  7. Pai uma junta com um nurbsPlane_Follicle____ para que cada um tenha uma única junta sob sua árvore.
    1. No painel Contorno , selecione uma junta criada na etapa 3.6, depois ctrl + clique em uma nurbsPlane_Follicle____ e pressione a tecla P . Repita 3.7.1 com as outras juntas criadas na etapa 3.6 e as outras nurbsPlane_Follicle____ objetos.
  8. No painel Contorno, Ctrl + selecione todas as juntas; no painel Caixa/Caixa de Camadas Chanel, defina o Translate X, Y e Z a 0. Duplicar todas as juntas por Ctrl + selecionando todas as juntas no painel Contorno e pressionando as teclas Ctrl + D. Descompresto todas as juntas duplicadas por Ctrl + selecionando todas as juntas duplicadas no painel Contorno e pressionando as teclas Shift + P
  9. Amarre as articulações sob nurbsPlane_Follicle____ com sua respectiva malha de vértebras.
    1. Pressione a tecla F3 para entrar no menu Rigging . Clique na articulação original (não na articulação duplicada) sob nurbsPlane_Follicle____, Shift + clique na respectiva malha de vértebra e, em seguida, use a ferramenta Bind Skin sob Skin | Bind Skin. Repita essas ações na etapa 3.9.1 para cada malha articular e vértebra.
  10. CTRL + clique em todas as juntas duplicadas e no plano, e use a ferramenta Bind Skin para ligar todas as juntas duplicadas ao plano.
    NOTA: As juntas duplicadas agora podem ser manipuladas para controlar as vértebras.
  11. Repita as etapas 3.1 até 3.10 para as vértebras cervicais e caudais.

4. Aparelhamento de costela e esterno

  1. Coloque articulações separadas na cabeça da costela, na extremidade proximal da cartilagem costal, e na extremidade distal da cartilagem costal. Pai da articulação na extremidade proximal da cartilagem costal para a articulação em sua cabeça de costela.
  2. Pai da articulação na extremidade distal da cartilagem costal para a articulação mais próxima na extremidade proximal da cartilagem costal. Pai da articulação na cabeça da costela para a articulação da coluna que controla a vértebra caudal para a costela.
  3. No menu Rigging definido sob a guia Skin , use a ferramenta Bind Skin para amarrar a costela na articulação em sua cabeça e a cartilagem costal tanto para as articulações em sua extremidade proximal quanto na extremidade distal.
  4. Repita as etapas 4.1 a 4.3 para cada costela.
  5. Coloque juntas separadas na extremidade mais craniana de cada segmento severo. Pai cada articulação do segmento severo para a articulação espinhal mais dorsal para cada articulação do segmento severo. No menu Rigging definido sob a guia Skin , use a ferramenta Bind Skin para vincular o segmento sternal à sua articulação.

5. Posicionamento e animação

  1. Selecione um quadro na linha do tempo.
  2. Posicione o modelo e os controles. Importe uma imagem para usar como referência criando um Plano de Imagem Livre.
    NOTA: As imagens de Muybridge13 do cavalo na caminhada foram usadas como prova de conceito.
    1. Enquanto o Plano de Imagem Livre for selecionado, selecione o arquivo de imagem na guia Design de atributos e no menu suspenso de atributos do plano de imagem .
  3. Selecione todos os controles e as juntas de controle da coluna vertebral e pressione a tecla S para salvá-las como um quadro-chave.
  4. Ao longo de diferentes quadros ao longo da linha do tempo, mova-se e gire os controles e as articulações de controle da coluna vertebral, e pressione S.
    NOTA: Reposicionar controles e juntas de controle da coluna vertebral e salvá-las como quadros-chave ao longo de diferentes pontos da linha do tempo cria uma animação. Não é necessário que se configure um quadro-chave ao longo de cada quadro da linha do tempo; apenas posições críticas ou tempos precisam ser emoldurados por teclas. O software de animação e modelagem 3D interpolará entre as posições emolduradas por teclas de cada baseado de controle e controle da coluna vertebral, criando uma animação suave.

Representative Results

O resultado do método foi um modelo esquelético 3D completo de equino dentro do software de animação e modelagem 3D que permite um posicionamento anatômico preciso e simulações de movimento. O modelo em si tem um sistema de aparelhamento gráfico delegado aos membros dianteiros, pedesassas, coluna, pescoço e caixa torácica. O modelo 3D poderia ser colocado em diferentes posturas (Figura 3 e Figura 4) por múltiplos indivíduos. Os movimentos do modelo 4D (em movimento) foram comparados a vídeos do lado, costas e frente, bem como com imagens aéreas de drones para retratar com mais precisão o movimento da coluna vertebral e o vídeo dos cavalos na caminhada (Vídeo), canter e trote para criar animações dessas marchas.

Figure 1
Figura 1: O modelo de equino 3D pode ser movido em várias posturas e animado para demonstrar movimentos de corpo inteiro em várias marchas no software de animação e modelagem 3D. (A,C) Sistemas de aparelhamento gráfico para o cavalo. A coluna da fita gráfica que permite o movimento natural da coluna óssea é ilustrada pelo plano verde. Os controles utilizados para mover as várias plataformas gráficas e as malhas ósseas anexadas são ilustrados pelos ovais amarelos e setas cruzadas no modelo. (A) Posição permanente. (C) Posição de criação. (B, D) O modelo com as malhas ósseas presas ao sistema de aparelhamento gráfico. As posições dos controles mudam a posição do esqueleto do cavalo. (B) Cavalo em pé. (D) Cavalo de criação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: O aparelhamento de cada membro com articulações permite o posicionamento e a criação de movimento. (A) Forelimb com articulações gráficas indicadas com números 1-10. (B) Hindlimb com juntas gráficas indicadas com números 11-17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: O modelo 3D de equino foi combinado com as clássicas fotos de Muybridge13 como prova de conceito e para criar as primeiras animações. (A) Fotografias de Muybridge de um cavalo na caminhada. (B) O modelo de equino 3D sobrepôs-se sobre as fotografias a serem usadas como quadros-chave na animação. (C) O modelo de equino 3D. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: O modelo de equino 3D pode ser movido para várias posturas (por exemplo, a rotação transversal da coluna vertebral demonstrada aqui) para entender a relação de tais posturas com regimes de força patomecanical e a degeneração resultante dos elementos esqueléticos afetados, articulações e tecidos moles. (A) Uma representação gráfica 2D de uma postura normal de um cavalo (com cavaleiro) usando fotografias graficamente manipuladas de um esqueleto equino em comparação com uma imagem parada de um esqueleto equino o modelo de equino 3D com a cabeça e as vértebras cervicais escondidas para permitir a visualização do tórax. (B) Uma representação gráfica 2D de um cavalo (com cavaleiro) com uma rotação transversal da coluna usando fotografias manipuladas graficamente de um esqueleto equino em comparação com uma imagem parada do modelo equino 3D com a cabeça e as vértebras cervicais escondidas para permitir a visualização do tórax. Note aqui o efeito da rotação transversal no esqueleto e nos membros do corpo. A posição representada sobrecarregaria o membro dianteiro esquerdo, que era apoiado pela compressão e rachaduras da parede do casco dianteiro esquerdo no cavalo vivo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Vídeo. O cavalo 4D. Posições-chave do esqueleto, como combinado com as13 fotos muybridge do cavalo, foram interpoladas para criar uma animação do cavalo em uma caminhada. O movimento pode ser visto da frente, lado, cima e costas. Clique aqui para baixar este vídeo.

Discussion

Este protocolo demonstra como criar um modelo esquelético 3D de corpo inteiro de um organismo e demonstra como usar o modelo esquelético equino de todo o corpo descrito neste artigo. O modelo está atualmente em um formato que requer um software específico de animação 3D e modelagem, que tem uma curva de aprendizado para novos usuários. No entanto, uma versão deste software está disponível gratuitamente para aqueles que são afiliados a uma universidade. Embora a modelagem da postura e do movimento do corpo inteiro seja usada para avaliar atletas humanos e identificar causas de lesões crônicas mecanicamente induzidas11, é menos comumente feita com atletas equinos. Para utilizar essa abordagem para a avaliação das possíveis causas de lesões atléticas e problemas de desempenho, um modelo realista de equino esquelético de corpo inteiro foi criado a partir de dados ct usando o software de visualização 3D e software de animação e modelagem 3D. Este modelo é diferente de outros modelos equinos que são recriações gráficas artísticas do esqueleto (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) ou que retratam apenas os membros 14,15,16,17. Neste modelo de corpo inteiro, membros dianteiros, preços traseiros, coluna e caixa torácica foram todos manipulados e tinham controles ligados que permitem fácil manipulação do modelo para posicionamento e animação realistas e precisos.

O protocolo utilizado para o modelo permite a repetibilidade e alterações futuras para atender às necessidades do cavalo específico que está sendo manipulado, possibilitando a análise individualizada. Assim, o modelo equino é uma ferramenta a ser utilizada pelos pesquisadores à medida que analisam o movimento. No entanto, não é um programa automatizado que fornece respostas sem a entrada de parâmetros específicos para o animal que está sendo modelado e a questão sendo abordada, pois a precisão do modelo está diretamente relacionada à força de uma determinada análise. A capacidade de inserir parâmetros também permite que o modelo seja continuamente atualizado com dados de estudos futuros de pesquisa. Além disso, este protocolo de aparelhamento gráfico pode ser aplicado e/ou ajustado para refletir as diferenças anatômicas entre indivíduos. Também pode ser adaptado para modelar efetivamente outros animais. O modelo de equino 3D pode ser facilmente manipulado e posicionado para simular posições e movimentos. Isso é especialmente evidente com os membros, pois seus movimentos são relativamente simples de ver e modelar.

O posicionamento gráfico articular no modelo foi determinado por abordagem semelhante à utilizada em outros estudos 18,19. As malhas ósseas foram colocadas em uma posição neutra. As articulações gráficas foram posicionadas para que os ossos pudessem girar livremente sem causar qualquer colisão com outras malhas ósseas. Nos dígitos, a articulação gráfica foi colocada no ponto onde uma esfera coincidiu com as superfícies de movimento. A articulação gráfica da escápula foi colocada no centro aproximado da lâmina da escápula. Este posicionamento da articulação gráfica permite que ela seja movida em 6 graus de liberdade para orientar a escápula na posição desejada. Ao contrário dos membros, o movimento da coluna vertebral não é facilmente visto, é mais complexo do que se imagina, e, portanto, é mais difícil de modelar. Embora o modelo tenha a flexibilidade de ser usado para investigar movimentos e problemas em articulações espinhais específicas, ele também precisava ser capaz de representar os movimentos muitas vezes difíceis de distinguir de toda a coluna vertebral. O uso da "coluna de fita" permite um movimento mais realista da coluna vertebral durante as animações.

Isso é importante, pois a coluna vertebral em cavalos, como tem sido encontrado em humanos, é muitas vezes a origem de questões que estão potencialmente relacionadas a movimentos biomecânicos aberrantes e lesões nos membros. Uma força deste modelo é a capacidade de demonstrar com precisão posições da coluna vertebral, como rotações vertebrais transversais20 (Figura 4). Como essas posturas impactam os membros em três dimensões durante várias marchas pode ser determinada usando o modelo em combinação com análise cinemática e de força (por exemplo, estudos de placas de pressão para confirmar o aumento do carregamento dos membros e análise da força estática). Os componentes musculofasciais do tecido mole estão sendo adicionados ao modelo esquelético do corpo inteiro. Os objetivos futuros são ampliar o uso do modelo em análise biomecânica 3D para estudos de lameness equina. Tal expansão incluiria o uso do modelo para concluir análises de força 3D que comparam posturas saudáveis e insalubres e registrar o modelo com pontos de dados 3D coletados em estudos de captura de movimento para fornecer uma representação visual mais eficaz do movimento.

Disclosures

Os autores não declararam conflitos de interesse.

Acknowledgments

Os autores reconhecem o Sr. Jean Luc Cornille, Science of Motion, por sua contribuição na precisão da modelagem; Dr. Martha Littlefield e James Ray (LSU SVM), e Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett, e Sr. Brent Norwood (UGA CVM) para acesso a espécimes anatômicos; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) e Dr. L. Abbigail Granger e Sr. Mark Hunter (LSUSVM) por realizarem tomografias computadorizadas; e os pesquisadores de graduação Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois e Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) por seu trabalho relacionado a esta pesquisa. O financiamento foi obtido do Programa de Estudos de Saúde Equina da Escola Estadual de Medicina Veterinária da Louisiana através de uma bolsa de Charles V. Cusimano.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Avizo VSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MA N/A cited in text as "3D visualization software"
Maya Autodesk, Inc., San Rafael, CA N/A cited in text as "3D animation and modeling software"; Free student version

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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