Summary
Syftet med detta protokoll är att beskriva metoden för att skapa en realistisk, helkropps skelettmodell av en häst som kan användas för funktionell anatomisk och biomekanisk modellering för att karakterisera helkroppsmekanik.
Abstract
Terapier baserade på biomekaniska bedömningar i hela kroppen är framgångsrika för att förebygga skador och rehabilitering hos mänskliga idrottare. Liknande metoder har sällan använts för att studera hästskador. Degenerativ artros orsakad av mekanisk stress kan härröra från kronisk postural dysfunktion, som, eftersom den primära dysfunktionen ofta är avlägsen från platsen för vävnadsskada, bäst identifieras genom modellering av biomekanik i hela kroppen. För att karakterisera helkroppshästkinematik skapades en realistisk skelettmodell av en häst från hästdatortomografi (CT) som kan användas för funktionell anatomisk och biomekanisk modellering. Häst-CT-data rekonstruerades till enskilda tredimensionella (3D) datamängder (dvs. ben) med hjälp av 3D-visualiseringsprogramvara och monterades i en komplett 3D-skelettmodell. Modellen riggades och animerades sedan med hjälp av 3D-animering och modelleringsprogramvara. Den resulterande 3D-skelettmodellen kan användas för att karakterisera hästställningar associerade med degenerativa vävnadsförändringar samt för att identifiera ställningar som minskar mekanisk stress vid platserna för vävnadsskada. Dessutom, när den animeras till 4D, kan modellen användas för att visa ohälsosamma och hälsosamma skelettrörelser och kan användas för att utveckla förebyggande och rehabiliterande individualiserade terapier för hästar med degenerativa hälta. Även om modellen snart kommer att finnas tillgänglig för nedladdning, är den för närvarande i ett format som kräver tillgång till 3D-animerings- och modelleringsprogramvaran, som har en ganska inlärningskurva för nya användare. Detta protokoll kommer att vägleda användare i (1) utveckla en sådan modell för alla organismer av intresse och (2) använda denna specifika hästmodell för sina egna forskningsfrågor.
Introduction
Kronisk hälta hos hästar är ofta förknippad med progressiva degenerativa vävnadsskador som liknar artros (OA), ett stort folkhälsoproblem hos människor 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Inom humanmedicin, eftersom terapeutiska metoder som fokuserar på att behandla specifika lesioner (t.ex. farmakoterapi och direkt kondral reparation) mestadels har misslyckats, erkänns patomekaniska krafter nu som grundorsaken till vävnadsskada vid OA. Avvikande eller patomekaniska krafter påverkar både ben- och broskceller direkt, vilket inducerar frisättningen av inflammatoriska mediatorer och progressiv vävnadsdegenerering9. Dessa observationer indikerar att om inte de orsakande mekaniska krafterna korrigeras kommer många kroniska degenerativa ben- och ledsjukdomar att fortsätta att utvecklas. Därför skiftar det terapeutiska fokuset inom humanmedicin till tillvägagångssätt som "lossar" de drabbade lederna genom riktad träning10,11. Detta skifte har dock ännu inte gjorts inom hästmedicinen, bland annat för att det behövs modeller för häströrelser som kan anpassas för att visa en individs rörelser.
Omfattande biomekanisk analys av hela kroppen är vanligt vid utformning av träningsprogram för att optimera atletisk prestanda och underlätta återhämtning av skador hos mänskliga idrottare11 (se även t.ex. tidskriften "Sports Biomechanics"), men görs mindre vanligt för hästidrottare (men se12). Således är det övergripande målet här att etablera patomekaniska modeller av hästlamhet som kan användas för att utveckla individualiserade förebyggande och rehabiliterande terapier för att förbättra hälsan hos hästidrottare. Sådana patomekaniska modeller kan karakterisera skillnader i den funktionella anatomin hos regioner (dvs ryggraden) som inte är lika lätt urskiljbara för blotta ögat som andra (dvs underbenet). För att uppnå detta mål var det första målet att utveckla en anatomiskt exakt, manipulaterbar, helkropps-, hästskelettmodell som kan användas som mall av forskare som är intresserade av funktionella anatomiska, kinematiska och kinetiska analyser. För att vara användbar för hästkliniker och forskare måste denna modell (1) vara biologiskt realistisk för att möjliggöra exakt anatomisk positionering, (2) möjliggöra enkla och exakta justeringar för modellering av olika ställningar hos friska och icke-friska hästar, (3) kunna animeras för att studera effekterna av olika gångarter och (4) underlätta repeterbara återskapanden av positioner och rörelser.
En 3D-grafisk helkroppshästskelettmodell byggdes av CT-data där benens positioner i förhållande till varandra kunde manipuleras och sedan animeras för att matcha rörelser från bilder eller videor av en häst i rörelse, vilket skapade en 4D-hästskelettmodell. Beroende på vad som bäst passar den fråga som ska behandlas kan modellen användas i 2D-, 3D- och 4D-versioner eller i olika kombinationer för att illustrera och karakterisera de patomekaniska effekterna av specifika positioner eller hållningar. På grund av sin grundläggande och flexibla design fungerar modellen som en mall som kan modifieras av forskare för att återspegla deras specifika frågor och dataparametrar. Sådana parametrar inkluderar till exempel anatomisk information baserad på kön och djurstorlek, 3D-rörelseanalysdata, uppskattningar av mjukvävnadskraft och tröghetsegenskaper. Således möjliggör modellen mer detaljerad analys av specifika områden eller leder, samtidigt som den ger grunden för att sätta upp experiment som inte kan utföras på levande hästar. På grund av praktiska begränsningar relaterade till provtillgänglighet (t.ex. revbenen som skärs) och skannern är helkroppshästmodellen resultatet av sammanslagning av data från tre hästprover. Således är modellen inte en perfekt representation av en enda individ, utan har standardiserats för att representera individuell variation bredare. Kort sagt, det är en mall som ska användas och modifieras för att passa forskarnas behov. CT-skanningar av bagage, huvud och nacke och lemmar förvärvades från två hästprover av ungefär samma storlek med en 64-skivad CT-skanner med hjälp av en benalgoritm, tonhöjd på 0,9, 1 mm skiva. CT-skanningar av en uppsättning revben förvärvades med en 64-skivad CT-skanner med hjälp av en benalgoritm, tonhöjd på 0,9, 0,64 mm skivor.
Anatomisk integritet hos de beniga lederna (t.ex. i lemmen) bibehölls. De mjuka vävnaderna som finns tillgängliga i CT-skanningarna användes också för att bekräfta placeringen av benen. Eftersom vissa hela revben och de proximala delarna av alla revben var tillgängliga och skannade på bröstkorgsprovet, kunde de separat skannade revbenen dimensioneras exakt och placeras i helkroppsskelettmodellen. De resulterande CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) -data importerades till 3D-visualiseringsprogramvaran (se materialtabellen) och enskilda ben segmenterades i enskilda datamängder (dvs. bennät). De enskilda 3D-bennäten importerades sedan till 3D-animations- och modelleringsprogramvaran (Table of Materials) där de vid behov dimensionerades och monterades ihop till ett komplett hästskelett som förberedelse för riggning - en grafisk metod för att ansluta bennäten så att deras rörelser är kopplade (Figur 1).
Protocol
1. Frambensriggning
- Placera grafiska fogar inuti frambenet i alla rörelseområden.
OBS: Den resulterande ledplaceringen är en ledkedja från skulderbladet till den distala änden av kistbenet (figur 2A). I karpalbenens område används 3 leder i närheten för att öka böjningsradien.- Tryck på F3-tangenten för att aktivera inställningen Rigging Menu . I menyerna väljer du Skelett | Skapa skarvar för att välja verktyget Skapa skarvar .
- I panelen Visa i programvaran klickar du på de ungefärliga områdena för lederna som finns i figur 2A i storleksordningen 1 till 10 och trycker på ENTER-tangenten .
- Justera ledernas position genom att klicka på önskad fog och använd Move Tool genom att trycka på W-tangenten för att översätta fogen till önskad position. Alternativt kan du justera en fog genom att klicka på önskad fog och ändra värdena för Translate X, Translate Y och Translate Z som finns i panelen Channel Box /Layer Editor .
- Skapa 5 separata inversa kinematiska handtag (IK-handtag) (lederna refereras till med siffrorna i figur 2A).
- I menyerna väljer du Skelett | Skapa IK-handtag för att välja verktyget Skapa IK-handtag . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 1 och sedan led 3; ge det här IK-handtaget namnet Front Leg IK på panelen Outliner . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 3 och sedan led 7; namnge detta IK-handtag Front Lower IK.
- Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 7 och sedan led 8; namnge det här IK-handtaget Front Toe 1 IK på outlinerpanelen . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 8 och sedan led 9; namnge det här IK-handtaget Front Toe 2 IK på outlinerpanelen . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 9 och sedan led 10; ge det här IK-handtaget namnet Front Toe 3 IK på outlinerpanelen .
- Skapa förbenskontroller
- Skapa en NURBS-cirkel (Non-Uniform Rational B-Splines) med hjälp av cirkelverktyget på menyn Skapa | NURBS primitiva | Cirkel.
- Skapa två NURBS-cirklar och flytta dem med flyttverktyget för att omsluta fog 3 och led 10, och ge dem namnet Främre Ctrl respektive Främre nedre Ctrl på konturpanelen .
- Skapa en NURBS-cirkel; markera cirkeln och ändra värdet Rotera Z till 90 på panelen Kanalruta/lagerredigerare. Använd verktyget Flytta och placera det längst ut på fog 10 och ge det namnet Front Flick Ctrl på konturpanelen.
- Gruppera Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK och Front Toe 3 IK genom att välja alla tre och trycka på CTRL + G-tangenterna . Ge den här gruppen namnet Front Toe Group på panelen Disposition. Överordna IK-handtagen och Front Toe Group till kontrollerna.
OBS: Det är viktigt att Skift + välja i exakt den ordning som beskrivs nedan för att säkerställa ett korrekt överordnat träd.- Välj Front Leg IK, sedan Front Ctrl på outlinerpanelen och tryck på P-tangenten .
- Välj Främre nedre Ctrl, sedan Främre Ctrl på konturpanelen och tryck på P-tangenten .
- Välj Främre nedre IK, sedan Främre nedre Ctrl på konturpanelen och tryck på P-tangenten .
- Välj Front Flick Ctrl, sedan Front Lower Ctrl på outlinerpanelen och tryck på P-tangenten .
- Välj Gruppen Fram och sedan På framsidan På panelen Kontur och tryck på P .
- Använd bindhudsverktyget för att binda bennäten, förutom sesamoidben, inklusive navikulära ben till den mest proximala leden. Se till att varje bennät bara är bundet till en led.
- Klicka på bennätet, Skift + klicka på den mest proximala leden och välj Bind Skin-verktyget under Skin | Bind huden.
- Riggning av sesamoidben och navikulärbenet
- Skapa en led, placera den i mitten av sesamoidbenet och tryck på Enter-tangenten . Markera det sesamoida bennätet på panelen Visa och Skift + klicka på leden i mitten av benet. Använd bindhudsverktyget för att binda nätet till fogen.
OBS: Sesamoidbenet kan nu manipuleras med hjälp av Move and Rotate-verktygen för justering när du ändrar benpositionen. - På panelen Visa väljer du fogen i sesamoidbenet, Skift + klickar på närmaste led i frambenet och trycker på P-tangenten .
OBS: Detta föräldrar leden i sesamoidbenet till frambenet. - Upprepa steg 1.6.1 till 1.6.2 för andra sesamoidben och navikulärbenet.
- Skapa en led, placera den i mitten av sesamoidbenet och tryck på Enter-tangenten . Markera det sesamoida bennätet på panelen Visa och Skift + klicka på leden i mitten av benet. Använd bindhudsverktyget för att binda nätet till fogen.
- Upprepa steg 1.1 till 1.6 för det andra frambenet.
OBS: Skarven vid skulderbladet kan väljas och översättas i alla 3 riktningar (6 frihetsgrader) med hjälp av move-verktyget .
2. Hindlimb riggning
- Placera lederna inuti bakbenet i alla rörelseområden för att få en gemensam kedja från demurens huvud till den distala änden av kistbenet (figur 2B).
- Skapa 5 separata IK-handtag (lederna kommer att hänvisas till siffrorna i figur 2B).
- Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 11 och sedan led 12; ge det här IK-handtaget namnet Hind IK på panelen Outliner . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 12 och sedan led 14; ge det här IK-handtaget namnet Hind Lower IK på panelen Outliner .
- Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 14 och sedan fog 15; namnge det här IK-handtaget Hind Toe 1 IK i outlinerpanelen . Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 15 och sedan led 16; namnge det här IK-handtaget Hind Toe 2 IK i outlinerpanelen .
- Använd verktyget Skapa IK-handtag och välj fog 16 och sedan led 17; namnge det här IK-handtaget Hind Toe 3 IK i outlinerpanelen .
- Skapa bakbenskontroller
- Skapa två NURBS-cirklar med namnet Hind Ctrl och Hind Lower Ctrl och flytta dem för att omge led 12 respektive led 17.
- Skapa en NURBS-cirkel med namnet Hind Flick Ctrl. Gör denna cirkel vertikal och placera den vid spetsen av fogen 10.
- Gruppera Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK och Hind Toe 3 IK genom att markera alla tre och trycka på CTRL + G. Ge den här gruppen namnet Hind Toe Group.
- Överordna IK-handtagen och Hind Toe Group till kontrollerna. Var noga med att Skift + välja i exakt den ordning som beskrivs nedan för att säkerställa ett korrekt överordnat träd.
- Välj Hind IK, sedan Hind Ctrl och tryck på P-tangenten.
- Välj Hind Lower Ctrl, sedan Hind Ctrl och tryck på P-tangenten .
- Välj Hind Lower IK, sedan Hind Lower Ctrl och tryck på P-tangenten .
- Välj Hind Flick Ctrl, sedan Hind Lower Ctrl och tryck på P-tangenten .
- Välj Hind Toe Group, sedan Hind Flick Ctrl och tryck på P-tangenten .
- Använd bind hudverktyget för att binda bennäten till den mest proximala leden. Se till att varje bennät är bundet till endast en led.
- Klicka på bennätet, Skift + klicka på den mest proximala leden och välj Bind Skin-verktyget under Skin | Bind huden.
- Riggande patella, sesamoidben och navikulärt ben
- Skapa en fog, placera den i mitten av patella och tryck på Enter-tangenten . På panelen Visa väljer du patellanätet och Skift + klickar på fogen i patella. Använd bindhudsverktyget för att binda nätet till fogen.
OBS: Patella kan nu manipuleras med hjälp av Move and Rotate-verktygen för justering när du ändrar benpositionen. - I panelen Visa väljer du fogen i patella, Skift + klickar på närmaste led i frambenet och trycker på P-tangenten för att föra leden i patellan till frambenet.
- Upprepa steg 2.7.1 och 2.7.2 för sesamoidbenen och navikulärbenet.
- Skapa en fog, placera den i mitten av patella och tryck på Enter-tangenten . På panelen Visa väljer du patellanätet och Skift + klickar på fogen i patella. Använd bindhudsverktyget för att binda nätet till fogen.
- Upprepa steg 2.1 till 2.7 för den andra bakbenet.
3. Band ryggradsriggning
- Skapa ett NURBS-plan med ändrade alternativ med längden ungefär lika med ryggradens längd med 1 U-patch och # V-patchar, där # är antalet bröst- och ländkotor.
OBS: För detta papper är längden 20 med 22 V-lappar.- Markera rutan bredvid verktyget Skapa plan under Skapa | NURBS primitiva | Plan.
- Bygg om planet med ändrade alternativ.
- Tryck på F2-tangenten för att öppna inställningsmenyn. Markera planet på visningspanelen och välj inställningarna för verktyget Återskapa genom att välja fyrkanten bredvid verktyget Återskapa under Ytor | Bygga om. Använd följande alternativ: antal spännvidder U = 1; antal spänner V = # (22 i detta fall); välj "1 linjär" för både alternativen Grad U och Grad V; behåll de andra inställningarna till standard; och tryck på knappen Bygg om .
- Skapa nhairs med ändrade alternativ.
- Tryck på F5-tangenten för att öppna FX-menyuppsättningen. "Markera planet i visningspanelen och använd verktyget Skapa hår med ändrade alternativ genom att välja fyrkanten bredvid nHair | Skapa hårstrån. Använd följande alternativ: utdata inställd på NURBS-kurvor; U-antal =1; V-räkning = # (22 i detta fall); behåll de andra alternativen till standard; och tryck på knappen Skapa hårstrån .
- Ta bort följande i dispositionspanelen: nucleus1, hairSystem1OutputCurves-gruppen och hairSystem1. Expandera gruppen med etiketten hairSystem1Follicles helt och ta bort alla objekt som är märkta med curve__.
Resultatet bör lämna en grupp märkt hairSystem1Follicles som innehåller en lista med objekt märkta nurbsPlane_Follicle____. - Markera planet och flytta och orientera det så att det överlappar ryggraden grovt med hjälp av verktyget Flytta och roteringsverktyget . Markera planet, håll ned höger musknapp och välj Kontrollera hörn för att göra alla hörn av planet synliga.
- Flytta hörnen för att orientera folliklarna för att vara mellan ryggkotorna på den höjd där ryggmärgen skulle vara. Skapa # antal separata fogar (22 i det här fallet) var som helst i panelen Visa eftersom positionen för dessa leder kommer att korrigeras i senare steg.
- Förälder en fog med en nurbsPlane_Follicle____ så att var och en har en enda led under sitt träd.
- På panelen Outliner väljer du en fog som skapades i steg 3.6, sedan Ctrl + klickar på en nurbsPlane_Follicle____ och trycker på P-tangenten . Upprepa 3.7.1 med de andra lederna som skapades i steg 3.6 och de andra nurbsPlane_Follicle____ objekts.
- På konturpanelen Ctrl + markera alla leder; på panelen Chanel Box/Layer Box ställer du in Translate X, Y och Z på 0. Duplicera alla leder genom att Ctrl + markera alla leder i konturpanelen och tryck på Ctrl + D-tangenterna. Ta bort alla duplicerade leder genom att Ctrl + markera alla duplicerade leder på konturpanelen och trycka på Skift + P-tangenterna
- Bind lederna under nurbsPlane_Follicle____ med respektive ryggnät.
- Tryck på F3-tangenten för att öppna Rigging-menyuppsättningen . Klicka på den ursprungliga leden (inte den duplicerade leden) under nurbsPlane_Follicle____, Skift + klicka på respektive ryggnät och använd sedan Bind Skin-verktyget under Skin | Bind huden. Upprepa dessa åtgärder i steg 3.9.1 för varje led och ryggkotor.
- CTRL + klicka på alla duplicerade leder och planet och använd bind skalverktyget för att binda alla duplicerade leder till planet.
OBS: De dubbla lederna kan nu manipuleras för att kontrollera ryggkotorna. - Upprepa steg 3.1 till 3.10 för livmoderhalsen och svanskotorna.
4. Ribb- och bröstbensriggning
- Placera separata leder vid revbenshuvudet, vid den proximala änden av kostbrosket och vid den distala änden av kostbrosket. Förälder leden vid den proximala änden av kostbrosket till leden vid revbenshuvudet.
- Förälder leden vid den distala änden av kostbrosket till närmaste led vid den proximala änden av kostbrosket. Förälder leden vid revbenshuvudet till ryggradsleden som styr ryggkotorna kaudala till revbenet.
- I menyn Rigging som är inställd under fliken Hud använder du bind skin-verktyget för att binda revbenet till leden vid huvudet och kostbrosket till både lederna vid dess proximala ände och den distala änden.
- Upprepa steg 4.1 till 4.3 för varje revben.
- Placera separata leder i den mest kraniala änden av varje sternalsegment. Förälder varje sternal segmentled till ryggmärgen mest dorsal till varje sternal segmentled. I menyn Rigging som är inställd under fliken Skin använder du bind skin-verktyget för att binda sternalsegmentet till dess fog.
5. Positionering och animering
- Markera en bildruta på tidslinjen.
- Placera modellen och kontrollerna. Importera en bild som ska användas som referens genom att skapa ett fritt bildplan.
OBS: Bilderna från Muybridge13 av hästen på promenaden användes som bevis på konceptet.- När det fria bildplanet är markerat väljer du bildfilen under fliken Attributredigerare och under rullgardinsmenyn Bildplansattribut .
- Markera alla kontroller och ryggradens styrfogar och tryck på S-tangenten för att spara dem som en nyckelbildruta.
- Längs olika bildrutor längs tidslinjen flyttar och roterar du kontrollerna och ryggradens styrfogar och trycker på S.
Om du flyttar kontroller och ryggradskontrollfogar och sparar dem som nyckelbildrutor längs olika punkter på tidslinjen skapas en animering. Det behöver inte finnas en nyckelbildruta inställd längs varje bildruta på tidslinjen. endast kritiska positioner eller tidpunkter behöver nyckelramas in. 3D-animations- och modelleringsprogramvaran interpolerar mellan de nyckelinramade positionerna för varje kontroll- och ryggradskontrollfog, vilket skapar en smidig animering.
Representative Results
Resultatet av metoden blev en 3D-hel hästskelettmodell inuti 3D-animations- och modelleringsprogramvaran som möjliggör exakta anatomiska positionerings- och rörelsesimuleringar. Modellen i sig har ett grafiskt riggsystem delegerat till framben, bakben, ryggrad, nacke och bröstkorg. 3D-modellen kan placeras i olika ställningar (figur 3 och figur 4) av flera individer. Rörelserna i 4D-modellen (i rörelse) har jämförts med videor från sidan, baksidan och framsidan, samt med överliggande drönarfilmer för att mer exakt skildra ryggradens rörelse och video av hästar vid promenaden (Video), galopp och trav för att skapa animationer av dessa gångarter.
Figur 1: 3D-hästmodellen kan flyttas in i olika ställningar och animeras för att demonstrera helkroppsrörelser i olika gångarter i 3D-animations- och modelleringsprogrammet. Den grafiska bandryggen som möjliggör naturlig rörelse av den beniga ryggraden illustreras av det gröna planet. Kontrollerna som används för att flytta de olika grafiska riggarna och de bifogade bennäten illustreras av de gula ovalerna och korspilarna på modellen. (A) Stående position. C) Uppfödningsläge. (B, D) Modellen med bennäten fästa vid det grafiska riggsystemet. Kontrollernas positioner ändrar positionen för hästens skelett. (B) Stående häst. (D) Uppfödning av häst. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Riggningen av varje lem med leder möjliggör positionering och skapande av rörelse. (B) Bakben med grafiska skarvar markerade med siffrorna 11-17. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: 3D-hästmodellen matchades med klassiska Muybridge13-foton som bevis på konceptet och för att skapa de första animationerna. (A) Muybridge fotografier av en häst vid promenaden. (B) 3D-hästmodellen överlagd över fotografierna för att användas som nyckelramar i animationen. (C) 3D-hästmodellen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: 3D-hästmodellen kan flyttas till olika ställningar (t.ex. ryggradens tvärgående rotation som demonstreras här) för att förstå förhållandet mellan sådana ställningar och patomekaniska kraftregimer och den resulterande degenerationen av de drabbade skelettelementen, lederna och mjuka vävnaderna. (A) En grafisk 2D-representation av en normal hållning hos en häst (med ryttare) med hjälp av grafiskt manipulerade fotografier av ett hästskelett jämfört med en stillbild av 3D-hästmodellen med huvudet och livmoderhalsen dolda för att möjliggöra visualisering av bröstkorgen. (B) En grafisk 2D-representation av en häst (med ryttare) med en tvärgående rotation av ryggraden med hjälp av grafiskt manipulerade fotografier av ett hästskelett jämfört med en stillbild av 3D-hästmodellen med huvudet och livmoderhalsen dolda för att möjliggöra visualisering av bröstkorgen. Observera här effekten av den tvärgående rotationen på skelettet och kroppens lemmar. Den avbildade positionen skulle överbelasta det vänstra frambenet, vilket stöddes av kompression och sprickbildning av den vänstra främre hovväggen i den levande hästen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Video. 4D-hästen. Skelettets nyckelpositioner, som matchas med Muybridge13-bilderna av hästen, har interpolerats för att skapa en animering av hästen vid en promenad. Rörelsen kan ses framifrån, från sidan, toppen och baksidan. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Discussion
Detta protokoll visar hur man skapar en 3D-helkroppsskelettmodell av en organism och visar hur man använder helkroppshästskelettmodellen som beskrivs i detta dokument. Modellen är för närvarande i ett format som kräver en specifik 3D-animerings- och modelleringsprogramvara, som har en ganska inlärningskurva för nya användare. En version av denna programvara är dock fritt tillgänglig för dem som är anslutna till ett universitet. Även om modellering av hela kroppens hållning och rörelse används för att bedöma mänskliga idrottare och för att identifiera orsaker till mekaniskt inducerade kroniska skador11, görs det mindre vanligt med hästidrottare. För att använda detta tillvägagångssätt för bedömning av de potentiella orsakerna till häst atletiska skador och prestandaproblem skapades en realistisk helkroppsskeletthästmodell från CT-data med hjälp av 3D-visualiseringsprogramvaran och 3D-animations- och modelleringsprogramvaran. Denna modell skiljer sig från andra hästmodeller som antingen är konstnärliga grafiska rekreationer av skelettet (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) eller som bara visar lemmarna 14,15,16,17. I denna helkroppsmodell var framben, bakben, ryggrad och bröstkorg riggade och hade kontroller fästa som möjliggör enkel manipulation av modellen för realistisk och exakt positionering och animering.
Protokollet som används för att rigga modellen möjliggör repeterbarhet och framtida förändringar för att passa behoven hos den specifika hästen som riggas, vilket möjliggör individualiserad analys. Hästmodellen är alltså ett verktyg som ska användas av forskare när de analyserar rörelse. Det är emellertid inte ett automatiserat program som ger svar utan inmatning av parametrar som är specifika för djuret som modelleras och frågan som behandlas, eftersom modellens noggrannhet är direkt relaterad till styrkan i en viss analys. Möjligheten att mata in parametrar gör också att modellen kontinuerligt kan uppdateras med data från framtida forskningsstudier. Dessutom kan detta grafiska riggprotokoll tillämpas och / eller justeras för att återspegla de anatomiska skillnaderna mellan individer. Det kan också anpassas för att effektivt modellera andra djur. 3D-hästmodellen kan enkelt manipuleras och placeras för att simulera positioner och rörelser. Detta är särskilt tydligt med lemmarna eftersom deras rörelser är relativt enkla att se och modellera.
Grafisk gemensam positionering i modellen bestämdes av ett liknande tillvägagångssätt som det som användes i andra studier18,19. Bennäten placerades i ett neutralt läge. Grafiska leder placerades så att benen kunde rotera fritt utan att orsaka någon kollision med andra bennät. I siffrorna placerades den grafiska fogen vid den punkt där en sfär sammanföll med rörelsens ytor. Scapulas grafiska fog placerades i den ungefärliga mitten av scapulabladet. Denna positionering av den grafiska fogen gör att den kan flyttas i 6 frihetsgrader för att orientera scapula till önskad position. Till skillnad från lemmarna är ryggradens rörelse inte lätt att se, är mer komplex än ofta realiserad och är därmed svårare att modellera. Även om modellen har flexibiliteten att användas för att undersöka rörelser och problem vid specifika ryggmärgsleder, behövde den också kunna representera de ofta svårskiljbara rörelserna i hela ryggraden. Användningen av "bandryggen" möjliggör mer realistisk rörelse av ryggraden under animationer.
Detta är viktigt eftersom ryggraden hos hästar, som har hittats hos människor, ofta är ursprunget till problem som potentiellt är relaterade till avvikande biomekaniska rörelser och skador på lemmarna. En styrka med denna modell är förmågan att exakt visa ryggradspositioner, som tvärgående ryggradsrotationer20 (figur 4). Hur dessa ställningar påverkar lemmarna i tre dimensioner under olika gångarter kan bestämmas genom att använda modellen i kombination med kinematisk och kraftanalys (t.ex. tryckplattstudier för att bekräfta ökad belastning av lemmarna och statisk kraftanalys). Mjukvävnadsmuskulasciala komponenter läggs för närvarande till helkroppsskelettmodellen. Framtida mål är att utöka användningen av modellen i 3D-biomekanisk analys för studier av hästens hälta. En sådan expansion skulle inkludera att använda modellen för att slutföra 3D-kraftanalyser som jämför friska och ohälsosamma ställningar och registrera modellen med 3D-datapunkter som samlats in i motion capture-studier för att ge en mer effektiv visuell representation av rörelse.
Disclosures
Författarna har inte deklarerat några intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna erkänner Jean Luc Cornille, Science of Motion, för hans bidrag till modelleringsnoggrannhet; Dr Martha Littlefield och Mr. James Ray (LSU SVM) och Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett och Mr. Brent Norwood (UGA CVM) för tillgång till anatomiska exemplar; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) och Dr. L. Abbigail Granger och Mr. Mark Hunter (LSUSVM) för att utföra CT-skanningar; och grundforskarna Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois och Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) för deras arbete relaterat till denna forskning. Finansiering anskaffades från Louisiana State University School of Veterinary Medicine's Equine Health Studies Program via ett Charles V. Cusimano-bidrag.
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 |
References
- Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. Histological study of navicular bone disease. Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Waguespack, R., Hanson, R. R. Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis. Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).
- Zhen, G., Cao, X. Targeting TGFβ signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis. Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).
- 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).
- Rietveld, A. B. Dancers' and musicians' injuries. Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).
- 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).
- Muybridge, E. Animals in motion. , Chapman & Hall. London. (1902).
- 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).
- 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).
- Harrison, S. M., et al. Forelimb muscle activity during equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Denoix, J. M. Spinal biomechanics and functional anatomy. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).
