Summary
الغرض من هذا البروتوكول هو وصف طريقة إنشاء نموذج هيكلي واقعي كامل الجسم للحصان يمكن استخدامه في النمذجة التشريحية والميكانيكية الحيوية الوظيفية لتوصيف ميكانيكا الجسم بالكامل.
Abstract
العلاجات القائمة على التقييمات الميكانيكية الحيوية للجسم كله ناجحة للوقاية من الإصابات وإعادة التأهيل لدى الرياضيين البشر. نادرا ما تم استخدام أساليب مماثلة لدراسة الإصابات الرياضية للخيول. يمكن أن ينشأ هشاشة العظام التنكسية الناجمة عن الإجهاد الميكانيكي من خلل وظيفي وضعي مزمن ، والذي ، لأن الخلل الوظيفي الأولي غالبا ما يكون بعيدا عن موقع إصابة الأنسجة ، يتم تحديده بشكل أفضل من خلال نمذجة الميكانيكا الحيوية للجسم كله. لتوصيف حركية الخيول في الجسم كله ، تم إنشاء نموذج هيكلي واقعي للحصان من بيانات التصوير المقطعي المحوسب للخيول (CT) التي يمكن استخدامها في النمذجة التشريحية الوظيفية والميكانيكية الحيوية. تم إعادة بناء بيانات التصوير المقطعي المحوسب للخيول في مجموعات بيانات فردية ثلاثية الأبعاد (3D) (أي العظام) باستخدام برنامج التصور ثلاثي الأبعاد وتجميعها في نموذج هيكلي ثلاثي الأبعاد كامل. ثم تم تزوير النموذج وتحريكه باستخدام برامج الرسوم المتحركة والنمذجة 3D. يمكن استخدام نموذج الهيكل العظمي 3D الناتج لتوصيف مواقف الخيول المرتبطة بتغيرات الأنسجة التنكسية وكذلك لتحديد المواقف التي تقلل من الإجهاد الميكانيكي في مواقع إصابة الأنسجة. بالإضافة إلى ذلك ، عند تحريكه في 4D ، يمكن استخدام النموذج لإظهار حركات الهيكل العظمي غير الصحية والصحية ويمكن استخدامه لتطوير علاجات فردية وقائية وتأهيلية للخيول ذات العرج التنكسية. على الرغم من أن النموذج سيكون متاحا قريبا للتنزيل ، إلا أنه حاليا بتنسيق يتطلب الوصول إلى برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة 3D ، والذي يحتوي على منحنى تعليمي كبير للمستخدمين الجدد. سيوجه هذا البروتوكول المستخدمين في (1) تطوير مثل هذا النموذج لأي كائن حي ذي أهمية و (2) استخدام هذا النموذج المحدد للخيول لأسئلة البحث الخاصة بهم.
Introduction
غالبا ما يرتبط العرج المزمن في الخيول بآفات الأنسجة التنكسية التقدمية المشابهة لتلك الموجودة في هشاشة العظام (OA) ، وهي مشكلة صحية عامة رئيسية لدى البشر1،2،3،4،5،6،7،8،9 . في الطب البشري ، نظرا لأن الأساليب العلاجية التي تركز على علاج آفات محددة (على سبيل المثال ، العلاج الدوائي والإصلاح الغضروفي المباشر) قد فشلت في الغالب ، يتم التعرف الآن على القوى الميكانيكية المرضية باعتبارها السبب الجذري لتلف الأنسجة في الزراعة العضوية. تؤثر القوى الشاذة أو المسببة للأمراض الميكانيكية على كل من خلايا العظام والغضاريف مباشرة ، مما يؤدي إلى إطلاق الوسطاء الالتهابيين وتنكس الأنسجة التدريجي9. تشير هذه الملاحظات إلى أنه ما لم يتم تصحيح القوى الميكانيكية المسببة ، فإن العديد من أمراض العظام والمفاصل التنكسية المزمنة ستستمر في التقدم. وبالتالي ، فإن التركيز العلاجي في الطب البشري يتحول إلى النهج التي "تفرغ" المفاصل المصابة من خلال التمرين المستهدف10,11. ومع ذلك ، لم يتم إجراء هذا التحول بعد في طب الخيول ، ويرجع ذلك جزئيا إلى الحاجة إلى نماذج لحركة الخيول التي يمكن تكييفها لإظهار حركات الفرد.
يعد التحليل الميكانيكي الحيوي الشامل للجسم بأكمله شائعا في تصميم برامج التدريب لتحسين الأداء الرياضي وتسهيل التعافي من الإصابات لدى الرياضيين البشريين11 (انظر أيضا على سبيل المثال ، مجلة "Sports Biomechanics") ، ولكنه أقل شيوعا لرياضيي الخيول (ولكن انظر12). وبالتالي ، فإن الهدف الشامل هنا هو إنشاء نماذج ميكانيكية مرضية لعرج الخيول التي يمكن استخدامها لتطوير علاجات وقائية وتأهيلية فردية لتحسين صحة رياضيي الخيول. يمكن لهذه النماذج الميكانيكية المسببة للأمراض أن تميز الاختلافات في التشريح الوظيفي للمناطق (أي العمود الفقري) التي لا يمكن تمييزها بسهولة بالعين المجردة مثل غيرها (أي الطرف السفلي). لتحقيق هذا الهدف ، كان الهدف الأول هو تطوير نموذج هيكل عظمي دقيق تشريحيا وقابل للتلاعب وكامل الجسم والخيول يمكن استخدامه كقالب من قبل الباحثين المهتمين بالتحليلات التشريحية الوظيفية والحركية والحركية. لكي يكون هذا النموذج مفيدا لأطباء وباحثي الخيول ، يجب أن يكون (1) واقعيا بيولوجيا لتمكين تحديد المواقع التشريحية الدقيقة ، (2) السماح بإجراء تعديلات سهلة ودقيقة لنمذجة المواقف المختلفة للخيول الصحية وغير الصحية ، (3) أن يكون قادرا على أن يكون متحركا لدراسة آثار المشيات المختلفة ، و (4) تسهيل إعادة إنشاء المواقف والحركات القابلة للتكرار.
تم بناء نموذج هيكلي للخيول 3D للجسم بالكامل من بيانات CT حيث يمكن التلاعب بمواقع العظام بالنسبة لبعضها البعض ثم تحريكها لمطابقة الحركات من الصور أو مقاطع الفيديو لحصان في الحركة ، وبالتالي إنشاء نموذج هيكل عظمي للخيول 4D. اعتمادا على ما يناسب السؤال المراد معالجته ، يمكن استخدام النموذج في إصدارات 2D و 3D و 4D أو في مجموعات مختلفة لتوضيح وتوصيف التأثيرات الميكانيكية المسببة للأمراض لمواقف أو مواقف محددة. بسبب تصميمه الأساسي والمرن ، يعمل النموذج كقالب يمكن تعديله من قبل الباحثين ليعكس أسئلتهم المحددة ومعلمات البيانات. وتشمل هذه المعلمات ، على سبيل المثال ، المعلومات التشريحية على أساس الجنس وحجم الحيوان ، وبيانات تحليل الحركة 3D ، وتقديرات قوة الأنسجة الرخوة ، وخصائص القصور الذاتي. وبالتالي ، يسمح النموذج بإجراء تحليل أكثر تفصيلا لمناطق أو مفاصل محددة ، مع توفير الأساس لإعداد تجارب لا يمكن إجراؤها على الخيول الحية. نظرا للقيود العملية المتعلقة بتوافر العينات (على سبيل المثال ، قطع الأضلاع) والماسح الضوئي ، فإن نموذج الخيول لكامل الجسم هو نتيجة لدمج البيانات من ثلاث عينات من الخيول. وبالتالي ، فإن النموذج ليس تمثيلا مثاليا لفرد واحد ، ولكن تم توحيده لتمثيل التباين الفردي على نطاق أوسع. باختصار ، إنه قالب يجب استخدامه وتعديله ليناسب احتياجات الباحثين. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب للجذع والرأس والرقبة والأطراف من عينتين من الخيول من نفس الحجم تقريبا باستخدام ماسح الأشعة المقطعية المكون من 64 شريحة باستخدام خوارزمية العظام ، درجة 0.9 ، شريحة 1 مم. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب لمجموعة من الأضلاع باستخدام ماسح الأشعة المقطعية المكون من 64 شريحة باستخدام خوارزمية العظام ، ودرجة 0.9 ، 0.64 مم شرائح.
تم الحفاظ على السلامة التشريحية للمفاصل العظمية (على سبيل المثال ، داخل الطرف). كما تم استخدام الأنسجة الرخوة المتوفرة في التصوير المقطعي المحوسب لتأكيد وضع العظام. نظرا لأن بعض الأضلاع الكاملة والأجزاء القريبة من جميع الأضلاع كانت متاحة ومسحت ضوئيا على عينة الصدر ، يمكن تحديد حجم الأضلاع الممسوحة ضوئيا بشكل منفصل بدقة ووضعها داخل نموذج الهيكل العظمي للجسم بأكمله. تم استيراد بيانات التصوير المقطعي المحوسب والاتصالات في الطب (DICOM) الناتجة إلى برنامج التصور 3D (انظر جدول المواد) ، وتم تقسيم العظام الفردية إلى مجموعات بيانات فردية (أي شبكات العظام). ثم تم استيراد شبكات العظام ثلاثية الأبعاد الفردية إلى برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثي الأبعاد (جدول المواد) حيث تم تحجيمها ، إذا لزم الأمر ، وتجميعها في هيكل عظمي كامل للخيول استعدادا للتزوير - وهي طريقة رسومية لربط شبكات العظام بحيث يتم ربط حركاتها (الشكل 1).
Protocol
1. تزوير الأطراف الأمامية
- ضع مفاصل رسومية داخل الطرف الأمامي في جميع مناطق الحركة.
ملاحظة: موضع المفصل الناتج هو سلسلة مشتركة من الكتف إلى الطرف البعيد من عظم التابوت (الشكل 2A). في منطقة عظام الرسغ ، يتم استخدام 3 مفاصل على مقربة لزيادة نصف قطر الانحناء.- اضغط على المفتاح F3 لتمكين مجموعة قائمة التزوير . في القوائم، حدد الهيكل العظمي | إنشاء مفاصل لتحديد أداة إنشاء مفاصل .
- في لوحة عرض البرنامج ، انقر فوق المناطق التقريبية للمفاصل الموجودة في الشكل 2A بترتيب من 1 إلى 10 ، واضغط على المفتاح ENTER .
- اضبط موضع المفاصل بالنقر فوق المفصل المطلوب واستخدم أداة Move Tool عن طريق الضغط على مفتاح W لترجمة المفصل إلى الموضع المطلوب. بدلا من ذلك، اضبط مفصلا بالنقر فوق المفصل المطلوب وتغيير قيم ترجمة X وTranslate Y وTranslate Z الموجودة في لوحة Channel Box/Layer Editor .
- قم بإنشاء 5 مقابض حركية عكسية منفصلة (مقابض IK) (ستتم الإشارة إلى المفاصل بالأرقام الموجودة في الشكل 2A).
- في القوائم، حدد الهيكل العظمي | إنشاء مقبض IK لتحديد أداة إنشاء مقبض IK . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 1 ، ثم المشترك 3 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا الساق الأمامية IK في لوحة Outliner . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 3 ، ثم المشترك 7 ؛ اسم مقبض IK هذا الجبهة IK السفلى.
- باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 7 ، ثم المشترك 8 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا من إصبع القدم الأمامي 1 IK في لوحة Outliner . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 8 ، ثم المشترك 9 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا من إصبع القدم الأمامي 2 IK في لوحة Outliner . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 9 ، ثم المشترك 10 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا من إصبع القدم الأمامي 3 IK في لوحة Outliner .
- إنشاء عناصر تحكم في الأطراف الأمامية
- إنشاء دائرة B-Splines عقلانية غير موحدة (NURBS) باستخدام أداة الدائرة في القائمة إنشاء | NURBS البدائية | دائرة.
- قم بإنشاء دائرتين من NURBS وحركهما باستخدام أداة النقل لتطويق المفصل 3 والمفصل 10 ، وقم بتسميتهما Ctrl الأمامي و Ctrl الأمامي السفلي ، على التوالي ، في لوحة Outliner .
- إنشاء دائرة NURBS ؛ حدد الدائرة، وفي لوحة محرر مربع القناة/الطبقة ، قم بتغيير قيمة تدوير Z إلى 90. باستخدام أداة النقل ، ضعها عند طرف المفصل 10، وقم بتسميتها Front Flick Ctrl في لوحة Outliner .
- مجموعة أصابع القدم الأمامية 1 IK، وإصبع القدم الأمامي 2 IK، وإصبع القدم الأمامي 3 IK عن طريق تحديد الثلاثة والضغط على مفاتيح CTRL + G. قم بتسمية مجموعة أصابع القدم الأمامية هذه في لوحة المخطط التفصيلي. أصل مقابض IK ومجموعة أصابع القدم الأمامية إلى عناصر التحكم.
ملاحظة: من المهم تحديد Shift + بالترتيب الدقيق الموضح أدناه لضمان وجود شجرة أصلية مناسبة.- حدد Frontleg IK، ثم Ctrl الأمامي في لوحة Outliner ، ثم اضغط على المفتاح P .
- حدد Ctrl السفلي الأمامي، ثم Ctrl الأمامي في لوحة Outliner ، ثم اضغط على المفتاح P .
- حدد IK السفلي الأمامي، ثم Ctrl السفلي الأمامي في لوحة Outliner ، واضغط على المفتاح P .
- حدد Ctrl للنقر الأمامي، ثم Ctrl الأمامي السفلي في لوحة Outliner واضغط على المفتاح P .
- حدد مجموعة أصابع القدم الأمامية، ثم التحريك الأمامي Ctrl في لوحة المخطط التفصيلي ، ثم اضغط على المفتاح P .
- استخدم أداة ربط الجلد لربط شبكات العظام، باستثناء العظام السمسمية، بما في ذلك العظام البحرية بالمفصل الأقرب. تأكد من أن كل شبكة عظمية مرتبطة بمفصل واحد فقط.
- انقر على شبكة العظام ، وانقر فوق Shift + على المفصل الأكثر قربا ، وحدد أداة ربط الجلد تحت الجلد | ربط الجلد.
- تزوير عظام السمسمويد والعظام البحرية
- قم بإنشاء مفصل، وضعه في منتصف عظم السمسمويد، واضغط على المفتاح Enter . في لوحة العرض ، حدد شبكة العظام السمسمية، وانقر فوق Shift + المفصل في منتصف العظم. استخدم أداة ربط الجلد لربط الشبكة بالمفصل.
ملاحظة: يمكن الآن معالجة عظم السمسمويد باستخدام أدوات النقل والتدوير للضبط عند تغيير موضع الساق. - في لوحة العرض ، حدد المفصل في العظم السمي، وانقر فوق Shift + أقرب مفصل في الطرف الأمامي، ثم اضغط على المفتاح P .
ملاحظة: هذا الوالدين المفصل في العظم السمسموي إلى الطرف الأمامي. - كرر الخطوات من 1.6.1 إلى 1.6.2 للعظام السمسمية الأخرى والعظم البحري.
- قم بإنشاء مفصل، وضعه في منتصف عظم السمسمويد، واضغط على المفتاح Enter . في لوحة العرض ، حدد شبكة العظام السمسمية، وانقر فوق Shift + المفصل في منتصف العظم. استخدم أداة ربط الجلد لربط الشبكة بالمفصل.
- كرر الخطوات من 1.1 إلى 1.6 للطرف الأمامي الآخر.
ملاحظة: يمكن تحديد المفصل الموجود في لوح الكتف وترجمته في جميع الاتجاهات ال 3 (6 درجات من الحرية) باستخدام أداة النقل .
2. تزوير الأطراف الخلفية
- ضع المفاصل داخل الطرف الخلفي في جميع مناطق الحركة للحصول على سلسلة مشتركة من رأس الديمور إلى الطرف البعيد من عظم التابوت (الشكل 2B).
- قم بإنشاء 5 مقابض IK منفصلة (ستتم إحالة المفاصل إلى الأرقام الموجودة في الشكل 2B).
- باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 11 ، ثم المشترك 12 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا Hind IK في لوحة Outliner . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 12 ، ثم المشترك 14 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا Hind Lower IK في لوحة Outliner .
- باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 14 ، ثم المشترك 15 ؛ قم بتسمية مقبض IK هذا Hind Toe 1 IK في لوحة Outliner . باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 15 ، ثم المشترك 16 ؛ اسم هذا المقبض IK هند تو 2 IK في لوحة Outliner .
- باستخدام أداة إنشاء مقبض IK ، حدد المشترك 16 ، ثم المشترك 17 ؛ اسم هذا المقبض IK هند إصبع القدم 3 IK في لوحة Outliner .
- إنشاء عناصر تحكم في الأطراف الخلفية
- قم بإنشاء دائرتين من NURBS باسم Hind Ctrl و Hind Lower Ctrl ونقلهما لتطويق المفصل 12 والمفصل 17 ، على التوالي.
- إنشاء دائرة NURBS باسم Hind Flick Ctrl. اجعل هذه الدائرة عمودية ، وضعها عند طرف المفصل 10.
- مجموعة هند تو 1 IK، هند تو 2 IK، وهند تو 3 IK عن طريق تحديد الثلاثة والضغط على CTRL + G. اسم هذه المجموعة هند تو المجموعة.
- الأصل مقابض IK ومجموعة Hind Toe إلى عناصر التحكم. تأكد من تحديد Shift + بالترتيب الدقيق الموضح أدناه لضمان وجود شجرة أصلية مناسبة.
- حدد Hind IK، ثم Hind Ctrl، واضغط على المفتاح P.
- حدد Hind Lower Ctrl ثم Hind Ctrl واضغط على المفتاح P.
- حدد Hind Lower IK، ثم Hind Lower Ctrl، واضغط على المفتاح P .
- حدد Hind Flick Ctrl، ثم Hind Lower Ctrl، واضغط على المفتاح P .
- حدد مجموعة Hind Toe Group، ثم Hind Flick Ctrl، واضغط على المفتاح P.
- استخدم أداة ربط الجلد لربط شبكات العظام بالمفصل الأقرب. تأكد من أن كل شبكة عظمية مرتبطة بمفصل واحد فقط.
- انقر على شبكة العظام ، وانقر فوق Shift + على المفصل الأكثر قربا ، وحدد أداة ربط الجلد تحت الجلد | ربط الجلد.
- تزوير الرضفة والعظام السمسمية والعظام البحرية
- قم بإنشاء مفصل، وضعه في منتصف الرضفة، واضغط على المفتاح Enter . في لوحة العرض ، حدد شبكة الرضفة ، وانقر فوق Shift + على المفصل في الرضفة. استخدم أداة ربط الجلد لربط الشبكة بالمفصل.
ملاحظة: يمكن الآن معالجة الرضفة باستخدام أدوات النقل والتدوير للضبط عند تغيير موضع الساق. - في لوحة العرض ، حدد المفصل في الرضفة ، Shift + انقر فوق أقرب مفصل في الطرف الأمامي ، واضغط على المفتاح P لوالد المفصل في الرضفة إلى الطرف الأمامي.
- كرر الخطوتين 2.7.1 و2.7.2 للعظام السمسمية والعظم البحري.
- قم بإنشاء مفصل، وضعه في منتصف الرضفة، واضغط على المفتاح Enter . في لوحة العرض ، حدد شبكة الرضفة ، وانقر فوق Shift + على المفصل في الرضفة. استخدم أداة ربط الجلد لربط الشبكة بالمفصل.
- كرر الخطوات من 2.1 إلى 2.7 للطرف الخلفي الآخر.
3. الشريط تزوير العمود الفقري
- قم بإنشاء مستوى NURBS مع خيارات معدلة بطول يساوي تقريبا طول العمود الفقري مع 1 U-patch و # V-patches ، حيث # هو عدد الفقرات الصدرية والقطنية.
ملاحظة: بالنسبة لهذه الورقة، يبلغ الطول 20 مع بقع 22 فولت.- حدد المربع الموجود بجوار أداة إنشاء مستوى ضمن إنشاء | NURBS البدائية | الطائرة.
- أعد بناء الطائرة باستخدام خيارات معدلة.
- اضغط على المفتاح F2 للدخول إلى مجموعة قائمة النمذجة. حدد المستوى في لوحة العرض، وحدد إعدادات أداة إعادة الإنشاء عن طريق تحديد المربع المجاور لأداة إعادة الإنشاء ضمن Surfaces | إعادة البناء. استخدم الخيارات التالية: عدد الامتدادات U = 1 ؛ عدد الامتدادات V = # (22 في هذه الحالة) ؛ حدد "1 خطي" لكل من خيارات الدرجة أنت والدرجة V ؛ إبقاء الإعدادات الأخرى افتراضية ؛ ثم اضغط على الزر إعادة إنشاء.
- إنشاء nhairs مع خيارات معدلة.
- اضغط على المفتاح F5 للدخول إلى مجموعة قائمة FX. "حدد المستوى في لوحة العرض ، واستخدم أداة إنشاء شعر مع خيارات معدلة عن طريق تحديد المربع بجوار nHair | إنشاء الشعر. استخدم الخيارات التالية: تعيين الإخراج إلى منحنيات NURBS; U العد = 1; V count = # (22 في هذه الحالة) ؛ الاحتفاظ بالخيارات الأخرى افتراضيا ؛ واضغط على الزر إنشاء شعر .
- احذف ما يلي في لوحة المخطط التفصيلي: nucleus1 ومجموعة hairSystem1OutputCurves و hairSystem1. قم بتوسيع المجموعة المسماة الشعرSystem1Follicles بالكامل ، واحذف جميع العناصر المصنفة curve__.
ملاحظة: يجب أن تترك النتيجة مجموعة تسمى الشعرSystem1Follicles تحتوي على قائمة بالعناصر المسماة nurbsPlane_Follicle____. - حدد المستوى، وقم بتحريكه وتوجيهه بحيث يتداخل تقريبا مع العمود الفقري باستخدام أداة النقل وأداة التدوير . حدد المستوى، واضغط مع الاستمرار على زر الماوس الأيمن، وحدد Control Vertex لجعل جميع رؤوس الطائرة مرئية.
- حرك القمم لتوجيه البصيلات لتكون بين الفقرات في الارتفاع حيث سيكون الحبل الشوكي. قم بإنشاء # عدد من المفاصل المنفصلة (22 في هذه الحالة) في أي مكان في لوحة العرض حيث سيتم تصحيح موضع هذه المفاصل في خطوات لاحقة.
- قم بتكوين nurbsPlane_Follicle____ بحيث يكون لكل منها مفصل واحد تحت شجرته.
- في لوحة Outliner ، حدد مشتركا تم إنشاؤه في الخطوة 3.6 ، ثم انقر فوق Ctrl + على nurbsPlane_Follicle____ ، واضغط على المفتاح P . كرر 3.7.1 مع المفاصل الأخرى التي تم إنشاؤها في الخطوة 3.6 والآخر nurbsPlane_Follicle____ كائنات s.
- في لوحة Outliner ، حدد Ctrl + جميع المفاصل ؛ في لوحة Chanel Box/Layer Box، اضبط ترجمة X وY وZ على 0. كرر جميع المفاصل بواسطة Ctrl + حدد جميع المفاصل في لوحة Outliner واضغط على مفاتيح Ctrl + D. إلغاء أصل جميع المفاصل المكررة بواسطة Ctrl + تحديد جميع المفاصل المكررة في لوحة Outliner والضغط على مفاتيح Shift + P
- ربط المفاصل تحت nurbsPlane_Follicle____ مع شبكة فقرية خاصة بها.
- اضغط على المفتاح F3 للدخول إلى مجموعة قائمة تزوير . انقر فوق المفصل الأصلي (وليس المفصل المكرر) ضمن nurbsPlane_Follicle____ ، وانقر فوق Shift + على شبكة الفقرات المعنية ، ثم استخدم أداة ربط الجلد ضمن الجلد | ربط الجلد. كرر هذه الإجراءات في الخطوة 3.9.1 لكل شبكة مشتركة وفقرية.
- CTRL + انقر فوق جميع المفاصل المكررة والمستوى ، واستخدم أداة ربط الجلد لربط جميع المفاصل المكررة بالمستوى.
ملاحظة: يمكن الآن التلاعب بالمفاصل المكررة للتحكم في الفقرات. - كرر الخطوات من 3.1 إلى 3.10 للفقرات العنقية والذيلية.
4. تزوير الضلع والقص
- ضع مفاصل منفصلة في رأس الضلع ، في الطرف القريب من الغضروف الساحلي ، وفي الطرف البعيد من الغضروف الضلعي. قم بتوصيل المفصل في الطرف القريب من الغضروف الساحلي إلى المفصل عند رأس الضلع.
- قم بتوصيل المفصل في الطرف البعيد من الغضروف الساحلي إلى أقرب مفصل في الطرف القريب من الغضروف الضلي. قم بتوصيل المفصل الموجود في رأس الضلع إلى مفصل العمود الفقري الذي يتحكم في الفقرات الذيلية إلى الضلع.
- في قائمة التزوير المحددة ضمن علامة التبويب الجلد، استخدم أداة ربط الجلد لربط الضلع بالمفصل الموجود على رأسه والغضروف الضلعي بكل من المفاصل في نهايته القريبة ونهايته البعيدة.
- كرر الخطوات من 4.1 إلى 4.3 لكل ضلع.
- ضع مفاصل منفصلة في الطرف الأكثر جمجمة لكل جزء قصي. الأصل كل مفصل الجزء القصي إلى المفصل الفقري الأكثر ظهرية لكل مفصل الجزء القصي. في قائمة التزوير التي تم تعيينها ضمن علامة التبويب الجلد، استخدم أداة ربط الجلد لربط الجزء القصي بمفصله.
5. تحديد المواقع والرسوم المتحركة
- حدد إطارا في المخطط الزمني.
- ضع النموذج وعناصر التحكم. استيراد صورة لاستخدامها كمرجع عن طريق إنشاء مستوى صورة مجاني.
ملاحظة: تم استخدام الصور من Muybridge13 للحصان في المشي كدليل على المفهوم.- أثناء تحديد مستوى الصورة المجاني ، حدد ملف الصورة ضمن علامة التبويب محرر السمات وضمن القائمة المنسدلة سمات مستوى الصورة .
- حدد كافة عناصر التحكم ومفاصل التحكم في العمود الفقري، ثم اضغط على المفتاح S لحفظها كإطار مفتاحي.
- على طول إطارات مختلفة على طول المخطط الزمني، حرك عناصر التحكم ومفاصل التحكم في العمود الفقري وقم بتدويرها، ثم اضغط على S.
ملاحظة: يؤدي تغيير موضع عناصر التحكم ومفاصل التحكم في العمود الفقري وحفظها كإطارات رئيسية على طول نقاط مختلفة من المخطط الزمني إلى إنشاء رسم متحرك. وليس من الضروري أن يكون هناك إطار رئيسي محدد على طول كل إطار من الإطار الزمني للجدول الزمني؛ بل ينبغي أن يكون هناك إطار زمني محدد على طول كل إطار من أطر الجدول الزمني. يجب فقط وضع إطار رئيسي للمواقف أو التوقيتات الحرجة. سوف الرسوم المتحركة 3D وبرنامج النمذجة interpoing بين المواقف المؤطرة الرئيسية لكل عنصر تحكم ومفصل التحكم في العمود الفقري ، مما يخلق رسوما متحركة سلسة.
Representative Results
كانت نتيجة هذه الطريقة نموذجا هيكليا كاملا للخيول ثلاثية الأبعاد داخل برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثي الأبعاد الذي يسمح بتحديد المواقع التشريحية الدقيقة ومحاكاة الحركة. يحتوي النموذج نفسه على نظام تزوير رسومي مفوض إلى الأطراف الأمامية والأطراف الخلفية والعمود الفقري والرقبة والقفص الصدري. يمكن وضع نموذج ثلاثي الأبعاد في أوضاع مختلفة (الشكل 3 والشكل 4) من قبل أفراد متعددين. تمت مقارنة حركات نموذج 4D (في الحركة) بمقاطع الفيديو من الجانب والخلف والأمام ، وكذلك مع لقطات الطائرات بدون طيار العلوية لتصوير حركة العمود الفقري بدقة أكبر وفيديو الخيول في المشي (فيديو) ، كانتر ، وهرولة لإنشاء رسوم متحركة لتلك المشي.
الشكل 1: يمكن نقل نموذج الخيول ثلاثي الأبعاد إلى أوضاع مختلفة وتحريكه لإظهار حركات الجسم بالكامل في المشيات المختلفة في برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثي الأبعاد. يتم توضيح العمود الفقري للشريط الرسومي الذي يتيح الحركة الطبيعية للعمود الفقري العظمي بواسطة المستوى الأخضر. يتم توضيح عناصر التحكم المستخدمة لتحريك منصات الرسومات المختلفة وشبكات العظام المرفقة من خلال الأشكال البيضاوية الصفراء والأسهم المتقاطعة على النموذج. (أ) وضعية الوقوف. (ج) وضع التربية. (ب، د) النموذج مع شبكات العظام المرفقة بنظام تزوير الرسومات. تغير مواقع عناصر التحكم موضع الهيكل العظمي للحصان. (ب) الحصان الواقف. (د) تربية الخيل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: يسمح تزوير كل طرف بالمفاصل بوضع وخلق الحركة . (أ) الطرف الأمامي مع المفاصل الرسومية المشار إليها بالأرقام 1-10. (ب) الطرف الخلفي مع المفاصل الرسومية المشار إليها بالأرقام 11-17. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: تمت مطابقة نموذج الخيول ثلاثي الأبعاد مع صور Muybridge13 الكلاسيكية كدليل على المفهوم وإنشاء الرسوم المتحركة الأولى. (أ) صور Muybridge لحصان في المشي. (ب) نموذج الخيول 3D متراكب فوق الصور لاستخدامها كإطارات رئيسية في الرسوم المتحركة. (ج) نموذج الخيول 3D. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: يمكن نقل نموذج الخيول ثلاثي الأبعاد إلى أوضاع مختلفة (على سبيل المثال ، الدوران العرضي للعمود الفقري الموضح هنا) لفهم علاقة هذه المواقف بأنظمة القوة الميكانيكية المسببة للأمراض والانحطاط الناتج عن العناصر الهيكلية والمفاصل والأنسجة الرخوة المتأثرة. (أ) تمثيل بياني ثنائي الأبعاد للوضع الطبيعي للحصان (مع الفارس) باستخدام صور فوتوغرافية تم التلاعب بها بيانيا لهيكل عظمي للخيول مقارنة بالصورة الثابتة ل نموذج الخيول 3D مع الرأس والفقرات عنق الرحم مخبأة لتمكين تصور الصدر. (ب) تمثيل بياني 2D لحصان (مع متسابق) مع دوران عرضي للعمود الفقري باستخدام صور فوتوغرافية تم التلاعب بها بيانيا لهيكل عظمي للخيول مقارنة بصورة ثابتة لنموذج الخيول 3D مع الرأس والفقرات العنقية المخفية لتمكين تصور الصدر. لاحظ هنا تأثير الدوران العرضي على الهيكل العظمي وأطراف الجسم. كان الموضع المصور يفوق الحمل على الطرف الأمامي الأيسر ، والذي كان مدعوما بضغط وتكسير جدار الحافر الأمامي الأيسر في الحصان الحي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
فيديو. الحصان 4D. تم استيفاء المواقع الرئيسية للهيكل العظمي ، كما تتطابق مع صور Muybridge13 للحصان ، لإنشاء رسوم متحركة للحصان أثناء المشي. يمكن رؤية الحركة من الأمام والجانب والأعلى والخلف. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الفيديو.
Discussion
يوضح هذا البروتوكول كيفية إنشاء نموذج هيكلي كامل الجسم 3D للكائن الحي ويوضح كيفية استخدام نموذج الهيكل العظمي للخيول للجسم كله الموضح في هذه الورقة. النموذج حاليا في شكل يتطلب برنامج رسوم متحركة ونمذجة 3D محدد ، والذي يحتوي على منحنى تعليمي كبير للمستخدمين الجدد. ومع ذلك ، يتوفر إصدار من هذا البرنامج مجانا لأولئك الذين ينتمون إلى جامعة. على الرغم من أن نمذجة وضعية الجسم كله وحركته تستخدم لتقييم الرياضيين البشريين وتحديد أسباب الإصابات المزمنة الناجمة ميكانيكيا11 ، إلا أنها أقل شيوعا مع رياضيي الخيول. لاستخدام هذا النهج لتقييم الأسباب المحتملة للإصابات الرياضية للخيول وقضايا الأداء ، تم إنشاء نموذج واقعي للخيول الهيكلية للجسم بأكمله من بيانات التصوير المقطعي المحوسب باستخدام برنامج التصور ثلاثي الأبعاد وبرامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثية الأبعاد. يختلف هذا النموذج عن نماذج الخيول الأخرى التي هي إما استجمام رسومي فني للهيكل العظمي (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) أو التي تصور الأطراف فقط14،15،16،17. في هذا النموذج للجسم كله ، تم تزوير الأطراف الأمامية والأطراف الخلفية والعمود الفقري والقفص الصدري وكان لها عناصر تحكم مرفقة تسمح بسهولة التلاعب بالنموذج لتحديد المواقع والرسوم المتحركة بشكل واقعي ودقيق.
يسمح البروتوكول المستخدم للتلاعب بالنموذج بالتكرار والتعديلات المستقبلية لتناسب احتياجات الحصان المحدد الذي يتم تزويره ، مما يتيح التحليل الفردي. وبالتالي ، فإن نموذج الخيول هو أداة يستخدمها الباحثون أثناء تحليلهم للحركة. ومع ذلك ، فهو ليس برنامجا آليا يوفر إجابات دون إدخال معلمات خاصة بالحيوان الذي يتم نمذجته والسؤال الذي يتم معالجته ، حيث ترتبط دقة النموذج ارتباطا مباشرا بقوة تحليل معين. كما تسمح القدرة على إدخال المعلمات بتحديث النموذج باستمرار ببيانات من الدراسات البحثية المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق بروتوكول تزوير الرسومات هذا و / أو تعديله ليعكس الاختلافات التشريحية بين الأفراد. ويمكن أيضا تكييفها لنمذجة الحيوانات الأخرى بشكل فعال. يمكن التلاعب بسهولة بنموذج الخيول 3D ووضعه لمحاكاة المواقف والحركات. هذا واضح بشكل خاص مع الأطراف لأن حركاتها بسيطة نسبيا في الرؤية والنمذجة.
تم تحديد موضع المفصل البياني في النموذج من خلال نهج مماثل لتلك المستخدمة في دراسات أخرى18,19. تم وضع شبكات العظام في وضع محايد. تم وضع المفاصل الرسومية بحيث تكون العظام قادرة على الدوران بحرية دون التسبب في أي تصادم مع شبكات العظام الأخرى. في الأرقام ، تم وضع المفصل الرسومي عند النقطة التي تزامنت فيها الكرة مع أسطح الحركة. تم وضع المفصل الرسومي للكتف في المركز التقريبي لشفرة الكتف. يسمح هذا الوضع للمفصل الرسومي بتحريكه بحرية 6 درجات لتوجيه الكتف إلى الموضع المطلوب. على عكس الأطراف ، لا يمكن رؤية حركة العمود الفقري بسهولة ، وهي أكثر تعقيدا مما يتحقق في كثير من الأحيان ، وبالتالي يصعب نمذجتها. على الرغم من أن النموذج يتمتع بالمرونة اللازمة للاستخدام في الحركات والقضايا في مفاصل العمود الفقري المحددة ، إلا أنه يحتاج أيضا إلى أن يكون قادرا على تمثيل الحركات التي يصعب تمييزها في كثير من الأحيان للعمود الفقري بأكمله. يسمح استخدام "العمود الفقري الشريطي" بحركة أكثر واقعية للعمود الفقري أثناء الرسوم المتحركة.
هذا مهم لأن العمود الفقري في الخيول ، كما تم العثور عليه في البشر ، غالبا ما يكون أصل المشكلات التي يحتمل أن تكون مرتبطة بالحركات الميكانيكية الحيوية الشاذة وإصابة الأطراف. تتمثل قوة هذا النموذج في القدرة على إظهار مواضع العمود الفقري بدقة ، مثل الدورات الفقرية المستعرضة20 (الشكل 4). يمكن تحديد كيفية تأثير هذه المواقف على الأطراف في ثلاثة أبعاد أثناء المشيات المختلفة باستخدام النموذج بالاقتران مع التحليل الحركي وتحليل القوة (على سبيل المثال ، دراسات لوحة الضغط لتأكيد زيادة تحميل الأطراف وتحليل القوة الثابتة). تتم حاليا إضافة مكونات الأنسجة الرخوة العضلية اللفافة إلى نموذج الهيكل العظمي للجسم بأكمله. الأهداف المستقبلية هي توسيع استخدام النموذج في التحليل الميكانيكي الحيوي 3D لدراسات عرج الخيول. وسيشمل هذا التوسع استخدام النموذج لإكمال تحليلات القوة ثلاثية الأبعاد التي تقارن بين المواقف الصحية وغير الصحية وتسجيل النموذج بنقاط بيانات ثلاثية الأبعاد تم جمعها في دراسات التقاط الحركة لتوفير تمثيل مرئي أكثر فعالية للحركة.
Disclosures
ولم يعلن صاحبا البلاغ عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
ويعرب المؤلفان عن تقديرهما للسيد جان لوك كورنيل، علم الحركة، لمدخلاته في دقة النمذجة؛ الدكتورة مارثا ليتلفيلد والسيد جيمس راي (LSU SVM) ، والدكتور ستيف هولاداي ، والدكتورة كارلا جاريت ، والسيد برنت نوروود (UGA CVM) للوصول إلى العينات التشريحية ؛ الدكتور أجاي شارما (UGACVM) والدكتور ل. أبيغايل جرانجر والسيد مارك هنتر (LSUSVM) لإجراء الأشعة المقطعية؛ والباحثين الجامعيين جيريمي بيكر وجوشوا ماسيجيفسكي وسارة لانغلوا ودانيال بازوكي (مختبر التشريح الوظيفي والتطوري التابع لكلية الطب البيطري بجامعة LSU) لعملهم المتعلق بهذا البحث. تم الحصول على التمويل من برنامج الدراسات الصحية للخيول التابع لكلية الطب البيطري بجامعة ولاية لويزيانا من خلال منحة تشارلز ف. كوزيمانو.
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).
