Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Konstruktion af en realistisk, helkrops, tredimensionel hesteskeletalmodel ved hjælp af computertomografidata

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

Formålet med denne protokol er at beskrive metoden til oprettelse af en realistisk, helkrops skeletmodel af en hest, der kan bruges til funktionel anatomisk og biomekanisk modellering til at karakterisere helkropsmekanik.

Abstract

Terapier baseret på biomekaniske vurderinger af hele kroppen er vellykkede til forebyggelse af skader og rehabilitering hos menneskelige atleter. Lignende tilgange er sjældent blevet brugt til at studere heste atletisk skade. Degenerativ slidgigt forårsaget af mekanisk stress kan stamme fra kronisk postural dysfunktion, som, fordi den primære dysfunktion ofte er fjernt fra stedet for vævsskade, bedst identificeres gennem modellering af helkropsbiomekanik. For at karakterisere helkrops hestekinematik blev der skabt en realistisk skeletmodel af en hest ud fra hestecomputertomografi (CT) data, der kan bruges til funktionel anatomisk og biomekanisk modellering. Heste-CT-data blev rekonstrueret til individuelle tredimensionelle (3D) datasæt (dvs. knogler) ved hjælp af 3D-visualiseringssoftware og samlet i en komplet 3D-skeletmodel. Modellen blev derefter rigget og animeret ved hjælp af 3D-animation og modelleringssoftware. Den resulterende 3D-skeletmodel kan bruges til at karakterisere hestestillinger forbundet med degenerative vævsændringer samt til at identificere stillinger, der reducerer mekanisk belastning på stederne for vævsskade. Derudover kan modellen, når den animeres til 4D, bruges til at demonstrere usunde og sunde skeletbevægelser og kan bruges til at udvikle forebyggende og rehabiliterende individualiserede terapier til heste med degenerative haltheder. Selvom modellen snart vil være tilgængelig til download, er den i øjeblikket i et format, der kræver adgang til 3D-animations- og modelleringssoftwaren, som har en ganske indlæringskurve for nye brugere. Denne protokol vil guide brugerne i (1) at udvikle en sådan model for enhver organisme af interesse og (2) at bruge denne specifikke hestemodel til deres egne forskningsspørgsmål.

Introduction

Kronisk halthed hos heste er ofte forbundet med progressive degenerative vævslæsioner svarende til slidgigt (OA), et stort folkesundhedsproblem hos mennesker 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . I humanmedicin, fordi terapeutiske tilgange med fokus på behandling af specifikke læsioner (f.eks. Farmakoterapi og direkte kordral reparation) for det meste har mislykkedes, anerkendes patomekaniske kræfter nu som den grundlæggende årsag til vævsskade i OA. Afvigende eller patomekaniske kræfter påvirker både knogle- og bruskceller direkte og inducerer frigivelsen af inflammatoriske mediatorer og progressiv vævsdegeneration9. Disse observationer indikerer, at medmindre de forårsagende mekaniske kræfter korrigeres, vil mange kroniske degenerative knogle- og ledsygdomme fortsætte med at udvikle sig. Derfor skifter det terapeutiske fokus i humanmedicin til tilgange, der "losser" de berørte led gennem målrettet træning10,11. Dette skift er dog endnu ikke foretaget inden for hestemedicin, dels fordi der er behov for modeller for hestebevægelse, der kan tilpasses for at vise en persons bevægelser.

Omfattende biomekanisk analyse af hele kroppen er almindelig i design af træningsprogrammer til optimering af atletisk præstation og lette skadesgendannelse hos menneskelige atleter11 (se også f.eks. Tidsskriftet "Sports Biomechanics"), men er mindre almindeligt udført for hesteatleter (men se12). Således er det overordnede mål her at etablere patomekaniske modeller af hestelammeness, der kan bruges til at udvikle individualiserede forebyggende og rehabiliterende terapier for at forbedre hesteatleters sundhed. Sådanne patomekaniske modeller kan karakterisere forskelle i den funktionelle anatomi af regioner (dvs. rygsøjlen), der ikke er så let synlige for det blotte øje som andre (dvs. underekstremiteten). For at nå dette mål var det første mål at udvikle en anatomisk nøjagtig, manipulerelig, helkrops, hesteskeletmodel, der kan bruges som skabelon af forskere, der er interesseret i funktionelle anatomiske, kinematiske og kinetiske analyser. For at være nyttig for hesteklinikere og forskere skal denne model (1) være biologisk realistisk for at muliggøre nøjagtig anatomisk positionering, (2) give mulighed for nemme og nøjagtige justeringer til modellering af forskellige stillinger hos sunde og ikke-sunde heste, (3) være i stand til at blive animeret til at studere virkningerne af forskellige gangarter og (4) lette gentagelige genskabelser af positioner og bevægelser.

En 3D-grafisk helkrops hesteskeletmodel blev bygget ud fra CT-data, hvor knoglernes positioner i forhold til hinanden kunne manipuleres og derefter animeres for at matche bevægelser fra billeder eller videoer af en hest i bevægelse og dermed skabe en 4D-hesteskeletmodel. Afhængigt af hvad der passer bedst til det spørgsmål, der skal behandles, kan modellen bruges i 2D-, 3D- og 4D-versioner eller i forskellige kombinationer til at illustrere og karakterisere de patomekaniske effekter af specifikke positioner eller stillinger. På grund af sit grundlæggende og fleksible design fungerer modellen som en skabelon, der kan ændres af forskere for at afspejle deres specifikke spørgsmål og dataparametre. Sådanne parametre omfatter for eksempel anatomisk information baseret på køn og dyrestørrelse, 3D-bevægelsesanalysedata, estimater af blødt vævskraft og inertielle egenskaber. Modellen giver således mulighed for mere detaljeret analyse af specifikke områder eller led, samtidig med at den giver grundlag for at oprette forsøg, der ikke kan udføres på levende heste. På grund af praktiske begrænsninger i forbindelse med prøvetilgængelighed (f.eks. ribbenene skåret) og scanneren er helkropshestemodellen resultatet af sammenlægning af data fra tre hesteprøver. Modellen er således ikke en perfekt repræsentation af et enkelt individ, men er blevet standardiseret til at repræsentere individuel variabilitet mere bredt. Kort sagt er det en skabelon, der skal bruges og ændres, så den passer til forskernes behov. CT-scanninger af stammen, hoved og hals og lemmer blev erhvervet fra to hesteprøver af omtrent samme størrelse med en 64-skive CT-scanner ved hjælp af en knoglealgoritme, tonehøjde på 0,9, 1 mm skive. CT-scanninger af et sæt ribben blev erhvervet med en 64-skive CT-scanner ved hjælp af en knoglealgoritme, tonehøjde på 0,9, 0,64 mm skiver.

Anatomisk integritet af de benede led (f.eks. Inden for lemmen) blev opretholdt. Det bløde væv, der var tilgængelige i CT-scanningerne, blev også brugt til at bekræfte placeringen af knoglerne. Da nogle hele ribben og de proksimale dele af alle ribbenene var tilgængelige og scannet på thoraxprøven, kunne de separat scannede ribben dimensioneres nøjagtigt og placeres i hele kropsskeletmodellen. De resulterende CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) data blev importeret til 3D visualisering software (se tabellen over materialer), og individuelle knogler blev segmenteret i individuelle datasæt (dvs. knoglemasker). De enkelte 3D-knoglemasker blev derefter importeret til 3D-animations- og modelleringssoftwaren (Table of Materials), hvor de om nødvendigt blev dimensioneret og samlet til et komplet hesteskelet som forberedelse til rigning - en grafisk metode til at forbinde knoglemaskerne, så deres bevægelser er forbundet (figur 1).

Protocol

1. Rigning af forben

  1. Placer grafiske samlinger inde i forbenet i alle bevægelsesområder.
    BEMÆRK: Den resulterende ledplacering er en ledkæde fra scapulaen til den distale ende af kistebenet (figur 2A). I karpalbenenes område bruges 3 led i umiddelbar nærhed til at øge bøjningsradiusen.
    1. Tryk på F3-tasten for at aktivere indstillingen Rigging Menu . I menuerne skal du vælge Skelet | Opret samlinger for at vælge værktøjet Opret samlinger .
    2. I softwarens visningspanel skal du klikke på de omtrentlige områder af samlingerne, der findes i figur 2A i størrelsesordenen 1 til 10, og trykke på ENTER-tasten .
    3. Juster samlingernes position ved at klikke på den ønskede samling, og brug moveværktøjet ved at trykke på W-tasten for at oversætte samlingen til den ønskede position. Alternativt kan du justere et led ved at klikke på det ønskede led og ændre værdierne Translate X, Translate Y og Translate Z, der findes i panelet Channel Box/Layer Editor .
  2. Opret 5 separate inverse kinematiske håndtag (IK-håndtag) (samlinger henvises til med tallene i figur 2A).
    1. I menuerne skal du vælge Skelet | Opret IK-håndtag for at vælge værktøjet Opret IK-håndtag . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 1 og derefter led 3; navngiv dette IK-håndtag Front Leg IK i Outliner-panelet . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 3 og derefter led 7; navngiv dette IK-håndtag Front Lower IK.
    2. Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 7 og derefter led 8; navngiv dette IK-håndtag Front Toe 1 IK i Outliner-panelet . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 8 og derefter led 9; navngiv dette IK-håndtag Front Toe 2 IK i Outliner-panelet . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 9 og derefter led 10; navngiv dette IK-håndtag Front Toe 3 IK i Outliner-panelet .
  3. Oprette forbenskontrolelementer
    1. Oprette en NURBS-cirkel (Non-Uniform Rational B-Splines) ved hjælp af cirkelværktøjet i menuen Opret | NURBS Primitives | Cirkel.
    2. Opret to NURBS-cirkler, og flyt dem ved hjælp af flytteværktøjet til at omringe led 3 og led 10, og navngiv dem henholdsvis Front Ctrl og Front Lower Ctrl i Outliner-panelet .
    3. Opret en NURBS-cirkel; vælg cirklen, og skift værdien Roter Z til 90 i panelet Kanalboks/Lageditor. Brug flytteværktøjet til at placere det i spidsen af led 10 og navngive det Front Flick Ctrl i outliner-panelet.
  4. Gruppér Front Toe 1 IK, Front Toe 2 IK og Front Toe 3 IK ved at vælge alle tre og trykke på CTRL + G-tasterne. Navngiv denne gruppe Front Toe Group i Outliner-panelet. Forældre IK-håndtagene og Front Toe Group til kontrolelementerne.
    BEMÆRK: Det er vigtigt at Skifte + vælge i den nøjagtige rækkefølge, der er beskrevet nedenfor for at sikre et korrekt forældretræ.
    1. Vælg Front Leg IK, derefter Front Ctrl i Outliner-panelet , og tryk på P-tasten .
    2. Vælg Front Lower Ctrl, derefter Front Ctrl i Outliner-panelet , og tryk på P-tasten .
    3. Vælg Front Lower IK, derefter Front Lower Ctrl i Outliner-panelet , og tryk på P-tasten .
    4. Vælg Front Flick Ctrl, derefter Front Lower Ctrl i Outliner-panelet, og tryk på P-tasten .
    5. Vælg Front Toe Group, derefter Front Flick Ctrl i Outliner-panelet , og tryk på P-tasten .
  5. Brug Bind Skin-værktøjet til at binde knoglemaskerne, undtagen sesamoidben, herunder navicular knogler til det mest proksimale led. Sørg for, at hvert knoglenet kun er bundet til et led.
    1. Klik på knoglenettet, Shift + klik på det mest proksimale led, og vælg bind hudværktøjet under hud | Bind huden.
  6. Rigning af sesamoidben og navicularbenet
    1. Opret et led, placer det midt i sesamoidbenet, og tryk på Enter-tasten . I panelet Vis skal du vælge sesamoidbennet og Skift + klikke på leddet midt på knoglen. Brug bind skin-værktøjet til at binde masken til leddet.
      BEMÆRK: Sesamoidbenet kan nu manipuleres ved hjælp af move and rotate-værktøjerne til justering, når benpositionen ændres.
    2. I panelet Vis skal du vælge leddet i sesamoidbenet, Skift + klikke på det nærmeste led i forbenet og trykke på P-tasten .
      BEMÆRK: Dette forældre leddet i sesamoidbenet til forbenet.
    3. Trin 1.6.1 til 1.6.2 gentages for andre sesamoidben og navikulær knogle.
  7. Trin 1.1 til 1.6 gentages for det andet forben.
    BEMÆRK: Samlingen ved skulderbladet kan vælges og oversættes i alle 3 retninger (6 frihedsgrader) ved hjælp af move-værktøjet .

2. Hindlimb rigning

  1. Placer leddene inde i bagbenet i alle bevægelsesområder for at opnå en ledkæde fra hovedet af demuren til den distale ende af kistebenet (figur 2B).
  2. Opret 5 separate IK-håndtag (samlinger henvises til tallene i figur 2B).
    1. Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 11 og derefter led 12; navngiv dette IK-håndtag Hind IK i Outliner-panelet . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 12 og derefter led 14; navngiv dette IK-håndtag Hind Lower IK i Outliner-panelet .
    2. Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 14 og derefter led 15; navngiv dette IK-håndtag Hind Toe 1 IK i Outliner-panelet . Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 15 og derefter led 16; navngiv dette IK-håndtag Hind Toe 2 IK i Outliner-panelet .
    3. Brug værktøjet Opret IK-håndtag til at vælge led 16 og derefter led 17; navngiv dette IK-håndtag Hind Toe 3 IK i Outliner-panelet .
  3. Oprette bagkantskontrolelementer
    1. Opret to NURBS-cirkler med navnet Hind Ctrl og Hind Lower Ctrl , og flyt dem til henholdsvis at omringe led 12 og led 17.
    2. Opret en NURBS-cirkel med navnet Hind Flick Ctrl. Gør denne cirkel lodret, og placer den på spidsen af led 10.
  4. Gruppér hind toe 1 IK, Hind Toe 2 IK og Hind Toe 3 IK ved at vælge alle tre og trykke på CTRL + G. Navngiv denne gruppe Hind Toe Group.
  5. Forældre IK håndterer og Hind Toe Group til kontrolelementerne. Sørg for at skifte + vælge i den nøjagtige rækkefølge, der er beskrevet nedenfor for at sikre et korrekt forældretræ.
    1. Vælg Hind IK, derefter Hind Ctrl, og tryk på P-tasten.
    2. Vælg Hind Lower Ctrl, derefter Hind Ctrl, og tryk på P-tasten .
    3. Vælg Hind Lower IK, derefter Hind Lower Ctrl, og tryk på P-tasten .
    4. Vælg Hind Flick Ctrl, derefter Hind Lower Ctrl, og tryk på P-tasten .
    5. Vælg Hind Toe Group, derefter Hind Flick Ctrl, og tryk på P-tasten .
  6. Brug bind hudværktøjet til at binde knoglemaskerne til det mest proksimale led. Sørg for, at hvert knoglenet kun er bundet til et led.
    1. Klik på knoglenettet, Skift + klik på det mest proksimale led, og vælg bind hudværktøjet under Hud | Bind huden.
  7. Rigning af patella, sesamoid knogler og navicular knogle
    1. Opret en samling, placer den midt i patellaen, og tryk på Enter-tasten . I panelet Vis skal du vælge patellanet og Shift + klikke på leddet i patellaen. Brug bind skin-værktøjet til at binde masken til leddet.
      BEMÆRK: Patellaen kan nu manipuleres ved hjælp af move and rotate-værktøjerne til justering, når benpositionen ændres.
    2. I panelet Vis skal du vælge leddet i patellaen, Skift + klikke på det nærmeste led i forbenet og trykke på P-tasten for at lede leddet i patellaen til forbenet.
    3. Trin 2.7.1 og 2.7.2 gentages for sesamoidbenene og navikulærbenet.
  8. Trin 2.1 til 2.7 gentages for den anden bagkant.

3. Bånd rygsøjle rigning

  1. Opret et NURBS-plan med ændrede muligheder med længden omtrent lig med rygsøjlens længde med 1 U-patch og # V-patches, hvor # er antallet af bryst- og lændehvirvler.
    BEMÆRK: For dette papir er længden 20 med 22 V patches.
    1. Vælg den firkant, der findes ud for værktøjet Opret plan under Opret | NURBS Primitives | Fly.
  2. Genopbyg flyet med ændrede muligheder.
    1. Tryk på F2-tasten for at åbne modelleringsmenusættet. Vælg planet i visningspanelet, og vælg indstillingerne for genopbygningsværktøjet ved at vælge firkanten ud for værktøjet Genopbyg under Overflader | Genopbyg. Brug følgende indstillinger: antal spændvidder U = 1; antal spænd V = # (22 i dette tilfælde); vælg "1 Lineær" for både grad U og grad V muligheder; hold de andre indstillinger til standard; og tryk på knappen Genopbyg .
  3. Opret nhairs med ændrede muligheder.
    1. Tryk på F5-tasten for at åbne FX-menusættet. "Vælg planet i visningspanelet, og brug værktøjet Opret hår med ændrede indstillinger ved at vælge firkanten ud for nHair | Opret hår. Brug følgende indstillinger: output indstillet til NURBS kurver; U tæller = 1; V tæller = # (22 i dette tilfælde); holde de andre muligheder til standard; og tryk på knappen Opret hår .
  4. Slet følgende i dispositionspanelet: nucleus1, hairSystem1OutputCurves-gruppen og hairSystem1. Udvid gruppen mærket hairSystem1Follicles fuldt ud, og slet alle de elementer, der er mærket med curve__.
    BEMÆRK: Resultatet skal efterlade en gruppe mærket hårSystem1Follicles , der indeholder en liste over elementer mærket nurbsPlane_Follicle____.
  5. Markér planet, og flyt og orienter det, så det overlapper nogenlunde med rygsøjlen ved hjælp af flytteværktøjet og rotationsværktøjet . Vælg planet, hold højre museknap nede, og vælg Ctrl-toppunkt for at gøre alle planets hjørner synlige.
  6. Flyt hjørnerne for at orientere folliklerne til at være mellem hvirvlerne i den højde, hvor rygmarven ville være. Opret # antal separate samlinger (22 i dette tilfælde) på ethvert sted i view-panelet , da placeringen af disse samlinger vil blive korrigeret i senere trin.
  7. Forældre et led med en nurbsPlane_Follicle____ , så hver har en enkelt samling under sit træ.
    1. I Outliner-panelet skal du vælge et led, der er oprettet i trin 3.6, derefter Ctrl + klikke på en nurbsPlane_Follicle____ og trykke på P-tasten . 3.7.1 gentages med de andre led, der er oprettet i trin 3.6, og de andre nurbsPlane_Follicle____ objekts.
  8. I Outliner-panelet skal Ctrl + vælge alle leddene; i panelet Chanel Box/Layer Box skal du indstille Translate X, Y og Z til 0. Dupliker alle leddene ved Ctrl + at vælge alle leddene i Outliner-panelet og trykke på Ctrl + D-tasterne. Fjern forældre alle de duplikerede led ved Ctrl + vælge alle de duplikerede led i Outliner-panelet og trykke på Shift + P-tasterne
  9. Bind leddene under nurbsPlane_Follicle____ med deres respektive ryghvirvler.
    1. Tryk på F3-tasten for at åbne riggemenusættet . Klik på det originale led (ikke det duplikerede led) under nurbsPlane_Follicle____, Skift + klik på det respektive ryghvirvelnet, og brug derefter bind hudværktøjet under Hud | Bind huden. Disse handlinger gentages i trin 3.9.1 for hvert led og rygsøjlenet.
  10. CTRL + klik på alle duplikatled og planet, og brug bind skin-værktøjet til at binde alle duplikatleddene til planet.
    BEMÆRK: De duplikerede led kan nu manipuleres for at kontrollere ryghvirvlerne.
  11. Trin 3.1 til 3.10 gentages for halshvirvlerne og halehvirvlerne.

4. Rib og brystben rigning

  1. Placer separate led ved ribbenhovedet, i den proksimale ende af kystbrusk og i den distale ende af kystbrusk. Forældre leddet i den proksimale ende af costal brusk til leddet ved ribbenhovedet.
  2. Forældre leddet i den distale ende af costal brusk til nærmeste led i den proksimale ende af costal brusk. Forældre leddet ved ribbenhovedet til rygsøjlen, der styrer hvirvlerne kaudale til ribben.
  3. I rigging-menuen under fanen Hud skal du bruge Bind Skin-værktøjet til at binde ribben til leddet ved hovedet og kystbrusken til både leddene i den proksimale ende og den distale ende.
  4. Trin 4.1 til 4.3 gentages for hvert ribben.
  5. Placer separate samlinger i den mest kraniale ende af hvert sternalsegment. Forældre hvert sternal segment led til spinalleddet mest dorsal til hvert sternal segment led. I menuen Rigging under fanen Skin skal du bruge værktøjet Bind Skin til at binde brystsegmentet til dets led.

5. Positionering og animation

  1. Vælg en ramme på tidslinjen.
  2. Placer modellen og kontrolelementerne. Importer et billede, der skal bruges som reference, ved at oprette et gratis billedplan.
    BEMÆRK: Billederne fra Muybridge13 af hesten på gåturen blev brugt som proof of concept.
    1. Mens det gratis billedplan er valgt, skal du vælge billedfilen under fanen Attributeditor og under rullemenuen Billedplanattributter .
  3. Vælg alle betjeningselementer og led i rygsøjlen, og tryk på S-tasten for at gemme dem som en nøgleramme.
  4. Langs forskellige rammer langs tidslinjen skal du flytte og rotere kontrollerne og rygsøjlens kontrolled og trykke på S.
    BEMÆRK: Hvis du flytter kontroller og styringsled til rygsøjlen og gemmer dem som nøglerammer langs forskellige punkter på tidslinjen, oprettes der en animation. Der behøver ikke at være en nøgleramme indstillet langs hver ramme på tidslinjen; kun kritiske positioner eller tidspunkter skal indtastes centralt. 3D-animations- og modelleringssoftwaren interpolerer mellem de nøgleindrammede positioner for hvert kontrol- og rygstyringsled, hvilket skaber en jævn animation.

Representative Results

Resultatet af metoden var en 3D fuld hesteskeletmodel inde i 3D-animations- og modelleringssoftwaren, der giver mulighed for nøjagtige anatomiske positionerings- og bevægelsessimuleringer. Selve modellen har et grafisk rigningssystem delegeret til forbenene, bagbenene, rygsøjlen, halsen og brystkassen. 3D-modellen kunne placeres i forskellige stillinger (figur 3 og figur 4) af flere individer. 4D-modellens bevægelser (i bevægelse) er blevet sammenlignet med videoer fra siden, bagsiden og forsiden samt med droneoptagelser over hovedet for mere præcist at skildre bevægelsen af rygsøjlen og video af heste på gangen (video), galop og trav for at skabe animationer af disse gangarter.

Figure 1
Figur 1: 3D-hestemodellen kan flyttes i forskellige stillinger og animeres for at demonstrere helkropsbevægelser i forskellige gangarter i 3D-animations- og modelleringssoftwaren. (A, C) Grafiske rigningssystemer til hesten. Den grafiske båndryg, der muliggør naturlig bevægelse af den benede rygsøjle, illustreres af det grønne plan. Kontrollerne, der bruges til at flytte de forskellige grafiske rigge og de vedhæftede knoglemasker, illustreres af de gule ovaler og krydspile på modellen. (A) Stående stilling. (C) Opdrætsposition. (B, D) Modellen med knoglemaskerne fastgjort til det grafiske rigningssystem. Kontrollernes positioner ændrer placeringen af hestens skelet. (B) Stående hest. (D) Opdræt af hest. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Rigningen af hvert lem med led giver mulighed for positionering og skabelse af bevægelse. (A) Forben med grafiske led angivet med tallene 1-10. (B) Bagben med grafiske samlinger angivet med nummer 11-17. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: 3D-hestemodellen blev matchet med klassiske Muybridge13-fotos som bevis på koncept og for at skabe de første animationer. (A) Muybridge fotografier af en hest på gåturen. (B) 3D-hestemodellen overlejret over fotografierne, der skal bruges som nøglerammer i animationen. c) 3D-hestemodellen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: 3D-hestemodellen kan flyttes ind i forskellige stillinger (f.eks. rygsøjlens tværgående rotation demonstreret her) for at forstå forholdet mellem sådanne stillinger og patomekaniske kraftregimer og den resulterende degeneration af de berørte skeletelementer, led og blødt væv. (A) En grafisk 2D-repræsentation af en normal kropsholdning af en hest (med rytter) ved hjælp af grafisk manipulerede fotografier af et hesteskelet sammenlignet med et stillbillede af 3D-hestemodellen med hoved- og halshvirvlerne skjult for at muliggøre visualisering af brystkassen. (B) En grafisk 2D-repræsentation af en hest (med rytter) med en tværgående rotation af rygsøjlen ved hjælp af grafisk manipulerede fotografier af et hesteskelet sammenlignet med et stillbillede af 3D-hestemodellen med hoved- og halshvirvlerne skjult for at muliggøre visualisering af brystkassen. Bemærk her effekten af den tværgående rotation på skelettet og kroppens lemmer. Den afbildede position ville overbelaste venstre forben, hvilket blev understøttet af kompression og revner i venstre forreste hovvæg i den levende hest. Klik her for at se en større version af denne figur.

Video. 4D hesten. Nøglepositioner af skelettet, som matchet med Muybridge13-billederne af hesten, er blevet interpoleret for at skabe en animation af hesten på en gåtur. Bevægelsen kan ses forfra, side, top og bagfra. Klik her for at downloade denne video.

Discussion

Denne protokol demonstrerer, hvordan man opretter en 3D helkrops skeletmodel af en organisme og demonstrerer, hvordan man bruger hele kroppen hesteskeletmodel beskrevet i dette papir. Modellen er i øjeblikket i et format, der kræver en specifik 3D-animations- og modelleringssoftware, som har en ganske indlæringskurve for nye brugere. En version af denne software er dog frit tilgængelig for dem, der er tilknyttet et universitet. Selvom modellering af kropsholdning og bevægelse bruges til at vurdere menneskelige atleter og til at identificere årsager til mekanisk inducerede kroniske skader11, gøres det mindre almindeligt med hesteatleter. For at bruge denne tilgang til vurdering af de potentielle årsager til hesteatletiske skader og præstationsproblemer blev der oprettet en realistisk helkrops skelethestemodel fra CT-data ved hjælp af 3D-visualiseringssoftwaren og 3D-animations- og modelleringssoftware. Denne model adskiller sig fra andre hestemodeller, der enten er kunstneriske grafiske genskabelser af skelettet (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), eller som kun viser lemmerne 14,15,16,17. I denne helkropsmodel blev forben, bagben, rygsøjle og brystkasse alle rigget og havde kontroller fastgjort, der muliggør nem manipulation af modellen for realistisk og nøjagtig positionering og animation.

Protokollen, der bruges til at rigge modellen, giver mulighed for repeterbarhed og fremtidige ændringer, der passer til behovene hos den specifikke hest, der rigges, hvilket muliggør individualiseret analyse. Hestemodellen er således et værktøj, der skal bruges af forskere, når de analyserer bevægelse. Det er imidlertid ikke et automatiseret program, der giver svar uden input af parametre, der er specifikke for dyret, der modelleres, og spørgsmålet behandles, da nøjagtigheden af modellen er direkte relateret til styrken af en bestemt analyse. Evnen til at indtaste parametre gør det også muligt løbende at opdatere modellen med data fra fremtidige forskningsundersøgelser. Derudover kan denne grafiske rigningsprotokol anvendes og / eller justeres for at afspejle de anatomiske forskelle mellem individer. Det kan også tilpasses til effektivt at modellere andre dyr. 3D-hestemodellen kan let manipuleres og placeres for at simulere positioner og bevægelser. Dette er især tydeligt med lemmerne, da deres bevægelser er relativt enkle at se og modellere.

Grafisk fælles positionering i modellen blev bestemt af en lignende tilgang som den, der blev anvendt i andre undersøgelser18,19. Knoglemaskerne blev placeret i en neutral position. Grafiske led blev placeret, så knoglerne var i stand til at rotere frit uden at forårsage kollision med andre knoglemasker. I cifrene blev den grafiske samling placeret på det punkt, hvor en kugle faldt sammen med bevægelsesfladerne. Den grafiske samling af scapulaen blev placeret i det omtrentlige centrum af scapulabladet. Denne placering af det grafiske led gør det muligt at flytte det i 6 frihedsgrader for at orientere scapulaen i den ønskede position. I modsætning til lemmerne er rygsøjlens bevægelse ikke let at se, er mere kompleks end ofte realiseret og er således vanskeligere at modellere. Selvom modellen har fleksibiliteten til at blive brugt til at undersøge bevægelser og problemer ved specifikke rygled, skulle den også kunne repræsentere de ofte svære at skelne bevægelser i hele rygsøjlen. Brugen af "båndrygsøjlen" giver mulighed for mere realistisk bevægelse af rygsøjlen under animationer.

Dette er vigtigt, da rygsøjlen hos heste, som det er fundet hos mennesker, ofte er oprindelsen til problemer, der potentielt er relateret til afvigende biomekaniske bevægelser og skade på lemmerne. En styrke ved denne model er evnen til nøjagtigt at demonstrere rygsøjlepositioner, som tværgående vertebrale rotationer20 (figur 4). Hvordan disse stillinger påvirker lemmerne i tre dimensioner under forskellige gangarter kan bestemmes ved hjælp af modellen i kombination med kinematisk og kraftanalyse (f.eks. Trykpladeundersøgelser for at bekræfte øget belastning af lemmerne og statisk kraftanalyse). Bløde vævs muskulofasciale komponenter tilføjes i øjeblikket til hele kroppen skeletmodel. Fremtidige mål er at udvide brugen af modellen i 3D biomekanisk analyse til undersøgelser af hestelammeness. En sådan udvidelse vil omfatte brug af modellen til at gennemføre 3D-kraftanalyser, der sammenligner sunde og usunde stillinger og registrering af modellen med 3D-datapunkter indsamlet i motion capture-undersøgelser for at give en mere effektiv visuel repræsentation af bevægelse.

Disclosures

Forfatterne har erklæret ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Forfatterne anerkender Jean Luc Cornille, Science of Motion, for hans input til modelleringsnøjagtighed; Dr. Martha Littlefield og Mr. James Ray (LSU SVM) og Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett og Mr. Brent Norwood (UGA CVM) for adgang til anatomiske prøver; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) og Dr. L. Abbigail Granger og Mr. Mark Hunter (LSUSVM) til gennemførelse af CT-scanninger; og bachelorforskere Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois og Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) for deres arbejde relateret til denne forskning. Finansiering blev indkøbt fra Louisiana State University School of Veterinary Medicine's Equine Health Studies Program via et Charles V. Cusimano-tilskud.

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

  1. Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. Histological study of navicular bone disease. Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).
  2. Rossdale, P. D., Hopes, R., Digby, N. J. W., Offord, K. Epidemiological study of wastage among racehorses 1982 and 1983. The Veterinary Record. 116 (3), 66-69 (1985).
  3. Pool, R. R., Meagher, D. M., Stover, S. M. Pathophysiology of navicular syndrome. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 5 (1), 109-129 (1989).
  4. Blunden, A., Dyson, S., Murray, R., Schramme, M. Histopathology in horses with chronic palmar foot pain and age-matched controls. Part 1: Navicular bone and related structures. Equine Veterinary Journal. 38 (1), 15-22 (2006).
  5. Dyson, S., Murray, R. Magnetic resonance imaging evaluation of 264 horses with foot pain: the podotrochlear apparatus, deep digital flexor tendon and collateral ligaments of the interphalangeal joint. Equine Veterinary Joint. 39 (4), 340-343 (2007).
  6. Dyson, S., Murray, R. Use of concurrent scintigraphic and magnetic resonance imaging evaluation to improve understanding of the pathogenesis of injury of the podotrochlear apparatus. Equine Veterinary Journal. 39 (4), 365-369 (2007).
  7. Egenvall, A., Lonnell, C., Roepstorff, L. Analysis of morbidity and mortality data in riding school horses, with special regard to locomotor problems. Preventive Veterinary Medicine. 88 (3), 193-204 (2009).
  8. Waguespack, R., Hanson, R. R. Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis. Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).
  9. Zhen, G., Cao, X. Targeting TGFβ signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis. Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).
  10. Arendt, E. A., Miller, L. E., Block, J. E. Early knee osteoarthritis management should first address mechanical joint overload. Orthopedic Reviews. 6 (1), 5188 (2014).
  11. Rietveld, A. B. Dancers' and musicians' injuries. Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).
  12. Parkes, R., Newton, R., Dyson, S. Is there an association between clinical features, response to diagnostic analgesia and radiological findings in horses with a magnetic resonance imaging diagnosis of navicular disease or other injuries of the podotrochlear apparatus. Veterinary Journal. 204 (1), 40-46 (2015).
  13. Muybridge, E. Animals in motion. , Chapman & Hall. London. (1902).
  14. Brown, N. A. T., Pandy, M. G., Kawcak, C. E., McIlwraith, C. W. Force- and moment-generating capacities of muscles in the distal limb of the horse. Journal of Anatomy. 203 (1), 101-113 (2003).
  15. Harrison, S. M., Whitton, R. C., Kawcak, C. E., Stover, S. M., Pandy, M. G. Relationship between muscle forces, joint loading and utilization of elastic strain energy in equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 3998-4009 (2010).
  16. Harrison, S. M., et al. Forelimb muscle activity during equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).
  17. O'Hare, L. M. S., Cox, P. G., Jeffery, N., Singer, E. R. Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx. Equine Veterinary Journal. 45 (3), 273-277 (2013).
  18. Panagiotopoulou, O., Rankin, J., Gatesy, S., Hutchinson, S. A prelininary case study of the effect of shoe-wearing on the biomechanics of a horse's foot. PerrJ. 4, 2164 (2016).
  19. Craig, J., Craig, M., Savoldi, M., Waldsmith, J. Locating rotation centers of the equine digit and their use in quantifying conformation. EponaMind. , Available from: https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/ (2005).
  20. Denoix, J. M. Spinal biomechanics and functional anatomy. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).

Tags

Biologi udgave 168 3D helkrops hesteskelet dyremodel animation CT-data bevægelse kropsholdning
Konstruktion af en realistisk, helkrops, tredimensionel hesteskeletalmodel ved hjælp af computertomografidata
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lee, A. K. K., Uhl, E. W., Osborn,… More

Lee, A. K. K., Uhl, E. W., Osborn, M. L. Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data. J. Vis. Exp. (168), e62276, doi:10.3791/62276 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter