Waiting
Login processing...

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

Biology

Bygging av en realistisk, helkropps, tredimensjonal hesteskjelemodell ved hjelp av beregnede tomografidata

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 protokollen er å beskrive metoden for opprettelse av en realistisk, helkropps, skjelettmodell av en hest som kan brukes til funksjonell anatomisk og biomekanisk modellering for å karakterisere hele kroppsmekanikken.

Abstract

Terapier basert på biomekaniske vurderinger i hele kroppen er vellykkede for skadeforebygging og rehabilitering hos menneskelige idrettsutøvere. Lignende tilnærminger har sjelden blitt brukt til å studere hesteidrettsskade. Degenerativ slitasjegikt forårsaket av mekanisk stress kan stamme fra kronisk postural dysfunksjon, som, fordi den primære dysfunksjonen ofte er fjern fra vevsskadestedet, best identifiseres gjennom modellering av biomekanikk i hele kroppen. For å karakterisere helkropps hestekinnematikk ble en realistisk skjelettmodell av en hest laget av hestedata (CT) som kan brukes til funksjonell anatomisk og biomekanisk modellering. Equine CT-data ble rekonstruert til individuelle tredimensjonale (3D) datasett (dvs. bein) ved hjelp av 3D-visualiseringsprogramvare og satt sammen til en komplett 3D skjelettmodell. Modellen ble deretter rigget og animert ved hjelp av 3D animasjon og modellering programvare. Den resulterende 3D skjelettmodellen kan brukes til å karakterisere hestestillinger forbundet med degenerative vevsendringer, samt å identifisere stillinger som reduserer mekanisk stress på vevsskadestedene. I tillegg, når den er animert i 4D, kan modellen brukes til å demonstrere usunne og sunne skjelettbevegelser og kan brukes til å utvikle forebyggende og rehabiliterende individualiserte terapier for hester med degenerative lamenesses. Selv om modellen snart vil være tilgjengelig for nedlasting, er den for øyeblikket i et format som krever tilgang til 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren, som har en ganske læringskurve for nye brukere. Denne protokollen vil veilede brukere i (1) utvikle en slik modell for enhver organisme av interesse og (2) bruke denne spesifikke hestemodellen for sine egne forskningsspørsmål.

Introduction

Kronisk lameness hos hester er ofte forbundet med progressive degenerative vevslesjoner som ligner på slitasjegikt (OA), et stort folkehelseproblem hos mennesker 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . I human medisin, fordi terapeutiske tilnærminger fokusert på behandling av spesifikke lesjoner (f.eks. farmakoterapi og direkte chondral reparasjon) har for det meste mislyktes, patomekaniske krefter er nå anerkjent som årsaken til vevsskade i OA. Avvikende eller patomekaniske krefter påvirker både bein- og bruskceller direkte, noe som induserer frigjøring av inflammatoriske mediatorer og progressiv vevsdegenerering9. Disse observasjonene indikerer at med mindre de forårsakende mekaniske kreftene korrigeres, vil mange kroniske degenerative bein- og leddsykdommer fortsette å utvikle seg. Derfor skifter det terapeutiske fokuset i human medisin til tilnærminger som "losser" de berørte leddene gjennom målrettet trening10,11. Dette skiftet er imidlertid ennå ikke gjort i hestemedisin, blant annet fordi modeller for hestebevegelse som kan tilpasses for å vise individets bevegelser er nødvendig.

Omfattende biomekanisk analyse av hele kroppen er vanlig når det gjelder å designe treningsprogrammer for å optimalisere atletisk ytelse og legge til rette for skadegjenoppretting hos menneskelige idrettsutøvere11 (se også tidsskriftet "Sports Biomechanics"), men gjøres sjeldnere for hesteutøvere (men se12). Dermed er det overordnede målet her å etablere patomekaniske modeller av hestelameness som kan brukes til å utvikle individualiserte forebyggende og rehabiliterende terapier for å forbedre helsen til hesteutøvere. Slike patomekaniske modeller kan karakterisere forskjeller i regionenes funksjonelle anatomi (dvs. ryggraden) som ikke er like lett merkbar for det blotte øye som andre (dvs. underekstremiteten). For å nå dette målet var det første målet å utvikle en anatomisk nøyaktig, manipulerende, helkropps, heste skjelettmodell som kan brukes som mal av forskere som er interessert i funksjonelle anatomiske, kinematiske og kinetiske analyser. For å være nyttig for hesteklinikker og forskere må denne modellen (1) være biologisk realistisk for å muliggjøre nøyaktig anatomisk posisjonering, (2) muliggjør enkle og nøyaktige justeringer for modellering av ulike stillinger av friske og ikke-sunne hester, (3) kunne animeres for å studere effekten av ulike gang, og (4) legge til rette for repeterbare gjenskapninger av stillinger og bevegelser.

En 3D-grafisk helkropps hesteskjelettmodell ble bygget av CT-data der beinposisjonene i forhold til hverandre kunne manipuleres og deretter animeres for å matche bevegelser fra bilder eller videoer av en hest i bevegelse, og dermed skape en 4D-hesteskjelettermodell. Avhengig av hva som passer best til spørsmålet som skal behandles, kan modellen brukes i 2D-, 3D- og 4D-versjoner eller i forskjellige kombinasjoner for å illustrere og karakterisere de patomekaniske effektene av bestemte posisjoner eller stillinger. På grunn av sin grunnleggende og fleksible design fungerer modellen som en mal som kan endres av forskere for å gjenspeile deres spesifikke spørsmål og dataparametere. Slike parametere inkluderer for eksempel anatomisk informasjon basert på kjønn og dyrestørrelse, 3D-bevegelsesanalysedata, bløtvevskraftestimater og inertialegenskaper. Dermed gir modellen mulighet for mer detaljert analyse av bestemte områder eller ledd, samtidig som den gir grunnlag for å sette opp eksperimenter som ikke kan utføres på levende hester. På grunn av praktiske begrensninger knyttet til prøvetilgjengelighet (f.eks. ribbene kuttet) og skanneren, er helkroppsjevenmodellen et resultat av sammenslåing av data fra tre hesteprøver. Dermed er modellen ikke en perfekt representasjon av et enkelt individ, men har blitt standardisert for å representere individuell variasjon i større grad. Kort sagt, det er en mal som skal brukes og modifiseres for å passe til forskernes behov. CT-skanninger av bagasjerommet, hodet og nakken og lemmer ble anskaffet fra to hesteprøver av omtrent samme størrelse med en 64-skiver CT-skanner ved hjelp av en beinalgoritme, tonehøyde på 0,9, 1 mm skive. CT-skanninger av et sett med ribber ble anskaffet med en 64-skiver CT-skanner ved hjelp av en benalgoritme, tonehøyde på 0,9, 0,64 mm skiver.

Anatomisk integritet av benete ledd (f.eks. i lemmen) ble opprettholdt. Bløtvevet som er tilgjengelig i CT-skanningene ble også brukt til å bekrefte plasseringen av beinene. Ettersom noen hele ribber og de proksimale delene av alle ribbeina var tilgjengelige og skannet på thoraxprøven, kunne de separat skannede ribbene være nøyaktig dimensjonert og plassert innenfor skjelettmodellen for hele kroppen. De resulterende dataene fra CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) ble importert til 3D-visualiseringsprogramvaren (se materialtabellen), og individuelle bein ble segmentert inn i individuelle datasett (dvs. beinnett). De enkelte 3D-beinnettene ble deretter importert til 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren (Tabell over materialer) der de om nødvendig var dimensjonert, og samlet i et komplett hesteskjelett som forberedelse til rigging -en grafisk metode for å koble beinnettene slik at bevegelsene deres er koblet sammen (figur 1).

Protocol

1. Forelimb rigging

  1. Plasser grafiske ledd inne i forbenet i alle bevegelsesområder.
    MERK: Den resulterende fellesplasseringen er en leddkjede fra scapulaen til den distale enden av kistebenet (figur 2A). I karpalbenet brukes 3 ledd i nærheten til å øke bøyeradiusen.
    1. Trykk på F3-tasten for å aktivere riggmenysettet . Velg Skjelett | på menyene | Opprett skjøter for å velge Opprett skjøter-verktøyet .
    2. I visningspanelet til programvaren klikker du i de omtrentlige områdene av leddene som finnes i figur 2A i rekkefølgen 1 til 10, og trykker ENTER .
    3. Juster plasseringen av leddene ved å klikke på ønsket skjøt og bruk flytteverktøyet ved å trykke på W-tasten for å oversette skjøten til ønsket posisjon. Alternativt kan du justere et ledd ved å klikke på ønsket ledd og endre verdiene for Oversett X, Oversett Y og Oversett Z som finnes i Kanalboks / Lagredigering-panelet .
  2. Opprett 5 separate inverse kinematiske håndtak (IK-håndtak) (ledd vil bli referert til av tallene som finnes i figur 2A).
    1. Velg Skjelett på menyene | Opprett IK-håndtak for å velge opprett IK-håndtak . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak til å velge skjøte 1 og deretter skjøt 3; navngi dette IK-håndtaket foran ben IK i Outliner-panelet . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak til å velge skjøte 3 og deretter skjøt 7; gi dette IK-håndtaket foran nedre IK.
    2. Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak til å velge skjøte 7, deretter skjøt 8; navngi dette IK-håndtaket Front Toe 1 IK i Outliner-panelet . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak til å velge skjøte 8 og deretter skjøt 9; navngi dette IK-håndtaket Front Toe 2 IK i Outliner-panelet . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak til å velge skjøte 9 og deretter skjøt 10; navngi dette IK-håndtaket Front Toe 3 IK i Outliner-panelet .
  3. Opprette forelimb-kontroller
    1. Opprett en ikke-ensartet rasjonal B-Spline-sirkel (NURBS) ved hjelp av sirkelverktøyet på menyen Opprett | NURBS Primitives | Sirkel.
    2. Opprett to NURBS-sirkler, og flytt dem ved hjelp av flytteverktøyet for å omringe skjøt 3 og 10, og gi dem navnet Henholdsvis Forside Ctrl og Nedre Ctrl foran i Disposisjon-panelet .
    3. Opprett en NURBS-sirkel. Velg sirkelen, og endre Roter Z-verdien til 90 i kanalboks-/lagredigeringspanelet. Bruk flytteverktøyet til å plassere det på spissen av skjøten 10, og gi det navnet Front Flick Ctrl i Outliner-panelet.
  4. Grupper IK for front tå 1, forside tå 2 IK og front tå 3 IK ved å merke alle tre og trykke CTRL+ G-tastene . Gi denne gruppen navnet Front tågruppe i Disposisjonspanel . Overordnet IK-håndtakene og Front Toe Group til kontrollene.
    MERK: Det er viktig å Skifte + velge i den nøyaktige rekkefølgen som er beskrevet nedenfor for å sikre et riktig foreldretre.
    1. Velg IK for fremre ben, og klikk deretter På forsiden ctrl i disposisjonspanelet , og trykk på P-tasten .
    2. Velg Nedre forside Ctrl, deretter Frem Ctrl i Disposisjon-panelet , og trykk P-tasten .
    3. Velg Nedre IK foran, deretter Nedre forside Ctrl i Disposisjon-panelet , og trykk P-tasten .
    4. Velg Front Flick Ctrl, deretter Lower Front Ctrl i Outliner-panelet , og trykk P-tasten .
    5. Velg Front toe Group, deretter Front Flick Ctrl i Outliner-panelet , og trykk P-tasten .
  5. Bruk Bind Skin-verktøyet til å binde beinnettene, unntatt sesamoidben, inkludert navicular bein til den mest proksimale leddet. Pass på at hvert bennett bare er bundet til ett ledd.
    1. Klikk på beinnettet, Skift + klikk på det mest proksimale leddet, og velg Bind Skin-verktøyet under Hud | Bind huden.
  6. Rigging sesamoid bein og navicular bein
    1. Lag et ledd, plasser det midt i sesamoidbenet, og trykk enter-tasten . Velg sesamoidbennettet i Visningspanelet , og Skift + klikk på skjøten midt i benet. Bruk bind hud-verktøyet til å binde nettet til leddet.
      MERK: Sesamoidbenet kan nå manipuleres ved hjelp av move- og roteringsverktøyene for justering når du endrer benposisjonen.
    2. I visningspanelet velger du skjøten i sesamoidbenet, Skift + klikker nærmeste ledd i forbenet og trykker på P-tasten .
      MERK: Disse foreldrene leddet i sesamoidbenet til forbenet.
    3. Gjenta trinn 1.6.1 til 1.6.2 for andre sesamoidbein og navicular bein.
  7. Gjenta trinn 1.1 til 1.6 for det andre forbenet.
    MERK: Skjøten ved scapulaen kan velges og oversettes i alle 3 retninger (6 frihetsgrader) ved hjelp av flytteverktøyet .

2. Hindlimb rigging

  1. Plasser leddene inne i bakbenet i alle bevegelsesområder for å få en leddkjede fra hodet på demuren til den distale enden av kistebenet (figur 2B).
  2. Opprett 5 separate IK-håndtak (skjøter vil bli henvist til tallene som finnes i figur 2B).
    1. Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak , velg skjøt 11, deretter skjøt 12; navngi dette IK-håndtaket Hind IK i Outliner-panelet . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak , velg skjøt 12 og deretter skjøt 14; navngi dette IK-håndtaket Hind Lower IK i Outliner-panelet .
    2. Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak , velg skjøt 14 og deretter skjøt 15; navngi dette IK-håndtaket Hind Toe 1 IK i Outliner-panelet . Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak , velg skjøt 15, deretter skjøt 16; navngi dette IK-håndtaket Hind Toe 2 IK i Outliner-panelet .
    3. Bruk verktøyet Opprett IK-håndtak , velg skjøt 16, deretter skjøt 17; navngi dette IK-håndtaket Hind Toe 3 IK i Outliner-panelet .
  3. Opprette bakhåndskontroller
    1. Opprett to NURBS-sirkler med navnet Hind Ctrl og Hind Lower Ctrl , og flytt dem til henholdsvis 12 og 17.
    2. Opprett en NURBS-sirkel kalt Hind Flick Ctrl. Gjør denne sirkelen vertikal, og plasser den på spissen av ledd 10.
  4. Grupper Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK og Hind Toe 3 IK ved å merke alle tre og trykke CTRL+ G. Gi denne gruppen navnet Hind Toe Group.
  5. Foreldre IK-håndtakene og Hind Toe Group til kontrollene. Pass på at Skift + velger i den nøyaktige rekkefølgen som er beskrevet nedenfor, for å sikre et riktig overordnet tre.
    1. Velg Hind IK, deretter Hind Ctrl, og trykk P-tasten.
    2. Velg Hind Lower Ctrl, deretter Hind Ctrl, og trykk P-tasten .
    3. Velg Hind Lower IK, deretter Hind Lower Ctrl, og trykk P-tasten .
    4. Velg Hind Flick Ctrl, deretter Hind Lower CTRL, og trykk P-tasten .
    5. Velg Hind Toe Group, deretter Hind Flick Ctrl, og trykk P-tasten .
  6. Bruk Bind Skin-verktøyet til å binde bennettene til det mest proksimale leddet. Pass på at hvert bennett er bundet til bare ett ledd.
    1. Klikk på beinnettet, Skift + klikk på det mest proksimale leddet, og velg Bind hud-verktøyet under Hud | Bind huden.
  7. Rigging patella, sesamoid bein og navicular bein
    1. Opprett en joint, plasser den midt i patellaen, og trykk enter-tasten . I Visningspanelet velger du patellanettet, og Skift + klikker på skjøten i patellaen. Bruk bind hud-verktøyet til å binde nettet til leddet.
      MERK: Patellaen kan nå manipuleres ved hjelp av move- og roteringsverktøyene for justering når du endrer benposisjonen.
    2. I Visningspanelet velger du skjøten i patellaen, Skift + klikker på nærmeste ledd i forbenet, og trykker på P-tasten for å foreldre leddet i patellaen til forbenet.
    3. Gjenta trinn 2.7.1 og 2.7.2 for sesamoidbenene og navicularbenet.
  8. Gjenta trinn 2.1 til 2.7 for den andre bakbenet.

3. Bånd ryggrad rigging

  1. Lag et NURBS-plan med endrede alternativer med lengden omtrent lik lengden på ryggraden med 1 U-patch og # V-patcher, der # er antall thorax- og lumbale ryggvirvler.
    MERK: For dette papiret er lengden 20 med 22 V patcher.
    1. Velg firkanten som du finner ved siden av Opprett plan-verktøyet under Opprett | NURBS Primitives | Fly.
  2. Bygg planet på nytt med endrede alternativer.
    1. Trykk F2 for å angi modellmenysettet. Velg planet i visningspanelet, og velg innstillingene for gjenoppbyggingsverktøyet ved å velge firkanten ved siden av gjenoppbyggingsverktøyet under Overflater | Bygg om. Bruk følgende alternativer: antall spennvidder U = 1; antall spennvidder V = # (22 i dette tilfellet); velg "1 Lineær" for både Grad U og Grad V alternativer; behold de andre innstillingene som standard; og trykk på Gjenoppbygg-knappen .
  3. Opprett nhairs med endrede alternativer.
    1. Trykk F5 for å åpne FX-menysettet. "Velg planet i visningspanelet, og bruk opprett hår-verktøyet med endrede alternativer ved å velge firkanten ved siden av nHair-| Lag hår. Bruk følgende alternativer: utdata satt til NURBS-kurver; U antall =1; V-antall = # (22 i dette tilfellet); behold de andre alternativene som standard; og trykk på Opprett hår-knappen .
  4. Slett følgende i disposisjonspanelet: nucleus1, hairSystem1OutputCurves-gruppen og hairSystem1. Utvid gruppen merket hairSystem1Follicles fullstendig, og slett alle elementene merket med curve__.
    MERK: Resultatet bør etterlate en gruppe merket hårSystem1Follicles som inneholder en liste over elementer merket nurbsPlane_Follicle____.
  5. Velg planet, og flytt og orienter det slik at det overlapper grovt med ryggraden ved hjelp av flytteverktøyet og roteringsverktøyet . Merk planet, hold nede høyre museknapp, og velg Kontrolltoppunkt for å gjøre alle toppunktene på planet synlige.
  6. Flytt toppunktene for å orientere folliklene slik at de er mellom ryggvirvlene i høyden der ryggmargen ville være. Opprett # antall separate ledd (22 i dette tilfellet) når som helst i visningspanelet , da plasseringen av disse leddene vil bli korrigert i senere trinn.
  7. Foreldre et ledd med en nurbsPlane_Follicle____ slik at hver har en enkelt ledd under treet.
    1. I Outliner-panelet velger du et ledd som ble opprettet i trinn 3.6, og deretter Ctrl + klikker du på en nurbsPlane_Follicle____ og trykker på P-tasten . Gjenta 3.7.1 med de andre leddene opprettet i trinn 3.6 og de andre nurbsPlane_Follicle____ objekts.
  8. Ctrl + velg alle leddene i Disposisjon-panelet. i Chanel Box/Layer Box-panelet setter du Oversett X, Y og Z til 0. Dupliser alle leddene ved å Ctrl + velge alle leddene i Outliner-panelet og trykke på Ctrl + D-tastene. Fjern alle de dupliserte leddene ved å Ctrl + velge alle dupliserte leddene i Outliner-panelet og trykke på Skift + P-tastene
  9. Bind leddene under nurbsPlane_Follicle____ med deres respektive ryggvirvelnett.
    1. Trykk på F3-tasten for å gå inn i riggmenysettet . Klikk på det originale leddet (ikke det dupliserte leddet) under nurbsPlane_Follicle____, Skift + klikk på det respektive vertebranettet, og bruk deretter Bind Skin-verktøyet under Hud | Bind huden. Gjenta disse handlingene i trinn 3.9.1 for hvert ledd og ryggvirvler.
  10. CTRL + klikk alle dupliserte ledd og planet, og bruk Bind skall-verktøyet til å binde alle dupliserte ledd til planet.
    MERK: Duplikatleddene kan nå manipuleres for å kontrollere ryggvirvlene.
  11. Gjenta trinn 3.1 til 3.10 for livmorhals- og kaudale ryggvirvler.

4. Ribbe- og brystrigging

  1. Plasser separate ledd på ribbehodet, i den proksimale enden av den kostbare brusk, og i den distale enden av den kostbare brusk. Foreldre leddet i den proksimale enden av den kostbare brusk til leddet på ribbehodet.
  2. Foreldre leddet i den distale enden av den kostbare brusk til nærmeste ledd i den proksimale enden av den kostbare brusk. Foreldre leddet på ribbehodet til ryggleddet som styrer ryggvirvlene caudal til ribben.
  3. I Rigging-menyen som er satt under Hud-fanen , bruker du Bind Skin-verktøyet til å binde ribben til leddet i hodet og den kostbare brusk til både leddene i den proksimale enden og den distale enden.
  4. Gjenta trinn 4.1 til 4.3 for hver ribbe.
  5. Plasser separate ledd i den mest kraniale enden av hvert brystsegment. Foreldre hver sternal segment ledd til spinal ledd mest dorsal til hver sternal segment ledd. I Rigging-menyen som er angitt under skallfanen , bruker du Bind Skin-verktøyet til å binde brystsegmentet til leddet.

5. Posisjonering og animasjon

  1. Velg en ramme på tidslinjen.
  2. Plasser modellen og kontrollene. Importer et bilde som skal brukes som referanse, ved å opprette et gratis bildeplan.
    MERK: Bildene fra Muybridge13 av hesten på turen ble brukt som konseptbevis.
    1. Mens gratis bildeplan er valgt, velger du bildefilen under Attributtredigering-fanen og under rullegardinmenyen Bildeplanattributter .
  3. Merk alle kontroller og ryggradskontrollleddene, og trykk på S-tasten for å lagre dem som en nøkkelramme.
  4. Langs forskjellige rammer langs tidslinjen flytter og roterer du kontrollene og kontrollleddene for ryggraden, og trykker S.
    MERK: Hvis du omplasserer kontroller og ryggkontrollfuger og lagrer dem som nøkkelbilder langs ulike punkter på tidslinjen, opprettes det en animasjon. Det trenger ikke være et nøkkelrammesett langs hver ramme på tidslinjen; Bare kritiske posisjoner eller tidsberegninger må være nøkkelrammet. 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren vil interpolere mellom nøkkelbildeposisjonene til hver kontroll og ryggkontrollledd, noe som skaper en jevn animasjon.

Representative Results

Resultatet av metoden var en 3D full heste skjelettmodell inne i 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren som muliggjør nøyaktig anatomisk posisjonering og bevegelsessimuleringer. Modellen i seg selv har et grafisk riggsystem delegert til forbenene, bakbenene, ryggraden, nakken og ribcage. 3D-modellen kan plasseres i forskjellige stillinger (figur 3 og figur 4) av flere personer. Bevegelsene til 4D-modellen (i bevegelse) har blitt sammenlignet med videoer fra siden, baksiden og forsiden, samt med overhead droneopptak for å mer nøyaktig skildre bevegelsen til ryggraden og videoen av hester på turen (Video), canter og trav for å lage animasjoner av disse gangene.

Figure 1
Figur 1: 3D-hestemodellen kan flyttes inn i ulike stillinger og animeres for å demonstrere helkroppsbevegelser i ulike gang i 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren. (A,C) Grafiske riggsystemer for hesten. Den grafiske båndryggen som muliggjør naturlig bevegelse av den benete ryggraden, illustreres av det grønne planet. Kontrollene som brukes til å flytte de ulike grafiske riggene og de vedlagte beinnettene, er illustrert av de gule ovalene og krysspilene på modellen. (A) Stående stilling. (C) Oppdrettsposisjon. (B, D) Modellen med beinnettene festet til det grafiske riggsystemet. Posisjonene til kontrollene endrer posisjonen til hestens skjelett. (B) Stående hest. (D) Oppdrettshest. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Riggingen av hver lem med ledd gjør det mulig å posisjonere og skape bevegelse. (A) Forben med grafiske ledd indikert med tallene 1-10. (B) Hindlimb med grafiske ledd indikert med tallene 11-17. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: 3D-hestemodellen ble matchet med klassiske Muybridge13-bilder som konseptbevis og for å lage de første animasjonene. (A) Muybridge fotografier av en hest på turen. (B) 3D-hestemodellen lagt over fotografiene som skal brukes som nøkkelbilder i animasjonen. (C) 3D-hestemodellen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: 3D-hestemodellen kan flyttes inn i ulike stillinger (f.eks. Den tverrgående rotasjonen av ryggraden demonstrert her) for å forstå forholdet mellom slike stillinger og patomekaniske kraftregimer og den resulterende degenerasjonen av de berørte skjelettelementene, leddene og bløtvevet. (A) En grafisk 2D-representasjon av en normal holdning til en hest (med rytter) ved hjelp av grafisk manipulerte fotografier av et hesteskjelett sammenlignet med et stillbilde av en hest (med rytter) ved hjelp av grafisk manipulerte fotografier av et hesteskjelett sammenlignet med et stillbilde av 3D-hestemodellen med hodet og livmorhalsvirvlene skjult for å muliggjøre visualisering av thoraxen. (B) En grafisk 2D-representasjon av en hest (med rytter) med en tverrgående rotasjon av ryggraden ved hjelp av grafisk manipulerte fotografier av et hesteskjelett sammenlignet med et stillbilde av 3D-hestemodellen med hodet og livmorhalsvirvlene skjult for å muliggjøre visualisering av thoraxen. Legg merke til effekten av den tverrgående rotasjonen på skjelettet og kroppens lemmer. Den avbildet posisjonen ville overbelaste venstre forben, som ble støttet av kompresjon og sprekking av venstre fronthovvegg i den levende hesten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Video. 4D-hesten. Nøkkelposisjoner i skjelettet, som matchet med Muybridge13-bildene av hesten, har blitt interpolert for å skape en animasjon av hesten på en tur. Bevegelsen kan ses fra forsiden, siden, toppen og baksiden. Klikk her for å laste ned denne videoen.

Discussion

Denne protokollen demonstrerer hvordan man lager en 3D helkropps skjelettmodell av en organisme og demonstrerer hvordan man bruker hele kroppens hesteskjelettmodell beskrevet i dette papiret. Modellen er for tiden i et format som krever en bestemt 3D-animasjons- og modelleringsprogramvare, som har en ganske læringskurve for nye brukere. Imidlertid er en versjon av denne programvaren fritt tilgjengelig for de som er tilknyttet et universitet. Selv om modellering av kroppsstilling og bevegelse brukes til å vurdere menneskelige idrettsutøvere og for å identifisere årsaker til mekanisk induserte kroniske skader11, er det mindre vanlig gjort med hesteutøvere. For å bruke denne tilnærmingen til vurdering av potensielle årsaker til hesteidrettsskader og ytelsesproblemer, ble en realistisk skjelettjevnemodell opprettet fra CT-data ved hjelp av 3D-visualiseringsprogramvaren og 3D-animasjons- og modelleringsprogramvaren. Denne modellen er forskjellig fra andre hestemodeller som enten er kunstneriske grafiske rekreasjoner av skjelettet (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), eller som bare skildrer lemmer 14,15,16,17. I denne helkroppsmodellen var forben, bakben, ryggrad og ribbein rigget og hadde kontroller festet som muliggjør enkel manipulering av modellen for realistisk og nøyaktig posisjonering og animasjon.

Protokollen som brukes til å rigge modellen gir mulighet for repeterbarhet og fremtidige endringer som passer behovene til den spesifikke hesten som rigges, noe som muliggjør individualisert analyse. Dermed er hestemodellen et verktøy som skal brukes av forskere når de analyserer bevegelse. Det er imidlertid ikke et automatisert program som gir svar uten innspill av parametere som er spesifikke for dyret som modelleres og spørsmålet som blir adressert, da nøyaktigheten av modellen er direkte relatert til styrken til en bestemt analyse. Evnen til å legge inn parametere gjør det også mulig å kontinuerlig oppdatere modellen med data fra fremtidige forskningsstudier. I tillegg kan denne grafiske riggprotokollen brukes og/eller justeres for å gjenspeile de anatomiske forskjellene mellom individer. Det kan også tilpasses for å effektivt modellere andre dyr. 3D-hestemodellen kan enkelt manipuleres og plasseres for å simulere posisjoner og bevegelser. Dette er spesielt tydelig med lemmer som deres bevegelser er relativt enkle å se og modellere.

Grafisk felles posisjonering i modellen ble bestemt av en lignende tilnærming til den som ble brukt i andre studier18,19. Bennettene ble plassert i nøytral stilling. Grafiske ledd ble plassert slik at beinene kunne rotere fritt uten å forårsake kollisjon med andre beinnett. I sifrene ble den grafiske leddet plassert på det punktet hvor en sfære sammenfalt med bevegelsesflatene. Den grafiske leddet i scapulaen ble plassert i det omtrentlige sentrum av scapulabladet. Denne plasseringen av den grafiske skjøten gjør at den kan flyttes i 6 frihetsgrader for å orientere scapulaen i ønsket posisjon. I motsetning til lemmer er bevegelsen av ryggraden ikke lett sett, er mer kompleks enn ofte realisert, og er dermed vanskeligere å modellere. Selv om modellen har fleksibiliteten til å brukes til å undersøke bevegelser og problemer ved bestemte ryggledd, måtte den også kunne representere de ofte vanskelige å skille bevegelsene i hele ryggraden. Bruken av "båndryggen" gir mer realistisk bevegelse av ryggraden under animasjoner.

Dette er viktig ettersom ryggraden i hester, som det er funnet hos mennesker, ofte er opprinnelsen til problemer som potensielt er relatert til avvikende biomekaniske bevegelser og skade på lemmer. En styrke av denne modellen er evnen til å nøyaktig demonstrere ryggradsposisjoner, som tverrgående vertebrale rotasjoner20 (figur 4). Hvordan disse holdningene påvirker lemmer i tre dimensjoner under ulike gang, kan bestemmes ved å bruke modellen i kombinasjon med kinematisk og kraftanalyse (f.eks. trykkplatestudier for å bekrefte økt lasting av lemmer og statisk kraftanalyse). Bløtvevsmuskulatale komponenter legges for tiden til hele kroppens skjelettmodell. Fremtidige mål er å utvide bruken av modellen i 3D biomekanisk analyse for studier av hestelammeness. En slik utvidelse vil omfatte å bruke modellen til å fullføre 3D-kraftanalyser som sammenligner sunne og usunne stillinger og registrerer modellen med 3D-datapunkter samlet inn i bevegelsesfangststudier for å gi en mer effektiv visuell representasjon av bevegelse.

Disclosures

Forfatterne har ikke erklært noen interessekonflikter.

Acknowledgments

Forfatterne anerkjenner Mr. Jean Luc Cornille, Science of Motion, for hans innspill til modelleringsnøyaktighet; Dr. Martha Littlefield og Mr. James Ray (LSU SVM), og Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett og Mr. Brent Norwood (UGA CVM) for tilgang til anatomiske prøver; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) og Dr. L. Abbigail Granger og Mr. Hunter (LSUSVM) for å utføre CT-skanninger; og bachelorforskerne Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois og Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) for sitt arbeid knyttet til denne forskningen. Finansieringen ble anskaffet fra Louisiana State University School of Veterinary Medicine's Equine Health Studies Program via et Charles V. Cusimano-stipend.

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 Utgave 168 3D helkropps hesteskjelett dyremodell animasjon CT-data bevegelse holdning
Bygging av en realistisk, helkropps, tredimensjonal hesteskjelemodell ved hjelp av beregnede tomografidata
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