Summary

בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים

Published: February 25, 2021
doi:

Summary

מטרת פרוטוקול זה היא לתאר את שיטת היצירה של מודל מציאותי, שלם של הגוף, השלד של סוס, שיכול לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים כדי לאפיין מכניקה של כל הגוף.

Abstract

טיפולים המבוססים על הערכות ביומכניות של כל הגוף מצליחים למניעת פציעות ושיקום אצל ספורטאים אנושיים. גישות דומות שימשו רק לעתים נדירות לחקר פציעות אתלטיות של סוסים. דלקת מפרקים ניוונית הנגרמת על ידי לחץ מכני יכולה לנבוע מתפקוד לקוי כרוני של היציבה, אשר, מכיוון שהתפקוד התפקודי הראשוני רחוק לעתים קרובות מאתר הפגיעה ברקמות, מזוהה בצורה הטובה ביותר באמצעות מידול ביומכניקה של כל הגוף. כדי לאפיין קינמטיקה של סוסים בכל הגוף, מודל שלד מציאותי של סוס נוצר מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת של סוסים (CT) שיכולים לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים. נתוני CT של סוסים שוחזרו לערכות נתונים תלת-ממדיות (3D) בודדות (כלומר, עצמות) באמצעות תוכנת הדמיה תלת-ממדית והורכבו למודל של שלד תלת-ממדי שלם. לאחר מכן הודגם הונפש והונפש באמצעות תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית. ניתן להשתמש במודל השלד התלת-ממדי שנוצר כדי לאפיין תנוחות סוסים הקשורות לשינויים ניווניים ברקמות, כמו גם כדי לזהות תנוחות המפחיתות את הלחץ המכני באתרי הפגיעה ברקמות. בנוסף, כאשר הוא מונפש לתוך 4D, המודל יכול לשמש כדי להדגים תנועות שלד לא בריאות ובריאות וניתן להשתמש בו כדי לפתח טיפולים אינדיבידואליים מונעים ושיקומיים לסוסים עם צליעה ניוונית. למרות שהמודל יהיה זמין בקרוב להורדה, הוא נמצא כעת בפורמט הדורש גישה לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. פרוטוקול זה ינחה את המשתמשים ב-(1) פיתוח מודל כזה עבור כל אורגניזם בעל עניין ו-(2) שימוש במודל סוסים ספציפי זה לשאלות המחקר שלהם.

Introduction

צליעה כרונית בסוסים קשורה לעיתים קרובות לנגעים ניווניים מתקדמים ברקמות הדומות לאלה של דלקת מפרקים ניוונית (OA), בעיה מרכזית בבריאות הציבור בבני אדם 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . ברפואה האנושית, מכיוון שגישות טיפוליות המתמקדות בטיפול בנגעים ספציפיים (למשל, פרמקותרפיה ותיקון כונדרלי ישיר) נכשלו ברובן, כוחות פתומכניים מוכרים כיום כגורם השורשי לנזק לרקמות ב-OA. כוחות חריגים או פתומכניים משפיעים ישירות הן על תאי העצם והן על תאי הסחוס, וגורמים לשחרורם של מתווכים דלקתיים וניוון רקמות פרוגרסיבי9. תצפיות אלה מצביעות על כך שאם לא יתוקנו הכוחות המכניים הסיבתיים, מחלות עצם ומפרקים ניווניות כרוניות רבות ימשיכו להתקדם. לפיכך, ההתמקדות הטיפולית ברפואה האנושית עוברת לגישות ש”פורקות” את המפרקים הפגועים באמצעות פעילות גופנית ממוקדת10,11. עם זאת, שינוי זה עדיין לא נעשה ברפואת הסוסים, בין השאר משום שיש צורך במודלים לתנועת סוסים שניתן להתאים אותם כדי להראות את תנועותיו של הפרט.

ניתוח ביומכני מקיף, של כל הגוף, נפוץ בתכנון תוכניות אימונים כדי לייעל את הביצועים האתלטיים ולהקל על התאוששות מפציעות אצל ספורטאים אנושיים11 (ראו גם למשל, כתב העת “ספורט ביומכניקה”), אך הוא פחות נפוץ עבור ספורטאי סוסים (אך ראו12). לפיכך, מטרת העל כאן היא ליצור מודלים פתומכניים של צליעת סוסים שניתן להשתמש בהם כדי לפתח טיפולים מונעים ושיקומיים אינדיבידואליים כדי לשפר את בריאותם של ספורטאי סוסים. מודלים פתומכניים כאלה יכולים לאפיין הבדלים באנטומיה התפקודית של אזורים (כלומר, עמוד השדרה) שאינם ניתנים להבחנה בקלות לעין בלתי כמו אחרים (כלומר, הגפה התחתונה). כדי להשיג מטרה זו, המטרה הראשונה הייתה לפתח מודל שלד סוסים מדויק מבחינה אנטומית, ניתן למניפולציה, של כל הגוף, שיכול לשמש כתבנית על ידי חוקרים המעוניינים בניתוחים אנטומיים, קינמטיים וקינטיים פונקציונליים. כדי להיות שימושי לקלינאים ולחוקרים של סוסים, מודל זה חייב (1) להיות מציאותי מבחינה ביולוגית כדי לאפשר מיקום אנטומי מדויק, (2) לאפשר התאמות קלות ומדויקות למידול תנוחות שונות של סוסים בריאים ולא בריאים, (3) להיות מסוגל להיות מונפש כדי לחקור את ההשפעות של הליכות שונות, ו-(4) להקל על יצירה חוזרת של תנוחות ותנועות הניתנות לחזרה.

מודל שלד סוסים של כל הגוף הגרפי בתלת-ממד נבנה מנתוני CT שבהם ניתן היה לתמרן את מיקומי העצמות ביחס זו לזו ולאחר מכן להנפשה כדי להתאים לתנועות מתמונות או סרטונים של סוס בתנועה, ובכך ליצור מודל שלד סוסים 4D. בהתאם לשאלה המתאימה ביותר לשאלה שיש להתייחס אליה, ניתן להשתמש במודל בגרסאות דו-ממדיות, תלת-ממדיות ו-4-ממדיות או בשילובים שונים כדי להמחיש ולאפיין את ההשפעות הפתומכניות של תנוחות או תנוחות ספציפיות. בגלל העיצוב הבסיסי והגמיש שלו, המודל משמש כתבנית שניתן לשנות על ידי חוקרים כדי לשקף את השאלות הספציפיות שלהם ואת פרמטרי הנתונים שלהם. פרמטרים כאלה כוללים, למשל, מידע אנטומי המבוסס על מין וגודל בעלי חיים, נתוני ניתוח תנועה תלת-ממדיים, אומדני כוח של רקמות רכות ותכונות אינרציאליות. לפיכך, המודל מאפשר ניתוח מפורט יותר של אזורים או מפרקים ספציפיים, תוך מתן הבסיס גם להגדרת ניסויים שאינם מסוגלים להתבצע על סוסים חיים. בשל מגבלות מעשיות הקשורות לזמינות הדגימות (למשל, הצלעות שנחתכו) והסורק, מודל הסוסים בכל הגוף הוא תוצאה של מיזוג נתונים משלוש דגימות סוסים. לפיכך, המודל אינו ייצוג מושלם של אדם יחיד, אלא עבר סטנדרטיזציה כדי לייצג את השונות האינדיבידואלית באופן רחב יותר. בקיצור, זוהי תבנית שיש להשתמש בה ולשנות אותה כך שתתאים לצרכי החוקרים. סריקות CT של תא המטען, הראש והצוואר והגפיים נרכשו משתי דגימות סוסים בערך באותו גודל עם סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסת מ”מ 1 מ”מ. סריקות CT של קבוצה של צלעות נרכשו באמצעות סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסות 0.64 מ”מ.

השלמות האנטומית של המפרקים הגרמיים (למשל, בתוך הגפה) נשמרה. הרקמות הרכות הקיימות בסריקות ה-CT שימשו גם כדי לאשר את מיקום העצמות. מכיוון שכמה צלעות שלמות וחלקים פרוקסימליים של כל הצלעות היו זמינים ונסרקו על דגימת בית החזה, ניתן היה להגדיל את הצלעות שנסרקו בנפרד ולהניחן בתוך מודל השלד של כל הגוף. נתוני ההדמיה הדיגיטלית והתקשורת ברפואה (DICOM) שהתקבלו כתוצאה מכך יובאו לתוכנת ההדמיה התלת-ממדית (ראו טבלת החומרים), ועצמות בודדות חולקו לערכות נתונים בודדות (כלומר, רשתות עצם). לאחר מכן יובאו רשתות העצם התלת-ממדיות הבודדות לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית (טבלת החומרים), שם גודלן, במידת הצורך, והורכבו לשלד סוסים שלם כהכנה לקרע – שיטה גרפית לחיבור רשתות העצם כך שתנועותיהן יהיו מקושרות (איור 1).

Protocol

1. קרע פורלימב מקם את המפרקים הגרפיים בתוך הקדמי בכל תחומי התנועה.הערה: מיקום המפרק המתקבל הוא שרשרת מפרק מעצם השכמה ועד לקצה הדיסטלי של עצם הארון (איור 2A). באזור העצמות הקרפליות, 3 מפרקים בסמיכות משמשים להגדלת רדיוס הכיפוף. הקש על מקש F3 כדי להפעיל את ערכת תפריט הריגינג . בתפריטים, בחר שלד | צור מפרקים כדי לבחור בכלי צור מפרקים . בחלונית View של התוכנה, לחצו על האזורים המשוערים של המפרקים שנמצאו באיור 2A בסדר גודל של 1 עד 10, ולחצו על מקש ENTER . התאם את מיקום המפרקים על ידי לחיצה על המפרק הרצוי והשתמש בכלי ההזזה על ידי לחיצה על מקש W כדי לתרגם את המפרק למיקום הרצוי. לחלופין, התאם מפרק על-ידי לחיצה על המפרק הרצוי ושינוי הערכים תרגם X, תרגם Y ו- תרגם Z הנמצאים בחלונית ‘עורך הערוץ’/עורך השכבות ‘. צור 5 ידיות קינמטיות הפוכות נפרדות (ידיות IK) (המפרקים יוזכרו על ידי המספרים שנמצאו באיור 2A). בתפריטים, בחר שלד | צור נקודת אחיזה של IK כדי לבחור בכלי יצירת ידית IK . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 1, ולאחר מכן מפרק 3; תן שם ל- IK זה של נקודת אחיזה ב- IK של הרגל הקדמית בחלונית Outliner . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 3, ולאחר מכן מפרק 7; תן שם ל- IK זה של נקודת אחיזה קדמית מקורית תחתונה IK. באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 7 ולאחר מכן מפרק 8; תן שם ל- IK זה של נקודת אחיזה קדמית 1 IK בחלונית ‘מתווה’ . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 8 ולאחר מכן מפרק 9; תן שם לחשבון IK זה חזיתי בוהן 2 IK בחלונית ‘מתווה מתווה’ . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 9 ולאחר מכן מפרק 10; תן שם ל-IK זה של נקודת אחיזה קדמית בוהן 3 IK בחלונית ‘מתווה’ . יצירת פקדי forelimb צור מעגל B-Splines רציונאלי לא אחיד (NURBS) באמצעות הכלי עיגול בתפריט צור | NURBS פרימיטיבים | מעגל. צור שני מעגלי NURBS והזיז אותם באמצעות כלי ההזזה כדי להקיף את מפרק 3 ומפרק 10, וקרא להם Ctrl קדמי ו – Ctrl תחתון קדמי, בהתאמה, בחלונית מתאר . צור מעגל NURBS; בחר את העיגול, ובחלונית עורך השכבות של תיבת הערוץ , שנה את הערך סובב Z ל- 90. באמצעות הכלי הזזה , מקם אותו בקצה של מפרק 10 וקרא לו Ctrl של Front Flick בחלונית Outliner . IK 1 IK של חזית קדמית קבוצתית, בוהן קדמית 2 IK ו-Front Toe 3 IK על-ידי בחירת כל השלושה ולחיצה על מקשי CTRL + G. תן שם לקבוצה זו קבוצת בוהן קדמית בחלונית ‘מתווה’. הורה את ידיות ה- IK ואת קבוצת הבוהן הקדמית לפקדים.הערה: חשוב להזזה + לבחור בסדר המדויק המתואר להלן כדי להבטיח עץ אב תקין. בחר IK של רגל קדמית ולאחר מכן Ctrl קדמי בחלונית ‘מתווה’ והקש על מקש P . בחר Ctrl תחתון קדמי ולאחר מכן Ctrl קדמי בחלונית Outliner והקש על מקש P . בחר IK תחתון קדמי, ולאחר מכן Ctrl תחתון קדמי בחלונית Outliner והקש על מקש P . בחר Ctrl לתנועה קדמית ולאחר מכן Ctrl תחתון קדמי בחלונית ‘מתווה’ והקש על מקש P . בחר קבוצת בוהן קדמית ולאחר מכן Ctrl של החלק הקדמי בחלונית ‘מתווה’ והקש על מקש P . השתמש בכלי Bind Skin כדי לקשור את רשתות העצם, למעט עצמות ססמואידיות, כולל עצמות נביקולריות למפרק הפרוקסימלי ביותר. יש לוודא שכל רשת עצם קשורה רק למפרק אחד. לחץ על רשת העצם, Shift + לחץ על המפרק הפרוקסימלי ביותר ובחר את הכלי לאגד עור תחת Skin | לקשור עור. עצמות ססמואידיות חותכות ועצם הנביקולרית צרו מפרק, הניחו אותו באמצע עצם הססמואידית ולחצו על מקש Enter . בחלונית View , בחר את רשת העצם sesamoid, ו – Shift + לחץ על המפרק באמצע העצם. השתמש בכלי לאגד את העור כדי לקשור את הרשת למפרק.הערה: כעת ניתן לתפעל את עצם הססמואיד באמצעות כלי הזזה וסיבוב להתאמה בעת שינוי מיקום הרגליים. בחלונית View , בחר את המפרק בעצם הססמואידית, Shift + לחץ על המפרק הקרוב ביותר ב- forelimb ולחץ על מקש P .הערה: זה הורה את המפרק בעצם sesamoid כדי forelimb. חזור על שלבים 1.6.1 עד 1.6.2 עבור עצמות ססמואידיות אחרות ועצם הנביקולרית. חזור על שלבים 1.1 עד 1.6 עבור המצח השני.הערה: ניתן לבחור את המפרק בעצם השכמה ולתרגם אותו לכל 3 הכיוונים (6 דרגות חופש) באמצעות הכלי Move . 2. קרע הינדלימב הניחו את המפרקים בתוך החלק האחורי בכל אזורי התנועה כדי לקבל שרשרת מפרק מראש הדמור ועד לקצה הדיסטלי של עצם הארון (איור 2B). צור 5 נקודות אחיזה נפרדות של IK (המפרקים יופנו למספרים שנמצאים באיור 2B). באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 11, ולאחר מכן מפרק 12; תן שם למטפלת IK זו ב- Hind IK בחלונית Outliner . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 12, ולאחר מכן מפרק 14; תן שם ל- IK זה לטפל ב – Hind Lower IK בחלונית Outliner . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 14, ולאחר מכן מפרק 15; תן שם ל- IK זה לטפל ב- Hind Toe 1 IK בחלונית Outliner . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 15, ולאחר מכן מפרק 16; תן שם לנקודת אחיזה זו של IK Hind Toe 2 IK בחלונית Outliner . באמצעות הכלי יצירת ידית IK , בחר מפרק 16, ולאחר מכן מפרק 17; תן שם לנקודת אחיזה זו של IK Hind Toe 3 IK בחלונית Outliner . יצירת פקדים אחוריים צור שני מעגלי NURBS בשם Hind Ctrl ו – Hind Lower Ctrl והזז אותם כדי להקיף את המפרק 12 ואת המפרק 17, בהתאמה. צור מעגל NURBS בשם Hind Flick Ctrl. הפוך את המעגל הזה לאנכי, והנח אותו בקצה המפרק 10. קבוצת Hind Toe 1 IK, Hind Toe 2 IK, ו – Hind Toe 3 IK על ידי בחירת כל השלושה והקשה על CTRL + G. תן שם לקבוצה זו קבוצת הינד בוהן. הורה את נקודות האחיזה של IK ואת קבוצת הבוהן האחורית לפקדים. הקפד על Shift + בחר בסדר המדויק המתואר להלן כדי להבטיח עץ אב תקין. בחר Hind IK, ולאחר מכן Hind Ctrl, ולחץ על מקש P. בחר Ctrl תחתון Hind ולאחר מכן Ctrl הינדי, ולחץ על מקש P . בחר IK תחתון Hind, ולאחר מכן Ctrl תחתון הינד, ולחץ על מקש P . בחר Ctrl בלחיצה אחורית ולאחר מכן ב- Ctrl תחתון באופן אחורי והקש על מקש P . בחר את קבוצת הבוהן האחורית, ולאחר מכן הקש Ctrl של הינד פליק והקש על מקש P . השתמש בכלי ה-Bind Skin כדי לקשור את רשתות העצם למפרק הפרוקסימלי ביותר. ודאו שכל רשת עצם קשורה למפרק אחד בלבד. לחץ על רשת העצם, Shift + לחץ על המפרק הפרוקסימלי ביותר ובחר את הכלי לאגד עור מתחת לעור | לקשור עור. פטלה מתקתקת, עצמות ססמואידיות ועצם נביקולרית צור מפרק, מקם אותו באמצע הפטלה ולחץ על מקש Enter . בחלונית תצוגה , בחר את רשת הפטלה, ו – Shift + לחץ על המפרק בפטלה. השתמש בכלי לאגד את העור כדי לקשור את הרשת למפרק.הערה: כעת ניתן לתפעל את הפטלה באמצעות הכלים הזזה וסיבוב להתאמה בעת שינוי מיקום הרגליים. בחלונית View , בחר את המפרק בפטלה, Shift + לחץ על המפרק הקרוב ביותר ב- forelimb, ולחץ על מקש P כדי להורות את המפרק בפטלה ל- forelimb. חזור על שלבים 2.7.1 ו- 2.7.2 עבור עצמות הססמואידים והעצם הנביקולרית. חזור על שלבים 2.1 עד 2.7 עבור הצד האחורי השני. 3. קרע בעמוד השדרה של הסרט צור מישור NURBS עם אפשרויות שהשתנו עם אורך שווה בערך לאורך עמוד השדרה עם 1 מדבקות U ו- # V, כאשר # הוא מספר החוליות החזיות והמותניות.הערה: עבור מאמר זה, האורך הוא 20 עם 22 תיקונים V. בחר את הריבוע שנמצא לצד הכלי יצירת מישור תחת צור | NURBS פרימיטיבים | מטוס. בנה מחדש את המטוס עם אפשרויות שהשתנו. הקש על מקש F2 כדי להיכנס לערכת תפריטי המידול. בחר את המישור בחלונית התצוגה ובחר את הגדרות הכלי בנייה מחדש על-ידי בחירת הריבוע לצד הכלי בנייה מחדש תחת משטחים | לבנות מחדש. השתמש באפשרויות הבאות: מספר הטווחים U = 1; מספר טווחים V = # (22 במקרה זה); בחר “1 ליניארי” הן עבור דרגה אתה והן עבור תואר V אפשרויות; לשמור על ההגדרות האחרות כברירת מחדל; ולחץ על הלחצן ‘ בנייה מחדש’ . צור nhairs עם אפשרויות שהשתנו. הקש על מקש F5 כדי להיכנס לערכת התפריטים של FX. “בחר את המישור בחלונית התצוגה והשתמש בכלי יצירת שיער עם אפשרויות ששונו על-ידי בחירת הריבוע שליד nHair | צור שערות. השתמש באפשרויות הבאות: פלט המוגדר לעקומות NURBS; U count =1; V count = # (22 במקרה זה); לשמור על האפשרויות האחרות כברירת מחדל; ולחצו על הלחצן ‘צור שערות ‘. מחק את הדברים הבאים בחלונית המתאר: nucleus1, hairSystem1OutputCurves group ו-hairSystem1. הרחב באופן מלא את הקבוצה המסומנת hairSystem1Follicles, ומחק את כל הפריטים המסומנים curve__.הערה: התוצאה צריכה להשאיר קבוצה שכותרתה hairSystem1Follicles המכילה רשימה של פריטים המסומנים nurbsPlane_Follicle____. בחר את המישור, והזז וכיוונו אותו כך שיהיה חופף בערך עם עמוד השדרה באמצעות הכלי הזזה וסובב כלי. בחר את המישור, החזק את לחצן העכבר הימני ובחר Control Vertex כדי להפוך את כל הקודקודים של המישור לגלויים. הזיזו את הקודקודים כך שיכוון את הזקיקים כך שיהיו בין החוליות בגובה שבו יהיה חוט השדרה. צור מספר # של מפרקים נפרדים (22 במקרה זה) בכל מקום בחלונית View מכיוון שהמיקום של מפרקים אלה יתוקן בשלבים מאוחרים יותר. הורה מפרק עם nurbsPlane_Follicle____ כך שלכל אחד מהם יש מפרק אחד מתחת לעץ שלו. בחלונית Outliner , בחר מפרק שנוצר בשלב 3.6 ולאחר מכן Ctrl + לחץ על nurbsPlane_Follicle____ והקש על מקש P . חזור על 3.7.1 עם המפרקים האחרים שנוצרו בשלב 3.6 והשאר nurbsPlane_Follicle____ אובייקט s. בחלונית ‘מתווה מתווה’, Ctrl + בחר את כל המפרקים; בחלונית ‘תיבת שאנל’/תיבת שכבות’, הגדר את תרגם X, Y ו-Z ל-0. שכפל את כל המפרקים על-ידי Ctrl + בחירת כל המפרקים בחלונית Outliner והקשה על המקשים Ctrl + D. ביטול האבה של כל המפרקים הכפולים על-ידי Ctrl + בחירת כל המפרקים הכפולים בחלונית ‘מתווה’ והקשה על מקשי Shift + P קשרו את המפרקים תחת nurbsPlane_Follicle____ עם רשת החוליות המתאימה להם. הקש על מקש F3 כדי להיכנס לערכת התפריטים Rigging . לחץ על המפרק המקורי (לא על המפרק הכפול) תחת nurbsPlane_Follicle____, Shift + לחץ על רשת החוליות המתאימה, ולאחר מכן השתמש בכלי Bind Skin תחת Skin | לקשור עור. חזור על פעולות אלה בשלב 3.9.1 עבור כל רשת מפרק וחוליות. CTRL + לחץ על כל המפרקים הכפולים ועל המישור, והשתמש בכלי Bind Skin כדי לקשור את כל המפרקים הכפולים למישור.הערה: כעת ניתן לתמרן את המפרקים הכפולים כדי לשלוט בחוליות. חזור על שלבים 3.1 עד 3.10 עבור החוליות הצוואריות והקאודליות. 4. צלעות ועצם החזה מניחים מפרקים נפרדים בראש הצלעות, בקצה הפרוקסימלי של הסחוס הקוסטלי, ובקצה הדיסטלי של הסחוס הקוסטלי. הורה את המפרק בקצה הפרוקסימלי של הסחוס הקוסטלי למפרק בראש הצלעות שלו. הורה את המפרק בקצה הדיסטלי של הסחוס הקוסטלי למפרק הקרוב ביותר בקצה הפרוקסימלי של הסחוס הקוסטלי. הורה את המפרק בראש הצלעות למפרק עמוד השדרה השולט בחוליות הקאודלית לצלע. בתפריט Rigging שנקבע תחת לשונית Skin , השתמשו בכלי Bind Skin כדי לקשור את הצלע למפרק שבראשה ואת הסחוס הקוסטלי לשני המפרקים בקצה הפרוקסימלי שלו וגם לקצה הדיסטלי. חזור על שלבים 4.1 עד 4.3 עבור כל צלע. מניחים את המפרקים הנפרדים בקצה הגולגולתי ביותר של כל מקטע סטרנלי. הורה כל מפרק מקטע סטרנלי למפרק עמוד השדרה הגבי ביותר לכל מפרק מקטע סטרנלי. בתפריט Rigging שנקבע תחת הכרטיסייה Skin , השתמש בכלי Bind Skin כדי לקשור את מקטע החזה למפרק שלו. 5. מיקום ואנימציה בחר מסגרת בציר הזמן. מקם את הדגם ואת הפקדים. יבא תמונה לשימוש כהפניה על-ידי יצירת מישור תמונה חופשי.הערה: התמונות מ- Muybridge13 של הסוס בהליכה שימשו כהוכחת היתכנות. בזמן שנבחר מישור התמונה החופשית , בחר את קובץ התמונה תחת הכרטיסיה עורך תכונות ותחת התפריט הנפתח תכונות מישור תמונה . בחר את כל הפקדים ואת מפרקי השליטה בעמוד השדרה, ולחץ על מקש S כדי לשמור אותם כמסגרת מפתח. לאורך מסגרות שונות לאורך ציר הזמן, הזז וסובב את הפקדים ואת מפרקי השליטה בעמוד השדרה, ולחץ על S.הערה: מיקום מחדש של פקדים ומפרקי שליטה בעמוד השדרה ושמירתם כמסגרות מפתח לאורך נקודות שונות של ציר הזמן יוצרים הנפשה. לא צריכה להיות מסגרת מפתח מוגדרת לאורך כל מסגרת של ציר הזמן; רק עמדות או תזמונים קריטיים צריכים להיות ממוסגרים במפתח. תוכנת ההנפשה והמידול התלת-ממדית תבצע אינטרפולציה בין מיקומי המפתח הממוסגרים של כל מפרק בקרה ושליטה בעמוד השדרה, ותיצור אנימציה חלקה.

Representative Results

התוצאה של השיטה הייתה מודל שלד סוסים מלא בתלת-ממד בתוך תוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית המאפשרת מיקום אנטומי מדויק וסימולציות תנועה. לדגם עצמו יש מערכת קרעים גרפית המואצלת למצח, אחוריים, עמוד שדרה, צוואר וצלעות. המודל התלת-ממדי יכול להיות ממוקם בתנוחות שונות (איור 3 ואיור 4) על-ידי אנשים מרובים. התנועות של מודל 4D (בתנועה) הושוו לסרטונים מהצד, מאחור ומחזית, כמו גם עם צילומי רחפן עיליים כדי לתאר בצורה מדויקת יותר את התנועה של עמוד השדרה והווידאו של סוסים בהליכה (וידאו), קנטר וטרוט כדי ליצור אנימציות של הליכה זו. איור 1: ניתן להעביר את מודל הסוס התלת-ממדי לתנוחות שונות ולהנפשה כדי להדגים תנועות של כל הגוף בהליכות שונות בתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית. עמוד השדרה הגרפי המאפשר תנועה טבעית של עמוד השדרה הגרמי מודגם על ידי המישור הירוק. הפקדים המשמשים להזזת האסדות הגרפיות השונות ורשתות העצם המחוברות מודגמים על ידי האליפסות הצהובות והחצים הצולבים על הדגם. (א) עמדת עמידה. (ג) תנוחת גידול. (ב, ד) הדגם עם רשתות העצם המחוברות למערכת הריגינג הגרפית. מיקומי הפקדים משנים את מיקום השלד של הסוס. (ב) סוס עומד. (ד) גידול סוס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 2: הקרע של כל גפה עם מפרקים מאפשר מיקום ויצירת תנועה. (B) הינדלימב עם מפרקים גרפיים המסומנים במספרים 11-17. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 3: מודל הסוסים התלת-ממדי הותאם לתמונות הקלאסיות של Muybridge13 כהוכחת היתכנות וכדי ליצור את האנימציות הראשונות. (A) צילומי מייברידג’ של סוס בהליכה. (B) מודל הסוס התלת-ממדי שהונח מעל התצלומים כדי שישמש כמסגרות מפתח באנימציה. (C) מודל הסוס התלת-ממדי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 4: ניתן להעביר את מודל הסוסים התלת-ממדי לתנוחות שונות (למשל, הסיבוב הרוחבי של עמוד השדרה שהודגם כאן) כדי להבין את הקשר בין תנוחות כאלה למשטרי כוח פתומכניים ואת ההתנוונות הנובעת מכך של רכיבי השלד, המפרקים והרקמות הרכות המושפעים. מודל הסוסים התלת-ממדי עם הראש וחוליות צוואר הרחם מוסתרים כדי לאפשר הדמיה של בית החזה. (B) ייצוג דו-ממדי גרפי של סוס (עם רוכב) עם סיבוב רוחבי של עמוד השדרה באמצעות תצלומים שעברו מניפולציה גרפית של שלד סוסים בהשוואה לתמונת סטילס של מודל הסוס התלת-ממדי עם הראש וחוליות צוואר הרחם מוסתרים כדי לאפשר הדמיה של בית החזה. שימו לב כאן להשפעת הסיבוב הרוחבי על השלד ועל גפי הגוף. התנוחה המתוארת הייתה מעמיסה על הפורלימב השמאלי, שנתמך על ידי הדחיסה והסדקים של קיר הפרסה הקדמי השמאלי בסוס החי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. וידאו. סוס 4D. תנוחות מפתח של השלד, כפי שהן תואמותל-13 התמונות של הסוס של מייברידג’, עברו אינטרפולציה כדי ליצור אנימציה של הסוס בטיול. ניתן לראות את התנועה מלפנים, מהצד, מלמעלה ומאחור. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הסרטון הזה.

Discussion

פרוטוקול זה מדגים כיצד ליצור מודל שלד תלת-ממדי של כל הגוף של אורגניזם ומדגים כיצד להשתמש במודל שלד הסוסים בכל הגוף המתואר במאמר זה. המודל נמצא כיום בפורמט הדורש תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית ספציפית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. עם זאת, גרסה של תוכנה זו זמינה באופן חופשי עבור אלה הקשורים לאוניברסיטה. למרות שמידול של יציבה ותנועה של כל הגוף משמש להערכת ספורטאים אנושיים ולזיהוי גורמים לפציעות כרוניות הנגרמות באופן מכני11, זה פחות נפוץ עם ספורטאים סוסים. כדי להשתמש בגישה זו להערכת הגורמים הפוטנציאליים לפציעות אתלטיות של סוסים ולבעיות ביצועים, מודל מציאותי של שלד של כל הגוף נוצר מנתוני CT באמצעות תוכנת ההדמיה התלת-ממדית ותוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית. מודל זה שונה מדגמי סוסים אחרים שהם שחזורים גרפיים אמנותיים של השלד (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) או המתארים רק את הגפיים 14,15,16,17. במודל זה של כל הגוף, כולם היו מבוקשים קדמיים, אחוריים, עמוד שדרה וצלעות, והיו מחוברים אליהם פקדים המאפשרים מניפולציה קלה של המודל לצורך מיקום ואנימציה מציאותיים ומדויקים.

הפרוטוקול המשמש להרכבת המודל מאפשר יכולת חזרה ושינויים עתידיים שיתאימו לצרכים של הסוס הספציפי המבולגן, מה שמאפשר ניתוח פרטני. לפיכך, מודל הסוסים הוא כלי שישמש את החוקרים כשהם מנתחים את התנועה. עם זאת, לא מדובר בתוכנה אוטומטית המספקת תשובות ללא קלט של פרמטרים ספציפיים לבעל החיים המדוגמים והשאלה המטופלת, שכן הדיוק של המודל קשור ישירות לחוזקו של ניתוח מסוים. היכולת להזין פרמטרים גם מאפשרת למודל להתעדכן באופן שוטף בנתונים ממחקרים עתידיים. בנוסף, ניתן ליישם ו/או להתאים את פרוטוקול השריגה הגרפי הזה כך שישקף את ההבדלים האנטומיים בין פרטים. זה יכול גם להיות מותאם כדי מודל יעיל של בעלי חיים אחרים. ניתן לתמרן בקלות את מודל הסוסים התלת-ממדי ולמקם אותו כדי לדמות תנוחות ותנועות. זה בולט במיוחד עם הגפיים שכן תנועותיהם פשוטות יחסית לצפייה ולדגם.

מיקום משותף גרפי במודל נקבע על ידי גישה דומה לזו ששימשה במחקרים אחרים18,19. רשתות העצם הוצבו במצב נייטרלי. המפרקים הגרפיים הוצבו כך שהעצמות היו מסוגלות להסתובב בחופשיות מבלי לגרום להתנגשות עם רשתות עצם אחרות. בספרות, המפרק הגרפי הוצב בנקודה שבה כדור עלה בקנה אחד עם משטחי התנועה. המפרק הגרפי של עצם השכמה הוצב במרכז המשוער של להב עצם השכמה. מיקום זה של המפרק הגרפי מאפשר להזיז אותו ב -6 דרגות חופש כדי לכוון את עצם השכמה למצב הרצוי. בניגוד לגפיים, תנועת עמוד השדרה אינה נראית בקלות, מורכבת יותר מכפי שמבינו לעתים קרובות, ולכן קשה יותר לדגמן אותה. למרות שלמודל יש את הגמישות להשתמש בה כדי לחקור תנועות ובעיות במפרקי עמוד השדרה הספציפיים, הוא גם היה צריך להיות מסוגל לייצג את התנועות הקשות לעתים קרובות להבחנה של עמוד השדרה כולו. השימוש ב”עמוד השדרה של הסרט ” מאפשר תנועה מציאותית יותר של עמוד השדרה במהלך אנימציות.

זה חשוב מכיוון שעמוד השדרה בסוסים, כפי שנמצא אצל בני אדם, הוא לעתים קרובות המקור לבעיות שעשויות להיות קשורות לתנועות ביומכניות חריגות ולפגיעה בגפיים. חוזק של המודל הזה הוא היכולת להדגים במדויק את מיקומי עמוד השדרה, כמו סיבובי חוליות רוחביים20 (איור 4). כיצד תנוחות אלה משפיעות על הגפיים בשלושה ממדים במהלך הליכה שונה ניתן לקבוע על ידי שימוש במודל בשילוב עם ניתוח קינמטי וכוח (למשל, מחקרי לוחות לחץ כדי לאשר העמסה מוגברת של הגפיים וניתוח כוח סטטי). רכיבי שלד רקמות רכות מתווספים כיום למודל השלד של כל הגוף. מטרות עתידיות הן להרחיב את השימוש במודל בניתוח ביומכני תלת-ממדי למחקרים על צליעת סוסים. הרחבה כזו תכלול שימוש במודל כדי להשלים ניתוחי כוח תלת-ממדיים המשווים בין תנוחות בריאות ולא בריאות ורישום המודל עם נקודות נתונים תלת-ממדיות שנאספו במחקרי לכידת תנועה כדי לספק ייצוג חזותי יעיל יותר של תנועה.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים למר ז’אן לוק קורניל, מדע התנועה, על הקלט שלו לדיוק המידול; ד”ר מרתה ליטלפילד ומר ג’יימס ריי (LSU SVM), וד”ר סטיב הולאדיי, ד”ר קרלה ג’ארט ומר ברנט נורווד (UGA CVM) לגישה לדגימות אנטומיות; ד”ר אג’יי שארמה (UGACVM) וד”ר ל. אביגיל גריינג’ר ומר מארק האנטר (LSUSVM) לביצוע סריקות CT; והחוקרים לתואר ראשון ג’רמי בייקר, ג’ושוע מאצ’ייבסקי, שרה לנגלואה ודניאל פאזוקי (בית הספר לרפואה וטרינרית של LSU המעבדה לאנטומיה פונקציונלית ואבולוציונית) על עבודתם הקשורה למחקר זה. המימון נרכש מתוכנית לימודי בריאות הסוסים של בית הספר לרפואה וטרינרית של אוניברסיטת לואיזיאנה באמצעות מענק של צ’ארלס ו’ קוסימנו.

Materials

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

Referenzen

  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. , (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. 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).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
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).

View Video