Costruzione di un modello scheletrico equino realistico, a tutto corpo e tridimensionale utilizzando dati di tomografia computerizzata
Summary
Lo scopo di questo protocollo è quello di descrivere il metodo di creazione di un modello scheletrico realistico, a corpo intero, di un cavallo che può essere utilizzato per la modellazione anatomica e biomeccanica funzionale per caratterizzare la meccanica di tutto il corpo.
Abstract
Le terapie basate su valutazioni biomeccaniche di tutto il corpo hanno successo per la prevenzione e la riabilitazione degli infortuni negli atleti umani. Approcci simili sono stati raramente utilizzati per studiare le lesioni atletiche equine. L’artrosi degenerativa causata da stress meccanico può avere origine da disfunzione posturale cronica, che, poiché la disfunzione primaria è spesso distante dal sito di lesione tissutale, è meglio identificata attraverso la modellazione della biomeccanica di tutto il corpo. Per caratterizzare la cinematica equina di tutto il corpo, è stato creato un modello scheletrico realistico di un cavallo da dati di tomografia computerizzata equina (CT) che può essere utilizzato per la modellazione anatomica e biomeccanica funzionale. I dati TC equini sono stati ricostruiti in singoli set di dati tridimensionali (3D) (cioè ossa) utilizzando un software di visualizzazione 3D e assemblati in un modello scheletrico 3D completo. Il modello è stato quindi truccato e animato utilizzando l’animazione 3D e il software di modellazione. Il modello scheletrico 3D risultante può essere utilizzato per caratterizzare le posture equine associate a cambiamenti degenerativi del tessuto e per identificare posture che riducono lo stress meccanico nei siti di lesione tissutale. Inoltre, se animato in 4D, il modello può essere utilizzato per dimostrare movimenti scheletrici malsani e sani e può essere utilizzato per sviluppare terapie individualizzate preventive e riabilitative per cavalli con zoppie degenerative. Sebbene il modello sarà presto disponibile per il download, è attualmente in un formato che richiede l’accesso al software di animazione e modellazione 3D, che ha una curva di apprendimento piuttosto ampia per i nuovi utenti. Questo protocollo guiderà gli utenti nello (1) sviluppo di un tale modello per qualsiasi organismo di interesse e (2) nell’utilizzo di questo specifico modello equino per le proprie domande di ricerca.
Introduction
La zoppia cronica nei cavalli è spesso associata a lesioni tissutali degenerative progressive simili a quelle dell’osteoartrite (OA), un grave problema di salute pubblicanell’uomo 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Nella medicina umana, poiché gli approcci terapeutici incentrati sul trattamento di lesioni specifiche (ad esempio, farmacoterapia e riparazione diretta della condrale) hanno per lo più fallito, le forze patomeccaniche sono ora riconosciute come la causa principale del danno tissutale nell’OA. Le forze aberranti o patomeccaniche colpiscono direttamente sia le cellule ossee che cartilaginee, inducendo il rilascio di mediatori infiammatori e la progressiva degenerazione tissutale9. Queste osservazioni indicano che, a meno che le forze meccaniche causali non vengano corrette, molte malattie croniche degenerative delle ossa e delle articolazioni continueranno a progredire. Quindi, l’attenzione terapeutica nella medicina umana si sta spostando verso approcci che “scaricano” le articolazioni colpite attraverso l’esercizio mirato10,11. Tuttavia, questo cambiamento non è ancora stato fatto in medicina equina, in parte perché sono necessari modelli per il movimento equino che possono essere adattati per mostrare i movimenti di un individuo.
L’analisi biomeccanica completa di tutto il corpo è comune nella progettazione di programmi di allenamento per ottimizzare le prestazioni atletiche e facilitare il recupero delle lesioni negli atleti umani11 (vedi anche, ad esempio, la rivista “Sports Biomechanics”), ma è meno comunemente fatta per gli atleti equini (ma vedi12). Pertanto, l’obiettivo generale qui è quello di stabilire modelli patomeccanici di zoppia equina che possono essere utilizzati per sviluppare terapie preventive e riabilitative individualizzate per migliorare la salute degli atleti equini. Tali modelli patomeccanici possono caratterizzare differenze nell’anatomia funzionale delle regioni (cioè la colonna vertebrale) che non sono facilmente distinguibili ad occhio nudo come altre (cioè l’arto inferiore). Per raggiungere questo obiettivo, il primo obiettivo è stato quello di sviluppare un modello scheletrico equino anatomicamente accurato, manipolabile, per tutto il corpo, che possa essere utilizzato come modello dai ricercatori interessati alle analisi anatomiche, cinematiche e cinetiche funzionali. Per essere utile ai medici e ai ricercatori equini, questo modello deve (1) essere biologicamente realistico per consentire un posizionamento anatomico accurato, (2) consentire regolazioni facili e accurate per modellare varie posture di cavalli sani e non sani, (3) essere in grado di essere animato per studiare gli effetti di varie andature e (4) facilitare ricreazioni ripetibili di posizioni e movimenti.
Un modello scheletrico grafico 3D di tutto il corpo equino è stato costruito da dati CT in cui le posizioni delle ossa l’una rispetto all’altra potevano essere manipolate e quindi animate per abbinare i movimenti di immagini o video di un cavallo in movimento, creando così un modello scheletrico equino 4D. A seconda di ciò che meglio si adatta alla domanda da affrontare, il modello può essere utilizzato in versioni 2D, 3D e 4D o in varie combinazioni per illustrare e caratterizzare gli effetti patomeccanici di posizioni o posture specifiche. A causa del suo design di base e flessibile, il modello funge da modello che può essere modificato dai ricercatori per riflettere le loro domande specifiche e i parametri dei dati. Tali parametri includono, ad esempio, informazioni anatomiche basate su sesso e dimensioni degli animali, dati di analisi del movimento 3D, stime della forza dei tessuti molli e proprietà inerziali. Pertanto, il modello consente un’analisi più dettagliata di aree o articolazioni specifiche, fornendo al contempo la base per impostare esperimenti che non possono essere eseguiti su cavalli vivi. A causa delle limitazioni pratiche relative alla disponibilità del campione (ad esempio, il taglio delle costole) e allo scanner, il modello equino a corpo intero è il risultato della fusione dei dati di tre campioni equini. Pertanto, il modello non è una rappresentazione perfetta di un singolo individuo, ma è stato standardizzato per rappresentare la variabilità individuale in modo più ampio. In breve, è un modello da utilizzare e modificare per soddisfare le esigenze dei ricercatori. Le scansioni TC del tronco, della testa e del collo e degli arti sono state acquisite da due esemplari equini di circa le stesse dimensioni con uno scanner CT a 64 fette utilizzando un algoritmo osseo, passo di 0,9, fetta di 1 mm. Le scansioni TC di una serie di costole sono state acquisite con uno scanner CT a 64 fette utilizzando un algoritmo osseo, passo di 0,9, fette da 0,64 mm.
L’integrità anatomica delle articolazioni ossee (ad esempio, all’interno dell’arto) è stata mantenuta. I tessuti molli disponibili nelle scansioni TC sono stati utilizzati anche per confermare il posizionamento delle ossa. Poiché alcune costole intere e le porzioni prossimali di tutte le costole erano disponibili e scansionate sul campione del torace, le costole scansionate separatamente potevano essere accuratamente dimensionate e posizionate all’interno del modello scheletrico di tutto il corpo. I dati DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) risultanti sono stati importati nel software di visualizzazione 3D (vedere la Tabella dei materiali) e le singole ossa sono state segmentate in singoli set di dati (ad esempio, mesh ossee). Le singole mesh ossee 3D sono state quindi importate nel software di animazione e modellazione 3D (Table of Materials) dove sono state dimensionate, se necessario, e assemblate in uno scheletro equino completo in preparazione per il rigging, un metodo grafico per collegare le maglie ossee in modo che i loro movimenti siano collegati (Figura 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo dimostra come creare un modello scheletrico 3D di tutto il corpo di un organismo e dimostra come utilizzare il modello scheletrico equino di tutto il corpo descritto in questo articolo. Il modello è attualmente in un formato che richiede uno specifico software di animazione e modellazione 3D, che ha una curva di apprendimento piuttosto elevata per i nuovi utenti. Tuttavia, una versione di questo software è disponibile gratuitamente per coloro che sono affiliati con un’università. Sebbene la modellazione della postura e del movimento di tutto il corpo sia utilizzata per valutare gli atleti umani e per identificare le cause delle lesioni croniche indotte meccanicamente11, è meno comunemente fatto con gli atleti equini. Per utilizzare questo approccio per la valutazione delle potenziali cause delle lesioni atletiche equine e dei problemi di prestazioni, è stato creato un modello equino scheletrico realistico di tutto il corpo dai dati CT utilizzando il software di visualizzazione 3D e il software di animazione e modellazione 3D. Questo modello è diverso da altri modelli equini che sono ricreazioni grafiche artistiche dello scheletro (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) o che raffigurano solo gli arti 14,15,16,17. In questo modello a corpo intero, gli arti anteriori, gli arti posteriori, la colonna vertebrale e la gabbia toracica erano tutti truccati e avevano controlli collegati che consentono una facile manipolazione del modello per un posizionamento e un’animazione realistici e accurati.
Il protocollo utilizzato per manipolare il modello consente la ripetibilità e le modifiche future per soddisfare le esigenze del cavallo specifico da truccare, consentendo un’analisi individualizzata. Pertanto, il modello equino è uno strumento che deve essere utilizzato dai ricercatori mentre analizzano il movimento. Tuttavia, non è un programma automatizzato che fornisce risposte senza l’input di parametri specifici per l’animale da modellare e la domanda affrontata, poiché l’accuratezza del modello è direttamente correlata alla forza di una particolare analisi. La capacità di inserire parametri consente inoltre di aggiornare continuamente il modello con i dati provenienti da studi di ricerca futuri. Inoltre, questo protocollo di rigging grafico può essere applicato e / o regolato per riflettere le differenze anatomiche tra gli individui. Può anche essere adattato per modellare efficacemente altri animali. Il modello equino 3D può essere facilmente manipolato e posizionato per simulare posizioni e movimenti. Ciò è particolarmente evidente con gli arti in quanto i loro movimenti sono relativamente semplici da vedere e modellare.
Il posizionamento grafico del giunto nel modello è stato determinato da un approccio simile a quello utilizzato in altri studi18,19. Le maglie ossee sono state poste in posizione neutra. Le articolazioni grafiche sono state posizionate in modo che le ossa fossero in grado di ruotare liberamente senza causare alcuna collisione con altre maglie ossee. Nelle cifre, l’articolazione grafica era posizionata nel punto in cui una sfera coincideva con le superfici di movimento. Il giunto grafico della scapola è stato posizionato nel centro approssimativo della lama della scapola. Questo posizionamento del giunto grafico consente di spostarlo in 6 gradi di libertà per orientare la scapola nella posizione desiderata. A differenza degli arti, il movimento della colonna vertebrale non è facilmente visibile, è più complesso di quanto spesso realizzato, e quindi è più difficile da modellare. Sebbene il modello abbia la flessibilità di essere utilizzato per studiare movimenti e problemi in specifiche articolazioni spinali, doveva anche essere in grado di rappresentare i movimenti spesso difficili da distinguere dell’intera colonna vertebrale. L’uso della “spina dorsale del nastro” consente un movimento più realistico della colonna vertebrale durante le animazioni.
Questo è importante in quanto la colonna vertebrale nei cavalli, come è stato trovato negli esseri umani, è spesso l’origine di problemi che sono potenzialmente correlati a movimenti biomeccanici aberranti e lesioni agli arti. Un punto di forza di questo modello è la capacità di dimostrare con precisione le posizioni della colonna vertebrale, come le rotazioni vertebrali trasversali20 (Figura 4). Il modo in cui queste posture influenzano gli arti in tre dimensioni durante le varie andature può essere determinato utilizzando il modello in combinazione con l’analisi cinematica e di forza (ad esempio, studi su piastre di pressione per confermare l’aumento del carico degli arti e analisi della forza statica). I componenti muscolofasciali dei tessuti molli vengono attualmente aggiunti al modello scheletrico di tutto il corpo. Gli obiettivi futuri sono di espandere l’uso del modello nell’analisi biomeccanica 3D per gli studi sulla zoppia equina. Tale espansione includerebbe l’utilizzo del modello per completare analisi di forza 3D che confrontano posture sane e malsane e la registrazione del modello con punti dati 3D raccolti in studi di motion capture per fornire una rappresentazione visiva più efficace del movimento.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono Jean Luc Cornille, Science of Motion, per il suo contributo all’accuratezza della modellazione; Dr. Martha Littlefield e Mr. James Ray (LSU SVM), e Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett e Mr. Brent Norwood (UGA CVM) per l’accesso a campioni anatomici; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) e Dr. L. Abbigail Granger e Mr. Mark Hunter (LSUSVM) per condurre scansioni TC; e i ricercatori universitari Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois e Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) per il loro lavoro relativo a questa ricerca. Il finanziamento è stato ottenuto dal programma di studi sulla salute equina della Louisiana State University School of Veterinary Medicine tramite una sovvenzione Charles V. Cusimano.
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 |
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