Construction d’un modèle squelettique équin réaliste, en trois dimensions, à l’aide de données de tomodensitométrie
Summary
Le but de ce protocole est de décrire la méthode de création d’un modèle réaliste, complet, squelettique d’un cheval qui peut être utilisé pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle afin de caractériser la mécanique du corps entier.
Abstract
Les thérapies basées sur des évaluations biomécaniques du corps entier sont efficaces pour la prévention des blessures et la réadaptation chez les athlètes humains. Des approches similaires ont rarement été utilisées pour étudier les blessures sportives équines. L’arthrose dégénérative causée par le stress mécanique peut provenir d’un dysfonctionnement postural chronique, qui, parce que le dysfonctionnement primaire est souvent éloigné du site de la lésion tissulaire, est mieux identifié en modélisant la biomécanique du corps entier. Pour caractériser la cinématique équine du corps entier, un modèle squelettique réaliste d’un cheval a été créé à partir de données de tomodensitométrie (TDM) équines pouvant être utilisées pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle. Les données de tomodensitométrie équine ont été reconstruites en ensembles de données tridimensionnelles (3D) individuels (c.-à-d. des os) à l’aide d’un logiciel de visualisation 3D et assemblées en un modèle squelettique 3D complet. Le modèle a ensuite été truqué et animé à l’aide d’un logiciel d’animation et de modélisation 3D. Le modèle squelettique 3D qui en résulte peut être utilisé pour caractériser les postures équines associées à des changements tissulaires dégénératifs ainsi que pour identifier les postures qui réduisent le stress mécanique sur les sites de lésion tissulaire. En outre, lorsqu’il est animé en 4D, le modèle peut être utilisé pour démontrer des mouvements squelettiques malsains et sains et peut être utilisé pour développer des thérapies individualisées préventives et de réadaptation pour les chevaux atteints de boiterie dégénérative. Bien que le modèle soit bientôt disponible en téléchargement, il est actuellement dans un format qui nécessite l’accès au logiciel d’animation et de modélisation 3D, qui a une courbe d’apprentissage assez longue pour les nouveaux utilisateurs. Ce protocole guidera les utilisateurs dans (1) l’élaboration d’un tel modèle pour tout organisme d’intérêt et (2) l’utilisation de ce modèle équin spécifique pour leurs propres questions de recherche.
Introduction
La boiterie chronique chez les chevaux est souvent associée à des lésions tissulaires dégénératives progressives similaires à celles de l’arthrose (OA), un problème majeur de santé publique chez l’homme 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En médecine humaine, parce que les approches thérapeutiques axées sur le traitement de lésions spécifiques (par exemple, la pharmacothérapie et la réparation chondrale directe) ont pour la plupart échoué, les forces pathomécaniques sont maintenant reconnues comme la cause profonde des lésions tissulaires dans l’arthrose. Les forces aberrantes ou pathomécaniques affectent directement les cellules osseuses et cartilagineuses, induisant la libération de médiateurs inflammatoires et la dégénérescence progressive des tissus9. Ces observations indiquent qu’à moins que les forces mécaniques causales ne soient corrigées, de nombreuses maladies dégénératives chroniques des os et des articulations continueront de progresser. Par conséquent, l’accent thérapeutique en médecine humaine se déplace vers des approches qui « déchargent » les articulations touchées par l’exercice ciblé10,11. Cependant, ce changement n’a pas encore été fait en médecine équine, en partie parce que des modèles de mouvement équin qui peuvent être adaptés pour montrer les mouvements d’un individu sont nécessaires.
L’analyse biomécanique complète du corps entier est courante dans la conception de programmes d’entraînement visant à optimiser la performance athlétique et à faciliter la récupération des blessures chez les athlètes humains11 (voir aussi, par exemple, la revue « Sports Biomechanics »), mais elle est moins couramment effectuée pour les athlètes équins (mais voir12). Ainsi, l’objectif global ici est d’établir des modèles pathomécaniques de boiterie équine qui peuvent être utilisés pour développer des thérapies préventives et de réadaptation individualisées afin d’améliorer la santé des athlètes équins. De tels modèles pathomécaniques peuvent caractériser des différences dans l’anatomie fonctionnelle de régions (c.-à-d. la colonne vertébrale) qui ne sont pas aussi facilement discernables à l’œil nu que d’autres (c.-à-d. le membre inférieur). Pour atteindre cet objectif, le premier objectif était de développer un modèle de squelette équin anatomiquement précis, manipulable, corps entier, pouvant être utilisé comme modèle par les chercheurs intéressés par les analyses anatomiques, cinématiques et cinétiques fonctionnelles. Pour être utile aux cliniciens et aux chercheurs équins, ce modèle doit (1) être biologiquement réaliste pour permettre un positionnement anatomique précis, (2) permettre des ajustements faciles et précis pour modéliser diverses postures de chevaux sains et non sains, (3) pouvoir être animé pour étudier les effets de diverses allures, et (4) faciliter les recréations reproductibles de positions et de mouvements.
Un modèle graphique 3D de squelette équin du corps entier a été construit à partir de données de tomodensitométrie dans lequel les positions des os les uns par rapport aux autres pouvaient être manipulées puis animées pour correspondre aux mouvements d’images ou de vidéos d’un cheval en mouvement, créant ainsi un modèle de squelette équin 4D. Selon ce qui correspond le mieux à la question à aborder, le modèle peut être utilisé dans des versions 2D, 3D et 4D ou dans diverses combinaisons pour illustrer et caractériser les effets pathomécaniques de positions ou de postures spécifiques. En raison de sa conception de base et flexible, le modèle sert de modèle qui peut être modifié par les chercheurs pour refléter leurs questions spécifiques et leurs paramètres de données. Ces paramètres comprennent, par exemple, des informations anatomiques basées sur le sexe et la taille de l’animal, des données d’analyse de mouvement 3D, des estimations de la force des tissus mous et des propriétés inertielles. Ainsi, le modèle permet une analyse plus détaillée de zones ou d’articulations spécifiques, tout en fournissant la base pour mettre en place des expériences qui ne peuvent pas être effectuées sur des chevaux vivants. En raison des limites pratiques liées à la disponibilité des spécimens (p. ex., les côtes coupées) et au scanner, le modèle équin du corps entier est le résultat de la fusion des données de trois spécimens équins. Ainsi, le modèle n’est pas une représentation parfaite d’un seul individu, mais a été normalisé pour représenter la variabilité individuelle plus largement. En bref, il s’agit d’un modèle à utiliser et à modifier pour répondre aux besoins des chercheurs. Les tomodensitogrammes du tronc, de la tête et du cou et des membres ont été acquis à partir de deux spécimens équins d’environ la même taille avec un tomodensitomètre à 64 tranches utilisant un algorithme osseux, pas de 0,9, tranche de 1 mm. Les tomodensitogrammes d’un ensemble de côtes ont été acquis avec un tomodensitomètre à 64 tranches à l’aide d’un algorithme osseux, pas de tranches de 0,9, 0,64 mm.
L’intégrité anatomique des articulations osseuses (p. ex. à l’intérieur du membre) a été maintenue. Les tissus mous disponibles dans les tomodensitogrammes ont également été utilisés pour confirmer l’emplacement des os. Comme certaines côtes entières et les parties proximales de toutes les côtes étaient disponibles et scannées sur l’échantillon de thorax, les côtes scannées séparément pouvaient être dimensionnées avec précision et placées dans le modèle squelettique du corps entier. Les données DICOM (CT Digital Imaging and Communications in Medicine) qui en ont résulté ont été importées dans le logiciel de visualisation 3D (voir la Table des matériaux), et les os individuels ont été segmentés en ensembles de données individuels (c.-à-d. mailles osseuses). Les maillages osseux 3D individuels ont ensuite été importés dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D (Table des matériaux) où ils ont été dimensionnés, si nécessaire, et assemblés en un squelette équin complet en préparation du gréement – une méthode graphique de connexion des mailles osseuses afin que leurs mouvements soient liés (Figure 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole montre comment créer un modèle squelettique 3D du corps entier d’un organisme et montre comment utiliser le modèle squelettique équin du corps entier décrit dans cet article. Le modèle est actuellement dans un format qui nécessite un logiciel d’animation et de modélisation 3D spécifique, qui a une courbe d’apprentissage pour les nouveaux utilisateurs. Cependant, une version de ce logiciel est disponible gratuitement pour ceux qui sont affiliés à une université. Bien que la modélisation de la posture et du mouvement de l’ensemble du corps soit utilisée pour évaluer les athlètes humains et identifier les causes des blessures chroniques induites mécaniquement11, elle est moins courante chez les athlètes équins. Pour utiliser cette approche pour évaluer les causes potentielles des blessures sportives équines et des problèmes de performance, un modèle équin squelettique réaliste du corps entier a été créé à partir des données de tomodensitométrie à l’aide du logiciel de visualisation 3D et du logiciel d’animation et de modélisation 3D. Ce modèle est différent des autres modèles équins qui sont soit des reconstitutions graphiques artistiques du squelette (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), soit qui ne représentent que les membres 14,15,16,17. Dans ce modèle du corps entier, les membres antérieurs, les membres postérieurs, la colonne vertébrale et la cage thoracique étaient tous gréés et avaient des commandes attachées qui permettent une manipulation facile du modèle pour un positionnement et une animation réalistes et précis.
Le protocole utilisé pour truquer le modèle permet la répétabilité et les modifications futures pour répondre aux besoins du cheval spécifique en cours de montage, ce qui permet une analyse individualisée. Ainsi, le modèle équin est un outil à utiliser par les chercheurs lorsqu’ils analysent le mouvement. Cependant, ce n’est pas un programme automatisé qui fournit des réponses sans l’entrée de paramètres spécifiques à l’animal modélisé et la question abordée, car la précision du modèle est directement liée à la force d’une analyse particulière. La possibilité d’entrer des paramètres permet également au modèle d’être continuellement mis à jour avec des données provenant d’études de recherche futures. De plus, ce protocole de gréement graphique peut être appliqué et /ou ajusté pour refléter les différences anatomiques entre les individus. Il peut également être adapté pour modéliser efficacement d’autres animaux. Le modèle équin 3D peut être facilement manipulé et positionné pour simuler des positions et des mouvements. Cela est particulièrement évident avec les membres car leurs mouvements sont relativement simples à voir et à modéliser.
Le positionnement des articulations graphiques dans le modèle a été déterminé par une approche similaire à celle utilisée dans d’autres études18,19. Les mailles osseuses ont été placées dans une position neutre. Les articulations graphiques ont été positionnées de manière à ce que les os puissent tourner librement sans provoquer de collision avec d’autres mailles osseuses. Dans les chiffres, le joint graphique a été placé au point où une sphère coïncidait avec les surfaces de mouvement. L’articulation graphique de l’omoplate a été placée au centre approximatif de la lame de l’omoplate. Ce positionnement de l’articulation graphique permet de la déplacer en 6 degrés de liberté pour orienter l’omoplate dans la position souhaitée. Contrairement aux membres, le mouvement de la colonne vertébrale n’est pas facilement visible, est plus complexe que souvent réalisé et est donc plus difficile à modéliser. Bien que le modèle ait la flexibilité nécessaire pour étudier les mouvements et les problèmes au niveau d’articulations rachidiennes spécifiques, il devait également être en mesure de représenter les mouvements souvent difficiles à distinguer de l’ensemble de la colonne vertébrale. L’utilisation de la « colonne vertébrale ruban » permet un mouvement plus réaliste de la colonne vertébrale pendant les animations.
Ceci est important car la colonne vertébrale chez les chevaux, comme cela a été trouvé chez l’homme, est souvent à l’origine de problèmes potentiellement liés à des mouvements biomécaniques aberrants et à des blessures aux membres. Une force de ce modèle est la capacité de démontrer avec précision les positions de la colonne vertébrale, comme les rotations vertébrales transversales20 (Figure 4). L’impact de ces postures sur les membres en trois dimensions au cours de diverses allures peut être déterminé en utilisant le modèle en combinaison avec une analyse cinématique et de force (par exemple, des études sur les plaques de pression pour confirmer une charge accrue des membres et une analyse de la force statique). Des composants musculofasciaux des tissus mous sont actuellement ajoutés au modèle squelettique du corps entier. Les objectifs futurs sont d’étendre l’utilisation du modèle dans l’analyse biomécanique 3D pour les études de boiterie équine. Une telle expansion comprendrait l’utilisation du modèle pour effectuer des analyses de force 3D qui comparent les postures saines et malsaines et l’enregistrement du modèle avec des points de données 3D recueillis dans les études de capture de mouvement pour fournir une représentation visuelle plus efficace du mouvement.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient M. Jean Luc Cornille, Science of Motion, pour sa contribution à la précision de la modélisation; Dre Martha Littlefield et M. James Ray (LSU SVM), et Dr Steve Holladay, Dr Carla Jarrett et M. Brent Norwood (UGA CVM) pour l’accès aux échantillons anatomiques; Dr Ajay Sharma (UGACVM) et Dr L. Abbigail Granger et M. Mark Hunter (LSUSVM) pour avoir effectué des tomodensitogrammes; et les chercheurs de premier cycle Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois et Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) pour leurs travaux liés à cette recherche. Le financement a été obtenu du programme d’études sur la santé équine de la Louisiana State University School of Veterinary Medicine via une subvention 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 |
Referenzen
- Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. Histological study of navicular bone disease. Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).
- Rossdale, P. D., Hopes, R., Digby, N. J. W., Offord, K. Epidemiological study of wastage among racehorses 1982 and 1983. The Veterinary Record. 116 (3), 66-69 (1985).
- Pool, R. R., Meagher, D. M., Stover, S. M. Pathophysiology of navicular syndrome. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 5 (1), 109-129 (1989).
- Blunden, A., Dyson, S., Murray, R., Schramme, M. Histopathology in horses with chronic palmar foot pain and age-matched controls. Part 1: Navicular bone and related structures. Equine Veterinary Journal. 38 (1), 15-22 (2006).
- Dyson, S., Murray, R. Magnetic resonance imaging evaluation of 264 horses with foot pain: the podotrochlear apparatus, deep digital flexor tendon and collateral ligaments of the interphalangeal joint. Equine Veterinary Joint. 39 (4), 340-343 (2007).
- Dyson, S., Murray, R. Use of concurrent scintigraphic and magnetic resonance imaging evaluation to improve understanding of the pathogenesis of injury of the podotrochlear apparatus. Equine Veterinary Journal. 39 (4), 365-369 (2007).
- Egenvall, A., Lonnell, C., Roepstorff, L. Analysis of morbidity and mortality data in riding school horses, with special regard to locomotor problems. Preventive Veterinary Medicine. 88 (3), 193-204 (2009).
- Waguespack, R., Hanson, R. R. Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis. Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).
- Zhen, G., Cao, X. Targeting TGFβ signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis. Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).
- Arendt, E. A., Miller, L. E., Block, J. E. Early knee osteoarthritis management should first address mechanical joint overload. Orthopedic Reviews. 6 (1), 5188 (2014).
- Rietveld, A. B. Dancers’ and musicians’ injuries. Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).
- Parkes, R., Newton, R., Dyson, S. Is there an association between clinical features, response to diagnostic analgesia and radiological findings in horses with a magnetic resonance imaging diagnosis of navicular disease or other injuries of the podotrochlear apparatus. Veterinary Journal. 204 (1), 40-46 (2015).
- Muybridge, E. . Animals in motion. , (1902).
- Brown, N. A. T., Pandy, M. G., Kawcak, C. E., McIlwraith, C. W. Force- and moment-generating capacities of muscles in the distal limb of the horse. Journal of Anatomy. 203 (1), 101-113 (2003).
- Harrison, S. M., Whitton, R. C., Kawcak, C. E., Stover, S. M., Pandy, M. G. Relationship between muscle forces, joint loading and utilization of elastic strain energy in equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 213 (23), 3998-4009 (2010).
- Harrison, S. M., et al. Forelimb muscle activity during equine locomotion. Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).
- O’Hare, L. M. S., Cox, P. G., Jeffery, N., Singer, E. R. Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx. Equine Veterinary Journal. 45 (3), 273-277 (2013).
- Panagiotopoulou, O., Rankin, J., Gatesy, S., Hutchinson, S. A prelininary case study of the effect of shoe-wearing on the biomechanics of a horse’s foot. PerrJ. 4, 2164 (2016).
- Locating rotation centers of the equine digit and their use in quantifying conformation. EponaMind Available from: https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/ (2005)
- Denoix, J. M. Spinal biomechanics and functional anatomy. Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).
