Konstruktion eines realistischen, dreidimensionalen Ganzkörper-Pferdeskelettmodells unter Verwendung von Computertomographiedaten
Summary
Der Zweck dieses Protokolls ist es, die Methode der Erstellung eines realistischen Ganzkörper-Skelettmodells eines Pferdes zu beschreiben, das für die funktionelle anatomische und biomechanische Modellierung zur Charakterisierung der Ganzkörpermechanik verwendet werden kann.
Abstract
Therapien, die auf biomechanischen Ganzkörperbewertungen basieren, sind erfolgreich für die Verletzungsprävention und Rehabilitation bei menschlichen Sportlern. Ähnliche Ansätze wurden selten verwendet, um Sportverletzungen bei Pferden zu untersuchen. Degenerative Osteoarthritis, die durch mechanischen Stress verursacht wird, kann aus einer chronischen posturalen Dysfunktion stammen, die, da die primäre Dysfunktion oft vom Ort der Gewebeverletzung entfernt ist, am besten durch die Modellierung der Ganzkörperbiomechanik identifiziert werden kann. Um die Ganzkörperkinematik von Pferden zu charakterisieren, wurde aus Daten der Pferdecomputertomographie (CT) ein realistisches Skelettmodell eines Pferdes erstellt, das für die funktionelle anatomische und biomechanische Modellierung verwendet werden kann. Pferde-CT-Daten wurden mithilfe einer 3D-Visualisierungssoftware in einzelne dreidimensionale (3D) Datensätze (d.h. Knochen) rekonstruiert und zu einem vollständigen 3D-Skelettmodell zusammengesetzt. Das Modell wurde dann mit 3D-Animations- und Modellierungssoftware manipuliert und animiert. Das resultierende 3D-Skelettmodell kann verwendet werden, um Pferdehaltungen zu charakterisieren, die mit degenerativen Gewebeveränderungen verbunden sind, sowie um Haltungen zu identifizieren, die mechanische Belastungen an den Stellen von Gewebeverletzungen reduzieren. Darüber hinaus kann das Modell, wenn es in 4D animiert wird, verwendet werden, um ungesunde und gesunde Skelettbewegungen zu demonstrieren und präventive und rehabilitative individualisierte Therapien für Pferde mit degenerativen Lahmheiten zu entwickeln. Obwohl das Modell bald zum Download zur Verfügung stehen wird, befindet es sich derzeit in einem Format, das Zugriff auf die 3D-Animations- und Modellierungssoftware erfordert, die für neue Benutzer eine ziemliche Lernkurve aufweist. Dieses Protokoll wird die Benutzer dabei unterstützen, (1) ein solches Modell für jeden interessierenden Organismus zu entwickeln und (2) dieses spezifische Pferdemodell für ihre eigenen Forschungsfragen zu verwenden.
Introduction
Chronische Lahmheit bei Pferden ist oft mit progressiven degenerativen Gewebeläsionen verbunden, die denen der Osteoarthritis (OA) ähneln, einem großen Problem der öffentlichen Gesundheit beim Menschen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Da in der Humanmedizin therapeutische Ansätze, die sich auf die Behandlung bestimmter Läsionen konzentrieren (z. B. Pharmakotherapie und direkte Chondralreparatur), meist gescheitert sind, werden pathomechanische Kräfte heute als Ursache für Gewebeschäden bei OA erkannt. Aberrante oder pathomechanische Kräfte wirken sowohl auf Knochen- als auch auf Knorpelzellen direkt ein und induzieren die Freisetzung von Entzündungsmediatoren und eine fortschreitende Gewebedegeneration9. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass viele chronisch degenerative Knochen- und Gelenkerkrankungen weiter fortschreiten werden, wenn die ursächlichen mechanischen Kräfte nicht korrigiert werden. Damit verlagert sich der therapeutische Fokus in der Humanmedizin auf Ansätze, die die betroffenen Gelenke durch gezielte Bewegung “entlasten”10,11. Diese Verschiebung wurde jedoch in der Pferdemedizin noch nicht vorgenommen, zum Teil, weil Modelle für Pferdebewegungen benötigt werden, die angepasst werden können, um die Bewegungen eines Individuums zu zeigen.
Eine umfassende biomechanische Ganzkörperanalyse ist bei der Entwicklung von Trainingsprogrammen zur Optimierung der sportlichen Leistung und zur Erleichterung der Verletzungsregeneration bei menschlichen Sportlernüblich 11 (siehe auch z. B. die Zeitschrift “Sports Biomechanics”), wird jedoch bei Pferdesportlern seltener durchgeführt (siehejedoch 12). Übergeordnetes Ziel ist es daher, pathomechanische Modelle der Pferdelahmheit zu etablieren, mit denen individualisierte präventive und rehabilitative Therapien zur Verbesserung der Gesundheit von Pferdesportlern entwickelt werden können. Solche pathomechanischen Modelle können Unterschiede in der funktionellen Anatomie von Regionen (d.h. der Wirbelsäule) charakterisieren, die mit bloßem Auge nicht so leicht erkennbar sind wie andere (d.h. die untere Extremität). Um dieses Ziel zu erreichen, bestand das erste Ziel darin, ein anatomisch genaues, manipulierbares Ganzkörper-, Pferdeskelettmodell zu entwickeln, das von Forschern, die an funktionellen anatomischen, kinematischen und kinetischen Analysen interessiert sind, als Vorlage verwendet werden kann. Um für Pferdekliniker und -forscher nützlich zu sein, muss dieses Modell (1) biologisch realistisch sein, um eine genaue anatomische Positionierung zu ermöglichen, (2) einfache und genaue Anpassungen für die Modellierung verschiedener Haltungen von gesunden und nicht gesunden Pferden ermöglichen, (3) animiert werden können, um die Auswirkungen verschiedener Gangarten zu untersuchen, und (4) wiederholbare Nachbildungen von Positionen und Bewegungen erleichtern.
Aus CT-Daten wurde ein 3D-grafisches Ganzkörper-Pferdeskelettmodell erstellt, in dem die Positionen der Knochen relativ zueinander manipuliert und dann animiert werden konnten, um Bewegungen aus Bildern oder Videos eines Pferdes in Bewegung abzugleichen, wodurch ein 4D-Pferdeskelettmodell erstellt wurde. Je nachdem, was am besten zu der zu beantwortenden Frage passt, kann das Modell in 2D-, 3D- und 4D-Versionen oder in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, um die pathomechanischen Auswirkungen bestimmter Positionen oder Haltungen zu veranschaulichen und zu charakterisieren. Aufgrund seines grundlegenden und flexiblen Designs dient das Modell als Vorlage, die von Forschern modifiziert werden kann, um ihre spezifischen Fragen und Datenparameter widerzuspiegeln. Zu diesen Parametern gehören beispielsweise anatomische Informationen basierend auf Geschlecht und Tiergröße, 3D-Bewegungsanalysedaten, Weichteilkraftschätzungen und Trägheitseigenschaften. So ermöglicht das Modell eine detailliertere Analyse bestimmter Bereiche oder Gelenke und bietet gleichzeitig die Grundlage für die Durchführung von Experimenten, die an lebenden Pferden nicht durchgeführt werden können. Aufgrund praktischer Einschränkungen in Bezug auf die Verfügbarkeit von Proben (z. B. die geschnittenen Rippen) und den Scanner ist das Ganzkörper-Pferdemodell das Ergebnis der Zusammenführung von Daten von drei Pferdeproben. Somit ist das Modell keine perfekte Darstellung eines einzelnen Individuums, sondern wurde standardisiert, um die individuelle Variabilität breiter darzustellen. Kurz gesagt, es ist eine Vorlage, die verwendet und modifiziert werden muss, um den Bedürfnissen der Forscher gerecht zu werden. CT-Scans des Rumpfes, des Kopfes und des Halses sowie der Gliedmaßen wurden von zwei Pferdeproben von ungefähr gleicher Größe mit einem 64-Scheiben-CT-Scanner unter Verwendung eines Knochenalgorithmus mit einer Tonhöhe von 0,9, 1 mm Scheibe aufgenommen. CT-Scans einer Reihe von Rippen wurden mit einem 64-Schichten-CT-Scanner unter Verwendung eines Knochenalgorithmus mit einer Tonhöhe von 0,9, 0,64 mm Scheiben aufgenommen.
Die anatomische Integrität der knöchernen Gelenke (z. B. innerhalb der Extremität) wurde aufrechterhalten. Die in den CT-Scans verfügbaren Weichteile wurden auch verwendet, um die Platzierung der Knochen zu bestätigen. Da einige ganze Rippen und die proximalen Teile aller Rippen verfügbar waren und an der Thoraxprobe gescannt wurden, konnten die separat gescannten Rippen genau dimensioniert und innerhalb des Ganzkörperskelettmodells platziert werden. Die resultierenden DICOM-Daten (CT Digital Imaging and Communications in Medicine) wurden in die 3D-Visualisierungssoftware importiert (siehe Materialtabelle), und einzelne Knochen wurden in einzelne Datensätze (d. h. Knochennetze) segmentiert. Die einzelnen 3D-Knochennetze wurden dann in die 3D-Animations- und Modellierungssoftware (Table of Materials) importiert, wo sie bei Bedarf dimensioniert und in Vorbereitung auf das Rigging zu einem kompletten Pferdeskelett zusammengesetzt wurden – eine grafische Methode, um die Knochennetze so zu verbinden, dass ihre Bewegungen verknüpft sind (Abbildung 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll zeigt, wie man ein 3D-Ganzkörperskelettmodell eines Organismus erstellt und wie man das in diesem Papier beschriebene Ganzkörper-Pferdeskelettmodell verwendet. Das Modell befindet sich derzeit in einem Format, das eine spezielle 3D-Animations- und Modellierungssoftware erfordert, die für neue Benutzer eine ziemliche Lernkurve aufweist. Eine Version dieser Software ist jedoch für diejenigen, die mit einer Universität verbunden sind, frei verfügbar. Obwohl die Modellierung der Ganzkörperhaltung und -bewegung verwendet wird, um menschliche Athleten zu beurteilen und Ursachen für mechanisch induzierte chronische Verletzungenzu identifizieren 11, wird dies bei Pferdesportlern seltener durchgeführt. Um diesen Ansatz für die Bewertung der möglichen Ursachen von Pferdesportverletzungen und Leistungsproblemen zu nutzen, wurde aus CT-Daten mit der 3D-Visualisierungssoftware und der 3D-Animations- und Modellierungssoftware ein realistisches Ganzkörper-Skelettpferdemodell erstellt. Dieses Modell unterscheidet sich von anderen Pferdemodellen, die entweder künstlerische grafische Nachbildungen des Skeletts (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) sind oder nur die Gliedmaßen14,15,16,17 darstellen. In diesem Ganzkörpermodell waren Vorderbeine und Hinterbeine, Wirbelsäule und Brustkorb alle manipuliert und mit Bedienelementen versehen, die eine einfache Manipulation des Modells für eine realistische und genaue Positionierung und Animation ermöglichen.
Das Protokoll, das zum Rigieren des Modells verwendet wird, ermöglicht die Wiederholbarkeit und zukünftige Änderungen, um den Bedürfnissen des spezifischen Pferdes, das manipuliert wird, gerecht zu werden, was eine individuelle Analyse ermöglicht. Daher ist das Pferdemodell ein Werkzeug, das von Forschern bei der Analyse von Bewegungen verwendet werden kann. Es ist jedoch kein automatisiertes Programm, das Antworten liefert, ohne dass Parameter eingegeben werden, die für das zu modellierende Tier spezifisch sind und die Frage beantwortet wird, da die Genauigkeit des Modells direkt mit der Stärke einer bestimmten Analyse zusammenhängt. Die Möglichkeit, Parameter einzugeben, ermöglicht es auch, das Modell kontinuierlich mit Daten aus zukünftigen Forschungsstudien zu aktualisieren. Darüber hinaus kann dieses grafische Rigging-Protokoll angewendet und/oder angepasst werden, um die anatomischen Unterschiede zwischen Individuen widerzuspiegeln. Es kann auch angepasst werden, um andere Tiere effektiv zu modellieren. Das 3D-Pferdemodell kann leicht manipuliert und positioniert werden, um Positionen und Bewegungen zu simulieren. Dies zeigt sich besonders deutlich bei den Gliedmaßen, da ihre Bewegungen relativ einfach zu sehen und zu modellieren sind.
Die grafische Gelenkpositionierung im Modell wurde durch einen ähnlichen Ansatz bestimmt, der in anderen Studien verwendet wurde18,19. Die Knochennetze wurden in neutraler Position platziert. Grafische Gelenke wurden so positioniert, dass sich die Knochen frei drehen konnten, ohne dass es zu einer Kollision mit anderen Knochennetzen kam. In den Ziffern wurde das grafische Gelenk an der Stelle platziert, an der eine Kugel mit den Bewegungsflächen zusammenfiel. Das grafische Gelenk des Schulterblattes wurde in der ungefähren Mitte der Schulterblattklinge platziert. Diese Positionierung des grafischen Gelenks ermöglicht es, es in 6 Freiheitsgraden zu bewegen, um das Schulterblatt in die gewünschte Position zu bringen. Im Gegensatz zu den Gliedmaßen ist die Bewegung der Wirbelsäule nicht leicht zu sehen, komplexer als oft realisiert und daher schwieriger zu modellieren. Obwohl das Modell die Flexibilität hat, um Bewegungen und Probleme an bestimmten Wirbelsäulengelenken zu untersuchen, musste es auch in der Lage sein, die oft schwer zu unterscheidenden Bewegungen der gesamten Wirbelsäule darzustellen. Die Verwendung des “Ribbon Spine” ermöglicht eine realistischere Bewegung der Wirbelsäule während der Animationen.
Dies ist wichtig, da die Wirbelsäule bei Pferden, wie sie beim Menschen gefunden wurde, oft der Ursprung von Problemen ist, die möglicherweise mit abweichenden biomechanischen Bewegungen und Verletzungen der Gliedmaßen zusammenhängen. Eine Stärke dieses Modells ist die Fähigkeit, Wirbelsäulenpositionen wie transversale Wirbelrotationen20 genau darzustellen (Abbildung 4). Wie sich diese Haltungen bei verschiedenen Gangarten dreidimensional auf die Gliedmaßen auswirken, kann anhand des Modells in Kombination mit kinematischer und Kraftanalyse (z. B. Druckplattenstudien zur Bestätigung einer erhöhten Belastung der Gliedmaßen und statische Kraftanalyse) bestimmt werden. Weichteil-Muskel-Komponenten werden derzeit dem Ganzkörper-Skelettmodell hinzugefügt. Zukünftige Ziele sind es, die Verwendung des Modells in der biomechanischen 3D-Analyse für Studien zur Lahmheit von Pferden auszuweiten. Eine solche Erweiterung würde die Verwendung des Modells zur Durchführung von 3D-Kraftanalysen umfassen, die gesunde und ungesunde Körperhaltungen vergleichen, und die Registrierung des Modells mit 3D-Datenpunkten, die in Motion-Capture-Studien gesammelt wurden, um eine effektivere visuelle Darstellung der Bewegung zu ermöglichen.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Herrn Jean Luc Cornille, Science of Motion, für seinen Beitrag zur Modellierungsgenauigkeit; Dr. Martha Littlefield und Mr. James Ray (LSU SVM) sowie Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett und Mr. Brent Norwood (UGA CVM) für den Zugang zu anatomischen Proben; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) und Dr. L. Abbigail Granger und Mr. Mark Hunter (LSUSVM) für die Durchführung von CT-Scans; und die Bachelor-Forscher Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois und Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) für ihre Arbeit im Zusammenhang mit dieser Forschung. Die Finanzierung erfolgte durch das Equine Health Studies Program der Louisiana State University School of Veterinary Medicine über ein Stipendium von 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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