Construção de um modelo esquelético equino realista, de corpo inteiro e tridimensional usando dados de tomografia computadorizada
Summary
O objetivo deste protocolo é descrever o método de criação de um modelo esquelético realista, de corpo inteiro e esquelético de um cavalo que possa ser usado para modelagem anatômica e biomecânica funcional para caracterizar a mecânica do corpo inteiro.
Abstract
Terapias baseadas em avaliações biomecânicas de todo o corpo são bem sucedidas para prevenção e reabilitação de lesões em atletas humanos. Abordagens semelhantes raramente têm sido usadas para estudar lesões atléticas equinas. A osteoartrite degenerativa causada pelo estresse mecânico pode se originar de disfunção postural crônica, que, por se a disfunção primária é muitas vezes distante do local da lesão tecidual, é melhor identificada através da modelagem da biomecânica do corpo inteiro. Para caracterizar a cinemática equina de corpo inteiro, foi criado um modelo esquelético realista de um cavalo a partir de dados de tomografia computadorizada equina (TC) que podem ser usados para modelagem anatômica e biomecânica funcional. Os dados da Equina CT foram reconstruídos em conjuntos de dados tridimensionais individuais (3D) (ou seja, ossos) usando software de visualização 3D e montados em um modelo esquelético 3D completo. O modelo foi então manipulado e animado usando animação 3D e software de modelagem. O modelo esquelético 3D resultante pode ser usado para caracterizar posturas equinas associadas a alterações degenerativas de tecidos, bem como para identificar posturas que reduzem o estresse mecânico nos locais de lesão tecidual. Além disso, quando animado em 4D, o modelo pode ser usado para demonstrar movimentos esqueléticos insalubres e saudáveis e pode ser usado para desenvolver terapias individualizadas preventivas e reabilitatórias para cavalos com lamenesses degenerativas. Embora o modelo esteja disponível em breve para download, ele está atualmente em um formato que requer acesso ao software de animação e modelagem 3D, que tem uma curva de aprendizado para novos usuários. Este protocolo orientará os usuários em (1) desenvolver tal modelo para qualquer organismo de interesse e (2) usar este modelo equino específico para suas próprias questões de pesquisa.
Introduction
A lameness crônica em cavalos é frequentemente associada a lesões de tecido degenerativo progressivo semelhantes às da osteoartrite (OA), um grande problema de saúde pública em humanos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . Na medicina humana, como as abordagens terapêuticas focadas no tratamento de lesões específicas (por exemplo, farmacoterapia e reparação direta de chondral) falharam principalmente, as forças pathomecanical são agora reconhecidas como a causa raiz dos danos teciduais em OA. Forças aberrantes ou pathomechanical impactam diretamente as células ósseas e cartilagens, induzindo a liberação de mediadores inflamatórios e degeneração progressiva do tecido9. Essas observações indicam que, a menos que as forças mecânicas causais sejam corrigidas, muitas doenças crônicas degenerativas e articulares continuarão a progredir. Assim, o foco terapêutico na medicina humana está mudando para abordagens que “descarregam” as articulações afetadas através do exercíciodirecionado 10,11. No entanto, essa mudança ainda não foi feita na medicina equina, em parte porque são necessários modelos de movimento equino que podem ser adaptados para mostrar os movimentos de um indivíduo.
A análise biomecânica abrangente e de corpo inteiro é comum na concepção de programas de treinamento para otimizar o desempenho atlético e facilitar a recuperação de lesões em atletas humanos11 (veja também, por exemplo, a revista “Biomechanics Esportiva”), mas é menos comumente feita para atletas equinos (mas veja12). Assim, o objetivo geral aqui é estabelecer modelos patomecânicos de lameness equina que possam ser utilizados para desenvolver terapias preventivas e reabilitatórias individualizadas para melhorar a saúde dos atletas equinos. Tais modelos pathomechanicos podem caracterizar diferenças na anatomia funcional de regiões (ou seja, a coluna vertebral) que não são tão facilmente perceptíveis a olho nu como outras (ou seja, o membro inferior). Para alcançar esse objetivo, o primeiro objetivo foi desenvolver um modelo esquelético anatomicamente preciso, manipulador, de corpo inteiro, equino que possa ser usado como modelo por pesquisadores interessados em análises anatômicas, cinemáticas e cinéticas funcionais. Para ser útil aos médicos e pesquisadores equinos, esse modelo deve (1) ser biologicamente realista para permitir um posicionamento anatômico preciso, (2) permitir ajustes fáceis e precisos para modelar várias posturas de cavalos saudáveis e não saudáveis, (3) ser capaz de ser animado para estudar os efeitos de várias marchas, e (4) facilitar recriações repetiveis de posições e movimentos.
Um modelo esquelético gráfico gráfica de corpo inteiro foi construído a partir de dados ct em que as posições dos ossos em relação uns aos outros poderiam ser manipuladas e, em seguida, animadas para combinar movimentos de imagens ou vídeos de um cavalo em movimento, criando assim um modelo esquelético de equino 4D. Dependendo do que melhor se encaixa na questão a ser abordada, o modelo pode ser usado em versões 2D, 3D e 4D ou em várias combinações para ilustrar e caracterizar os efeitos pathomechanical de posições ou posturas específicas. Devido ao seu design básico e flexível, o modelo serve como um modelo que pode ser modificado pelos pesquisadores para refletir suas perguntas específicas e parâmetros de dados. Tais parâmetros incluem, por exemplo, informações anatômicas baseadas em sexo e tamanho animal, dados de análise de movimento 3D, estimativas de força de tecido mole e propriedades inerciais. Assim, o modelo permite uma análise mais detalhada de áreas ou articulações específicas, ao mesmo tempo em que fornece a base para a realização de experimentos que não podem ser realizados em cavalos vivos. Devido a limitações práticas relacionadas à disponibilidade da amostra (por exemplo, o corte das costelas) e ao scanner, o modelo de equino de todo o corpo é o resultado da fusão de dados de três espécimes equinos. Assim, o modelo não é uma representação perfeita de um único indivíduo, mas tem sido padronizado para representar a variabilidade individual de forma mais ampla. Em suma, é um modelo a ser usado e modificado para atender às necessidades dos pesquisadores. Tomografias do tronco, cabeça e pescoço e membros foram adquiridas de duas amostras de equinos aproximadamente do mesmo tamanho com um scanner de tomografia de 64 fatias usando um algoritmo ósseo, tom de fatia de 0,9, 1 mm. Tomografias computadorizadas de um conjunto de costelas foram adquiridas com um scanner de tomografia de 64 fatias usando um algoritmo ósseo, tom de fatias de 0,9, 0,64 mm.
A integridade anatômica das articulações ósseas (por exemplo, dentro do membro) foi mantida. Os tecidos moles disponíveis nas tomografias também foram utilizados para confirmar a colocação dos ossos. Como algumas costelas inteiras e as porções proximais de todas as costelas estavam disponíveis e escaneadas no espécime do tórax, as costelas escaneadas separadamente poderiam ser dimensionadas com precisão e colocadas dentro do modelo esquelético do corpo inteiro. Os dados resultantes da CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) foram importados para o software de visualização 3D (ver a Tabela de Materiais), e os ossos individuais foram segmentados em conjuntos de dados individuais (ou seja, malhas ósseas). As malhas ósseas 3D individuais foram então importadas para o software de animação e modelagem 3D (Tabela de Materiais) onde foram dimensionadas, se necessário, e montadas em um esqueleto equino completo em preparação para a manipulação – um método gráfico de conexão das malhas ósseas para que seus movimentos sejam ligados (Figura 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo demonstra como criar um modelo esquelético 3D de corpo inteiro de um organismo e demonstra como usar o modelo esquelético equino de todo o corpo descrito neste artigo. O modelo está atualmente em um formato que requer um software específico de animação 3D e modelagem, que tem uma curva de aprendizado para novos usuários. No entanto, uma versão deste software está disponível gratuitamente para aqueles que são afiliados a uma universidade. Embora a modelagem da postura e do movimento do corpo inteiro seja usada para avaliar atletas humanos e identificar causas de lesões crônicas mecanicamente induzidas11, é menos comumente feita com atletas equinos. Para utilizar essa abordagem para a avaliação das possíveis causas de lesões atléticas e problemas de desempenho, um modelo realista de equino esquelético de corpo inteiro foi criado a partir de dados ct usando o software de visualização 3D e software de animação e modelagem 3D. Este modelo é diferente de outros modelos equinos que são recriações gráficas artísticas do esqueleto (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) ou que retratam apenas os membros 14,15,16,17. Neste modelo de corpo inteiro, membros dianteiros, preços traseiros, coluna e caixa torácica foram todos manipulados e tinham controles ligados que permitem fácil manipulação do modelo para posicionamento e animação realistas e precisos.
O protocolo utilizado para o modelo permite a repetibilidade e alterações futuras para atender às necessidades do cavalo específico que está sendo manipulado, possibilitando a análise individualizada. Assim, o modelo equino é uma ferramenta a ser utilizada pelos pesquisadores à medida que analisam o movimento. No entanto, não é um programa automatizado que fornece respostas sem a entrada de parâmetros específicos para o animal que está sendo modelado e a questão sendo abordada, pois a precisão do modelo está diretamente relacionada à força de uma determinada análise. A capacidade de inserir parâmetros também permite que o modelo seja continuamente atualizado com dados de estudos futuros de pesquisa. Além disso, este protocolo de aparelhamento gráfico pode ser aplicado e/ou ajustado para refletir as diferenças anatômicas entre indivíduos. Também pode ser adaptado para modelar efetivamente outros animais. O modelo de equino 3D pode ser facilmente manipulado e posicionado para simular posições e movimentos. Isso é especialmente evidente com os membros, pois seus movimentos são relativamente simples de ver e modelar.
O posicionamento gráfico articular no modelo foi determinado por abordagem semelhante à utilizada em outros estudos 18,19. As malhas ósseas foram colocadas em uma posição neutra. As articulações gráficas foram posicionadas para que os ossos pudessem girar livremente sem causar qualquer colisão com outras malhas ósseas. Nos dígitos, a articulação gráfica foi colocada no ponto onde uma esfera coincidiu com as superfícies de movimento. A articulação gráfica da escápula foi colocada no centro aproximado da lâmina da escápula. Este posicionamento da articulação gráfica permite que ela seja movida em 6 graus de liberdade para orientar a escápula na posição desejada. Ao contrário dos membros, o movimento da coluna vertebral não é facilmente visto, é mais complexo do que se imagina, e, portanto, é mais difícil de modelar. Embora o modelo tenha a flexibilidade de ser usado para investigar movimentos e problemas em articulações espinhais específicas, ele também precisava ser capaz de representar os movimentos muitas vezes difíceis de distinguir de toda a coluna vertebral. O uso da “coluna de fita” permite um movimento mais realista da coluna vertebral durante as animações.
Isso é importante, pois a coluna vertebral em cavalos, como tem sido encontrado em humanos, é muitas vezes a origem de questões que estão potencialmente relacionadas a movimentos biomecânicos aberrantes e lesões nos membros. Uma força deste modelo é a capacidade de demonstrar com precisão posições da coluna vertebral, como rotações vertebrais transversais20 (Figura 4). Como essas posturas impactam os membros em três dimensões durante várias marchas pode ser determinada usando o modelo em combinação com análise cinemática e de força (por exemplo, estudos de placas de pressão para confirmar o aumento do carregamento dos membros e análise da força estática). Os componentes musculofasciais do tecido mole estão sendo adicionados ao modelo esquelético do corpo inteiro. Os objetivos futuros são ampliar o uso do modelo em análise biomecânica 3D para estudos de lameness equina. Tal expansão incluiria o uso do modelo para concluir análises de força 3D que comparam posturas saudáveis e insalubres e registrar o modelo com pontos de dados 3D coletados em estudos de captura de movimento para fornecer uma representação visual mais eficaz do movimento.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem o Sr. Jean Luc Cornille, Science of Motion, por sua contribuição na precisão da modelagem; Dr. Martha Littlefield e James Ray (LSU SVM), e Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett, e Sr. Brent Norwood (UGA CVM) para acesso a espécimes anatômicos; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) e Dr. L. Abbigail Granger e Sr. Mark Hunter (LSUSVM) por realizarem tomografias computadorizadas; e os pesquisadores de graduação Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois e Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) por seu trabalho relacionado a esta pesquisa. O financiamento foi obtido do Programa de Estudos de Saúde Equina da Escola Estadual de Medicina Veterinária da Louisiana através de uma bolsa de 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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