Construcción de un modelo esquelético equino tridimensional realista, de cuerpo entero utilizando datos de tomografía computarizada
Summary
El propósito de este protocolo es describir el método de creación de un modelo esquelético realista de cuerpo entero de un caballo que se puede utilizar para el modelado anatómico y biomecánico funcional para caracterizar la mecánica de todo el cuerpo.
Abstract
Las terapias basadas en evaluaciones biomecánicas de todo el cuerpo son exitosas para la prevención y rehabilitación de lesiones en atletas humanos. Enfoques similares rara vez se han utilizado para estudiar la lesión atlética equina. La osteoartritis degenerativa causada por el estrés mecánico puede originarse a partir de la disfunción postural crónica, que, debido a que la disfunción primaria a menudo está distante del sitio de la lesión tisular, se identifica mejor a través del modelado de la biomecánica de todo el cuerpo. Para caracterizar la cinemática equina de cuerpo entero, se creó un modelo esquelético realista de un caballo a partir de datos de tomografía computarizada (TC) equina que se pueden utilizar para el modelado anatómico y biomecánico funcional. Los datos de TC equina se reconstruyeron en conjuntos de datos tridimensionales individuales (3D) (es decir, huesos) utilizando software de visualización 3D y se ensamblaron en un modelo esquelético 3D completo. El modelo fue manipulado y animado utilizando animación 3D y software de modelado. El modelo esquelético 3D resultante se puede utilizar para caracterizar posturas equinas asociadas con cambios degenerativos en el tejido, así como para identificar posturas que reducen el estrés mecánico en los sitios de lesión tisular. Además, cuando se anima en 4D, el modelo se puede utilizar para demostrar movimientos esqueléticos poco saludables y saludables y se puede utilizar para desarrollar terapias individualizadas preventivas y de rehabilitación para caballos con cojera degenerativa. Aunque el modelo pronto estará disponible para su descarga, actualmente se encuentra en un formato que requiere acceso al software de animación y modelado 3D, que tiene una curva de aprendizaje bastante grande para los nuevos usuarios. Este protocolo guiará a los usuarios en (1) el desarrollo de un modelo de este tipo para cualquier organismo de interés y (2) el uso de este modelo equino específico para sus propias preguntas de investigación.
Introduction
La cojera crónica en caballos a menudo se asocia con lesiones tisulares degenerativas progresivas similares a las de la osteoartritis (OA), un importante problema de salud pública en humanos 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En medicina humana, debido a que los enfoques terapéuticos centrados en el tratamiento de lesiones específicas (por ejemplo, farmacoterapia y reparación condral directa) han fracasado en su mayoría, las fuerzas pathomecánicas ahora se reconocen como la causa raíz del daño tisular en la OA. Las fuerzas aberrantes o patomecánicas impactan directamente tanto en las células óseas como en las cartilaginosas, induciendo la liberación de mediadores inflamatorios y la degeneración progresiva de los tejidos9. Estas observaciones indican que a menos que se corrijan las fuerzas mecánicas causales, muchas enfermedades degenerativas crónicas de los huesos y las articulaciones continuarán progresando. Por lo tanto, el enfoque terapéutico en la medicina humana está cambiando a enfoques que “descargan” las articulaciones afectadas a través del ejercicio dirigido10,11. Sin embargo, este cambio aún no se ha realizado en la medicina equina, en parte porque se necesitan modelos para el movimiento equino que se puedan adaptar para mostrar los movimientos de un individuo.
El análisis biomecánico integral de todo el cuerpo es común en el diseño de programas de entrenamiento para optimizar el rendimiento atlético y facilitar la recuperación de lesiones en atletas humanos11 (véase también, por ejemplo, la revista “Sports Biomechanics”), pero se realiza con menos frecuencia para los atletas equinos (pero consulte12). Por lo tanto, el objetivo general aquí es establecer modelos pathomecánicos de cojera equina que puedan usarse para desarrollar terapias preventivas y de rehabilitación individualizadas para mejorar la salud de los atletas equinos. Tales modelos pathomecánicos pueden caracterizar diferencias en la anatomía funcional de regiones (es decir, la columna vertebral) que no son tan fácilmente discernibles a simple vista como otras (es decir, la extremidad inferior). Para lograr este objetivo, el primer objetivo fue desarrollar un modelo esquelético anatómicamente preciso, manipulable, de cuerpo entero y equino que pueda ser utilizado como plantilla por investigadores interesados en análisis anatómicos, cinemáticos y cinéticos funcionales. Para ser útil para los médicos equinos e investigadores, este modelo debe (1) ser biológicamente realista para permitir un posicionamiento anatómico preciso, (2) permitir ajustes fáciles y precisos para modelar diversas posturas de caballos sanos y no sanos, (3) ser capaz de ser animado para estudiar los efectos de varias marchas, y (4) facilitar recreaciones repetibles de posiciones y movimientos.
Se construyó un modelo esquelético equino de cuerpo entero gráfico en 3D a partir de datos de TC en el que las posiciones de los huesos entre sí podían manipularse y luego animarse para que coincidieran con los movimientos de imágenes o videos de un caballo en movimiento, creando así un modelo esquelético equino 4D. Dependiendo de lo que mejor se adapte a la pregunta a abordar, el modelo se puede utilizar en versiones 2D, 3D y 4D o en varias combinaciones para ilustrar y caracterizar los efectos pathomecánicos de posiciones o posturas específicas. Debido a su diseño básico y flexible, el modelo sirve como una plantilla que puede ser modificada por los investigadores para reflejar sus preguntas específicas y parámetros de datos. Tales parámetros incluyen, por ejemplo, información anatómica basada en el sexo y el tamaño del animal, datos de análisis de movimiento 3D, estimaciones de la fuerza de los tejidos blandos y propiedades inerciales. Por lo tanto, el modelo permite un análisis más detallado de áreas o articulaciones específicas, al tiempo que proporciona la base para establecer experimentos que no se pueden realizar en caballos vivos. Debido a las limitaciones prácticas relacionadas con la disponibilidad de muestras (por ejemplo, el corte de costillas) y el escáner, el modelo equino de cuerpo entero es el resultado de la fusión de datos de tres especímenes equinos. Por lo tanto, el modelo no es una representación perfecta de un solo individuo, sino que se ha estandarizado para representar la variabilidad individual de manera más amplia. En definitiva, se trata de una plantilla a utilizar y modificar para adaptarse a las necesidades de los investigadores. Las tomografías computarizadas del tronco, la cabeza y el cuello, y las extremidades se adquirieron de dos especímenes equinos de aproximadamente el mismo tamaño con un escáner de TC de 64 cortes utilizando un algoritmo óseo, paso de 0.9, corte de 1 mm. Las tomografías computarizadas de un conjunto de costillas se adquirieron con un escáner de TC de 64 cortes utilizando un algoritmo óseo, paso de 0,9, cortes de 0,64 mm.
Se mantuvo la integridad anatómica de las articulaciones óseas (por ejemplo, dentro de la extremidad). Los tejidos blandos disponibles en las tomografías computarizadas también se utilizaron para confirmar la colocación de los huesos. Como algunas costillas enteras y las porciones proximales de todas las costillas estaban disponibles y escaneadas en la muestra de tórax, las costillas escaneadas por separado podían dimensionarse con precisión y colocarse dentro del modelo esquelético de cuerpo entero. Los datos resultantes de CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) se importaron al software de visualización 3D (consulte la Tabla de materiales), y los huesos individuales se segmentaron en conjuntos de datos individuales (es decir, mallas óseas). Las mallas óseas 3D individuales se importaron al software de animación y modelado 3D (Tabla de materiales) donde se dimensionaron, si fue necesario, y se ensamblaron en un esqueleto equino completo en preparación para el aparejo, un método gráfico de conexión de las mallas óseas para que sus movimientos estén vinculados (Figura 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo demuestra cómo crear un modelo esquelético 3D de cuerpo entero de un organismo y demuestra cómo usar el modelo esquelético equino de cuerpo entero descrito en este documento. El modelo se encuentra actualmente en un formato que requiere un software específico de animación y modelado 3D, que tiene una curva de aprendizaje bastante grande para los nuevos usuarios. Sin embargo, una versión de este software está disponible gratuitamente para aquellos que están afiliados a una universidad. Aunque el modelado de la postura y el movimiento de todo el cuerpo se utiliza para evaluar a los atletas humanos e identificar las causas de las lesiones crónicas inducidas mecánicamente11, se hace con menos frecuencia con los atletas equinos. Para utilizar este enfoque para la evaluación de las posibles causas de las lesiones atléticas equinas y los problemas de rendimiento, se creó un modelo equino esquelético realista de cuerpo entero a partir de datos de TC utilizando el software de visualización 3D y el software de animación y modelado 3D. Este modelo es diferente de otros modelos equinos que son recreaciones gráficas artísticas del esqueleto (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) o que solo representan las extremidades 14,15,16,17. En este modelo de cuerpo entero, las extremidades anteriores, las extremidades posteriores, la columna vertebral y la caja torácica estaban aparejadas y tenían controles adjuntos que permiten una fácil manipulación del modelo para un posicionamiento y una animación realistas y precisos.
El protocolo utilizado para manipular el modelo permite la repetibilidad y las alteraciones futuras para satisfacer las necesidades del caballo específico que se está manipulando, lo que permite un análisis individualizado. Por lo tanto, el modelo equino es una herramienta para ser utilizada por los investigadores a medida que analizan el movimiento. Sin embargo, no es un programa automatizado que proporciona respuestas sin la entrada de parámetros específicos del animal que se está modelando y la pregunta que se aborda, ya que la precisión del modelo está directamente relacionada con la fuerza de un análisis en particular. La capacidad de introducir parámetros también permite que el modelo se actualice continuamente con datos de futuros estudios de investigación. Además, este protocolo de aparejo gráfico se puede aplicar y/ o ajustar para reflejar las diferencias anatómicas entre individuos. También se puede adaptar para modelar eficazmente otros animales. El modelo equino 3D se puede manipular y posicionar fácilmente para simular posiciones y movimientos. Esto es especialmente evidente con las extremidades, ya que sus movimientos son relativamente simples de ver y modelar.
El posicionamiento gráfico conjunto en el modelo fue determinado por un enfoque similar al utilizado en otros estudios18,19. Las mallas óseas se colocaron en una posición neutral. Las articulaciones gráficas se colocaron de modo que los huesos pudieran girar libremente sin causar ninguna colisión con otras mallas óseas. En los dígitos, la articulación gráfica se colocó en el punto donde una esfera coincidía con las superficies de movimiento. La articulación gráfica de la escápula se colocó en el centro aproximado de la hoja de la escápula. Este posicionamiento de la articulación gráfica permite moverla en 6 grados de libertad para orientar la escápula en la posición deseada. A diferencia de las extremidades, el movimiento de la columna vertebral no se ve fácilmente, es más complejo de lo que a menudo se cree y, por lo tanto, es más difícil de modelar. Aunque el modelo tiene la flexibilidad para ser utilizado para investigar movimientos y problemas en articulaciones espinales específicas, también necesitaba ser capaz de representar los movimientos a menudo difíciles de distinguir de toda la columna vertebral. El uso de la “columna vertebral de cinta” permite un movimiento más realista de la columna vertebral durante las animaciones.
Esto es importante ya que la columna vertebral en los caballos, como se ha encontrado en los seres humanos, es a menudo el origen de problemas que están potencialmente relacionados con movimientos biomecánicos aberrantes y lesiones en las extremidades. Una fortaleza de este modelo es la capacidad de demostrar con precisión las posiciones de la columna vertebral, como las rotaciones vertebrales transversales20 (Figura 4). La forma en que estas posturas impactan las extremidades en tres dimensiones durante varias marchas se puede determinar mediante el uso del modelo en combinación con el análisis cinemático y de fuerza (por ejemplo, estudios de placas de presión para confirmar el aumento de la carga de las extremidades y el análisis de fuerza estática). Los componentes musculofasciales de tejidos blandos se están agregando actualmente al modelo esquelético de cuerpo entero. Los objetivos futuros son ampliar el uso del modelo en el análisis biomecánico 3D para estudios de cojera equina. Dicha expansión incluiría el uso del modelo para completar análisis de fuerza 3D que comparan posturas saludables y no saludables y registrar el modelo con puntos de datos 3D recopilados en estudios de captura de movimiento para proporcionar una representación visual más efectiva del movimiento.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen al Sr. Jean Luc Cornille, de Science of Motion, por su contribución a la precisión del modelado; Martha Littlefield y el Sr. James Ray (LSU SVM), y el Dr. Steve Holladay, la Dra. Carla Jarrett y el Sr. Brent Norwood (UGA CVM) para el acceso a especímenes anatómicos; El Dr. Ajay Sharma (UGACVM) y el Dr. L. Abbigail Granger y el Sr. Mark Hunter (LSUSVM) por la realización de tomografías computarizadas; y los investigadores de pregrado Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois y Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) por su trabajo relacionado con esta investigación. El financiamiento se obtuvo del Programa de Estudios de Salud Equina de la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad Estatal de Louisiana a través de una subvención 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 |
Referencias
- 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).
