Построение реалистичной трехмерной модели скелета лошадей всего тела с использованием данных компьютерной томографии
Summary
Целью данного протокола является описание метода создания реалистичной, цельнотелевой, скелетной модели лошади, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования для характеристики механики всего тела.
Abstract
Методы лечения, основанные на биомеханических оценках всего тела, являются успешными для профилактики травм и реабилитации у спортсменов-людей. Подобные подходы редко использовались для изучения спортивных травм лошадей. Дегенеративный остеоартрит, вызванный механическим стрессом, может возникнуть из-за хронической постуральной дисфункции, которая, поскольку первичная дисфункция часто удалена от места повреждения тканей, лучше всего идентифицируется путем моделирования биомеханики всего тела. Для характеристики кинематики лошадей всего тела была создана реалистичная скелетная модель лошади на основе данных компьютерной томографии (КТ) лошадей, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования. Данные КТ лошадей были реконструированы в отдельные трехмерные (3D) наборы данных (т.е. кости) с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и собраны в полную 3D-скелетную модель. Затем модель была сфальсифицирована и анимирована с использованием программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Полученная 3D-модель скелета может быть использована для характеристики поз лошадей, связанных с дегенеративными изменениями тканей, а также для выявления поз, которые уменьшают механическое напряжение в местах повреждения тканей. Кроме того, при анимации в 4D модель может быть использована для демонстрации нездоровых и здоровых скелетных движений и может быть использована для разработки профилактической и реабилитационной индивидуализированной терапии для лошадей с дегенеративными хромотами. Хотя модель скоро будет доступна для загрузки, в настоящее время она находится в формате, который требует доступа к программному обеспечению для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Этот протокол будет направлять пользователей в (1) разработке такой модели для любого интересующего организма и (2) использовании этой конкретной модели лошадей для их собственных исследовательских вопросов.
Introduction
Хроническая хромота у лошадей часто связана с прогрессирующими дегенеративными поражениями тканей, аналогичными остеоартриту (ОА), основной проблеме общественного здравоохранения у людей 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . В медицине человека, поскольку терапевтические подходы, ориентированные на лечение конкретных поражений (например, фармакотерапия и прямая хондральная репарация), в основном потерпели неудачу, патомеханические силы в настоящее время признаны основной причиной повреждения тканей при ОА. Аберрантные или патомеханические силы воздействуют непосредственно как на костные, так и на хрящевые клетки, вызывая высвобождение медиаторов воспаления и прогрессирующую дегенерацию тканей9. Эти наблюдения показывают, что, если причинные механические силы не будут исправлены, многие хронические дегенеративные заболевания костей и суставов будут продолжать прогрессировать. Следовательно, терапевтический фокус в медицине человека смещается в сторону подходов, которые «разгружают» пораженные суставы с помощью целенаправленныхупражнений 10,11. Однако этот сдвиг еще не был сделан в медицине лошадей, отчасти потому, что необходимы модели движения лошадей, которые могут быть адаптированы, чтобы показать движения человека.
Комплексный биомеханический анализ всего тела распространен при разработке тренировочных программ для оптимизации спортивных результатов и облегчения восстановления после травм у спортсменов-людей11 (см. также, например, журнал «Спортивная биомеханика»), но реже делается для спортсменов лошадей (см.12). Таким образом, главной целью здесь является создание патомеханических моделей хромоты лошадей, которые могут быть использованы для разработки индивидуализированных профилактических и реабилитационных методов лечения для улучшения здоровья спортсменов лошадей. Такие патомеханические модели могут характеризовать различия в функциональной анатомии областей (т.е. позвоночника), которые не так легко различимы невооруженным глазом, как другие (т.е. нижняя конечность). Для достижения этой цели первой задачей была разработка анатомически точной, манипулируемой модели скелета лошадей, которая может быть использована в качестве шаблона исследователями, заинтересованными в функциональном анатомическом, кинематическом и кинетическом анализе. Чтобы быть полезной для клиницистов лошадей и исследователей, эта модель должна (1) быть биологически реалистичной, чтобы обеспечить точное анатомическое позиционирование, (2) позволять легко и точно корректировать различные позы здоровых и нездоровых лошадей, (3) быть анимированной для изучения эффектов различных походок и (4) облегчать повторяемые воссоздания положений и движений.
3D-графическая скелетная модель всего тела лошади была построена из данных КТ, в которой положения костей относительно друг друга можно было манипулировать, а затем анимировать, чтобы они соответствовали движениям из изображений или видео лошади в движении, создавая таким образом 4D-модель скелета лошади. В зависимости от того, что лучше всего соответствует рассматриваемому вопросу, модель может использоваться в 2D, 3D и 4D версиях или в различных комбинациях для иллюстрации и характеристики патомеханических эффектов конкретных позиций или поз. Из-за своего базового и гибкого дизайна модель служит шаблоном, который может быть изменен исследователями для отражения их конкретных вопросов и параметров данных. К таким параметрам относятся, например, анатомическая информация, основанная на поле и размере животного, данные анализа 3D-движения, оценки силы мягких тканей и инерционные свойства. Таким образом, модель позволяет более детально анализировать конкретные области или суставы, а также обеспечивает основу для постановки экспериментов, которые не могут быть выполнены на живых лошадях. Из-за практических ограничений, связанных с наличием образцов (например, разрезание ребер) и сканером, модель лошадей всего тела является результатом объединения данных трех образцов лошадей. Таким образом, модель не является идеальным представлением одного индивида, но была стандартизирована для представления индивидуальной изменчивости в более широком смысле. Короче говоря, это шаблон, который будет использоваться и модифицироваться в соответствии с потребностями исследователей. Компьютерная томография туловища, головы и шеи, а также конечностей была получена от двух образцов лошадей примерно одинакового размера с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 1 мм среза. Компьютерная томография набора ребер была получена с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 0,64 мм срезов.
Сохранялась анатомическая целостность костных суставов (например, внутри конечности). Мягкие ткани, доступные в компьютерной томографии, также использовались для подтверждения размещения костей. Поскольку некоторые целые ребра и проксимальные части всех ребер были доступны и отсканированы на образце грудной клетки, отдельно отсканированные ребра могли быть точно измерены и помещены в скелетную модель всего тела. Полученные данные CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) были импортированы в программное обеспечение для 3D-визуализации (см. Таблицу материалов), а отдельные кости были сегментированы в отдельные наборы данных (т. Е. Костные сетки). Затем отдельные 3D-костяные сетки были импортированы в программное обеспечение для 3D-анимации и моделирования (Таблица материалов), где они были измерены, если это необходимо, и собраны в полный скелет лошади при подготовке к такелажу – графическому методу соединения костных сеток таким образом, чтобы их движения были связаны (рисунок 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол демонстрирует, как создать 3D-скелетную модель всего тела организма и демонстрирует, как использовать скелетную модель всего тела лошади, описанную в этой статье. Модель в настоящее время находится в формате, который требует определенного программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Тем не менее, версия этого программного обеспечения находится в свободном доступе для тех, кто связан с университетом. Хотя моделирование осанки и движения всего тела используется для оценки спортсменов-людей и выявления причин механически индуцированных хронических травм11, это реже делается с лошадьми-спортсменами. Чтобы использовать этот подход для оценки потенциальных причин спортивных травм лошадей и проблем с производительностью, была создана реалистичная скелетная модель всего тела лошади с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Эта модель отличается от других моделей лошадей, которые либо являются художественным графическим воссозданием скелета (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), либо изображают только конечности 14,15,16,17. В этой модели всего тела передние конечности, задние конечности, позвоночник и грудная клетка были оснащены и имели элементы управления, которые позволяют легко манипулировать моделью для реалистичного и точного позиционирования и анимации.
Протокол, используемый для настройки модели, обеспечивает повторяемость и будущие изменения в соответствии с потребностями конкретной лошади, позволяющей проводить индивидуальный анализ. Таким образом, модель лошадей является инструментом, который будет использоваться исследователями при анализе движения. Однако это не автоматизированная программа, которая предоставляет ответы без ввода параметров, специфичных для моделируемого животного, и рассматриваемого вопроса, поскольку точность модели напрямую связана с силой конкретного анализа. Возможность ввода параметров также позволяет постоянно обновлять модель данными будущих исследований. Кроме того, этот графический протокол такелажа может быть применен и/или скорректирован для отражения анатомических различий между людьми. Он также может быть адаптирован для эффективного моделирования других животных. 3D-моделью лошадей можно легко манипулировать и позиционировать для имитации положений и движений. Это особенно очевидно с конечностями, поскольку их движения относительно просты для просмотра и моделирования.
Графическое позиционирование суставов в модели определяли подходом, аналогичным тому, который использовался в других исследованиях18,19. Костяные сетки были размещены в нейтральном положении. Графические суставы были расположены таким образом, чтобы кости могли свободно вращаться, не вызывая столкновения с другими костными сетками. В цифрах графическое соединение помещалось в точке, где сфера совпадала с поверхностями движения. Графическое соединение лопатки помещали в примерный центр лезвия лопатки. Такое позиционирование графического сустава позволяет перемещать его в 6 степенях свободы для ориентации лопатки в нужное положение. В отличие от конечностей, движение позвоночника нелегко увидеть, оно сложнее, чем часто реализуется, и, следовательно, его труднее моделировать. Хотя модель обладает гибкостью, которую можно использовать для исследования движений и проблем в конкретных спинномозговых суставах, она также должна была быть в состоянии представить часто трудно различимые движения всего позвоночника. Использование «ленточного позвоночника» позволяет более реалистично двигать позвоночник во время анимации.
Это важно, так как позвоночник у лошадей, как было обнаружено у людей, часто является источником проблем, которые потенциально связаны с аберрантными биомеханическими движениями и травмами конечностей. Сильной стороной этой модели является способность точно демонстрировать положения позвоночника, такие как поперечные вращения позвонков20 (рисунок 4). Как эти позы влияют на конечности в трех измерениях во время различных походок, можно определить, используя модель в сочетании с кинематическим и силовым анализом (например, исследования нажимных пластин для подтверждения повышенной нагрузки конечностей и статический силовой анализ). Мышечно-мышечные компоненты мягких тканей в настоящее время добавляются к скелетной модели всего тела. Будущие цели заключаются в расширении использования модели в 3D биомеханическом анализе для исследований хромоты лошадей. Такое расширение будет включать использование модели для завершения 3D-анализа силы, который сравнивает здоровые и нездоровые позы, и регистрацию модели с помощью точек 3D-данных, собранных в исследованиях захвата движения, чтобы обеспечить более эффективное визуальное представление движения.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают признательность г-ну Жану Люку Корниллю, специалисту по науке о движении, за его вклад в повышение точности моделирования; д-р Марта Литтлфилд и г-н Джеймс Рэй (LSU SVM), а также д-р Стив Холладей, д-р Карла Джарретт и г-н Брент Норвуд (UGA CVM) для доступа к анатомическим образцам; д-р Аджай Шарма (UGACVM) и д-р Л. Аббигейл Грейнджер и г-н Марк Хантер (LSUSVM) за проведение компьютерной томографии; и исследователи бакалавриата Джереми Бейкер, Джошуа Мацеевски, Сара Ланглуа и Даниэль Пазуки (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) за их работу, связанную с этим исследованием. Финансирование было получено от Программы исследований здоровья лошадей Школы ветеринарной медицины Университета штата Луизиана через грант Чарльза В. Кузимано.
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 |
References
- 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).
