컴퓨터 단층 촬영 데이터를 사용하여 현실적이고 전신, 입체 말 골격 모델 구축
Summary
이 프로토콜의 목적은 전신 역학을 특성화하기 위해 기능적 해부학 및 생체 역학 모델링에 사용할 수있는 말의 현실적, 전신, 골격 모델의 생성 방법을 설명하는 것입니다.
Abstract
전신 생체 역학 평가에 기초한 치료법은 인간 운동 선수의 부상 예방 및 재활에 성공합니다. 비슷한 접근법이 말 운동 부상을 연구하는 데 거의 사용되지 않았습니다. 기계적 스트레스로 인한 퇴행성 골관절염은 만성 자세 기능 장애에서 비롯될 수 있으며, 이는 일차 기능 장애가 종종 조직 손상 부위에서 멀리 떨어져 있기 때문에 전신 생체 역학 모델링을 통해 가장 잘 확인됩니다. 전신 말 운동학을 특성화하기 위해, 말의 현실적인 골격 모델은 기능적 해부학 및 생체 역학 모델링에 사용할 수있는 말 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 데이터로 만들어졌습니다. Equine CT 데이터는 3D 시각화 소프트웨어를 사용하여 개별 3차원(3D) 데이터 세트(즉, 뼈)로 재구성되고 완전한 3D 골격 모델로 조립되었습니다. 그런 다음 모델을 3D 애니메이션 및 모델링 소프트웨어를 사용하여 리깅하고 애니메이션했습니다. 결과 3D 골격 모델은 퇴행성 조직 변화와 관련된 말 자세를 특성화하고 조직 손상 부위에서 기계적 스트레스를 줄이는 자세를 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 4D로 애니메이션될 때, 이 모델은 건강에 좋지 않고 건강한 골격 운동을 입증하는 데 사용될 수 있으며, 퇴행성 파행이 있는 말에 대한 예방적이고 재활적인 개별화된 치료법을 개발하는 데 사용될 수 있다. 이 모델은 곧 다운로드 할 수 있지만 현재 3D 애니메이션 및 모델링 소프트웨어에 액세스해야하는 형식으로 되어 있으며 새로운 사용자에게는 상당한 학습 곡선이 있습니다. 이 프로토콜은 (1) 관심있는 유기체에 대한 그러한 모델을 개발하고 (2) 자신의 연구 질문에 대해이 특정 말 모델을 사용하는 사용자를 안내합니다.
Introduction
말의 만성 파행은 종종 골관절염 (OA)과 유사한 진행성 퇴행성 조직 병변과 관련이 있으며, 이는 인간의 주요 공중 보건 문제인 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . 인간 의학에서, 특정 병변을 치료하는 데 초점을 맞춘 치료 접근법 (예를 들어, 약물 요법 및 직접 연골 수복)이 대부분 실패했기 때문에, 병리 역학적 힘은 이제 OA에서 조직 손상의 근본 원인으로 인식되고 있습니다. 비정상적인 또는 병리역학적 힘은 뼈 및 연골 세포 둘 다에 직접적으로 영향을 미치고, 염증성 매개체 및 진행성 조직 변성의 방출을 유도한다9. 이러한 관찰은 원인 역학적 힘이 교정되지 않으면 많은 만성 퇴행성 뼈 및 관절 질환이 계속 진행될 것임을 나타냅니다. 따라서 인간 의학의 치료 초점은 표적 운동10,11을 통해 영향을받는 관절을 “언로드”하는 접근법으로 이동하고 있습니다. 그러나 이러한 변화는 말 의학에서 아직 이루어지지 않았으며, 부분적으로는 개인의 움직임을 보여주기 위해 적응할 수있는 말 운동을위한 모델이 필요하기 때문입니다.
포괄적이고 전신 생체 역학 분석은 운동 능력을 최적화하고 인간 운동 선수 (11 )의 부상 회복을 촉진하기위한 훈련 프로그램을 설계하는 데 일반적이지만 (예 : 저널 “스포츠 생물 역학”참조), 말 운동 선수에게는 덜 일반적입니다 (그러나12 참조). 따라서, 여기서 가장 중요한 목표는 말 운동 선수의 건강을 개선하기위한 개별화 된 예방 및 재활 요법을 개발하는 데 사용할 수있는 말 파행의 병리학 적 모델을 수립하는 것입니다. 이러한 병리역학적 모델은 다른 것들(즉, 하지)만큼 육안으로 쉽게 식별할 수 없는 영역(즉, 척추)의 기능적 해부학의 차이를 특성화할 수 있다. 이 목표를 달성하기 위해 첫 번째 목표는 기능적 해부학적, 운동학 및 운동 학적 분석에 관심이있는 연구자가 템플릿으로 사용할 수있는 해부학 적으로 정확하고 조작 가능한 전신, 말 골격 모델을 개발하는 것이 었습니다. 말 임상의와 연구원에게 유용하기 위해,이 모델은 (1) 정확한 해부학 적 위치 지정을 가능하게하기 위해 생물학적으로 현실적이어야하며, (2) 건강하고 건강에 좋지 않은 말의 다양한 자세를 모델링하기위한 쉽고 정확한 조정을 허용하고, (3) 다양한 보행의 효과를 연구하기 위해 애니메이션 될 수 있어야하며, (4) 위치와 움직임의 반복 가능한 재 창조를 용이하게해야합니다.
3D 그래픽 전신 말 골격 모델은 CT 데이터로 구축되어 서로 상대적인 뼈의 위치를 조작 한 다음 움직이는 말의 사진이나 비디오의 움직임과 일치하도록 애니메이션하여 4D 말 골격 모델을 만들었습니다. 해결해야 할 질문에 가장 적합한 것이 무엇인지에 따라 모델은 2D, 3D 및 4D 버전 또는 다양한 조합으로 사용하여 특정 위치 또는 자세의 병리 역학적 효과를 설명하고 특성화 할 수 있습니다. 기본적이고 유연한 디자인으로 인해이 모델은 연구자가 특정 질문 및 데이터 매개 변수를 반영하도록 수정할 수있는 템플릿 역할을합니다. 이러한 파라미터는 예를 들어, 성별 및 동물 크기, 3D 운동 분석 데이터, 연조직 힘 추정, 및 관성 특성에 기초한 해부학적 정보를 포함한다. 따라서이 모델은 특정 부위 또는 관절에 대한보다 상세한 분석을 허용하는 동시에 살아있는 말에서 수행 할 수없는 실험을 설정하는 기초를 제공합니다. 표본 가용성 (예를 들어, 갈비뼈 절단) 및 스캐너와 관련된 실질적인 한계로 인해, 전신 말 모델은 세 개의 말 표본으로부터의 데이터를 병합 한 결과입니다. 따라서, 모델은 단일 개인의 완벽한 표현은 아니지만, 개인의 가변성을 더 광범위하게 나타내도록 표준화되었다. 요컨대, 연구자의 요구에 맞게 사용하고 수정하는 템플릿입니다. 트렁크, 머리 및 목 및 팔다리의 CT 스캔은 뼈 알고리즘, 피치 0.9, 1mm 슬라이스를 사용하여 64 슬라이스 CT 스캐너로 거의 동일한 크기의 두 개의 말 표본에서 획득했습니다. 갈비뼈 세트의 CT 스캔은 뼈 알고리즘, 피치 0.9, 0.64mm 슬라이스를 사용하여 64 슬라이스 CT 스캐너로 획득했습니다.
뼈 관절의 해부학 적 완전성 (예를 들어, 사지 내)이 유지되었다. CT 스캔에서 사용 가능한 연조직은 또한 뼈의 배치를 확인하는 데 사용되었습니다. 일부 전체 갈비뼈와 모든 갈비뼈의 근위 부분을 흉부 표본에서 사용할 수 있고 스캔했기 때문에 별도로 스캔 한 갈비뼈의 크기를 정확하게 조정하고 전신 골격 모델 내에 배치 할 수있었습니다. 그 결과 CT 디지털 이미징 및 의학 커뮤니케이션(DICOM) 데이터를 3D 시각화 소프트웨어( 재료 표 참조)로 가져오고 개별 뼈를 개별 데이터 세트(예: 뼈 메쉬)로 분할했습니다. 그런 다음 개별 3D 뼈 메쉬를 3D 애니메이션 및 모델링 소프트웨어(재료 표)로 가져와 필요한 경우 크기를 조정하고 리깅을 준비하기 위해 완전한 말 골격으로 조립했습니다(뼈 메쉬를 연결하여 움직임이 연결되도록 하는 그래픽 방법).
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜은 유기체의 3D 전신 골격 모델을 만드는 방법을 보여주고이 논문에 설명 된 전신 말 골격 모델을 사용하는 방법을 보여줍니다. 이 모델은 현재 특정 3D 애니메이션 및 모델링 소프트웨어가 필요한 형식으로되어 있으며 새로운 사용자를위한 학습 곡선이 있습니다. 그러나이 소프트웨어의 버전은 대학과 관련된 사람들을 위해 자유롭게 사용할 수 있습니다. 전신 자세와 움직임을 모델링하는 것이 인간 운동 선수를 평가하고 기계적으로 유발 된 만성 부상의 원인을 식별하는 데 사용되지만11, 말 운동 선수에게는 덜 일반적입니다. 말 운동 부상 및 성능 문제의 잠재적 원인을 평가하기 위해이 접근법을 사용하기 위해 3D 시각화 소프트웨어 및 3D 애니메이션 및 모델링 소프트웨어를 사용하여 CT 데이터로 현실적인 전신 골격 말 모델을 만들었습니다. 이 모델은 골격 (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ)의 예술적 그래픽 레크리에이션이거나 팔다리 14,15,16,17 만 묘사하는 다른 말 모델과 다릅니다. 이 전신 모델에서는 앞다리, 뒷다리, 척추 및 흉곽이 모두 조작되었으며 사실적이고 정확한 위치 지정 및 애니메이션을 위해 모델을 쉽게 조작 할 수있는 컨트롤이 부착되어 있습니다.
모델을 조작하는 데 사용되는 프로토콜은 조작되는 특정 말의 요구에 맞게 반복성과 향후 변경을 허용하여 개별화 된 분석을 가능하게합니다. 따라서 말 모델은 연구자가 움직임을 분석 할 때 사용하는 도구입니다. 그러나 모델의 정확성은 특정 분석의 강도와 직접 관련되어 있기 때문에 모델링되는 동물과 관련된 매개 변수와 해결되는 질문에 대한 입력없이 답변을 제공하는 자동화 된 프로그램은 아닙니다. 매개 변수를 입력 할 수있는 기능을 사용하면 향후 연구 연구의 데이터로 모델을 지속적으로 업데이트 할 수 있습니다. 추가적으로, 이러한 그래픽 리깅 프로토콜은 개인들 사이의 해부학적 차이를 반영하도록 적용 및/또는 조정될 수 있다. 또한 다른 동물을 효과적으로 모델링하도록 조정할 수 있습니다. 3D 말 모델은 위치와 움직임을 시뮬레이션하기 위해 쉽게 조작하고 배치할 수 있습니다. 이것은 팔다리의 움직임이보고 모델링하기가 비교적 간단하기 때문에 특히 분명합니다.
모델에서의 그래픽 조인트 포지셔닝은 다른 연구18,19에서 사용된 것과 유사한 접근법에 의해 결정되었다. 뼈 메쉬를 중립 위치에 배치했습니다. 그래픽 조인트는 뼈가 다른 뼈 메쉬와 충돌하지 않고 자유롭게 회전 할 수 있도록 배치되었습니다. 숫자에서 그래픽 조인트는 구가 이동 표면과 일치하는 지점에 배치되었습니다. 견갑골의 그래픽 조인트는 견갑골 잎의 대략적인 중앙에 배치되었습니다. 그래픽 조인트의 이러한 위치는 견갑골을 원하는 위치로 향하게하기 위해 6 자유도로 이동할 수있게합니다. 팔다리와 달리 척추의 움직임은 쉽게 보이지 않으며 종종 실현되는 것보다 복잡하므로 모델링하기가 더 어렵습니다. 이 모델은 특정 척추 관절의 움직임과 문제를 조사하는 데 사용할 수있는 유연성을 가지고 있지만 전체 척추의 종종 구별하기 어려운 움직임을 나타낼 수 있어야했습니다. “리본 척추”를 사용하면 애니메이션 중에 척추를보다 사실적으로 움직일 수 있습니다.
이것은 인간에서 발견 된 것처럼 말의 척추가 종종 비정상적인 생체 역학적 움직임 및 팔다리 부상과 잠재적으로 관련된 문제의 기원이기 때문에 중요합니다. 이 모델의 강점은 횡단 척추 회전(20 )과 같은 척추 위치를 정확하게 입증하는 능력이다(그림 4). 이러한 자세가 다양한 보행 동안 세 차원에서 팔다리에 어떻게 영향을 미치는지는 운동학 및 힘 분석과 함께 모델을 사용하여 결정할 수 있습니다 (예를 들어, 사지의 증가 된 하중을 확인하기위한 압력 플레이트 연구 및 정적 힘 분석). 연조직 근막 성분은 현재 전신 골격 모델에 추가되고 있다. 미래의 목표는 말의 파행에 대한 연구를위한 3D 생체 역학 분석에서 모델의 사용을 확대하는 것입니다. 이러한 확장에는 모델을 사용하여 건강한 자세와 건강에 해로운 자세를 비교하는 3D 힘 분석을 완료하고 움직임의보다 효과적인 시각적 표현을 제공하기 위해 모션 캡처 연구에서 수집 된 3D 데이터 포인트에 모델을 등록하는 것이 포함됩니다.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자들은 모델링 정확도에 대한 그의 의견에 대해 운동의 과학 인 Jean Luc Cornille을 인정합니다. 마사 리틀필드 박사와 제임스 레이 씨(LSU SVM), 스티브 홀라데이 박사, 칼라 자렛 박사, 브렌트 노우드 씨(UGA CVM)가 해부학적 표본에 접근할 수 있도록 합니다. CT 스캔을 수행하기 위해 Ajay Sharma 박사 (UGACVM)와 L. Abbigail Granger 박사와 Mark Hunter (LSUSVM) 씨; 학부 연구원 Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois 및 Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab)는이 연구와 관련된 연구를 수행했습니다. 기금은 Charles V. Cusimano 보조금을 통해 Louisiana State University School of Veterinary Medicine의 Equine Health Studies Program에서 조달되었습니다.
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 |
Referências
- 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).
