بناء نموذج هيكلي واقعي للخيول كامل الجسم ثلاثي الأبعاد باستخدام بيانات التصوير المقطعي المحوسب
Summary
الغرض من هذا البروتوكول هو وصف طريقة إنشاء نموذج هيكلي واقعي كامل الجسم للحصان يمكن استخدامه في النمذجة التشريحية والميكانيكية الحيوية الوظيفية لتوصيف ميكانيكا الجسم بالكامل.
Abstract
العلاجات القائمة على التقييمات الميكانيكية الحيوية للجسم كله ناجحة للوقاية من الإصابات وإعادة التأهيل لدى الرياضيين البشر. نادرا ما تم استخدام أساليب مماثلة لدراسة الإصابات الرياضية للخيول. يمكن أن ينشأ هشاشة العظام التنكسية الناجمة عن الإجهاد الميكانيكي من خلل وظيفي وضعي مزمن ، والذي ، لأن الخلل الوظيفي الأولي غالبا ما يكون بعيدا عن موقع إصابة الأنسجة ، يتم تحديده بشكل أفضل من خلال نمذجة الميكانيكا الحيوية للجسم كله. لتوصيف حركية الخيول في الجسم كله ، تم إنشاء نموذج هيكلي واقعي للحصان من بيانات التصوير المقطعي المحوسب للخيول (CT) التي يمكن استخدامها في النمذجة التشريحية الوظيفية والميكانيكية الحيوية. تم إعادة بناء بيانات التصوير المقطعي المحوسب للخيول في مجموعات بيانات فردية ثلاثية الأبعاد (3D) (أي العظام) باستخدام برنامج التصور ثلاثي الأبعاد وتجميعها في نموذج هيكلي ثلاثي الأبعاد كامل. ثم تم تزوير النموذج وتحريكه باستخدام برامج الرسوم المتحركة والنمذجة 3D. يمكن استخدام نموذج الهيكل العظمي 3D الناتج لتوصيف مواقف الخيول المرتبطة بتغيرات الأنسجة التنكسية وكذلك لتحديد المواقف التي تقلل من الإجهاد الميكانيكي في مواقع إصابة الأنسجة. بالإضافة إلى ذلك ، عند تحريكه في 4D ، يمكن استخدام النموذج لإظهار حركات الهيكل العظمي غير الصحية والصحية ويمكن استخدامه لتطوير علاجات فردية وقائية وتأهيلية للخيول ذات العرج التنكسية. على الرغم من أن النموذج سيكون متاحا قريبا للتنزيل ، إلا أنه حاليا بتنسيق يتطلب الوصول إلى برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة 3D ، والذي يحتوي على منحنى تعليمي كبير للمستخدمين الجدد. سيوجه هذا البروتوكول المستخدمين في (1) تطوير مثل هذا النموذج لأي كائن حي ذي أهمية و (2) استخدام هذا النموذج المحدد للخيول لأسئلة البحث الخاصة بهم.
Introduction
غالبا ما يرتبط العرج المزمن في الخيول بآفات الأنسجة التنكسية التقدمية المشابهة لتلك الموجودة في هشاشة العظام (OA) ، وهي مشكلة صحية عامة رئيسية لدى البشر1،2،3،4،5،6،7،8،9 . في الطب البشري ، نظرا لأن الأساليب العلاجية التي تركز على علاج آفات محددة (على سبيل المثال ، العلاج الدوائي والإصلاح الغضروفي المباشر) قد فشلت في الغالب ، يتم التعرف الآن على القوى الميكانيكية المرضية باعتبارها السبب الجذري لتلف الأنسجة في الزراعة العضوية. تؤثر القوى الشاذة أو المسببة للأمراض الميكانيكية على كل من خلايا العظام والغضاريف مباشرة ، مما يؤدي إلى إطلاق الوسطاء الالتهابيين وتنكس الأنسجة التدريجي9. تشير هذه الملاحظات إلى أنه ما لم يتم تصحيح القوى الميكانيكية المسببة ، فإن العديد من أمراض العظام والمفاصل التنكسية المزمنة ستستمر في التقدم. وبالتالي ، فإن التركيز العلاجي في الطب البشري يتحول إلى النهج التي “تفرغ” المفاصل المصابة من خلال التمرين المستهدف10,11. ومع ذلك ، لم يتم إجراء هذا التحول بعد في طب الخيول ، ويرجع ذلك جزئيا إلى الحاجة إلى نماذج لحركة الخيول التي يمكن تكييفها لإظهار حركات الفرد.
يعد التحليل الميكانيكي الحيوي الشامل للجسم بأكمله شائعا في تصميم برامج التدريب لتحسين الأداء الرياضي وتسهيل التعافي من الإصابات لدى الرياضيين البشريين11 (انظر أيضا على سبيل المثال ، مجلة “Sports Biomechanics”) ، ولكنه أقل شيوعا لرياضيي الخيول (ولكن انظر12). وبالتالي ، فإن الهدف الشامل هنا هو إنشاء نماذج ميكانيكية مرضية لعرج الخيول التي يمكن استخدامها لتطوير علاجات وقائية وتأهيلية فردية لتحسين صحة رياضيي الخيول. يمكن لهذه النماذج الميكانيكية المسببة للأمراض أن تميز الاختلافات في التشريح الوظيفي للمناطق (أي العمود الفقري) التي لا يمكن تمييزها بسهولة بالعين المجردة مثل غيرها (أي الطرف السفلي). لتحقيق هذا الهدف ، كان الهدف الأول هو تطوير نموذج هيكل عظمي دقيق تشريحيا وقابل للتلاعب وكامل الجسم والخيول يمكن استخدامه كقالب من قبل الباحثين المهتمين بالتحليلات التشريحية الوظيفية والحركية والحركية. لكي يكون هذا النموذج مفيدا لأطباء وباحثي الخيول ، يجب أن يكون (1) واقعيا بيولوجيا لتمكين تحديد المواقع التشريحية الدقيقة ، (2) السماح بإجراء تعديلات سهلة ودقيقة لنمذجة المواقف المختلفة للخيول الصحية وغير الصحية ، (3) أن يكون قادرا على أن يكون متحركا لدراسة آثار المشيات المختلفة ، و (4) تسهيل إعادة إنشاء المواقف والحركات القابلة للتكرار.
تم بناء نموذج هيكلي للخيول 3D للجسم بالكامل من بيانات CT حيث يمكن التلاعب بمواقع العظام بالنسبة لبعضها البعض ثم تحريكها لمطابقة الحركات من الصور أو مقاطع الفيديو لحصان في الحركة ، وبالتالي إنشاء نموذج هيكل عظمي للخيول 4D. اعتمادا على ما يناسب السؤال المراد معالجته ، يمكن استخدام النموذج في إصدارات 2D و 3D و 4D أو في مجموعات مختلفة لتوضيح وتوصيف التأثيرات الميكانيكية المسببة للأمراض لمواقف أو مواقف محددة. بسبب تصميمه الأساسي والمرن ، يعمل النموذج كقالب يمكن تعديله من قبل الباحثين ليعكس أسئلتهم المحددة ومعلمات البيانات. وتشمل هذه المعلمات ، على سبيل المثال ، المعلومات التشريحية على أساس الجنس وحجم الحيوان ، وبيانات تحليل الحركة 3D ، وتقديرات قوة الأنسجة الرخوة ، وخصائص القصور الذاتي. وبالتالي ، يسمح النموذج بإجراء تحليل أكثر تفصيلا لمناطق أو مفاصل محددة ، مع توفير الأساس لإعداد تجارب لا يمكن إجراؤها على الخيول الحية. نظرا للقيود العملية المتعلقة بتوافر العينات (على سبيل المثال ، قطع الأضلاع) والماسح الضوئي ، فإن نموذج الخيول لكامل الجسم هو نتيجة لدمج البيانات من ثلاث عينات من الخيول. وبالتالي ، فإن النموذج ليس تمثيلا مثاليا لفرد واحد ، ولكن تم توحيده لتمثيل التباين الفردي على نطاق أوسع. باختصار ، إنه قالب يجب استخدامه وتعديله ليناسب احتياجات الباحثين. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب للجذع والرأس والرقبة والأطراف من عينتين من الخيول من نفس الحجم تقريبا باستخدام ماسح الأشعة المقطعية المكون من 64 شريحة باستخدام خوارزمية العظام ، درجة 0.9 ، شريحة 1 مم. تم الحصول على التصوير المقطعي المحوسب لمجموعة من الأضلاع باستخدام ماسح الأشعة المقطعية المكون من 64 شريحة باستخدام خوارزمية العظام ، ودرجة 0.9 ، 0.64 مم شرائح.
تم الحفاظ على السلامة التشريحية للمفاصل العظمية (على سبيل المثال ، داخل الطرف). كما تم استخدام الأنسجة الرخوة المتوفرة في التصوير المقطعي المحوسب لتأكيد وضع العظام. نظرا لأن بعض الأضلاع الكاملة والأجزاء القريبة من جميع الأضلاع كانت متاحة ومسحت ضوئيا على عينة الصدر ، يمكن تحديد حجم الأضلاع الممسوحة ضوئيا بشكل منفصل بدقة ووضعها داخل نموذج الهيكل العظمي للجسم بأكمله. تم استيراد بيانات التصوير المقطعي المحوسب والاتصالات في الطب (DICOM) الناتجة إلى برنامج التصور 3D (انظر جدول المواد) ، وتم تقسيم العظام الفردية إلى مجموعات بيانات فردية (أي شبكات العظام). ثم تم استيراد شبكات العظام ثلاثية الأبعاد الفردية إلى برنامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثي الأبعاد (جدول المواد) حيث تم تحجيمها ، إذا لزم الأمر ، وتجميعها في هيكل عظمي كامل للخيول استعدادا للتزوير – وهي طريقة رسومية لربط شبكات العظام بحيث يتم ربط حركاتها (الشكل 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
يوضح هذا البروتوكول كيفية إنشاء نموذج هيكلي كامل الجسم 3D للكائن الحي ويوضح كيفية استخدام نموذج الهيكل العظمي للخيول للجسم كله الموضح في هذه الورقة. النموذج حاليا في شكل يتطلب برنامج رسوم متحركة ونمذجة 3D محدد ، والذي يحتوي على منحنى تعليمي كبير للمستخدمين الجدد. ومع ذلك ، يتوفر إصدار من هذا البرنامج مجانا لأولئك الذين ينتمون إلى جامعة. على الرغم من أن نمذجة وضعية الجسم كله وحركته تستخدم لتقييم الرياضيين البشريين وتحديد أسباب الإصابات المزمنة الناجمة ميكانيكيا11 ، إلا أنها أقل شيوعا مع رياضيي الخيول. لاستخدام هذا النهج لتقييم الأسباب المحتملة للإصابات الرياضية للخيول وقضايا الأداء ، تم إنشاء نموذج واقعي للخيول الهيكلية للجسم بأكمله من بيانات التصوير المقطعي المحوسب باستخدام برنامج التصور ثلاثي الأبعاد وبرامج الرسوم المتحركة والنمذجة ثلاثية الأبعاد. يختلف هذا النموذج عن نماذج الخيول الأخرى التي هي إما استجمام رسومي فني للهيكل العظمي (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) أو التي تصور الأطراف فقط14،15،16،17. في هذا النموذج للجسم كله ، تم تزوير الأطراف الأمامية والأطراف الخلفية والعمود الفقري والقفص الصدري وكان لها عناصر تحكم مرفقة تسمح بسهولة التلاعب بالنموذج لتحديد المواقع والرسوم المتحركة بشكل واقعي ودقيق.
يسمح البروتوكول المستخدم للتلاعب بالنموذج بالتكرار والتعديلات المستقبلية لتناسب احتياجات الحصان المحدد الذي يتم تزويره ، مما يتيح التحليل الفردي. وبالتالي ، فإن نموذج الخيول هو أداة يستخدمها الباحثون أثناء تحليلهم للحركة. ومع ذلك ، فهو ليس برنامجا آليا يوفر إجابات دون إدخال معلمات خاصة بالحيوان الذي يتم نمذجته والسؤال الذي يتم معالجته ، حيث ترتبط دقة النموذج ارتباطا مباشرا بقوة تحليل معين. كما تسمح القدرة على إدخال المعلمات بتحديث النموذج باستمرار ببيانات من الدراسات البحثية المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق بروتوكول تزوير الرسومات هذا و / أو تعديله ليعكس الاختلافات التشريحية بين الأفراد. ويمكن أيضا تكييفها لنمذجة الحيوانات الأخرى بشكل فعال. يمكن التلاعب بسهولة بنموذج الخيول 3D ووضعه لمحاكاة المواقف والحركات. هذا واضح بشكل خاص مع الأطراف لأن حركاتها بسيطة نسبيا في الرؤية والنمذجة.
تم تحديد موضع المفصل البياني في النموذج من خلال نهج مماثل لتلك المستخدمة في دراسات أخرى18,19. تم وضع شبكات العظام في وضع محايد. تم وضع المفاصل الرسومية بحيث تكون العظام قادرة على الدوران بحرية دون التسبب في أي تصادم مع شبكات العظام الأخرى. في الأرقام ، تم وضع المفصل الرسومي عند النقطة التي تزامنت فيها الكرة مع أسطح الحركة. تم وضع المفصل الرسومي للكتف في المركز التقريبي لشفرة الكتف. يسمح هذا الوضع للمفصل الرسومي بتحريكه بحرية 6 درجات لتوجيه الكتف إلى الموضع المطلوب. على عكس الأطراف ، لا يمكن رؤية حركة العمود الفقري بسهولة ، وهي أكثر تعقيدا مما يتحقق في كثير من الأحيان ، وبالتالي يصعب نمذجتها. على الرغم من أن النموذج يتمتع بالمرونة اللازمة للاستخدام في الحركات والقضايا في مفاصل العمود الفقري المحددة ، إلا أنه يحتاج أيضا إلى أن يكون قادرا على تمثيل الحركات التي يصعب تمييزها في كثير من الأحيان للعمود الفقري بأكمله. يسمح استخدام “العمود الفقري الشريطي” بحركة أكثر واقعية للعمود الفقري أثناء الرسوم المتحركة.
هذا مهم لأن العمود الفقري في الخيول ، كما تم العثور عليه في البشر ، غالبا ما يكون أصل المشكلات التي يحتمل أن تكون مرتبطة بالحركات الميكانيكية الحيوية الشاذة وإصابة الأطراف. تتمثل قوة هذا النموذج في القدرة على إظهار مواضع العمود الفقري بدقة ، مثل الدورات الفقرية المستعرضة20 (الشكل 4). يمكن تحديد كيفية تأثير هذه المواقف على الأطراف في ثلاثة أبعاد أثناء المشيات المختلفة باستخدام النموذج بالاقتران مع التحليل الحركي وتحليل القوة (على سبيل المثال ، دراسات لوحة الضغط لتأكيد زيادة تحميل الأطراف وتحليل القوة الثابتة). تتم حاليا إضافة مكونات الأنسجة الرخوة العضلية اللفافة إلى نموذج الهيكل العظمي للجسم بأكمله. الأهداف المستقبلية هي توسيع استخدام النموذج في التحليل الميكانيكي الحيوي 3D لدراسات عرج الخيول. وسيشمل هذا التوسع استخدام النموذج لإكمال تحليلات القوة ثلاثية الأبعاد التي تقارن بين المواقف الصحية وغير الصحية وتسجيل النموذج بنقاط بيانات ثلاثية الأبعاد تم جمعها في دراسات التقاط الحركة لتوفير تمثيل مرئي أكثر فعالية للحركة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعرب المؤلفان عن تقديرهما للسيد جان لوك كورنيل، علم الحركة، لمدخلاته في دقة النمذجة؛ الدكتورة مارثا ليتلفيلد والسيد جيمس راي (LSU SVM) ، والدكتور ستيف هولاداي ، والدكتورة كارلا جاريت ، والسيد برنت نوروود (UGA CVM) للوصول إلى العينات التشريحية ؛ الدكتور أجاي شارما (UGACVM) والدكتور ل. أبيغايل جرانجر والسيد مارك هنتر (LSUSVM) لإجراء الأشعة المقطعية؛ والباحثين الجامعيين جيريمي بيكر وجوشوا ماسيجيفسكي وسارة لانغلوا ودانيال بازوكي (مختبر التشريح الوظيفي والتطوري التابع لكلية الطب البيطري بجامعة LSU) لعملهم المتعلق بهذا البحث. تم الحصول على التمويل من برنامج الدراسات الصحية للخيول التابع لكلية الطب البيطري بجامعة ولاية لويزيانا من خلال منحة تشارلز ف. كوزيمانو.
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).
