Constructie van een realistisch, whole-body, driedimensionaal paardenskeletmodel met behulp van computertomografiegegevens
Summary
Het doel van dit protocol is om de methode te beschrijven voor het creëren van een realistisch, skeletmodel van een paard dat kan worden gebruikt voor functionele anatomische en biomechanische modellering om de mechanica van het hele lichaam te karakteriseren.
Abstract
Therapieën op basis van biomechanische beoordelingen van het hele lichaam zijn succesvol voor blessurepreventie en revalidatie bij menselijke atleten. Soortgelijke benaderingen zijn zelden gebruikt om atletisch letsel bij paarden te bestuderen. Degeneratieve artrose veroorzaakt door mechanische stress kan het gevolg zijn van chronische posturale disfunctie, die, omdat de primaire disfunctie vaak ver verwijderd is van de plaats van weefselbeschadiging, het best kan worden geïdentificeerd door modellering van biomechanica van het hele lichaam. Om de kinematica van het hele lichaam te karakteriseren, werd een realistisch skeletmodel van een paard gemaakt op basis van equine computed tomography (CT) -gegevens die kunnen worden gebruikt voor functionele anatomische en biomechanische modellering. Equine CT-gegevens werden gereconstrueerd in individuele driedimensionale (3D) datasets (d.w.z. botten) met behulp van 3D-visualisatiesoftware en samengevoegd tot een compleet 3D-skeletmodel. Het model werd vervolgens opgetuigd en geanimeerd met behulp van 3D-animatie en modelleringssoftware. Het resulterende 3D-skeletmodel kan worden gebruikt om paardenhoudingen te karakteriseren die verband houden met degeneratieve weefselveranderingen en om houdingen te identificeren die mechanische stress verminderen op de plaatsen van weefselletsel. Bovendien kan het model, wanneer het in 4D wordt geanimeerd, worden gebruikt om ongezonde en gezonde skeletbewegingen aan te tonen en kan het worden gebruikt om preventieve en rehabiliterende geïndividualiseerde therapieën te ontwikkelen voor paarden met degeneratieve lamenesses. Hoewel het model binnenkort beschikbaar zal zijn om te downloaden, is het momenteel in een formaat dat toegang vereist tot de 3D-animatie- en modelleringssoftware, die een behoorlijke leercurve heeft voor nieuwe gebruikers. Dit protocol zal gebruikers begeleiden bij (1) het ontwikkelen van een dergelijk model voor elk organisme van belang en (2) het gebruik van dit specifieke paardenmodel voor hun eigen onderzoeksvragen.
Introduction
Chronische kreupelheid bij paarden wordt vaak geassocieerd met progressieve degeneratieve weefsellaesies vergelijkbaar met die van artrose (OA), een groot probleem voor de volksgezondheid bij mensen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . In de menselijke geneeskunde, omdat therapeutische benaderingen gericht op de behandeling van specifieke laesies (bijv. Farmacotherapie en direct chondraal herstel) meestal hebben gefaald, worden pathomechanische krachten nu erkend als de oorzaak van weefselschade bij artrose. Afwijkende of pathomechanische krachten beïnvloeden zowel bot- als kraakbeencellen rechtstreeks, waardoor ontstekingsmediatoren en progressieve weefseldegeneratie worden veroorzaakt9. Deze waarnemingen geven aan dat tenzij de oorzakelijke mechanische krachten worden gecorrigeerd, veel chronische degeneratieve bot- en gewrichtsaandoeningen zich zullen blijven ontwikkelen. Vandaar dat de therapeutische focus in de menselijke geneeskunde verschuift naar benaderingen die de aangetaste gewrichten “ontladen” door gerichte oefening10,11. Deze verschuiving is echter nog niet gemaakt in de paardengeneeskunde, deels omdat modellen voor paardenbewegingen nodig zijn die kunnen worden aangepast om de bewegingen van een individu te laten zien.
Uitgebreide biomechanische analyse van het hele lichaam is gebruikelijk bij het ontwerpen van trainingsprogramma’s om atletische prestaties te optimaliseren en blessureherstel bij menselijke atletente vergemakkelijken 11 (zie ook bijvoorbeeld het tijdschrift “Sports Biomechanics”), maar wordt minder vaak gedaan voor paardensporters (maar zie12). Het overkoepelende doel hier is dus om pathomechanische modellen van paardenlammeheid vast te stellen die kunnen worden gebruikt om geïndividualiseerde preventieve en revalidatietherapieën te ontwikkelen om de gezondheid van paardensporters te verbeteren. Dergelijke pathomechanische modellen kunnen verschillen in de functionele anatomie van regio’s (d.w.z. de wervelkolom) karakteriseren die niet zo gemakkelijk te onderscheiden zijn voor het blote oog als andere (d.w.z. de onderste ledemaat). Om dit doel te bereiken, was het eerste doel om een anatomisch nauwkeurig, manipulateerbaar, paardenskeletmodel voor het hele lichaam te ontwikkelen dat als sjabloon kan worden gebruikt door onderzoekers die geïnteresseerd zijn in functionele anatomische, kinematische en kinetische analyses. Om nuttig te zijn voor paardenartsen en onderzoekers, moet dit model (1) biologisch realistisch zijn om nauwkeurige anatomische positionering mogelijk te maken, (2) eenvoudige en nauwkeurige aanpassingen mogelijk maken voor het modelleren van verschillende houdingen van gezonde en niet-gezonde paarden, (3) geanimeerd kunnen worden om de effecten van verschillende gangen te bestuderen, en (4) herhaalbare herscheppingen van posities en bewegingen vergemakkelijken.
Een 3D grafisch skeletmodel voor paarden met het hele lichaam werd gebouwd op basis van CT-gegevens waarin de posities van botten ten opzichte van elkaar konden worden gemanipuleerd en vervolgens geanimeerd om bewegingen van foto’s of video’s van een paard in beweging te matchen, waardoor een 4D-paardenskeletmodel werd gecreëerd. Afhankelijk van wat het beste past bij de vraag die moet worden beantwoord, kan het model worden gebruikt in 2D-, 3D- en 4D-versies of in verschillende combinaties om de pathomechanische effecten van specifieke posities of houdingen te illustreren en te karakteriseren. Vanwege het eenvoudige en flexibele ontwerp dient het model als een sjabloon dat door onderzoekers kan worden aangepast om hun specifieke vragen en gegevensparameters weer te geven. Dergelijke parameters omvatten bijvoorbeeld anatomische informatie op basis van geslacht en diergrootte, 3D-bewegingsanalysegegevens, schattingen van de kracht van zacht weefsel en traagheidseigenschappen. Het model maakt dus een meer gedetailleerde analyse van specifieke gebieden of gewrichten mogelijk, terwijl het ook de basis biedt voor het opzetten van experimenten die niet kunnen worden uitgevoerd op levende paarden. Vanwege praktische beperkingen met betrekking tot de beschikbaarheid van specimens (bijvoorbeeld de ribben gesneden) en de scanner, is het paardenmodel voor het hele lichaam het resultaat van het samenvoegen van gegevens van drie paardenspecimens. Het model is dus geen perfecte weergave van een enkel individu, maar is gestandaardiseerd om individuele variabiliteit breder weer te geven. Kortom, het is een sjabloon dat moet worden gebruikt en aangepast aan de behoeften van onderzoekers. CT-scans van de romp, het hoofd en de nek en ledematen werden verkregen van twee paardenspecimens van ongeveer dezelfde grootte met een 64-slice CT-scanner met behulp van een botalgoritme, toonhoogte van 0,9, 1 mm slice. CT-scans van een set ribben werden verkregen met een 64-slice CT-scanner met behulp van een botalgoritme, pitch van 0,9, 0,64 mm slices.
Anatomische integriteit van de benige gewrichten (bijv. in de ledemaat) werd gehandhaafd. De zachte weefsels die beschikbaar zijn in de CT-scans werden ook gebruikt om de plaatsing van de botten te bevestigen. Omdat sommige hele ribben en de proximale delen van alle ribben beschikbaar waren en op het thoraxmonster werden gescand, konden de afzonderlijk gescande ribben nauwkeurig worden gedimensioneerd en binnen het skeletmodel voor het hele lichaam worden geplaatst. De resulterende CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) -gegevens werden geïmporteerd in de 3D-visualisatiesoftware (zie de tabel met materialen) en individuele botten werden gesegmenteerd in individuele datasets (d.w.z. botnetten). De individuele 3D-botnetten werden vervolgens geïmporteerd in de 3D-animatie- en modelleringssoftware (Table of Materials) waar ze, indien nodig, werden gedimensioneerd en samengevoegd tot een compleet paardenskelet ter voorbereiding op rigging – een grafische methode om de botnetten te verbinden zodat hun bewegingen zijn gekoppeld (figuur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol demonstreert hoe je een 3D-skeletmodel voor het hele lichaam van een organisme kunt maken en laat zien hoe je het hele lichaam paardenskeletmodel kunt gebruiken dat in dit artikel wordt beschreven. Het model bevindt zich momenteel in een formaat dat een specifieke 3D-animatie- en modelleringssoftware vereist, die een behoorlijke leercurve heeft voor nieuwe gebruikers. Een versie van deze software is echter vrij beschikbaar voor degenen die verbonden zijn aan een universiteit. Hoewel het modelleren van de houding en beweging van het hele lichaam wordt gebruikt om menselijke atleten te beoordelen en om oorzaken van mechanisch geïnduceerde chronische verwondingen te identificeren11, wordt het minder vaak gedaan bij paardensporters. Om deze aanpak te gebruiken voor de beoordeling van de mogelijke oorzaken van atletische blessures en prestatieproblemen bij paarden, werd een realistisch skeletachtigenmodel voor het hele lichaam gemaakt op basis van CT-gegevens met behulp van de 3D-visualisatiesoftware en 3D-animatie- en modelleringssoftware. Dit model verschilt van andere paardenmodellen die ofwel artistieke grafische recreaties van het skelet zijn (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) of die alleen de ledematen 14,15,16,17 weergeven. In dit model voor het hele lichaam waren voorpoten, achterpoten, wervelkolom en ribbenkast allemaal opgetuigd en hadden bedieningselementen bevestigd die eenvoudige manipulatie van het model mogelijk maken voor realistische en nauwkeurige positionering en animatie.
Het protocol dat wordt gebruikt om het model op te tuigen, maakt herhaalbaarheid en toekomstige wijzigingen mogelijk om aan de behoeften van het specifieke paard te voldoen, waardoor geïndividualiseerde analyse mogelijk wordt. Het paardenmodel is dus een hulpmiddel dat door onderzoekers kan worden gebruikt bij het analyseren van beweging. Het is echter geen geautomatiseerd programma dat antwoorden geeft zonder de invoer van parameters die specifiek zijn voor het dier dat wordt gemodelleerd en de vraag wordt behandeld, omdat de nauwkeurigheid van het model direct verband houdt met de sterkte van een bepaalde analyse. De mogelijkheid om parameters in te voeren maakt het ook mogelijk om het model voortdurend bij te werken met gegevens uit toekomstige onderzoeksstudies. Bovendien kan dit grafische riggingprotocol worden toegepast en / of aangepast om de anatomische verschillen tussen individuen weer te geven. Het kan ook worden aangepast om andere dieren effectief te modelleren. Het 3D-paardenmodel kan eenvoudig worden gemanipuleerd en gepositioneerd om posities en bewegingen te simuleren. Dit is vooral duidelijk bij de ledematen omdat hun bewegingen relatief eenvoudig te zien en te modelleren zijn.
De grafische gezamenlijke positionering in het model werd bepaald door een vergelijkbare benadering als die in andere studieswerd gebruikt 18,19. De botnetten werden in een neutrale positie geplaatst. Grafische gewrichten werden zo geplaatst dat de botten vrij konden draaien zonder een botsing met andere botnetten te veroorzaken. In de cijfers werd de grafische verbinding geplaatst op het punt waar een bol samenviel met de bewegingsoppervlakken. Het grafische gewricht van het schouderblad werd bij benadering in het midden van het schouderblad geplaatst. Deze positionering van de grafische verbinding maakt het mogelijk om deze in 6 vrijheidsgraden te bewegen om de schouderblad in de gewenste positie te oriënteren. In tegenstelling tot de ledematen is de beweging van de wervelkolom niet gemakkelijk te zien, is complexer dan vaak wordt gerealiseerd en is dus moeilijker te modelleren. Hoewel het model de flexibiliteit heeft om te worden gebruikt om bewegingen en problemen bij specifieke spinale gewrichten te onderzoeken, moest het ook in staat zijn om de vaak moeilijk te onderscheiden bewegingen van de hele wervelkolom weer te geven. Het gebruik van de “lintrug” zorgt voor een meer realistische beweging van de wervelkolom tijdens animaties.
Dit is belangrijk omdat de wervelkolom bij paarden, zoals bij mensen is gevonden, vaak de oorzaak is van problemen die mogelijk verband houden met afwijkende biomechanische bewegingen en letsel aan de ledematen. Een kracht van dit model is het vermogen om nauwkeurig wervelkolomposities aan te tonen, zoals transversale wervelrotaties20 (figuur 4). Hoe deze houdingen de ledematen in drie dimensies beïnvloeden tijdens verschillende gangen kan worden bepaald door het model te gebruiken in combinatie met kinematische en krachtanalyse (bijv. Drukplaatstudies om verhoogde belasting van de ledematen en statische krachtanalyse te bevestigen). Weke delen musculofasciale componenten worden momenteel toegevoegd aan het skeletmodel van het hele lichaam. Toekomstige doelen zijn om het gebruik van het model in 3D-biomechanische analyse uit te breiden voor studies van paardenlamme toestand. Een dergelijke uitbreiding zou het gebruik van het model omvatten om 3D-krachtanalyses te voltooien die gezonde en ongezonde houdingen vergelijken en het model registreren met 3D-gegevenspunten die zijn verzameld in motion capture-studies om een effectievere visuele weergave van beweging te bieden.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de heer Jean Luc Cornille, Science of Motion, voor zijn inbreng in de nauwkeurigheid van het modelleren; Dr. Martha Littlefield en Mr. James Ray (LSU SVM), en Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett en Mr. Brent Norwood (UGA CVM) voor toegang tot anatomische specimens; Dr. Ajay Sharma (UGACVM) en Dr. L. Abbigail Granger en Mr. Mark Hunter (LSUSVM) voor het uitvoeren van CT-scans; en niet-gegradueerde onderzoekers Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois en Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) voor hun werk met betrekking tot dit onderzoek. Financiering werd verkregen van het Equine Health Studies Program van de Louisiana State University School of Veterinary Medicine via een Charles V. Cusimano-beurs.
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).
