בניית מודל שלד סוסים מציאותי, שלם,שלם, תלת-ממדי, באמצעות נתוני טומוגרפיה ממוחשבים
Summary
מטרת פרוטוקול זה היא לתאר את שיטת היצירה של מודל מציאותי, שלם של הגוף, השלד של סוס, שיכול לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים כדי לאפיין מכניקה של כל הגוף.
Abstract
טיפולים המבוססים על הערכות ביומכניות של כל הגוף מצליחים למניעת פציעות ושיקום אצל ספורטאים אנושיים. גישות דומות שימשו רק לעתים נדירות לחקר פציעות אתלטיות של סוסים. דלקת מפרקים ניוונית הנגרמת על ידי לחץ מכני יכולה לנבוע מתפקוד לקוי כרוני של היציבה, אשר, מכיוון שהתפקוד התפקודי הראשוני רחוק לעתים קרובות מאתר הפגיעה ברקמות, מזוהה בצורה הטובה ביותר באמצעות מידול ביומכניקה של כל הגוף. כדי לאפיין קינמטיקה של סוסים בכל הגוף, מודל שלד מציאותי של סוס נוצר מנתוני טומוגרפיה ממוחשבת של סוסים (CT) שיכולים לשמש למודלים אנטומיים וביומכניים פונקציונליים. נתוני CT של סוסים שוחזרו לערכות נתונים תלת-ממדיות (3D) בודדות (כלומר, עצמות) באמצעות תוכנת הדמיה תלת-ממדית והורכבו למודל של שלד תלת-ממדי שלם. לאחר מכן הודגם הונפש והונפש באמצעות תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית. ניתן להשתמש במודל השלד התלת-ממדי שנוצר כדי לאפיין תנוחות סוסים הקשורות לשינויים ניווניים ברקמות, כמו גם כדי לזהות תנוחות המפחיתות את הלחץ המכני באתרי הפגיעה ברקמות. בנוסף, כאשר הוא מונפש לתוך 4D, המודל יכול לשמש כדי להדגים תנועות שלד לא בריאות ובריאות וניתן להשתמש בו כדי לפתח טיפולים אינדיבידואליים מונעים ושיקומיים לסוסים עם צליעה ניוונית. למרות שהמודל יהיה זמין בקרוב להורדה, הוא נמצא כעת בפורמט הדורש גישה לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. פרוטוקול זה ינחה את המשתמשים ב-(1) פיתוח מודל כזה עבור כל אורגניזם בעל עניין ו-(2) שימוש במודל סוסים ספציפי זה לשאלות המחקר שלהם.
Introduction
צליעה כרונית בסוסים קשורה לעיתים קרובות לנגעים ניווניים מתקדמים ברקמות הדומות לאלה של דלקת מפרקים ניוונית (OA), בעיה מרכזית בבריאות הציבור בבני אדם 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . ברפואה האנושית, מכיוון שגישות טיפוליות המתמקדות בטיפול בנגעים ספציפיים (למשל, פרמקותרפיה ותיקון כונדרלי ישיר) נכשלו ברובן, כוחות פתומכניים מוכרים כיום כגורם השורשי לנזק לרקמות ב-OA. כוחות חריגים או פתומכניים משפיעים ישירות הן על תאי העצם והן על תאי הסחוס, וגורמים לשחרורם של מתווכים דלקתיים וניוון רקמות פרוגרסיבי9. תצפיות אלה מצביעות על כך שאם לא יתוקנו הכוחות המכניים הסיבתיים, מחלות עצם ומפרקים ניווניות כרוניות רבות ימשיכו להתקדם. לפיכך, ההתמקדות הטיפולית ברפואה האנושית עוברת לגישות ש”פורקות” את המפרקים הפגועים באמצעות פעילות גופנית ממוקדת10,11. עם זאת, שינוי זה עדיין לא נעשה ברפואת הסוסים, בין השאר משום שיש צורך במודלים לתנועת סוסים שניתן להתאים אותם כדי להראות את תנועותיו של הפרט.
ניתוח ביומכני מקיף, של כל הגוף, נפוץ בתכנון תוכניות אימונים כדי לייעל את הביצועים האתלטיים ולהקל על התאוששות מפציעות אצל ספורטאים אנושיים11 (ראו גם למשל, כתב העת “ספורט ביומכניקה”), אך הוא פחות נפוץ עבור ספורטאי סוסים (אך ראו12). לפיכך, מטרת העל כאן היא ליצור מודלים פתומכניים של צליעת סוסים שניתן להשתמש בהם כדי לפתח טיפולים מונעים ושיקומיים אינדיבידואליים כדי לשפר את בריאותם של ספורטאי סוסים. מודלים פתומכניים כאלה יכולים לאפיין הבדלים באנטומיה התפקודית של אזורים (כלומר, עמוד השדרה) שאינם ניתנים להבחנה בקלות לעין בלתי כמו אחרים (כלומר, הגפה התחתונה). כדי להשיג מטרה זו, המטרה הראשונה הייתה לפתח מודל שלד סוסים מדויק מבחינה אנטומית, ניתן למניפולציה, של כל הגוף, שיכול לשמש כתבנית על ידי חוקרים המעוניינים בניתוחים אנטומיים, קינמטיים וקינטיים פונקציונליים. כדי להיות שימושי לקלינאים ולחוקרים של סוסים, מודל זה חייב (1) להיות מציאותי מבחינה ביולוגית כדי לאפשר מיקום אנטומי מדויק, (2) לאפשר התאמות קלות ומדויקות למידול תנוחות שונות של סוסים בריאים ולא בריאים, (3) להיות מסוגל להיות מונפש כדי לחקור את ההשפעות של הליכות שונות, ו-(4) להקל על יצירה חוזרת של תנוחות ותנועות הניתנות לחזרה.
מודל שלד סוסים של כל הגוף הגרפי בתלת-ממד נבנה מנתוני CT שבהם ניתן היה לתמרן את מיקומי העצמות ביחס זו לזו ולאחר מכן להנפשה כדי להתאים לתנועות מתמונות או סרטונים של סוס בתנועה, ובכך ליצור מודל שלד סוסים 4D. בהתאם לשאלה המתאימה ביותר לשאלה שיש להתייחס אליה, ניתן להשתמש במודל בגרסאות דו-ממדיות, תלת-ממדיות ו-4-ממדיות או בשילובים שונים כדי להמחיש ולאפיין את ההשפעות הפתומכניות של תנוחות או תנוחות ספציפיות. בגלל העיצוב הבסיסי והגמיש שלו, המודל משמש כתבנית שניתן לשנות על ידי חוקרים כדי לשקף את השאלות הספציפיות שלהם ואת פרמטרי הנתונים שלהם. פרמטרים כאלה כוללים, למשל, מידע אנטומי המבוסס על מין וגודל בעלי חיים, נתוני ניתוח תנועה תלת-ממדיים, אומדני כוח של רקמות רכות ותכונות אינרציאליות. לפיכך, המודל מאפשר ניתוח מפורט יותר של אזורים או מפרקים ספציפיים, תוך מתן הבסיס גם להגדרת ניסויים שאינם מסוגלים להתבצע על סוסים חיים. בשל מגבלות מעשיות הקשורות לזמינות הדגימות (למשל, הצלעות שנחתכו) והסורק, מודל הסוסים בכל הגוף הוא תוצאה של מיזוג נתונים משלוש דגימות סוסים. לפיכך, המודל אינו ייצוג מושלם של אדם יחיד, אלא עבר סטנדרטיזציה כדי לייצג את השונות האינדיבידואלית באופן רחב יותר. בקיצור, זוהי תבנית שיש להשתמש בה ולשנות אותה כך שתתאים לצרכי החוקרים. סריקות CT של תא המטען, הראש והצוואר והגפיים נרכשו משתי דגימות סוסים בערך באותו גודל עם סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסת מ”מ 1 מ”מ. סריקות CT של קבוצה של צלעות נרכשו באמצעות סורק CT בן 64 פרוסות באמצעות אלגוריתם עצם, גובה של 0.9, פרוסות 0.64 מ”מ.
השלמות האנטומית של המפרקים הגרמיים (למשל, בתוך הגפה) נשמרה. הרקמות הרכות הקיימות בסריקות ה-CT שימשו גם כדי לאשר את מיקום העצמות. מכיוון שכמה צלעות שלמות וחלקים פרוקסימליים של כל הצלעות היו זמינים ונסרקו על דגימת בית החזה, ניתן היה להגדיל את הצלעות שנסרקו בנפרד ולהניחן בתוך מודל השלד של כל הגוף. נתוני ההדמיה הדיגיטלית והתקשורת ברפואה (DICOM) שהתקבלו כתוצאה מכך יובאו לתוכנת ההדמיה התלת-ממדית (ראו טבלת החומרים), ועצמות בודדות חולקו לערכות נתונים בודדות (כלומר, רשתות עצם). לאחר מכן יובאו רשתות העצם התלת-ממדיות הבודדות לתוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית (טבלת החומרים), שם גודלן, במידת הצורך, והורכבו לשלד סוסים שלם כהכנה לקרע – שיטה גרפית לחיבור רשתות העצם כך שתנועותיהן יהיו מקושרות (איור 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מדגים כיצד ליצור מודל שלד תלת-ממדי של כל הגוף של אורגניזם ומדגים כיצד להשתמש במודל שלד הסוסים בכל הגוף המתואר במאמר זה. המודל נמצא כיום בפורמט הדורש תוכנת אנימציה ומידול תלת-ממדית ספציפית, שיש לה עקומת למידה לא קטנה עבור משתמשים חדשים. עם זאת, גרסה של תוכנה זו זמינה באופן חופשי עבור אלה הקשורים לאוניברסיטה. למרות שמידול של יציבה ותנועה של כל הגוף משמש להערכת ספורטאים אנושיים ולזיהוי גורמים לפציעות כרוניות הנגרמות באופן מכני11, זה פחות נפוץ עם ספורטאים סוסים. כדי להשתמש בגישה זו להערכת הגורמים הפוטנציאליים לפציעות אתלטיות של סוסים ולבעיות ביצועים, מודל מציאותי של שלד של כל הגוף נוצר מנתוני CT באמצעות תוכנת ההדמיה התלת-ממדית ותוכנת האנימציה והמידול התלת-ממדית. מודל זה שונה מדגמי סוסים אחרים שהם שחזורים גרפיים אמנותיים של השלד (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) או המתארים רק את הגפיים 14,15,16,17. במודל זה של כל הגוף, כולם היו מבוקשים קדמיים, אחוריים, עמוד שדרה וצלעות, והיו מחוברים אליהם פקדים המאפשרים מניפולציה קלה של המודל לצורך מיקום ואנימציה מציאותיים ומדויקים.
הפרוטוקול המשמש להרכבת המודל מאפשר יכולת חזרה ושינויים עתידיים שיתאימו לצרכים של הסוס הספציפי המבולגן, מה שמאפשר ניתוח פרטני. לפיכך, מודל הסוסים הוא כלי שישמש את החוקרים כשהם מנתחים את התנועה. עם זאת, לא מדובר בתוכנה אוטומטית המספקת תשובות ללא קלט של פרמטרים ספציפיים לבעל החיים המדוגמים והשאלה המטופלת, שכן הדיוק של המודל קשור ישירות לחוזקו של ניתוח מסוים. היכולת להזין פרמטרים גם מאפשרת למודל להתעדכן באופן שוטף בנתונים ממחקרים עתידיים. בנוסף, ניתן ליישם ו/או להתאים את פרוטוקול השריגה הגרפי הזה כך שישקף את ההבדלים האנטומיים בין פרטים. זה יכול גם להיות מותאם כדי מודל יעיל של בעלי חיים אחרים. ניתן לתמרן בקלות את מודל הסוסים התלת-ממדי ולמקם אותו כדי לדמות תנוחות ותנועות. זה בולט במיוחד עם הגפיים שכן תנועותיהם פשוטות יחסית לצפייה ולדגם.
מיקום משותף גרפי במודל נקבע על ידי גישה דומה לזו ששימשה במחקרים אחרים18,19. רשתות העצם הוצבו במצב נייטרלי. המפרקים הגרפיים הוצבו כך שהעצמות היו מסוגלות להסתובב בחופשיות מבלי לגרום להתנגשות עם רשתות עצם אחרות. בספרות, המפרק הגרפי הוצב בנקודה שבה כדור עלה בקנה אחד עם משטחי התנועה. המפרק הגרפי של עצם השכמה הוצב במרכז המשוער של להב עצם השכמה. מיקום זה של המפרק הגרפי מאפשר להזיז אותו ב -6 דרגות חופש כדי לכוון את עצם השכמה למצב הרצוי. בניגוד לגפיים, תנועת עמוד השדרה אינה נראית בקלות, מורכבת יותר מכפי שמבינו לעתים קרובות, ולכן קשה יותר לדגמן אותה. למרות שלמודל יש את הגמישות להשתמש בה כדי לחקור תנועות ובעיות במפרקי עמוד השדרה הספציפיים, הוא גם היה צריך להיות מסוגל לייצג את התנועות הקשות לעתים קרובות להבחנה של עמוד השדרה כולו. השימוש ב”עמוד השדרה של הסרט ” מאפשר תנועה מציאותית יותר של עמוד השדרה במהלך אנימציות.
זה חשוב מכיוון שעמוד השדרה בסוסים, כפי שנמצא אצל בני אדם, הוא לעתים קרובות המקור לבעיות שעשויות להיות קשורות לתנועות ביומכניות חריגות ולפגיעה בגפיים. חוזק של המודל הזה הוא היכולת להדגים במדויק את מיקומי עמוד השדרה, כמו סיבובי חוליות רוחביים20 (איור 4). כיצד תנוחות אלה משפיעות על הגפיים בשלושה ממדים במהלך הליכה שונה ניתן לקבוע על ידי שימוש במודל בשילוב עם ניתוח קינמטי וכוח (למשל, מחקרי לוחות לחץ כדי לאשר העמסה מוגברת של הגפיים וניתוח כוח סטטי). רכיבי שלד רקמות רכות מתווספים כיום למודל השלד של כל הגוף. מטרות עתידיות הן להרחיב את השימוש במודל בניתוח ביומכני תלת-ממדי למחקרים על צליעת סוסים. הרחבה כזו תכלול שימוש במודל כדי להשלים ניתוחי כוח תלת-ממדיים המשווים בין תנוחות בריאות ולא בריאות ורישום המודל עם נקודות נתונים תלת-ממדיות שנאספו במחקרי לכידת תנועה כדי לספק ייצוג חזותי יעיל יותר של תנועה.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים למר ז’אן לוק קורניל, מדע התנועה, על הקלט שלו לדיוק המידול; ד”ר מרתה ליטלפילד ומר ג’יימס ריי (LSU SVM), וד”ר סטיב הולאדיי, ד”ר קרלה ג’ארט ומר ברנט נורווד (UGA CVM) לגישה לדגימות אנטומיות; ד”ר אג’יי שארמה (UGACVM) וד”ר ל. אביגיל גריינג’ר ומר מארק האנטר (LSUSVM) לביצוע סריקות CT; והחוקרים לתואר ראשון ג’רמי בייקר, ג’ושוע מאצ’ייבסקי, שרה לנגלואה ודניאל פאזוקי (בית הספר לרפואה וטרינרית של LSU המעבדה לאנטומיה פונקציונלית ואבולוציונית) על עבודתם הקשורה למחקר זה. המימון נרכש מתוכנית לימודי בריאות הסוסים של בית הספר לרפואה וטרינרית של אוניברסיטת לואיזיאנה באמצעות מענק של צ’ארלס ו’ קוסימנו.
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).
