Bilgisayarlı Tomografi Verileri Kullanılarak Gerçekçi, Tüm Vücut, Üç Boyutlu At İskelet Modelinin Yapımı
Summary
Bu protokolün amacı, tüm vücut mekaniğini karakterize etmek için fonksiyonel anatomik ve biyomekanik modelleme için kullanılabilecek bir atın gerçekçi, tüm vücutlu, iskelet modelinin oluşturulma yöntemini tanımlamaktır.
Abstract
Tüm vücut biyomekanik değerlendirmelerine dayanan tedaviler, insan sporcularda yaralanma önleme ve rehabilitasyon için başarılıdır. Benzer yaklaşımlar at atletik yaralanmasını incelemek için nadiren kullanılmıştır. Mekanik stresin neden olduğu dejeneratif osteoartrit, kronik postüral disfonksiyondan kaynaklanabilir, çünkü birincil disfonksiyon genellikle doku hasarı bölgesinden uzaktır, en iyi şekilde tüm vücut biyomekaniğinin modellenmesiyle tanımlanır. Tüm vücut at kinematiğini karakterize etmek için, fonksiyonel anatomik ve biyomekanik modelleme için kullanılabilecek at bilgisayarlı tomografi (BT) verilerinden gerçekçi bir at iskelet modeli oluşturulmuştur. At BT verileri, 3D görselleştirme yazılımı kullanılarak bireysel üç boyutlu (3D) veri setlerine (yani kemiklere) yeniden yapılandırıldı ve eksiksiz bir 3D iskelet modeline monte edildi. Model daha sonra 3D animasyon ve modelleme yazılımı kullanılarak donatıldı ve canlandırıldı. Ortaya çıkan 3D iskelet modeli, dejeneratif doku değişiklikleriyle ilişkili at duruşlarını karakterize etmek ve doku hasarı bölgelerinde mekanik stresi azaltan duruşları tanımlamak için kullanılabilir. Ek olarak, 4D’ye canlandırıldığında, model sağlıksız ve sağlıklı iskelet hareketlerini göstermek için kullanılabilir ve dejeneratif topallıkları olan atlar için önleyici ve rehabilite edici bireyselleştirilmiş tedaviler geliştirmek için kullanılabilir. Model yakında indirilebilecek olsa da, şu anda yeni kullanıcılar için oldukça fazla öğrenme eğrisine sahip olan 3D animasyon ve modelleme yazılımına erişim gerektiren bir formatta. Bu protokol, kullanıcılara (1) ilgilendikleri herhangi bir organizma için böyle bir model geliştirmede ve (2) bu özel at modelini kendi araştırma soruları için kullanmada rehberlik edecektir.
Introduction
Atlarda kronik topallık genellikle insanlarda önemli bir halk sağlığı sorunu olan osteoartrite (OA) benzer ilerleyici dejeneratif doku lezyonları ile ilişkilidir 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . İnsan tıbbında, spesifik lezyonların tedavisine odaklanan terapötik yaklaşımlar (örneğin, farmakoterapi ve doğrudan kondral onarım) çoğunlukla başarısız olduğundan, patomekanik kuvvetler artık OA’da doku hasarının temel nedeni olarak kabul edilmektedir. Anormal veya patomekanik kuvvetler hem kemik hem de kıkırdak hücrelerini doğrudan etkileyerek inflamatuar mediatörlerin salınımını ve ilerleyici doku dejenerasyonunu indükler9. Bu gözlemler, nedensel mekanik kuvvetler düzeltilmediği sürece, birçok kronik dejeneratif kemik ve eklem hastalığının ilerlemeye devam edeceğini göstermektedir. Bu nedenle, insan tıbbındaki terapötik odak, etkilenen eklemleri hedefli egzersiz yoluyla “boşaltan” yaklaşımlara kaymaktadır10,11. Bununla birlikte, bu değişim at tıbbında henüz yapılmamıştır, çünkü kısmen bir bireyin hareketlerini göstermek için uyarlanabilecek at hareketi modellerine ihtiyaç vardır.
Kapsamlı, tüm vücut biyomekanik analizi, atletik performansı optimize etmek ve insan sporcularda yaralanma iyileşmesini kolaylaştırmak için antrenman programlarının tasarlanmasında yaygındır11 (ayrıca bakınız, örneğin, “Spor Biyomekaniği” dergisi), ancak at sporcuları için daha az yaygın olarak yapılır (ancak bkz.12). Bu nedenle, buradaki genel amaç, at sporcularının sağlığını iyileştirmek için bireyselleştirilmiş önleyici ve rehabilite edici tedaviler geliştirmek için kullanılabilecek at topallığının patomekanik modellerini oluşturmaktır. Bu tür patomekanik modeller, çıplak gözle diğerleri kadar kolay fark edilemeyen bölgelerin (yani omurganın) fonksiyonel anatomisindeki farklılıkları karakterize edebilir (yani, alt ekstremite). Bu amaca ulaşmak için ilk amaç, fonksiyonel anatomik, kinetik ve kinetik analizlerle ilgilenen araştırmacılar tarafından şablon olarak kullanılabilecek anatomik olarak doğru, manipüle edilebilir, tüm vücut, at iskelet modeli geliştirmekti. At klinisyenleri ve araştırmacıları için yararlı olması için, bu model (1) doğru anatomik konumlandırmayı sağlamak için biyolojik olarak gerçekçi olmalı, (2) sağlıklı ve sağlıklı olmayan atların çeşitli duruşlarını modellemek için kolay ve doğru ayarlamalara izin vermeli, (3) çeşitli yürüyüşlerin etkilerini incelemek için canlandırılabilmeli ve (4) pozisyonların ve hareketlerin tekrarlanabilir yeniden oluşturulmasını kolaylaştırmalıdır.
BT verilerinden, kemiklerin birbirlerine göre konumlarının manipüle edilebileceği ve daha sonra hareket halindeki bir atın resimlerinden veya videolarından gelen hareketleri eşleştirmek için canlandırılabileceği ve böylece bir 4D at iskeleti modeli oluşturulduğu bir 3D grafik tüm vücut at iskeleti modeli oluşturulmuştur. Ele alınacak soruya en uygun olana bağlı olarak, model 2B, 3B ve 4B sürümlerde veya belirli pozisyonların veya duruşların patomekanik etkilerini göstermek ve karakterize etmek için çeşitli kombinasyonlarda kullanılabilir. Temel ve esnek tasarımı nedeniyle, model, araştırmacılar tarafından belirli sorularını ve veri parametrelerini yansıtacak şekilde değiştirilebilen bir şablon görevi görür. Bu parametreler, örneğin, cinsiyet ve hayvan büyüklüğüne dayalı anatomik bilgileri, 3D hareket analizi verilerini, yumuşak doku kuvveti tahminlerini ve atalet özelliklerini içerir. Böylece, model belirli alanların veya eklemlerin daha ayrıntılı analizine izin verirken, aynı zamanda canlı atlar üzerinde gerçekleştirilemeyen deneylerin kurulması için temel sağlar. Numune mevcudiyeti (örneğin, kaburgaların kesilmesi) ve tarayıcı ile ilgili pratik sınırlamalar nedeniyle, tüm vücut at modeli, üç at örneğinden elde edilen verilerin birleştirilmesinin sonucudur. Bu nedenle, model tek bir bireyin mükemmel bir temsili değildir, ancak bireysel değişkenliği daha geniş bir şekilde temsil etmek için standartlaştırılmıştır. Kısacası, araştırmacıların ihtiyaçlarına uyacak şekilde kullanılacak ve değiştirilecek bir şablondur. Gövde, baş ve boyun ve uzuvların BT taramaları, 0.9, 1 mm dilimlik bir kemik algoritması kullanılarak 64 dilimli bir BT tarayıcısı ile yaklaşık olarak aynı büyüklükteki iki at örneğinden elde edildi. Bir dizi kaburganın BT taramaları, bir kemik algoritması, 0.9, 0.64 mm dilimler aralığı kullanılarak 64 dilimli bir BT tarayıcısı ile elde edildi.
Kemikli eklemlerin anatomik bütünlüğü (örneğin, uzuv içinde) korundu. BT taramalarında bulunan yumuşak dokular, kemiklerin yerleştirilmesini doğrulamak için de kullanılmıştır. Bazı bütün kaburgalar ve tüm kaburgaların proksimal kısımları toraks örneğinde mevcut ve tarandığından, ayrı ayrı taranan kaburgalar doğru bir şekilde boyutlandırılabilir ve tüm vücut iskelet modeline yerleştirilebilir. Elde edilen BT Dijital Görüntüleme ve Tıpta İletişim (DICOM) verileri 3D görselleştirme yazılımına aktarıldı ( Malzeme Tablosuna bakınız) ve bireysel kemikler bireysel veri kümelerine (yani kemik ağlarına) bölündü. Bireysel 3D kemik ağları daha sonra 3D animasyon ve modelleme yazılımına (Malzeme Tablosu) aktarıldı ve gerekirse boyutlandırıldılar ve arma hazırlığında tam bir at iskeletine monte edildiler – kemik ağlarını hareketlerinin bağlanması için birbirine bağlayan grafik bir yöntem (Şekil 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, bir organizmanın 3B tüm vücut iskelet modelinin nasıl oluşturulacağını ve bu makalede açıklanan tüm vücut at iskelet modelinin nasıl kullanılacağını göstermektedir. Model şu anda yeni kullanıcılar için oldukça öğrenme eğrisine sahip belirli bir 3D animasyon ve modelleme yazılımı gerektiren bir formattadır. Ancak, bu yazılımın bir sürümü bir üniversiteye bağlı olanlar için ücretsiz olarak kullanılabilir. İnsan sporcuları değerlendirmek ve mekanik olarak indüklenen kronik yaralanmaların nedenlerini belirlemek için tüm vücut duruşu ve hareketinin modellenmesi kullanılmasına rağmen,11, at sporcularında daha az yaygın olarak yapılır. Bu yaklaşımı, at atletik yaralanmalarının ve performans sorunlarının potansiyel nedenlerinin değerlendirilmesinde kullanmak için, 3D görselleştirme yazılımı ve 3D animasyon ve modelleme yazılımı kullanılarak BT verilerinden gerçekçi bir tüm vücut iskelet at modeli oluşturulmuştur. Bu model, iskeletin sanatsal grafik rekreasyonları olan (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ) veya sadece14,15,16,17 uzuvlarını tasvir eden diğer at modellerinden farklıdır. Bu tüm vücut modelinde, ön ayaklar, arka bacaklar, omurga ve göğüs kafesi donatıldı ve gerçekçi ve doğru konumlandırma ve animasyon için modelin kolay manipülasyonuna izin veren kontroller takılıydı.
Modeli donatmak için kullanılan protokol, hileli belirli atın ihtiyaçlarına uyacak şekilde tekrarlanabilirliğe ve gelecekteki değişikliklere izin vererek bireyselleştirilmiş analiz sağlar. Bu nedenle, at modeli, araştırmacılar tarafından hareketi analiz ederken kullanılacak bir araçtır. Bununla birlikte, modellenen hayvana özgü parametrelerin girişi ve ele alınan soru olmadan cevaplar veren otomatik bir program değildir, çünkü modelin doğruluğu doğrudan belirli bir analizin gücüyle ilgilidir. Parametreleri girme yeteneği, modelin gelecekteki araştırma çalışmalarından elde edilen verilerle sürekli olarak güncellenmesini de sağlar. Ek olarak, bu grafik arma protokolü, bireyler arasındaki anatomik farklılıkları yansıtacak şekilde uygulanabilir ve / veya ayarlanabilir. Diğer hayvanları etkili bir şekilde modellemek için de uyarlanabilir. 3D at modeli, pozisyonları ve hareketleri simüle etmek için kolayca manipüle edilebilir ve konumlandırılabilir. Bu, özellikle uzuvlarda belirgindir, çünkü hareketleri görmek ve modellemek nispeten basittir.
Modeldeki grafik eklem konumlandırması, diğer çalışmalarda kullanılana benzer bir yaklaşımla belirlenmiştir18,19. Kemik ağları nötr pozisyona yerleştirildi. Grafik eklemler, kemiklerin diğer kemik ağlarıyla çarpışmaya neden olmadan serbestçe dönebileceği şekilde konumlandırıldı. Rakamlarda, grafik eklemi, bir kürenin hareket yüzeyleriyle çakıştığı noktaya yerleştirildi. Kürek kemiğinin grafik eklemi, kürek kemiği bıçağının yaklaşık merkezine yerleştirildi. Grafik eklemin bu şekilde konumlandırılması, kürek kemiğini istenen konuma yönlendirmek için 6 serbestlik derecesinde hareket ettirilmesini sağlar. Uzuvların aksine, omurganın hareketi kolayca görülmez, sıklıkla fark edilenden daha karmaşıktır ve bu nedenle modellenmesi daha zordur. Model, belirli omurga eklemlerindeki hareketleri ve sorunları araştırmak için kullanılacak esnekliğe sahip olmasına rağmen, aynı zamanda tüm omurganın genellikle ayırt edilmesi zor hareketlerini temsil edebilmesi gerekiyordu. “Şerit omurgasının” kullanılması, animasyonlar sırasında omurganın daha gerçekçi hareket etmesini sağlar.
Bu, insanlarda olduğu gibi, atlardaki omurganın, genellikle anormal biyomekanik hareketler ve uzuvların yaralanması ile potansiyel olarak ilişkili sorunların kökeni olduğu için önemlidir. Bu modelin bir gücü, enine vertebral rotasyonlar20 gibi omurga pozisyonlarını doğru bir şekilde gösterme yeteneğidir (Şekil 4). Bu duruşların çeşitli yürüyüşler sırasında uzuvları üç boyutta nasıl etkilediği, modelin kinematik ve kuvvet analizi ile birlikte kullanılmasıyla belirlenebilir (örneğin, uzuvların artan yüklenmesini doğrulamak için baskı plakası çalışmaları ve statik kuvvet analizi). Yumuşak doku kas sistemi bileşenleri şu anda tüm vücut iskelet modeline eklenmektedir. Gelecekteki hedefler, modelin at topallığı çalışmaları için 3D biyomekanik analizde kullanımını genişletmektir. Bu genişleme, sağlıklı ve sağlıksız duruşları karşılaştıran 3D kuvvet analizlerini tamamlamak için modelin kullanılmasını ve hareketin daha etkili bir görsel temsilini sağlamak için modelin hareket yakalama çalışmalarında toplanan 3D veri noktalarıyla kaydedilmesini içerecektir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Hareket Bilimi’nden Bay Jean Luc Cornille’e modelleme doğruluğuna yaptığı katkılardan dolayı teşekkür eder; Anatomik örneklere erişim için Dr. Martha Littlefield ve Bay James Ray (LSU SVM) ve Dr. Steve Holladay, Dr. Carla Jarrett ve Bay Brent Norwood (UGA CVM); BT taramaları yapmak için Dr. Ajay Sharma (UGACVM) ve Dr. L. Abbigail Granger ve Bay Mark Hunter (LSUSVM); ve lisans araştırmacıları Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois ve Daniel Pazooki (LSU Veteriner Hekimliği Fonksiyonel ve Evrimsel Anatomi Laboratuvarı Okulu) bu araştırmayla ilgili çalışmaları için. Finansman, Louisiana Eyalet Üniversitesi Veterinerlik Fakültesi At Sağlığı Çalışmaları Programı’ndan Charles V. Cusimano hibesi ile sağlandı.
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).
