Bilgisayarlı Tomografi Verileri Kullanılarak Gerçekçi, Tüm Vücut, Üç Boyutlu At İskelet Modelinin Yapımı

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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 kaymaktadır^10,11. 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).

Protokol

1. Ön ayak arma

1. Grafik eklemleri ön ayağın içine tüm hareket alanlarına yerleştirin.
   NOT: Ortaya çıkan eklem yerleşimi, kürek kemiğinden tabut kemiğinin distal ucuna kadar bir eklem zinciridir (Şekil 2A). Karpal kemikler alanında, bükülme yarıçapını arttırmak için yakın mesafede 3 eklem kullanılır.
   1. Rigging Menüsü ayarını etkinleştirmek için F3 tuşuna basın. Menülerde İskelet | Eklemler Oluştur aracını seçmek için Eklemler Oluştur.
   2. Yazılımın Görünüm panelinde, Şekil 2A'da bulunan bağlantıların yaklaşık alanlarını 1 ila 10 arasında tıklatın ve ENTER tuşuna basın.
   3. İstediğiniz bağlantıya tıklayarak eklemlerin konumunu ayarlayın ve eklemi istenen konuma çevirmek için W tuşuna basarak Hareket Aracını kullanın. Alternatif olarak, istediğiniz eklemi tıklatarak ve Kanal Kutusu/Katman Düzenleyici panelinde bulunan X Çeviri, Y Çevirisi ve Z Çevir değerlerini değiştirerek bir eklemi ayarlayın.
2. 5 ayrı Ters Kinematik tutamaç (IK tutamaçları) oluşturun (eklemler Şekil 2A'da bulunan sayılarla anılacaktır).
   1. Menülerde İskelet'i seçin | IK Tanıtıcısı Oluştur aracını seçmek için IK Tanıtıcısı Oluştur. IK Tanıtıcısı Oluştur aracını kullanarak eklem 1'i, ardından eklem 3'ü seçin; Bu IK kolunu Anahat panelinde Ön Bacak IK olarak adlandırın. IK Oluştur Tanıtıcısı aracını kullanarak eklem 3'ü, ardından eklem 7'yi seçin; Bu IK tutamacını Ön Alt IK olarak adlandırın.
   2. IK Tanıtıcısı Oluştur aracını kullanarak eklem 7'yi, ardından eklem 8'i seçin; Bu IK kolunu Outliner panelinde Front Toe 1 IK olarak adlandırın. IK Tanıtıcısı Oluştur aracını kullanarak eklem 8'i, ardından eklem 9'u seçin; Bu IK kolunu Outliner panelinde Front Toe 2 IK olarak adlandırın. IK Tanıtıcısı Oluştur aracını kullanarak eklem 9'u, ardından eklem 10'u seçin; Bu IK kolunu Outliner panelinde Front Toe 3 IK olarak adlandırın.
3. Ön adım denetimleri oluşturma
   1. Düzgün Olmayan Rasyonel B-Splines (NURBS) çemberi oluşturma menüsündeki Daire aracını kullanarak | NURBS İlkelleri | Daire.
   2. İki NURBS Dairesi oluşturun ve bunları Taşıma Aracı'nı kullanarak eklem 3 ve eklem 10'u çevrelemek için taşıyın ve Anahat panelinde sırasıyla Ön Ctrl ve Ön Alt Ctrl olarak adlandırın.
   3. Bir NURBS Çemberi oluşturun; daireyi seçin ve Kanal Kutusu/Katman Düzenleyici Panelinde, Z Döndür değerini 90 olarak değiştirin. Taşı aracını kullanarak eklem 10'un ucuna yerleştirin ve Anahat panelinde Front Flick Ctrl olarak adlandırın.
4. Üçünü de seçip CTRL + G tuşlarına basarak Ön Ayak Parmağı 1 IK, Ön Ayak Parmağı 2 IK ve Ön Ayak 3 IK'yi gruplandırın. Bu grubu Anahat panelinde Front Toe Group olarak adlandırın. IK tutamaçlarını ve Ön Ayak Parmağı Grubunu denetimlere üst üste yerleştirin.
   NOT: Uygun bir üst ağaç sağlamak için Shift tuşunu basılı tutarak aşağıda açıklanan tam sırada seçmeniz önemlidir.
   1. Outliner panelinde Front Leg IK, ardından Front Ctrl öğesini seçin ve P tuşuna basın.
   2. Ön Alt Ctrl öğesini ve ardından Anahat panelinde Ön Ctrl öğesini seçin ve P tuşuna basın.
   3. Anahat panelinde Ön Alt IK'yi, ardından Ön Alt Kalkan'ı seçin ve P tuşuna basın.
   4. Anahat panelinde Front Flick Ctrl (Ön Flick Ctrl), ardından Front Lower Ctrl (Ön Alt Kontrl) öğesini seçin ve P tuşuna basın.
   5. Ön Ayak Parmağı Grubu'nu seçin, ardından Anahat panelinde Front Flick Ctrl öğesini seçin ve P tuşuna basın.
5. Naviküler kemikler de dahil olmak üzere sesamoid kemikler hariç, kemik ağlarını en proksimal ekleme bağlamak için Cildi Bağla aracını kullanın. Her kemik ağının sadece bir ekleme bağlı olduğundan emin olun.
   1. Kemik ağına tıklayın, Shift tuşunu basılı tutarak en proksimal eklemi tıklayın ve Cilt Bağla altındaki Cilt Bağla aracını seçin | Cildi Bağlayın.
6. Sesamoid kemikleri ve naviküler kemiği arma
   1. Bir eklem oluşturun, sesamoid kemiğin ortasına yerleştirin ve Enter tuşuna basın. Görünüm panelinde, sesamoid kemik ağını seçin ve Shift tuşunu basılı tutarak kemiğin ortasındaki eklemi tıklatın. Ağı ekleme bağlamak için Cilt Bağla aracını kullanın.
      NOT: Sesamoid kemik artık bacak pozisyonunu değiştirirken ayarlama için Taşı ve Döndür araçları kullanılarak manipüle edilebilir.
   2. Görünüm panelinde, sesamoid kemikteki eklemi seçin, Shift tuşunu basılı tutarak ön ayaktaki en yakın eklemi tıklatın ve P tuşuna basın.
      NOT: Bu, sesamoid kemikteki eklemi ön ayağa yönlendirir.
   3. Diğer sesamoid kemikler ve naviküler kemik için 1.6.1 ile 1.6.2 arasındaki adımları tekrarlayın.
7. Diğer ön ayak için 1.1 ile 1.6 arasındaki adımları yineleyin.
   NOT: Kürek kemiğindeki bağlantı, Hareket aracı kullanılarak 3 yönde de (6 serbestlik derecesi) seçilebilir ve çevrilebilir.

2. Arka bacak arma

1. Demur'un başından tabut kemiğinin distal ucuna kadar bir eklem zinciri elde etmek için eklemleri tüm hareket alanlarında arka bacağın içine yerleştirin (Şekil 2B).
2. 5 ayrı IK tutamacı oluşturun (eklemler Şekil 2B'de bulunan sayılara atıfta bulunulacaktır).
   1. IK Oluştur tanıtıcı aracını kullanarak eklem 11'i, ardından eklem 12'yi seçin; Bu IK tutamacını Anahat panelinde Hind IK olarak adlandırın. IK Oluştur tanıtıcı aracını kullanarak eklem 12'yi, ardından eklem 14'ü seçin; Bu IK tutamacını Anahat panelinde Hind Lower IK olarak adlandırın.
   2. IK Oluştur tanıtıcısı aracını kullanarak eklem 14'ü, ardından eklem 15'i seçin; Bu IK tutamacını Outliner panelinde Hind Toe 1 IK olarak adlandırın. IK Oluştur tanıtıcı aracını kullanarak eklem 15'i ve ardından eklem 16'yı seçin; Bu IK kolunu Outliner panelinde Hind Toe 2 IK olarak adlandırın.
   3. IK Oluştur tanıtıcı aracını kullanarak eklem 16'yı, ardından eklem 17'yi seçin; Bu IK tutamacını Anahat panelinde Hind Toe 3 IK olarak adlandırın.
3. Arka uzuv denetimleri oluşturma
   1. Hind Ctrl ve Hind Lower Ctrl adlı iki NURBS Çemberi oluşturun ve bunları sırasıyla eklem 12 ve eklem 17'yi çevrelemek için hareket ettirin.
   2. Hind Flick Ctrl adlı bir NURBS Dairesi oluşturun. Bu daireyi dikey yapın ve eklem 10'un ucuna yerleştirin.
4. Grup Arka Ayak Parmağı 1 IK, Arka Ayak Parmağı 2 IK ve Arka Ayak Parmağı 3 IK, üçünü de seçip CTRL + G tuşlarına basarak. Bu grubu Arka Ayak Parmağı Grubu olarak adlandırın.
5. IK işleyicilerini ve Hind Toe Group'u denetimlere üst edin. Uygun bir üst ağaç sağlamak için Shift tuşunu basılı tutarak aşağıda açıklanan tam sırada seçtiğinizden emin olun.
   1. Hind IK'yi, ardından Hind Ctrl'yi seçin ve P tuşuna basın.
   2. Hind Lower Ctrl'yi, ardından Hind Ctrl'yi seçin ve P tuşuna basın.
   3. Arka Alt IK'yi, ardından Arka Alt Ctrl öğesini seçin ve P tuşuna basın.
   4. Hind Flick Ctrl'yi, ardından Hind Lower Ctrl'yi seçin ve P tuşuna basın.
   5. Arka Ayak Parmağı Grubu'nu, ardından Hind Flick Ctrl öğesini seçin ve P tuşuna basın.
6. Kemik ağlarını en yakın eklem bölgesine bağlamak için Cildi Bağla aracını kullanın. Her kemik ağının yalnızca bir ekleme bağlı olduğundan emin olun.
   1. Kemik ağına tıklayın, Shift tuşunu basılı tutarak en proksimal eklemi tıklayın ve Cilt | altındaki Cildi Bağla aracını seçin Cildi Bağlayın.
7. Rigging patella, sesamoid kemikler ve naviküler kemik
   1. Bir eklem oluşturun, patellanın ortasına yerleştirin ve Enter tuşuna basın. Görünüm panelinde, patella ağını seçin ve Shift + patelladaki eklemi tıklayın. Ağı ekleme bağlamak için Cilt Bağla aracını kullanın.
      NOT: Patella artık bacak pozisyonunu değiştirirken ayarlama yapmak için Taşı ve Döndür araçları kullanılarak manipüle edilebilir.
   2. Görünüm panelinde, patelladaki eklemi seçin, Shift tuşunu basılı tutarak ön ayaktaki en yakın eklemi tıklatın ve patelladaki eklemi ön ayakla eşleştirmek için P tuşuna basın.
   3. Sesamoid kemikler ve naviküler kemik için 2.7.1 ve 2.7.2 adımlarını tekrarlayın.
8. Diğer arka bacak için 2,1 ile 2,7 arasındaki adımları yineleyin.

3. Şerit omurga arma

1. 1 U-yama ve # V-yamaları ile omurganın uzunluğuna kabaca eşit uzunlukta değiştirilmiş seçeneklere sahip bir NURBS Düzlemi oluşturun, burada # torasik ve lomber omurların sayısıdır.
   NOT: Bu kağıt için uzunluk 22 V yamalarla birlikte 20'dir.
   1. | Oluştur altındaki Düzlem Oluştur aracının yanında bulunan kareyi seçin NURBS İlkelleri | Uçak.
2. Değiştirilmiş seçeneklerle uçağı yeniden inşa edin.
   1. Modelleme menüsü kümesine girmek için F2 tuşuna basın. Görünüm panelinde düzlemi seçin ve Yüzeyler altındaki Yeniden Oluşturma aracının yanındaki kareyi seçerek Yeniden Oluşturma aracı ayarlarını | Yeniden oluşturun. Aşağıdaki seçenekleri kullanın: yayılma sayısı U = 1; açıklık sayısı V = # (bu durumda 22); hem Derece U hem de Derece V seçenekleri için "1 Doğrusal" ı seçin; diğer ayarları varsayılan olarak tutun; tıklayın ve Yeniden Oluştur düğmesine basın.
3. Değiştirilmiş seçeneklerle nhairs oluşturun.
   1. FX menü setine girmek için F5 tuşuna basın. "Görünüm panelinde düzlemi seçin ve nHair öğesinin yanındaki kareyi seçerek değiştirilmiş seçeneklerle Saç Oluştur aracını | Kıllar Oluşturun. Aşağıdaki seçenekleri kullanın: NURBS eğrilerine ayarlanmış çıktı; U sayısı =1; V sayısı = # (bu durumda 22); diğer seçenekleri varsayılan olarak tutun; tıklayın ve Kıl Oluştur düğmesine basın.
4. Anahat panelinde aşağıdakileri silin: nucleus1, hairSystem1OutputCurves grubu ve hairSystem1. hairSystem1Follicles etiketli grubu tamamen genişletin ve curve__ ile etiketlenmiş tüm öğeleri silin.
   NOT: Sonuç, nurbsPlane_Follicle____ etiketli öğelerin listesini içeren hairSystem1Follicles etiketli bir grup bırakmalıdır.
5. Düzlemi seçin ve Taşı aracını ve Döndür aracını kullanarak omurgayla kabaca örtüşecek şekilde hareket ettirin ve yönlendirin. Düzlemi seçin, farenin sağ tuşunu basılı tutun ve düzlemin tüm köşelerini görünür hale getirmek için Köşeyi Denetle'yi seçin.
6. Folikülleri, omuriliğin olacağı yükseklikte omurlar arasında olacak şekilde yönlendirmek için köşeleri hareket ettirin. Görünüm panelinin herhangi bir yerinde ayrı bağlantıların # sayısını (bu durumda 22) oluşturun, çünkü bu bağlantıların konumu sonraki adımlarda düzeltilecektir.
7. Bir eklemi bir nurbsPlane_Follicle____ ile ebeveynleştirin, böylece her biri ağacının altında tek bir eklem olur.
   1. Anahat panelinde, adım 3.6'da oluşturulan bir eklemi seçin, ardından Ctrl tuşunu basılı tutarak bir nurbsPlane_Follicle____ tıklayın ve P tuşuna basın. 3.7.1'i, adım 3.6'da oluşturulan diğer eklemlerle ve diğer nurbsPlane_Follicle____ nesnelerle tekrarlayın.
8. Anahat panelinde, Ctrl + tüm bağlantıları seçin; Chanel Box/Layer Box panelinde X, Y ve Z'yi Çevir'i 0 olarak ayarlayın. Tüm eklemleri Ctrl + Outliner panelindeki tüm bağlantıları seçerek ve Ctrl + D tuşlarına basarak çoğaltın. Ctrl + Anahat panelindeki tüm yinelenen eklemleri seçerek ve Shift + P tuşlarına basarak tüm yinelenen eklemlerin ana grafiğini kaldırın
9. nurbsPlane_Follicle____ altındaki eklemleri kendi vertebra ağlarıyla bağlayın.
   1. Rigging menü setine girmek için F3 tuşuna basın. nurbsPlane_Follicle____ altındaki orijinal eklemi (yinelenen eklemi değil) tıklayın, Shift tuşunu basılı tutarak ilgili omur ağına tıklayın ve ardından Cilt Bağla altındaki Cildi Bağla aracını kullanın | Cildi Bağlayın. Her eklem ve omur ağı için adım 3.9.1'de bu eylemleri tekrarlayın.
10. CTRL tuşunu basılı tutarak tüm yinelenen eklemleri ve düzlemi tıklatın ve tüm yinelenen eklemleri düzleme bağlamak için Kaplamayı Bağla aracını kullanın.
    NOT: Yinelenen eklemler artık omurları kontrol etmek için manipüle edilebilir.
11. Servikal ve kaudal omurlar için 3.1 ile 3.10 arasındaki adımları tekrarlayın.

4. Kaburga ve sternum arma

1. Kaburga başına, kostal kıkırdağın proksimal ucuna ve kostal kıkırdağın distal ucuna ayrı eklemler yerleştirin. Kostal kıkırdağın proksimal ucundaki eklemi, kaburga başındaki ekleme ebeveyn.
2. Kostal kıkırdağın distal ucundaki eklemi, kostal kıkırdağın proksimal ucundaki en yakın ekleme ebeveyn. Kaburga başındaki eklemi, omurları kaburgaya kontrol eden omurga eklemine ebeveynlik yapın.
3. Cilt sekmesi altında ayarlanan Rigging menüsünde, kaburgayı başındaki ekleme ve kostal kıkırdağı hem proksimal ucundaki eklemlere hem de distal ucuna bağlamak için Cildi Bağla aracını kullanın.
4. Her kaburga için 4.1 ile 4.3 arasındaki adımları yineleyin.
5. Her sternal segmentin en kranial ucuna ayrı eklemler yerleştirin. Her sternal segment ekleminin spinal eklemine en çok dorsal olarak her sternal segment eklemine ebeveynlik yapın. Kaplama sekmesi altında ayarlanan Donanım menüsünde, sternal segmenti eklemine bağlamak için Kaplamayı Bağla aracını kullanın.

5. Konumlandırma ve animasyon

1. Zaman çizelgesinde bir kare seçin.
2. Modeli ve denetimleri konumlandırın. Serbest Görüntü Düzlemi oluşturarak referans olarak kullanmak üzere bir görüntüyü içe aktarın.
   NOT: Yürüyüşteki atın Muybridge^13'ünden alınan görüntüler kavram kanıtı olarak kullanılmıştır.
   1. Serbest Görüntü Düzlemi seçiliyken, Öznitelik Düzenleyicisi sekmesi ve Görüntü Düzlemi Öznitelikleri açılır menüsü altında görüntü dosyasını seçin.
3. Tüm kontrolleri ve omurga kontrol eklemlerini seçin ve bunları anahtar kare olarak kaydetmek için S tuşuna basın.
4. Zaman çizelgesi boyunca farklı kareler boyunca, kontrolleri ve omurga kontrol eklemlerini hareket ettirip döndürün ve S tuşuna basın.
   NOT: Kontrolleri ve omurga kontrol eklemlerini yeniden konumlandırmak ve bunları zaman çizelgesinin farklı noktaları boyunca anahtar kareler olarak kaydetmek bir animasyon oluşturur. Zaman çizelgesinin her karesi boyunca ayarlanmış bir anahtar kare olması gerekmez; yalnızca kritik konumların veya zamanlamaların anahtar çerçevelenmesi gerekir. 3B animasyon ve modelleme yazılımı, her bir kontrol ve omurga kontrol ekleminin anahtar kareli konumları arasında geçiş yaparak pürüzsüz bir animasyon oluşturacaktır.

Sonuçlar

Yöntemin sonucu, doğru anatomik konumlandırma ve hareket simülasyonlarına izin veren 3D animasyon ve modelleme yazılımı içinde bir 3D tam at iskelet modeliydi. Modelin kendisi, ön ayaklara, arka bacaklara, omurgaya, boyuna ve göğüs kafesine devredilmiş bir grafik arma sistemine sahiptir. 3B model, birden fazla kişi tarafından farklı duruşlara (Şekil 3 ve Şekil 4) yerleştirilebilir. 4D modelin hareketleri (hareket halinde), yan, arka ve önden gelen videoların yanı sıra, omurganın hareketini daha doğru bir şekilde tasvir etmek için baş üstü drone görüntüleri ve bu yürüyüşlerin animasyonlarını oluşturmak için yürüyüşteki atların videosu (Video), kanter ve tırıs ile karşılaştırılmıştır.

Şekil 1: 3D at modeli, 3D animasyon ve modelleme yazılımında çeşitli yürüyüşlerde tüm vücut hareketlerini göstermek için çeşitli duruşlara taşınabilir ve canlandırılabilir. (A,C) At için grafik arma sistemleri. Kemikli omurganın doğal hareketini sağlayan grafik şerit omurgası yeşil düzlemle gösterilir. Çeşitli grafik donanımlarını ve ekli kemik ağlarını hareket ettirmek için kullanılan kontroller, modeldeki sarı ovaller ve çapraz oklarla gösterilmiştir. (A) Ayakta durma pozisyonu. (C) Yetiştirme pozisyonu. (B, D) Grafik arma sistemine bağlı kemik kafesli model. Kontrollerin pozisyonları atın iskeletinin konumunu değiştirir. (B) Ayakta duran at. (D) At yetiştirmek. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Her bir uzvun eklemlerle donatılması, konumlandırmaya ve hareketin oluşturulmasına izin verir . (A) 1-10 sayılarıyla gösterilen grafik eklemlere sahip ön ayak. (B) 11-17 numaraları ile gösterilen grafik eklemleri olan arka bakılma. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: 3D at modeli, konsept kanıtı olarak ve ilk animasyonları oluşturmak için klasik Muybridge¹³ fotoğraflarıyla eşleştirildi. (A) Muybridge'in yürüyüşteki bir atın fotoğrafları. (B) Animasyonda anahtar kare olarak kullanılmak üzere fotoğrafların üzerine bindirilen 3D at modeli. (C) 3D at modeli. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: 3D at modeli, bu duruşların patomekanik kuvvet rejimleriyle ilişkisini ve etkilenen iskelet elemanlarının, eklemlerin ve yumuşak dokuların ortaya çıkan dejenerasyonunu anlamak için çeşitli duruşlara (örneğin, burada gösterilen omurganın enine dönüşü) taşınabilir. (A) Bir atın normal duruşunun (biniciyle) grafik olarak manipüle edilmiş fotoğraflarını kullanarak grafik olarak 2D temsili Toraksın görselleştirilmesini sağlamak için baş ve servikal omurların gizlendiği 3D at modeli. (B) Toraksın görselleştirilmesini sağlamak için baş ve servikal omurların gizlendiği 3D at modelinin hareketsiz bir görüntüsüne kıyasla, bir at iskeletinin grafiksel olarak manipüle edilmiş fotoğraflarını kullanarak omurganın enine dönüşüne sahip bir atın (binicili) grafik 2D temsili. Burada enine rotasyonun iskelet ve vücudun uzuvları üzerindeki etkisine dikkat edin. Tasvir edilen pozisyon, canlı attaki sol ön toynak duvarının sıkıştırılması ve çatlamasıyla desteklenen sol ön ayağı aşırı yükleyecektir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Video. 4D At. İskeletin kilit konumları, atın Muybridge¹³ fotoğrafıyla eşleştirildiği gibi, bir yürüyüşte atın bir animasyonunu oluşturmak için enterpolasyona tabi tutulmuştur. Hareket önden, yandan, üstten ve arkadan görülebilir. Bu videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Tartışmalar

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 sadece^14,15,16,17 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 belirlenmiştir^18,19. 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.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
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