Name: construction of a realistic, whole-body, three-dimensional equine skeletal model using computed tomography data
Uploaded: 2021-02-25T14:30:00
Duration: 11 min 9 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data at JoVE.com

Les auteurs remercient M. Jean Luc Cornille, Science of Motion, pour sa contribution à la précision de la modélisation; Dre Martha Littlefield et M. James Ray (LSU SVM), et Dr Steve Holladay, Dr Carla Jarrett et M. Brent Norwood (UGA CVM) pour l’accès aux échantillons anatomiques; Dr Ajay Sharma (UGACVM) et Dr L. Abbigail Granger et M. Mark Hunter (LSUSVM) pour avoir effectué des tomodensitogrammes; et les chercheurs de premier cycle Jeremy Baker, Joshua Maciejewski, Sarah Langlois et Daniel Pazooki (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) pour leurs travaux liés à cette recherche. Le financement a été obtenu du programme d’études sur la santé équine de la Louisiana State University School of Veterinary Medicine via une subvention Charles V. Cusimano.

<ol>
	<li>Ostblom, L., Lund, C., Melsen, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histological+study+of+navicular+bone+disease.">Histological study of navicular bone disease.</a> Equine Veterinary Journal. 14 (3), 199-202 (1982).</li><li>Rossdale, P. D., Hopes, R., Digby, N. J. W., Offord, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidemiological+study+of+wastage+among+racehorses+1982+and+1983.">Epidemiological study of wastage among racehorses 1982 and 1983.</a> The Veterinary Record. 116 (3), 66-69 (1985).</li><li>Pool, R. R., Meagher, D. M., Stover, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pathophysiology+of+navicular+syndrome.">Pathophysiology of navicular syndrome.</a> Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 5 (1), 109-129 (1989).</li><li>Blunden, A., Dyson, S., Murray, R., Schramme, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histopathology+in+horses+with+chronic+palmar+foot+pain+and+age-matched+controls.+Part+1:+Navicular+bone+and+related+structures.">Histopathology in horses with chronic palmar foot pain and age-matched controls. Part 1: Navicular bone and related structures.</a> Equine Veterinary Journal. 38 (1), 15-22 (2006).</li><li>Dyson, S., Murray, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+evaluation+of+264+horses+with+foot+pain:+the+podotrochlear+apparatus,+deep+digital+flexor+tendon+and+collateral+ligaments+of+the+interphalangeal+joint.">Magnetic resonance imaging evaluation of 264 horses with foot pain: the podotrochlear apparatus, deep digital flexor tendon and collateral ligaments of the interphalangeal joint.</a> Equine Veterinary Joint. 39 (4), 340-343 (2007).</li><li>Dyson, S., Murray, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+concurrent+scintigraphic+and+magnetic+resonance+imaging+evaluation+to+improve+understanding+of+the+pathogenesis+of+injury+of+the+podotrochlear+apparatus.">Use of concurrent scintigraphic and magnetic resonance imaging evaluation to improve understanding of the pathogenesis of injury of the podotrochlear apparatus.</a> Equine Veterinary Journal. 39 (4), 365-369 (2007).</li><li>Egenvall, A., Lonnell, C., Roepstorff, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+morbidity+and+mortality+data+in+riding+school+horses,+with+special+regard+to+locomotor+problems.">Analysis of morbidity and mortality data in riding school horses, with special regard to locomotor problems.</a> Preventive Veterinary Medicine. 88 (3), 193-204 (2009).</li><li>Waguespack, R., Hanson, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Navicular+syndrome+in+equine+patients+anatomy,+causes,+and+diagnosis.">Navicular syndrome in equine patients anatomy, causes, and diagnosis.</a> Compendium: Continuing Education for Veterinarians. 32 (12), 1-14 (2010).</li><li>Zhen, G., Cao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+TGF&#946;+signaling+in+subchondral+bone+and+articular+cartilage+homeostasis.">Targeting TGF&#946; signaling in subchondral bone and articular cartilage homeostasis.</a> Trends in Pharmacological Sciences. 35 (5), 227-236 (2014).</li><li>Arendt, E. A., Miller, L. E., Block, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+knee+osteoarthritis+management+should+first+address+mechanical+joint+overload.">Early knee osteoarthritis management should first address mechanical joint overload.</a> Orthopedic Reviews. 6 (1), 5188 (2014).</li><li>Rietveld, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dancers'+and+musicians'+injuries.">Dancers' and musicians' injuries.</a> Clinical Rheumatology. 32 (4), 425-434 (2013).</li><li>Parkes, R., Newton, R., Dyson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Veterinary Journal. 204 (1), 40-46 (2015).</li><li>Muybridge, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Animals in motion. , (1902).</li><li>Brown, N. A. T., Pandy, M. G., Kawcak, C. E., McIlwraith, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force-+and+moment-generating+capacities+of+muscles+in+the+distal+limb+of+the+horse.">Force- and moment-generating capacities of muscles in the distal limb of the horse.</a> Journal of Anatomy. 203 (1), 101-113 (2003).</li><li>Harrison, S. M., Whitton, R. C., Kawcak, C. E., Stover, S. M., Pandy, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+muscle+forces,+joint+loading+and+utilization+of+elastic+strain+energy+in+equine+locomotion.">Relationship between muscle forces, joint loading and utilization of elastic strain energy in equine locomotion.</a> Journal of Experimental Biology. 213 (23), 3998-4009 (2010).</li><li>Harrison, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forelimb+muscle+activity+during+equine+locomotion.">Forelimb muscle activity during equine locomotion.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (17), 2980-2991 (2012).</li><li>O'Hare, L. M. S., Cox, P. G., Jeffery, N., Singer, E. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+element+analysis+of+stress+in+the+equine+proximal+phalanx.">Finite element analysis of stress in the equine proximal phalanx.</a> Equine Veterinary Journal. 45 (3), 273-277 (2013).</li><li>Panagiotopoulou, O., Rankin, J., Gatesy, S., Hutchinson, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+prelininary+case+study+of+the+effect+of+shoe-wearing+on+the+biomechanics+of+a+horse's+foot.">A prelininary case study of the effect of shoe-wearing on the biomechanics of a horse's foot.</a> PerrJ. 4, 2164 (2016).</li><li>Locating rotation centers of the equine digit and their use in quantifying conformation. EponaMind Available from: <a target="_blank" href="https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/">https://www.eponamind.com/blog/locating-rotation-centers-of-the-equine-digit-and-their-use-in-quantifying-conformation/</a> (2005)</li><li>Denoix, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spinal+biomechanics+and+functional+anatomy.">Spinal biomechanics and functional anatomy.</a> Veterinary Clinics of North America: Equine Practice. 15 (1), 27-60 (1999).</li></ol>

Les auteurs n’ont déclaré aucun conflit d’intérêts.

Ce protocole montre comment créer un modèle squelettique 3D du corps entier d’un organisme et montre comment utiliser le modèle squelettique équin du corps entier décrit dans cet article. Le modèle est actuellement dans un format qui nécessite un logiciel d’animation et de modélisation 3D spécifique, qui a une courbe d’apprentissage pour les nouveaux utilisateurs. Cependant, une version de ce logiciel est disponible gratuitement pour ceux qui sont affiliés à une université. Bien que la modélisation de la posture et du mouvement de l’ensemble du corps soit utilisée pour évaluer les athlètes humains et identifier les causes des blessures chroniques induites mécaniquement11, elle est moins courante chez les athlètes équins. Pour utiliser cette approche pour évaluer les causes potentielles des blessures sportives équines et des problèmes de performance, un modèle équin squelettique réaliste du corps entier a été créé à partir des données de tomodensitométrie à l’aide du logiciel de visualisation 3D et du logiciel d’animation et de modélisation 3D. Ce modèle est différent des autres modèles équins qui sont soit des reconstitutions graphiques artistiques du squelette (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), soit qui ne représentent que les membres 14,15,16,17. Dans ce modèle du corps entier, les membres antérieurs, les membres postérieurs, la colonne vertébrale et la cage thoracique étaient tous gréés et avaient des commandes attachées qui permettent une manipulation facile du modèle pour un positionnement et une animation réalistes et précis.
Le protocole utilisé pour truquer le modèle permet la répétabilité et les modifications futures pour répondre aux besoins du cheval spécifique en cours de montage, ce qui permet une analyse individualisée. Ainsi, le modèle équin est un outil à utiliser par les chercheurs lorsqu’ils analysent le mouvement. Cependant, ce n’est pas un programme automatisé qui fournit des réponses sans l’entrée de paramètres spécifiques à l’animal modélisé et la question abordée, car la précision du modèle est directement liée à la force d’une analyse particulière. La possibilité d’entrer des paramètres permet également au modèle d’être continuellement mis à jour avec des données provenant d’études de recherche futures. De plus, ce protocole de gréement graphique peut être appliqué et /ou ajusté pour refléter les différences anatomiques entre les individus. Il peut également être adapté pour modéliser efficacement d’autres animaux. Le modèle équin 3D peut être facilement manipulé et positionné pour simuler des positions et des mouvements. Cela est particulièrement évident avec les membres car leurs mouvements sont relativement simples à voir et à modéliser.
Le positionnement des articulations graphiques dans le modèle a été déterminé par une approche similaire à celle utilisée dans d’autres études18,19. Les mailles osseuses ont été placées dans une position neutre. Les articulations graphiques ont été positionnées de manière à ce que les os puissent tourner librement sans provoquer de collision avec d’autres mailles osseuses. Dans les chiffres, le joint graphique a été placé au point où une sphère coïncidait avec les surfaces de mouvement. L’articulation graphique de l’omoplate a été placée au centre approximatif de la lame de l’omoplate. Ce positionnement de l’articulation graphique permet de la déplacer en 6 degrés de liberté pour orienter l’omoplate dans la position souhaitée. Contrairement aux membres, le mouvement de la colonne vertébrale n’est pas facilement visible, est plus complexe que souvent réalisé et est donc plus difficile à modéliser. Bien que le modèle ait la flexibilité nécessaire pour étudier les mouvements et les problèmes au niveau d’articulations rachidiennes spécifiques, il devait également être en mesure de représenter les mouvements souvent difficiles à distinguer de l’ensemble de la colonne vertébrale. L’utilisation de la « colonne vertébrale ruban » permet un mouvement plus réaliste de la colonne vertébrale pendant les animations.
Ceci est important car la colonne vertébrale chez les chevaux, comme cela a été trouvé chez l’homme, est souvent à l’origine de problèmes potentiellement liés à des mouvements biomécaniques aberrants et à des blessures aux membres. Une force de ce modèle est la capacité de démontrer avec précision les positions de la colonne vertébrale, comme les rotations vertébrales transversales20 (Figure 4). L’impact de ces postures sur les membres en trois dimensions au cours de diverses allures peut être déterminé en utilisant le modèle en combinaison avec une analyse cinématique et de force (par exemple, des études sur les plaques de pression pour confirmer une charge accrue des membres et une analyse de la force statique). Des composants musculofasciaux des tissus mous sont actuellement ajoutés au modèle squelettique du corps entier. Les objectifs futurs sont d’étendre l’utilisation du modèle dans l’analyse biomécanique 3D pour les études de boiterie équine. Une telle expansion comprendrait l’utilisation du modèle pour effectuer des analyses de force 3D qui comparent les postures saines et malsaines et l’enregistrement du modèle avec des points de données 3D recueillis dans les études de capture de mouvement pour fournir une représentation visuelle plus efficace du mouvement.

La boiterie chronique chez les chevaux est souvent associée à des lésions tissulaires dégénératives progressives similaires à celles de l’arthrose (OA), un problème majeur de santé publique chez l’homme 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . En médecine humaine, parce que les approches thérapeutiques axées sur le traitement de lésions spécifiques (par exemple, la pharmacothérapie et la réparation chondrale directe) ont pour la plupart échoué, les forces pathomécaniques sont maintenant reconnues comme la cause profonde des lésions tissulaires dans l’arthrose. Les forces aberrantes ou pathomécaniques affectent directement les cellules osseuses et cartilagineuses, induisant la libération de médiateurs inflammatoires et la dégénérescence progressive des tissus9. Ces observations indiquent qu’à moins que les forces mécaniques causales ne soient corrigées, de nombreuses maladies dégénératives chroniques des os et des articulations continueront de progresser. Par conséquent, l’accent thérapeutique en médecine humaine se déplace vers des approches qui « déchargent » les articulations touchées par l’exercice ciblé10,11. Cependant, ce changement n’a pas encore été fait en médecine équine, en partie parce que des modèles de mouvement équin qui peuvent être adaptés pour montrer les mouvements d’un individu sont nécessaires.
L’analyse biomécanique complète du corps entier est courante dans la conception de programmes d’entraînement visant à optimiser la performance athlétique et à faciliter la récupération des blessures chez les athlètes humains11 (voir aussi, par exemple, la revue « Sports Biomechanics »), mais elle est moins couramment effectuée pour les athlètes équins (mais voir12). Ainsi, l’objectif global ici est d’établir des modèles pathomécaniques de boiterie équine qui peuvent être utilisés pour développer des thérapies préventives et de réadaptation individualisées afin d’améliorer la santé des athlètes équins. De tels modèles pathomécaniques peuvent caractériser des différences dans l’anatomie fonctionnelle de régions (c.-à-d. la colonne vertébrale) qui ne sont pas aussi facilement discernables à l’œil nu que d’autres (c.-à-d. le membre inférieur). Pour atteindre cet objectif, le premier objectif était de développer un modèle de squelette équin anatomiquement précis, manipulable, corps entier, pouvant être utilisé comme modèle par les chercheurs intéressés par les analyses anatomiques, cinématiques et cinétiques fonctionnelles. Pour être utile aux cliniciens et aux chercheurs équins, ce modèle doit (1) être biologiquement réaliste pour permettre un positionnement anatomique précis, (2) permettre des ajustements faciles et précis pour modéliser diverses postures de chevaux sains et non sains, (3) pouvoir être animé pour étudier les effets de diverses allures, et (4) faciliter les recréations reproductibles de positions et de mouvements.
Un modèle graphique 3D de squelette équin du corps entier a été construit à partir de données de tomodensitométrie dans lequel les positions des os les uns par rapport aux autres pouvaient être manipulées puis animées pour correspondre aux mouvements d’images ou de vidéos d’un cheval en mouvement, créant ainsi un modèle de squelette équin 4D. Selon ce qui correspond le mieux à la question à aborder, le modèle peut être utilisé dans des versions 2D, 3D et 4D ou dans diverses combinaisons pour illustrer et caractériser les effets pathomécaniques de positions ou de postures spécifiques. En raison de sa conception de base et flexible, le modèle sert de modèle qui peut être modifié par les chercheurs pour refléter leurs questions spécifiques et leurs paramètres de données. Ces paramètres comprennent, par exemple, des informations anatomiques basées sur le sexe et la taille de l’animal, des données d’analyse de mouvement 3D, des estimations de la force des tissus mous et des propriétés inertielles. Ainsi, le modèle permet une analyse plus détaillée de zones ou d’articulations spécifiques, tout en fournissant la base pour mettre en place des expériences qui ne peuvent pas être effectuées sur des chevaux vivants. En raison des limites pratiques liées à la disponibilité des spécimens (p. ex., les côtes coupées) et au scanner, le modèle équin du corps entier est le résultat de la fusion des données de trois spécimens équins. Ainsi, le modèle n’est pas une représentation parfaite d’un seul individu, mais a été normalisé pour représenter la variabilité individuelle plus largement. En bref, il s’agit d’un modèle à utiliser et à modifier pour répondre aux besoins des chercheurs. Les tomodensitogrammes du tronc, de la tête et du cou et des membres ont été acquis à partir de deux spécimens équins d’environ la même taille avec un tomodensitomètre à 64 tranches utilisant un algorithme osseux, pas de 0,9, tranche de 1 mm. Les tomodensitogrammes d’un ensemble de côtes ont été acquis avec un tomodensitomètre à 64 tranches à l’aide d’un algorithme osseux, pas de tranches de 0,9, 0,64 mm.
L’intégrité anatomique des articulations osseuses (p. ex. à l’intérieur du membre) a été maintenue. Les tissus mous disponibles dans les tomodensitogrammes ont également été utilisés pour confirmer l’emplacement des os. Comme certaines côtes entières et les parties proximales de toutes les côtes étaient disponibles et scannées sur l’échantillon de thorax, les côtes scannées séparément pouvaient être dimensionnées avec précision et placées dans le modèle squelettique du corps entier. Les données DICOM (CT Digital Imaging and Communications in Medicine) qui en ont résulté ont été importées dans le logiciel de visualisation 3D (voir la Table des matériaux), et les os individuels ont été segmentés en ensembles de données individuels (c.-à-d. mailles osseuses). Les maillages osseux 3D individuels ont ensuite été importés dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D (Table des matériaux) où ils ont été dimensionnés, si nécessaire, et assemblés en un squelette équin complet en préparation du gréement - une méthode graphique de connexion des mailles osseuses afin que leurs mouvements soient liés (Figure 1).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Avizo</td>
			<td>VSG, Visualization Science Group, Inc., Burlington, MA</td>
			<td>N/A</td>
			<td>cited in text as &#34;3D visualization software&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Maya</td>
			<td>Autodesk, Inc., San Rafael, CA</td>
			<td>N/A</td>
			<td>cited in text as &#34;3D animation and modeling software&#34;; Free student version</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

construction of a realistic, whole-body, three-dimensional equine skeletal model using computed tomography data

Les thérapies basées sur des évaluations biomécaniques du corps entier sont efficaces pour la prévention des blessures et la réadaptation chez les athlètes humains. Des approches similaires ont rarement été utilisées pour étudier les blessures sportives équines. L’arthrose dégénérative causée par le stress mécanique peut provenir d’un dysfonctionnement postural chronique, qui, parce que le dysfonctionnement primaire est souvent éloigné du site de la lésion tissulaire, est mieux identifié en modélisant la biomécanique du corps entier. Pour caractériser la cinématique équine du corps entier, un modèle squelettique réaliste d’un cheval a été créé à partir de données de tomodensitométrie (TDM) équines pouvant être utilisées pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle. Les données de tomodensitométrie équine ont été reconstruites en ensembles de données tridimensionnelles (3D) individuels (c.-à-d. des os) à l’aide d’un logiciel de visualisation 3D et assemblées en un modèle squelettique 3D complet. Le modèle a ensuite été truqué et animé à l’aide d’un logiciel d’animation et de modélisation 3D. Le modèle squelettique 3D qui en résulte peut être utilisé pour caractériser les postures équines associées à des changements tissulaires dégénératifs ainsi que pour identifier les postures qui réduisent le stress mécanique sur les sites de lésion tissulaire. En outre, lorsqu’il est animé en 4D, le modèle peut être utilisé pour démontrer des mouvements squelettiques malsains et sains et peut être utilisé pour développer des thérapies individualisées préventives et de réadaptation pour les chevaux atteints de boiterie dégénérative. Bien que le modèle soit bientôt disponible en téléchargement, il est actuellement dans un format qui nécessite l’accès au logiciel d’animation et de modélisation 3D, qui a une courbe d’apprentissage assez longue pour les nouveaux utilisateurs. Ce protocole guidera les utilisateurs dans (1) l’élaboration d’un tel modèle pour tout organisme d’intérêt et (2) l’utilisation de ce modèle équin spécifique pour leurs propres questions de recherche.

Le résultat de la méthode a été un modèle 3D complet de squelette équin à l’intérieur du logiciel d’animation et de modélisation 3D qui permet des simulations précises de positionnement anatomique et de mouvement. Le modèle lui-même a un système de gréement graphique délégué aux membres antérieurs, aux membres postérieurs, à la colonne vertébrale, au cou et à la cage thoracique. Le modèle 3D pourrait être placé dans différentes postures (Figure 3 et Figure 4) par plusieurs individus. Les mouvements du modèle 4D (en mouvement) ont été comparés à des vidéos sur le côté, à l’arrière et à l’avant, ainsi qu’à des images de drones aériens pour représenter plus précisément le mouvement de la colonne vertébrale et à des vidéos de chevaux à la marche (vidéo), au galop et au trot pour créer des animations de ces allures.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig01.jpg"> Figure 1: Le modèle équin 3D peut être déplacé dans différentes postures et animé pour démontrer les mouvements du corps entier dans diverses allures dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D. (A, C) Systèmes de gréement graphique pour le cheval. La colonne vertébrale du ruban graphique qui permet le mouvement naturel de la colonne vertébrale osseuse est illustrée par le plan vert. Les commandes utilisées pour déplacer les différents gréements graphiques et les mailles osseuses attachées sont illustrées par les ovales jaunes et les flèches croisées sur le modèle. (A) Position debout. C) Position d’élevage. (B, D) Le modèle avec les mailles osseuses attachées au système de gréement graphique. Les positions des commandes modifient la position du squelette du cheval. (B) Cheval debout. D) Cheval d’élevage. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig02.jpg"> Figure 2: Le gréement de chaque membre avec des articulations permet le positionnement et la création de mouvement. (A) Membre antérieur avec articulations graphiques indiquées par les chiffres 1 à 10. (B) Membre postérieur avec joints graphiques indiqués par les numéros 11 à 17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig03.jpg"> Figure 3 : Le modèle équin 3D a été associé aux photos classiques de Muybridge13 comme preuve de concept et pour créer les premières animations. (A) Muybridge photographie un cheval à la promenade. (B) Le modèle équin 3D superposé aux photographies à utiliser comme images clés dans l’animation. (C) Le modèle équin 3D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig04.jpg"> Figure 4 : Le modèle équin 3D peut être déplacé dans diverses postures (par exemple, la rotation transversale de la colonne vertébrale démontrée ici) pour comprendre la relation entre de telles postures et les régimes de force pathomécaniques et la dégénérescence résultante des éléments squelettiques, des articulations et des tissus mous affectés. (A) Une représentation graphique 2D d’une posture normale d’un cheval (avec cavalier) à l’aide de photographies manipulées graphiquement d’un squelette équin par rapport à une image fixe de le modèle équin 3D avec la tête et les vertèbres cervicales cachées pour permettre la visualisation du thorax. (B) Une représentation graphique 2D d’un cheval (avec cavalier) avec une rotation transversale de la colonne vertébrale à l’aide de photographies manipulées graphiquement d’un squelette équin par rapport à une image fixe du modèle équin 3D avec la tête et les vertèbres cervicales cachées pour permettre la visualisation du thorax. Notez ici l’effet de la rotation transversale sur le squelette et les membres du corps. La position représentée surchargerait le membre antérieur gauche, qui était soutenu par la compression et la fissuration de la paroi du sabot avant gauche chez le cheval vivant. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Vidéo. Le cheval 4D. Les positions clés du squelette, telles que comparées aux13 photos du cheval de Muybridge, ont été interpolées pour créer une animation du cheval lors d’une promenade. Le mouvement peut être vu de l’avant, du côté, du haut et de l’arrière. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/4D%20Horse.mp4" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.</a>

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Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data

Le but de ce protocole est de décrire la méthode de création d’un modèle réaliste, complet, squelettique d’un cheval qui peut être utilisé pour la modélisation anatomique et biomécanique fonctionnelle afin de caractériser la mécanique du corps entier.

Construction d’un modèle squelettique équin réaliste, en trois dimensions, à l’aide de données de tomodensitométrie

Therapies based upon whole-body biomechanical assessments are successful for injury prevention and rehabilitation in human athletes. Similar approaches ...

Un modèle squelettique réaliste d’un cheval est créé à partir de données de tomodensitométrie équine qui peuvent être manipulées pour comprendre la modélisation fonctionnelle, anatomique et biomécanique de l’ensemble du corps équin. La technique permet un positionnement rapide et facile du modèle pour aider à caractériser les différentes postures équines. Le modèle peut aider à caractériser les postures équines associées à des maladies dégénératives des tissus et à identifier les postures qui réduisent les contraintes mécaniques.La méthode peut être adaptée et modifiée pour aider à modéliser d’autres espèces à des fins cliniques, telles que les chiens ou d’autres activités académiques telles que la modélisation des transitions évolutives. La démonstration de la procédure sera assurée par Alex Lee, un étudiant diplômé du laboratoire Osborn, présenté ici avec le Dr Osborn. Commencez par placer des articulations graphiques à l’intérieur du membre antérieur dans toutes les zones de mouvement.Appuyez sur la touche F3 pour activer le menu de gréement défini. Dans les menus, cliquez sur Squelette et Créer des joints, pour sélectionner l’outil Créer des joints. Dans le panneau Affichage du logiciel, cliquez sur les zones approximatives des joints de l’ordre de un à 10 et appuyez sur la touche Entrée.Ajustez la position des joints en cliquant sur le joint souhaité et en utilisant l’outil de déplacement, effectué en appuyant sur la touche W pour traduire le joint dans la position souhaitée. Vous pouvez également ajuster un joint en cliquant sur le joint souhaité et en modifiant les valeurs Translate X, Translate Y et Translate Z situées dans la zone Channel (Channel) ou dans le panneau De l’éditeur de calques.) Ensuite, créez cinq poignées cinématiques inverses distinctes.Dans les menus, cliquez sur Squelette et Créer une poignée IK pour sélectionner l’outil Créer une poignée IK. À l’aide de l’outil Créer une poignée IK, sélectionnez joint un, puis joint trois, et nommez cette poignée IK, Front Leg IK"dans le panneau Outliner. Ensuite, utilisez l’outil et sélectionnez l’articulation trois et l’articulation sept.Nommez cette poignée IK, Front Lower IK. Utilisez l’outil et sélectionnez les joints sept et huit et nommez cette poignée IK, Front Toe 1 IK. Répétez l’étape avec les joints huit et neuf pour créer le Front Toe 2 IK. Ensuite, avec les articulations neuf et 10 pour créer le IK.To de l’orteil avant, créez des contrôles de membres antérieurs, créez un cercle B-splines rationnel non uniforme, ou NURBS, en sélectionnant Créer des primitives NURBS et Cercle. Créez deux cercles NURBS entourant les articulations 3 et 10, et nommez-les respectivement Front Control et Front Lower Control dans le panneau Outliner. Créez un autre cercle NURBS et sélectionnez-le.Dans la zone Couche ou le panneau Éditeur de calque, définissez la valeur Rotation Z sur 90. À l’aide de l’outil de déplacement, placez-le à l’extrémité du joint 10 et nommez-le Front Flick Control"dans le panneau Outliner. Groupez l’orteil avant 1 IK, l’orteil avant 2 IK et l’orteil avant 3 IK en sélectionnant les trois et en appuyant sur la touche G.Nommez ce groupe, Front Toe Group » dans le panneau Outliner. Parent les poignées IK et le groupe d’orteils avant aux commandes, en sélectionnant d’abord le IK de la jambe avant, puis le contrôle avant et appuyez sur la touche P. Contrôle sélectionnez le contrôle inférieur avant, puis le contrôle avant, puis appuyez sur la touche P.Contrôle sélectionnez l’IK inférieur avant, puis le contrôle inférieur avant, puis appuyez sur la touche P. Contrôle sélectionnez le contrôle de glissement avant, puis le contrôle inférieur avant, puis appuyez sur la touche P. Contrôle Sélectionnez le groupe d’orteils avant, puis le contrôle de glissement avant, puis appuyez sur la touche P.Ensuite, utilisez l’outil Bind Skin pour lier les mailles osseuses à la plate-forme articulaire. Sélectionnez le maillage osseux, puis sélectionnez l’articulation la plus proximale et utilisez l’outil Lier la peau qui se trouve sous Peau et lier la peau. À l’aide de l’outil Créer des articulations, créez une articulation à l’intérieur de la maille osseuse sésamoïde.À l’aide de l’outil Bind Skin, liez le maillage osseux sésamoïde à l’articulation. Sélectionnez l’articulation à l’intérieur de l’os sésamoïde et décalez sélectionnez l’articulation du membre antérieur la plus proche et appuyez sur la touche P pour la parenter. Créez un plan NURBS dont la longueur est à peu près égale à la longueur de la colonne vertébrale.Sélectionnez 1 pour le patch U et le nombre de vertèbres thoraciques et lombaires pour le patch V. Sélectionnez le carré situé en regard de l’outil Créer un plan sous Créer des primitives NURBS et Plan. Pour reconstruire le plan avec des options modifiées, appuyez sur la touche F2 pour accéder au menu Modélisation.Sélectionnez le plan dans le panneau Affichage et sélectionnez les paramètres de l’outil de reconstruction en sélectionnant le carré en regard de l’outil Reconstruire sous Surfaces et Reconstruire. Sélectionnez le nombre de travées U comme 1, le nombre de travées V comme nombre pour le patch V et 1 linéaire pour les options Degré U et Degré V. Conservez les autres paramètres par défaut et appuyez sur le bouton Reconstruire.Pour créer nHairs, appuyez sur la touche F5 pour accéder au menu FX. Utilisez l’outil Créer des cheveux avec des options modifiées en sélectionnant le carré en regard de nHair et Create Hairs. Définissez la sortie sur les courbes NURBS, le nombre U sur 1, le nombre V sur le nombre pour le patch V, puis appuyez sur le bouton Créer des poils.Supprimez nucleus1, hairSystem1OutputCurves et hairSystem1 dans le panneau Outliner. Développez complètement le groupe intitulé hairSystem1Follicles et supprimez tous les éléments étiquetés avec une courbe. Sélectionnez le plan, puis déplacez-le et orientez-le de manière à ce qu’il se chevauche grossièrement avec la colonne vertébrale à l’aide des outils Déplacer et Faire pivoter.Sélectionnez le plan, maintenez le bouton droit de la souris enfoncé, puis sélectionnez Contrôler le sommet pour rendre tous les sommets du plan visibles. Déplacez les sommets pour orienter les follicules entre les vertèbres à la hauteur où se trouverait la moelle épinière. Créez un certain nombre de joints distincts à n’importe quel endroit du panneau Affichage.La position de ces articulations sera corrigée dans les étapes ultérieures. Dans le panneau Outliner, sélectionnez un joint créé, puis Ctrl sélectionnez un nurbsPlaneFollicle et appuyez sur la touche P. Répétez l’opération avec les autres articulations créées à l’étape précédente et les autres objets nurbsPlaneFollicle.Dans le panneau Outliner, Contrôle sélectionnez tous les joints. Dans la zone Couche ou calque, définissez traduire X, Y et Z sur zéro. Contrôle sélectionnez tous les joints dans le panneau Outliner et appuyez sur les touches Ctrl et D pour les dupliquer.Sélectionnez tous les joints en double dans le panneau Outliner et appuyez sur les touches Maj et P pour les annuler. Liez les articulations sous nurbsPlaneFollicle avec leur maillage de vertèbre respectif en appuyant sur la touche F3 pour accéder au menu Rigging. Cliquez sur l’articulation d’origine sous nurbsPlaneFollicle, Maj sélectionnez le maillage de vertèbre respectif.Utilisez ensuite l’outil Lier l’habillage sous Peau et Lier l’habillage. Répétez ces actions pour chaque maillage articulaire et vertébral. Contrôle Sélectionnez tous les joints en double et le plan et utilisez l’outil Lier l’enveloppe pour lier tous les joints en double au plan.Dans le logiciel d’animation et de modélisation 3D, la colonne vertébrale du ruban graphique permet le mouvement naturel de la colonne vertébrale osseuse. Le logiciel affiche le modèle avec les mailles osseuses attachées au système de gréement graphique permettant de contrôler la position des squelettes. Le gréement de chaque membre avec des articulations permet le positionnement et la création de mouvement à l’aide d’articulations graphiques avec les chiffres 1 à 10 pour les membres antérieurs et les articulations graphiques avec les numéros 11 à 17 pour les membres postérieurs.Le modèle équin 3D a été associé à des photos classiques de Muybridge comme preuve de concept et pour créer les premières animations. Le modèle peut être déplacé d’une posture normale à diverses postures comme une rotation transversale de la colonne vertébrale, ce qui permet de comprendre la relation entre les postures et les régimes de force pathomécaniques et la dégénérescence résultante des éléments squelettiques, des articulations et des tissus mous affectés. Les mouvements du modèle 4D ont été comparés à des vidéos sur le côté, à l’arrière et à l’avant pour représenter plus précisément le mouvement de la colonne vertébrale et à des vidéos de chevaux à la marche, au galop et au trot pour créer des animations de ces allures.L’étude de la mécanique du corps entier est nécessaire pour comprendre les effets des maladies articulaires dégénératives. Ce modèle fournit un moyen d’étudier la relation entre les mouvements et les postures aberrants et la dégénérescence tissulaire qui en résulte. Ce modèle équin unique du corps entier basé sur des données topographiques calculées permet l’étude de ce domaine de recherche et d’autres en raison de sa flexibilité et de sa capacité à être modifié par les utilisateurs pour répondre à leurs questions spécifiques.

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