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

Авторы выражают признательность г-ну Жану Люку Корниллю, специалисту по науке о движении, за его вклад в повышение точности моделирования; д-р Марта Литтлфилд и г-н Джеймс Рэй (LSU SVM), а также д-р Стив Холладей, д-р Карла Джарретт и г-н Брент Норвуд (UGA CVM) для доступа к анатомическим образцам; д-р Аджай Шарма (UGACVM) и д-р Л. Аббигейл Грейнджер и г-н Марк Хантер (LSUSVM) за проведение компьютерной томографии; и исследователи бакалавриата Джереми Бейкер, Джошуа Мацеевски, Сара Ланглуа и Даниэль Пазуки (LSU School of Veterinary Medicine Functional and Evolutionary Anatomy Lab) за их работу, связанную с этим исследованием. Финансирование было получено от Программы исследований здоровья лошадей Школы ветеринарной медицины Университета штата Луизиана через грант Чарльза В. Кузимано.

<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>

Авторы заявили об отсутствии конфликта интересов.

Этот протокол демонстрирует, как создать 3D-скелетную модель всего тела организма и демонстрирует, как использовать скелетную модель всего тела лошади, описанную в этой статье. Модель в настоящее время находится в формате, который требует определенного программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Тем не менее, версия этого программного обеспечения находится в свободном доступе для тех, кто связан с университетом. Хотя моделирование осанки и движения всего тела используется для оценки спортсменов-людей и выявления причин механически индуцированных хронических травм11, это реже делается с лошадьми-спортсменами. Чтобы использовать этот подход для оценки потенциальных причин спортивных травм лошадей и проблем с производительностью, была создана реалистичная скелетная модель всего тела лошади с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Эта модель отличается от других моделей лошадей, которые либо являются художественным графическим воссозданием скелета (https://www.youtube.com/watch?v=YncZtLaZ6kQ), либо изображают только конечности 14,15,16,17. В этой модели всего тела передние конечности, задние конечности, позвоночник и грудная клетка были оснащены и имели элементы управления, которые позволяют легко манипулировать моделью для реалистичного и точного позиционирования и анимации.
Протокол, используемый для настройки модели, обеспечивает повторяемость и будущие изменения в соответствии с потребностями конкретной лошади, позволяющей проводить индивидуальный анализ. Таким образом, модель лошадей является инструментом, который будет использоваться исследователями при анализе движения. Однако это не автоматизированная программа, которая предоставляет ответы без ввода параметров, специфичных для моделируемого животного, и рассматриваемого вопроса, поскольку точность модели напрямую связана с силой конкретного анализа. Возможность ввода параметров также позволяет постоянно обновлять модель данными будущих исследований. Кроме того, этот графический протокол такелажа может быть применен и/или скорректирован для отражения анатомических различий между людьми. Он также может быть адаптирован для эффективного моделирования других животных. 3D-моделью лошадей можно легко манипулировать и позиционировать для имитации положений и движений. Это особенно очевидно с конечностями, поскольку их движения относительно просты для просмотра и моделирования.
Графическое позиционирование суставов в модели определяли подходом, аналогичным тому, который использовался в других исследованиях18,19. Костяные сетки были размещены в нейтральном положении. Графические суставы были расположены таким образом, чтобы кости могли свободно вращаться, не вызывая столкновения с другими костными сетками. В цифрах графическое соединение помещалось в точке, где сфера совпадала с поверхностями движения. Графическое соединение лопатки помещали в примерный центр лезвия лопатки. Такое позиционирование графического сустава позволяет перемещать его в 6 степенях свободы для ориентации лопатки в нужное положение. В отличие от конечностей, движение позвоночника нелегко увидеть, оно сложнее, чем часто реализуется, и, следовательно, его труднее моделировать. Хотя модель обладает гибкостью, которую можно использовать для исследования движений и проблем в конкретных спинномозговых суставах, она также должна была быть в состоянии представить часто трудно различимые движения всего позвоночника. Использование «ленточного позвоночника» позволяет более реалистично двигать позвоночник во время анимации.
Это важно, так как позвоночник у лошадей, как было обнаружено у людей, часто является источником проблем, которые потенциально связаны с аберрантными биомеханическими движениями и травмами конечностей. Сильной стороной этой модели является способность точно демонстрировать положения позвоночника, такие как поперечные вращения позвонков20 (рисунок 4). Как эти позы влияют на конечности в трех измерениях во время различных походок, можно определить, используя модель в сочетании с кинематическим и силовым анализом (например, исследования нажимных пластин для подтверждения повышенной нагрузки конечностей и статический силовой анализ). Мышечно-мышечные компоненты мягких тканей в настоящее время добавляются к скелетной модели всего тела. Будущие цели заключаются в расширении использования модели в 3D биомеханическом анализе для исследований хромоты лошадей. Такое расширение будет включать использование модели для завершения 3D-анализа силы, который сравнивает здоровые и нездоровые позы, и регистрацию модели с помощью точек 3D-данных, собранных в исследованиях захвата движения, чтобы обеспечить более эффективное визуальное представление движения.

Хроническая хромота у лошадей часто связана с прогрессирующими дегенеративными поражениями тканей, аналогичными остеоартриту (ОА), основной проблеме общественного здравоохранения у людей 1,2,3,4,5,6,7,8,9 . В медицине человека, поскольку терапевтические подходы, ориентированные на лечение конкретных поражений (например, фармакотерапия и прямая хондральная репарация), в основном потерпели неудачу, патомеханические силы в настоящее время признаны основной причиной повреждения тканей при ОА. Аберрантные или патомеханические силы воздействуют непосредственно как на костные, так и на хрящевые клетки, вызывая высвобождение медиаторов воспаления и прогрессирующую дегенерацию тканей9. Эти наблюдения показывают, что, если причинные механические силы не будут исправлены, многие хронические дегенеративные заболевания костей и суставов будут продолжать прогрессировать. Следовательно, терапевтический фокус в медицине человека смещается в сторону подходов, которые «разгружают» пораженные суставы с помощью целенаправленныхупражнений 10,11. Однако этот сдвиг еще не был сделан в медицине лошадей, отчасти потому, что необходимы модели движения лошадей, которые могут быть адаптированы, чтобы показать движения человека.
Комплексный биомеханический анализ всего тела распространен при разработке тренировочных программ для оптимизации спортивных результатов и облегчения восстановления после травм у спортсменов-людей11 (см. также, например, журнал «Спортивная биомеханика»), но реже делается для спортсменов лошадей (см.12). Таким образом, главной целью здесь является создание патомеханических моделей хромоты лошадей, которые могут быть использованы для разработки индивидуализированных профилактических и реабилитационных методов лечения для улучшения здоровья спортсменов лошадей. Такие патомеханические модели могут характеризовать различия в функциональной анатомии областей (т.е. позвоночника), которые не так легко различимы невооруженным глазом, как другие (т.е. нижняя конечность). Для достижения этой цели первой задачей была разработка анатомически точной, манипулируемой модели скелета лошадей, которая может быть использована в качестве шаблона исследователями, заинтересованными в функциональном анатомическом, кинематическом и кинетическом анализе. Чтобы быть полезной для клиницистов лошадей и исследователей, эта модель должна (1) быть биологически реалистичной, чтобы обеспечить точное анатомическое позиционирование, (2) позволять легко и точно корректировать различные позы здоровых и нездоровых лошадей, (3) быть анимированной для изучения эффектов различных походок и (4) облегчать повторяемые воссоздания положений и движений.
3D-графическая скелетная модель всего тела лошади была построена из данных КТ, в которой положения костей относительно друг друга можно было манипулировать, а затем анимировать, чтобы они соответствовали движениям из изображений или видео лошади в движении, создавая таким образом 4D-модель скелета лошади. В зависимости от того, что лучше всего соответствует рассматриваемому вопросу, модель может использоваться в 2D, 3D и 4D версиях или в различных комбинациях для иллюстрации и характеристики патомеханических эффектов конкретных позиций или поз. Из-за своего базового и гибкого дизайна модель служит шаблоном, который может быть изменен исследователями для отражения их конкретных вопросов и параметров данных. К таким параметрам относятся, например, анатомическая информация, основанная на поле и размере животного, данные анализа 3D-движения, оценки силы мягких тканей и инерционные свойства. Таким образом, модель позволяет более детально анализировать конкретные области или суставы, а также обеспечивает основу для постановки экспериментов, которые не могут быть выполнены на живых лошадях. Из-за практических ограничений, связанных с наличием образцов (например, разрезание ребер) и сканером, модель лошадей всего тела является результатом объединения данных трех образцов лошадей. Таким образом, модель не является идеальным представлением одного индивида, но была стандартизирована для представления индивидуальной изменчивости в более широком смысле. Короче говоря, это шаблон, который будет использоваться и модифицироваться в соответствии с потребностями исследователей. Компьютерная томография туловища, головы и шеи, а также конечностей была получена от двух образцов лошадей примерно одинакового размера с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 1 мм среза. Компьютерная томография набора ребер была получена с помощью 64-срезового КТ-сканера с использованием костного алгоритма, шаг 0,9, 0,64 мм срезов.
Сохранялась анатомическая целостность костных суставов (например, внутри конечности). Мягкие ткани, доступные в компьютерной томографии, также использовались для подтверждения размещения костей. Поскольку некоторые целые ребра и проксимальные части всех ребер были доступны и отсканированы на образце грудной клетки, отдельно отсканированные ребра могли быть точно измерены и помещены в скелетную модель всего тела. Полученные данные CT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) были импортированы в программное обеспечение для 3D-визуализации (см. Таблицу материалов), а отдельные кости были сегментированы в отдельные наборы данных (т. Е. Костные сетки). Затем отдельные 3D-костяные сетки были импортированы в программное обеспечение для 3D-анимации и моделирования (Таблица материалов), где они были измерены, если это необходимо, и собраны в полный скелет лошади при подготовке к такелажу - графическому методу соединения костных сеток таким образом, чтобы их движения были связаны (рисунок 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

Методы лечения, основанные на биомеханических оценках всего тела, являются успешными для профилактики травм и реабилитации у спортсменов-людей. Подобные подходы редко использовались для изучения спортивных травм лошадей. Дегенеративный остеоартрит, вызванный механическим стрессом, может возникнуть из-за хронической постуральной дисфункции, которая, поскольку первичная дисфункция часто удалена от места повреждения тканей, лучше всего идентифицируется путем моделирования биомеханики всего тела. Для характеристики кинематики лошадей всего тела была создана реалистичная скелетная модель лошади на основе данных компьютерной томографии (КТ) лошадей, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования. Данные КТ лошадей были реконструированы в отдельные трехмерные (3D) наборы данных (т.е. кости) с использованием программного обеспечения для 3D-визуализации и собраны в полную 3D-скелетную модель. Затем модель была сфальсифицирована и анимирована с использованием программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования. Полученная 3D-модель скелета может быть использована для характеристики поз лошадей, связанных с дегенеративными изменениями тканей, а также для выявления поз, которые уменьшают механическое напряжение в местах повреждения тканей. Кроме того, при анимации в 4D модель может быть использована для демонстрации нездоровых и здоровых скелетных движений и может быть использована для разработки профилактической и реабилитационной индивидуализированной терапии для лошадей с дегенеративными хромотами. Хотя модель скоро будет доступна для загрузки, в настоящее время она находится в формате, который требует доступа к программному обеспечению для 3D-анимации и моделирования, которое имеет довольно сложную кривую обучения для новых пользователей. Этот протокол будет направлять пользователей в (1) разработке такой модели для любого интересующего организма и (2) использовании этой конкретной модели лошадей для их собственных исследовательских вопросов.

Результатом метода стала 3D-модель скелета лошадей внутри программного обеспечения для 3D-анимации и моделирования, которая позволяет точное анатомическое позиционирование и моделирование движения. Сама модель имеет графическую такелажную систему, делегированную передним конечностям, задним конечностям, позвоночнику, шее и грудной клетке. 3D-модель может быть помещена в различные позы (рисунок 3 и рисунок 4) несколькими людьми. Движения 4D-модели (в движении) сравнивались с видео сбоку, сзади и спереди, а также с кадрами дронов над головой, чтобы более точно изобразить движение позвоночника и видео лошадей на прогулке (видео), кантере и рыси для создания анимации этих походок.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig01.jpg"> Рисунок 1: 3D-модель лошади может быть перемещена в различные позы и анимирована для демонстрации движений всего тела в различных походках в программном обеспечении для 3D-анимации и моделирования. (A, C) Графические такелажные системы для лошади. Графическая лента позвоночника, обеспечивающая естественное движение костного отдела позвоночника, проиллюстрирована зеленой плоскостью. Элементы управления, используемые для перемещения различных графических оснасток и прикрепленных костяных сеток, иллюстрируются желтыми овалами и поперечными стрелками на модели. (A) Положение стоя. (C) Положение для поднятия. (В, Г) Модель с костяными сетками, прикрепленными к графической такелажной системе. Положения органов управления изменяют положение скелета лошади. (B) Стоячая лошадь. (D) Выращивание лошадей. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig02.jpg"> Рисунок 2: Оснастка каждой конечности с суставами позволяет позиционировать и создавать движение. (А) Передний край с графическими суставами, обозначенными цифрами 1-10. (B) Задние конечности с графическими соединениями, обозначенными цифрами 11-17. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig02large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig03.jpg"> Рисунок 3: 3D-модель лошади была сопоставлена с классическими фотографиями Muybridge13 в качестве доказательства концепции и создания первых анимаций. (А) Мейбридж фотографирует лошадь на прогулке. (B) 3D-модель лошади, наложенная на фотографии, которые будут использоваться в качестве ключевых кадров в анимации. (C) 3D-модель лошадей. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig03large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62276/62276fig04.jpg"> Рисунок 4: 3D-модель лошади может быть перемещена в различные позы (например, поперечное вращение позвоночника, продемонстрированное здесь), чтобы понять связь таких поз с патомеханическими силовыми режимами и результирующей дегенерацией пораженных скелетных элементов, суставов и мягких тканей. (A) Графическое 2D-представление нормальной позы лошади (с всадником) с использованием графически обработанных фотографий скелета лошади по сравнению с неподвижным изображением 3D-модель лошади со скрытыми головой и шейными позвонками для визуализации грудной клетки. (B) Графическое 2D-изображение лошади (с всадником) с поперечным вращением позвоночника с использованием графически обработанных фотографий скелета лошади по сравнению с неподвижным изображением 3D-модели лошади со скрытыми головой и шейными позвонками для визуализации грудной клетки. Обратите внимание здесь на влияние поперечного вращения на скелет и конечности тела. Изображенное положение перегружало бы левую переднюю конечность, которая поддерживалась сжатием и треском левой передней стенки копыта у живой лошади. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/62276fig04large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Видео. 4D Лошадь. Ключевые положения скелета, соответствующие13 фотографиям лошади Мейбриджа, были интерполированы, чтобы создать анимацию лошади на прогулке. Движение можно увидеть спереди, сбоку, сверху и сзади. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62276/4D%20Horse.mp4" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Construction of a Realistic, Whole-Body, Three-Dimensional Equine Skeletal Model using Computed Tomography Data at JoVE.com

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

Целью данного протокола является описание метода создания реалистичной, цельнотелевой, скелетной модели лошади, которая может быть использована для функционального анатомического и биомеханического моделирования для характеристики механики всего тела.

Построение реалистичной трехмерной модели скелета лошадей всего тела с использованием данных компьютерной томографии

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

Реалистичная скелетная модель лошади создается из данных компьютерной томографии лошадей, которыми можно манипулировать, чтобы понять функциональное, анатомическое и биомеханическое моделирование всего тела лошади. Техника позволяет быстро и легко позиционировать модель, чтобы помочь охарактеризовать различные позы лошадей. Модель может помочь охарактеризовать позы лошадей, связанные с дегенеративными заболеваниями тканей, и определить позы, которые уменьшают механические нагрузки.Метод может быть адаптирован и модифицирован, чтобы помочь в моделировании других видов для клинических целей, таких как собаки или другие академические занятия, такие как моделирование эволюционных переходов. Продемонстрировать процедуру будет Алекс Ли, аспирант из лаборатории Осборна, показанный здесь с доктором Осборном. Начните с размещения графических суставов внутри передней конечности во всех областях движения.Нажмите клавишу F3, чтобы включить набор меню такелажа. В меню выберите Скелет и Создать суставы, чтобы выбрать инструмент создания суставов. На панели Вид программного обеспечения щелкните в приблизительных областях стыков порядка от одного до 10 и нажмите клавишу ввода.Отрегулируйте положение суставов, нажав на нужный сустав и используя инструмент перемещения, выполненный нажатием клавиши W, чтобы перевести сустав в нужное положение. Кроме того, можно настроить соединение, щелкнув нужное соединение и изменив значения Translate X, Translate Y и Translate Z, найденные в поле «Канал» или на панели редактора «Слой». Затем создайте пять отдельных обратных кинематических маркеров.В меню выберите Скелет и Создать маркер ОК, чтобы выбрать инструмент Создать маркер ОК. С помощью инструмента «Создать рукоятку ОК» выберите «Соедините один», затем соедините три и назовите этот маркер IK «Передняя нога IK» на панели «Контур». Затем используйте инструмент и выберите соединение три и соединение семь.Назовите этот маркер IK, Передний нижний IK. Используйте инструмент и выберите соединения семь и восемь и назовите этот маркер IK, Front Toe 1 IK. Повторите шаг с суставами восемь и девять, чтобы создать Front Toe 2 IK. Затем с помощью соединений девять и 10 для создания Front Toe 3 IK.To создать элементы управления передними конечностями, создать неоднородные рациональные B-сплайны, или NURBS, круг, выбрав Создать примитивы NURBS и Круг. Создайте два круга NURBS, окружающие соединение 3 и соединение 10, и назовите их «Передний контроль» и «Передний нижний элемент управления» соответственно на панели Outliner. Создайте еще один круг NURBS и выберите его.В поле «Канал» или на панели редактора «Слой» измените значение параметра «Повернуть Z» на 90. С помощью инструмента «Перемещение» поместите его на кончик сустава 10 и назовите его «Управление передним движением» на панели «Контур». Сгруппируйте передний носок 1 IK, передний носок 2 IK и передний носок 3 IK, выбрав все три и нажав клавишу G.Назовите эту группу «Группа передних пальцев ног» на панели «Контур». Сопоставьте ручки ОК и группу передних пальцев ног к элементам управления, сначала выбрав ОК передней ножки, затем передний элемент управления и нажав клавишу P. Элемент управления выберите Передний нижний элемент управления, затем Передний элемент управления и нажмите клавишу P.Элемент управления выберите передний нижний IK, затем передний нижний элемент управления и нажмите клавишу P. Элемент управления выберите элемент управления «Передний пролистывание», затем «Передний нижний элемент управления» и нажмите клавишу P. Элемент управления выберите группу передних пальцев ног, затем элемент управления пролистыванием передней части и нажмите клавишу P.Затем используйте инструмент Bind Skin, чтобы связать костные сетки с суставной установкой. Выберите костную сетку, выберите наиболее проксимальный сустав и используйте инструмент «Связать кожу», который находится в разделе «Кожа» и «Связать кожу». С помощью инструмента «Создать суставы» создайте сустав внутри сесамовидной костной сетки.С помощью инструмента Bind Skin привяжите сесамовидную костную сетку к суставу. Выберите сустав внутри сесамовидной кости и сместите, выберите ближайший сустав передней конечности и нажмите клавишу P, чтобы передать его. Создайте плоскость NURBS с длиной, примерно равной длине позвоночника.Выберите 1 для U пластыря и количество грудных и поясничных позвонков для V-пластыря. Выделите квадрат рядом с инструментом «Создать плоскость» в разделах «Создать примитивы NURBS» и «Плоскость». Чтобы перестроить самолет с измененными параметрами, нажмите клавишу F2, чтобы войти в набор меню Моделирование.Выберите «Плоскость» на панели «Вид» и выберите параметры инструмента «Перестроить», щелкнув квадрат рядом с инструментом «Перестроить» в разделе «Поверхности и перестроить». Выберите Число диапазонов U как 1, Число диапазонов V в качестве числа для исправления V и 1 Линейный для параметров Градус U и Градус V. Оставьте остальные настройки по умолчанию и нажмите кнопку Перестроить.Чтобы создать nHairs, нажмите клавишу F5, чтобы войти в набор меню FX. Используйте инструмент «Создать волосы» с измененными параметрами, выбрав квадрат рядом с nHair и «Создать волосы». Установите выходные данные в кривые NURBS, U count равны 1, V count в число для V патча, затем нажмите кнопку Create Hairs .Удалите группу nucleus1, hairSystem1OutputCurves и hairSystem1 на панели «Контур». Полностью разверните группу с меткой hairSystem1Follicles и удалите все элементы, помеченные кривой. Выделите плоскость, затем переместите и наведите ее так, чтобы она примерно перекрывалась с корешком, с помощью инструментов «Перемещение» и «Поворот».Выделите плоскость, удерживайте правую кнопку мыши и выберите Control Vertex, чтобы сделать видимыми все вершины плоскости. Переместите вершины, чтобы сориентировать фолликулы между позвонками на высоте, где будет спинной мозг. Создайте несколько отдельных соединений в любом месте панели «Вид».Положение этих суставов будет исправлено на последующих этапах. На панели Outliner выберите созданное соединение, затем Control выберите nurbsPlaneFollicle и нажмите клавишу P. Повторите с другими соединениями, созданными на предыдущем шаге, и другими объектами nurbsPlaneFollicle.На панели «Контур» в разделе «Управление» выберите все соединения. В поле «Канал» или «Слой» установите для параметров «Перевести X, Y и Z» значение нуля. Элемент управления, выберите все соединения на панели Outliner и нажмите клавиши Control и D, чтобы дублировать их.Элемент управления, выделите все дубликаты соединений на панели Outliner и нажмите клавиши Shift и P, чтобы удалить их. Свяжите суставы под nurbsPlaneFollicle соответствующей сеткой позвонков, нажав клавишу F3, чтобы войти в набор меню Rigging. Нажмите на исходный сустав под nurbsPlaneFollicle, Shift выберите соответствующую сетку позвонка.Затем используйте инструмент «Связать кожу» под кожей и «Связать кожу». Повторите эти действия для каждого сустава и сетки позвонков. Управление выделением всех дублирующихся соединений и плоскости и использование инструмента Bind Skin для привязки всех дублирующихся соединений к плоскости.В программном обеспечении для 3D-анимации и моделирования графическая лента позвоночника обеспечивает естественное движение костного отдела позвоночника. Программа отображает модель с костными сетками, прикрепленными к графической такелажной системе, что позволяет контролировать положение скелетов. Оснастка каждой конечности суставами позволяет позиционировать и создавать движения с помощью графических суставов с номерами от 1 до 10 для передних конечностей и графических суставов с номерами от 11 до 17 для задних конечностей.3D-модель лошадей была сопоставлена с классическими фотографиями Мейбриджа в качестве доказательства концепции и создания первых анимаций. Модель может быть перемещена из нормальной позы в различные позы, такие как поперечное вращение позвоночника, что позволяет понять связь поз с патомеханическими силовыми режимами и результирующей дегенерацией пораженных скелетных элементов, суставов и мягких тканей. Движения 4D-модели сравнивались с видео сбоку, сзади и спереди, чтобы более точно изобразить движение позвоночника, и с видео лошадей на прогулке, кантере и рыси для создания анимации этих походок.Изучение механики всего тела необходимо для понимания последствий дегенеративных заболеваний суставов. Эта модель обеспечивает способ изучения взаимосвязи между аберрантными движениями и позами и результирующей дегенерацией тканей. Эта уникальная модель лошадей всего тела, основанная на данных компьютерной топографии, позволяет изучать эту область исследований и другие области из-за ее гибкости и способности быть измененными пользователями для ответа на их конкретные вопросы.

Research

JoVE Journal

Biology

Using High Resolution Computed Tomography to Visualize the Three Dimensional Structure and Function of Plant Vasculature

Использование компьютерной томографии высокого разрешения для визуализации трехмерной структуры и функции сосудистой завод

High resolution x-ray computed tomography (HRCT) is a non-destructive diagnostic imaging technique with sub-micron resolution capability that is now being ...

3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

3D печать Доклинические рентгеновской компьютерной томографии наборов данных

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

Whole-Body Nanoparticle Aerosol Inhalation Exposures

Всего тела наночастиц Воздействие аэрозолей при вдыхании

Inhalation is the most likely exposure route for individuals working with aerosolizable engineered nano-materials (ENM). To properly perform nanoparticle ...

Measuring Respiratory Function in Mice Using Unrestrained Whole-body Plethysmography

Измерение функции внешнего дыхания у мышей, используя безудержного плетизмографии всего тела

Respiratory dysfunction is one of the leading causes of morbidity and mortality in the world and the rates of mortality continue to rise. Quantitative ...

FRET Imaging in Three-dimensional Hydrogels

FRET визуализации в трехмерных гидрогелей

Imaging of F&#246;rster resonance energy transfer (FRET)&#160;is a powerful tool for examining cell biology in real-time. Studies utilizing FRET commonly ...

Adipo-Clear: A Tissue Clearing Method for Three-Dimensional Imaging of Adipose Tissue

ADIPO ясно: Ткани, очистка метод для трехмерных изображений жировой ткани

Adipose tissue plays a central role in energy homeostasis and thermoregulation. It is composed of different types of adipocytes, as well as adipocyte ...

Assessment of Global Ocular Structure Following Spaceflight Using a Micro-Computed Tomography (Micro-CT) Imaging Method

Assessment of Global Ocular Structure Following Spaceflight Using a Micro-Computed Tomography Micro-CT Imaging Method

Оценка глобальной глазной структуры после космических полетов с использованием метода микро-компьютерной томографии (Micro-CT)

Reports show that prolonged exposure to a spaceflight environment produces morphologic and functional ophthalmic changes in astronauts during and after an ...

Strategies for Optimization of Cryogenic Electron Tomography Data Acquisition

Стратегии оптимизации сбора данных криогенной электронной томографии

Cryogenic electron tomography (cryoET) is a powerful method to study the 3D structure of biological samples in a close-to-native state. Current ...

Three-dimensional Characterization of Interorganelle Contact Sites in Hepatocytes using Serial Section Electron Microscopy

Трехмерная характеристика межорганизационных контактных участков в гепатоцитах с помощью электронной микроскопии серийного сечения

Transmission electron microscopy has been long considered to be the gold standard for the visualization of cellular ultrastructure. However, analysis is ...

Cryo-Electron Tomography Remote Data Collection and Subtomogram Averaging

Удаленный сбор данных криоэлектронной томографии и усреднение субтомограмм

Cryo-electron tomography (cryo-ET) has been gaining momentum in recent years, especially since the introduction of direct electron detectors, improved ...