我们介绍一种运动学分析方法，该方法使用包含四个摄像头的三维运动捕捉装置和数据处理软件，用于在涉及啮齿类动物模型的基础研究中进行功能评估。
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摘要
摘要
与坐骨神经功能指数（SFI）相比，运动学分析是一种更为可靠且敏感的方法，可用于对坐骨神经损伤啮齿类动物模型进行功能评估。在本实验方案中，我们描述了一种新颖的运动学分析方法，该方法利用三维（3D）运动捕捉装置，结合大鼠坐骨神经 crush 损伤模型进行功能评估。首先，使大鼠适应跑台行走。随后，将标记物固定于指定的骨性解剖标志点，并让大鼠以设定速度在跑台上行走。同时，使用四台摄像机记录大鼠后肢的运动过程。根据所使用的软件，通过自动和手动模式生成标记点轨迹，并在进行细微调整后获得所需数据。这种基于三维运动捕捉装置的运动学分析方法具有多种优势，包括更高的精确性和准确性，可在全面的功能评估中检测更多参数。然而，该方法也存在若干不足之处需加以考虑：系统成本较高，操作可能较为复杂，且由于皮肤移动可能导致数据偏差。尽管如此，基于三维运动捕捉装置的运动学分析仍适用于前后肢功能的评估。未来，该方法可能在对多种创伤和疾病进行精确评估方面发挥越来越重要的作用。
引言
坐骨神经功能指数（SFI）是进行坐骨神经功能评估的基准方法1。SFI已被广泛采用，并频繁应用于多种关于大鼠坐骨神经损伤的功能评估研究中2,3,4,5,6。尽管该方法广受欢迎，但仍存在若干问题，包括自残行为7、关节挛缩风险以及足迹涂抹不清8。这些问题严重影响了其预后判断价值9。因此，亟需一种替代性的、更少误差的方法来取代SFI。
一种替代方法是运动学分析，包括利用附着在骨性标志或关节上的追踪标记进行的全面步态分析。运动学分析正越来越多地用于功能评估9。该方法正逐步被认可为一种可靠且敏感的功能评估工具10，且不存在SFI所存在的局限性11,12。
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方案
本实验方案已获京都大学动物实验委员会批准，所有操作步骤均遵循京都大学动物实验委员会指南（批准编号：MedKyo17029）。
1. 让大鼠熟悉跑台行走
- 在跑步机两侧设置两块透明塑料板，使一只12周龄的雄性Lewis大鼠沿直线向前行走，然后打开电击网格。
- 让每只大鼠在跑步机上行走。逐渐将跑步机加速至目标速度（20 cm/s 或 12 m/min），并让大鼠以该速度正常行走5分钟。每次行走结束后，给予1–2分钟的休息时间。每天重复此过程3次，每周5天，持续1周。
注意：在进入第2步前1周开始跑步机行走训练。 - 将大鼠每三只一组共同饲养于笼中，保持12小时光照-12小时黑暗的循环周期，并自由提供商业大鼠饲料和自来水。
2. 实施坐骨神经挤压损伤
- 将大鼠放入麻醉诱导室，并通入5%异氟烷吸入液。
- 向大鼠腹腔注射由0.15 mg/kg盐酸美托咪定、2 mg/kg咪达唑仑和2.5 mg/kg酒石酸布托啡诺配制而成的复合麻醉剂。检查足底反射是否消失。然后使用电动剃毛器剃除从左侧大转子至大腿中段区域的毛发。
- 铺开一块无菌布，将大鼠置于其上，并使其保持左侧卧位。同时将无菌手术器械放置在无菌布上。
- 使用手术刀10号刀片从大转子至大腿中段做一直线切口。然后使用手术止血钳在股....
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结果
我们选择了四个参数来研究大鼠坐骨神经挤压损伤模型中随时间推移的功能变化，分别为站立相与摆动相的比值、重心（CoG）轨迹、踝关节角度以及“足趾离地”阶段的足趾角度9。将24只大鼠随机分为四组：对照组（C），以及左侧坐骨神经挤压损伤后第一周（1w）、第三周（3w）和第六周（6w）的实验组。
通过三维运动学分析，系统自动计算了10步周期中支撑相或摆动相的平均比率，并在界面上显示（图1A-D）。我们发现，术后支撑相与摆动相的比率得到恢复。
重心（CoG）是一个虚拟点，可通过三维运动捕捉设备使用虚拟标记进行追踪。它位于两侧髂前上棘与对侧股骨大转子连线的交点处。因此，当使用三维构建的骨盆模型时，冠状面（X轴和Z轴）上的实时骨盆移动会同时引起重心的移动，该移动也可被自动测量。重心轨迹被描述为10步周期内X轴和Z轴上骨盆移动平均值的变化曲线。正常的重心轨迹形状类似于无穷大符号（∞）。我们发现，术后6周内.......
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讨论
在本实验方案中，一只稳定且持续行走的大鼠是运动学分析中最关键的部分。跑步机速度设定为 20 cm/s。如果大鼠在无空间限制的情况下活动，该行走速度绝不能被视为"高"速16。然而，对于未经训练的大鼠而言，此速度过快，难以在跑步机上稳定行走，可能导致异常步态和不均匀的运动。这些情况会严重影响数据的可靠性和真实性。但若跑步机速度低于 20 cm/s，则可能导致大鼠间歇性停止行走，从而产生较大偏差并降低数据可靠性。因此，训练大鼠能够在跑步机上沿直线稳定向前行走，对于实现精确的运动学分析极为重要。
此外，操作人员在运动学分析过程中不应忽视重新确认和精细调整的必要性。我们发现，正常大鼠步态周期中摆动相约占25%。这意味着后肢在摆动相期间的运动加速到摄像系统无法持续且准确捕捉其运动的程度。同时，环境光线过亮或过暗、透明跑台表面的污渍，以及行走过程中偶然出现的异常运动模式，都可能导致追踪标签相对于大鼠身上标记物的位置出现明显偏离。这些因素会降低动作捕捉过程的准确性。为此，我们在标记物追踪系统中引入了手动调整功能。通过手动调整，可以在标.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由日本学术振兴会（JSPS）科研费资助，资助编号为 JP19K19793、JP18H03129 和 JP18K19739。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 9-0 尼龙缝合线 | Bear Medic Corporation. | T06A09N20-25 | |
| 小型动物麻醉装置 | SHINANO MFG CO.,LTD. | SN-487-0T | |
| 异氟烷吸入溶液 | Pfizer Japan Inc. | (01)14987114133400 | |
| Kine Analyzer | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 一种分析软件 |
| 液体粘合剂 | KANBO PRAS CORPORATION | PT-B180 | |
| 微型镊子 | BRC CO. | 16171080 | |
| Motion Recorder | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 一种记录软件 |
| 标准外科止血钳 | Fine Science Tools, Inc. | 12501-13 | |
| 10号外科刀片 | FEATHER Safety Razor CO., LTD | 100D | |
| 外科止血钳 | World Precision Instruments | 503740 | |
| 三维运动捕捉装置（KinemaTracer for Animal） | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 一种由摄像头组成的三维运动分析系统 |
| 三维（3D）计算器 | KISSEI COMTEC CO.,LTD. | N.A. | 一种标记点追踪软件 |
| 跑步机 | MUROMACHI KIKAI CO.,LTD | MK-685 | 配备附属电刺激器、透明隔板和速度控制装置的跑步机 |
参考文献
- Kanaya, F., Firrell, J. C., Breidenbach, W. C. Sciatic function index, nerve conduction tests, muscle contraction, and axon morphometry as indicators of regeneration. Plastic and Reconstructive Surgery. 98 (7), 1264-1274 (1996).
- Takhtfooladi, M. A., Jahanbakhsh, F., Takhtfooladi, H. A., Yousefi, K., Allahverdi, A.
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