3D运动性步态分析,用于啮齿动物的临床前研究

这里介绍的是一个协议,用于收集和分析啮齿动物四足运动三维运动学,用于临床前研究。

运动和运动的3D运动学正在被越来越多地使用。但大多数系统的复杂性限制了您临床前研究中的使用。我们这项工作提供一种详细而简单的方法来收集成年大鼠四足运动期间的3D数据。

所述系统提供深入的定性和定量数据分析，无需复杂的算法。系统我最喜欢的部分是它的多功能性使用。我们已经能够用它来运动，以及达到和把握功能。

在这里，我将演示它用于跑步机行走。将六台摄像机安装在墙上，距离跑步机两米远，使用可微调的齿轮头。在地平线下方稍微向下倾斜，以最大覆盖标记。

为每个摄像机配备环形灯，以可视化反光标记。定义实验所需的标记。使用前肢和后肢的标记来评估双边四足运动。

在这里，我们使用了22个标记。但是，这可以通过实验设计进行调整。使用魔杖系统校准运动捕获系统，该系统由 L 帧和魔杖组成。

将 L 形框架正交放在跑步机上，L 形框架的长腿指向大鼠将行走的方向。打开运动捕获软件。选择"记录"以捕获校准视频。

在空间的跑步机区域移动魔杖校准框架，以覆盖大鼠将进入的所有区域。录制至少一分钟的素材，以确保有足够的魔杖数据点，以进行准确的校准。将视频保存为 3D 校准文件。

右键单击相机组，在录制校准视频后选择 3D 跟踪。选择 3D 校准视频"并选择所有校准摄像机"使用定点功能跟踪所有六个视频上的 L 帧标记。定义所有点，然后选择"自动搜索"按钮。

跟踪后，退出窗口并选择自动 3D 魔杖跟踪"选择选项"，然后取消选择检测 L 帧"开始跟踪。软件完成跟踪后，单击所有六台摄像机的"分配魔杖短""魔杖中"和"魔杖长"标记。跟踪魔杖和 L 帧后，右键单击"摄像机校准组"并选择"选择新魔杖校准组""选择所有摄像机"，并在选择"确定"时按住控制键，然后根据校准期间使用的镜头选择"更改魔杖长度、L 帧高度和摄像机数量" 。

接受魔杖长度标准差小于 3 毫米且校准残差小于 0.004 的校准。该系统已投入商业使用。在这份报告中，我们为这里的研究提供了全面的指导，并有效地使用它。

我最喜欢这个特定的协议和系统本身，是有各种各样的更多的结果，你可以选择预先定义的结果的兴趣是特定于条件。每次训练前，将老鼠适应跑步机5分钟。训练老鼠以各种速度在四肢上完全承受重量。

训练所有的老鼠，直到他们能够始终在跑步机上行走。在收集数据之前，在放置标记的区域剃大鼠。将皮肤剥落为骨质地标，以准确放置标记。

使用笔标记的关节到肘部和膝盖。选择运动捕捉软件顶部栏上的红色相机按钮以录制试用。让大鼠行走约 30 秒或至少 10 个连续步骤。

保存录制的视频后，为每个试用版创建新的摄像机组。本协议中介绍的软件可由学生、教职员工和研究人员使用，无需技术专业知识。这个过程是用户友好的，可以很容易地掌握与很少的实践。

此协议可以在大约 45 分钟到 1 小时内实现，具体取决于所需的数据量。右键单击摄像机组进行运动跟踪。选择 2D 跟踪"选择 7 到 10 个最佳连续和一致的步骤进行跟踪。

右键单击感兴趣的标记并选择"自动跟踪"，这将检测由反光标记创建的亮点。或者，使用模式匹配跟踪标记，该模式将使用内置在软件中的算法来跟踪基于大小和颜色的标记。使用高级图像处理跟踪黑色标记，将黑色标记反转到亮点以进行自动跟踪。

手动跟踪和纠正跟踪中无法检测到的标记或错误。右键单击阶段"并选择编辑相位模型"根据选择学习的赤字为每个肢体自定义步态周期阶段。使用"添加阶段"按钮或 F11 快捷键为软件中每个肢体分配步态周期的阶段。

跟踪所有六台摄像机后执行 3D 计算。右键单击相机组并选择"新 3D 计算"将出现一个新文件夹。通过拖出感兴趣的标记并排查看与分配的步态阶段，生成感兴趣的数据，例如带数据点的关节高度或速度图。

单击 3D 图"以生成试用的三维图。此图显示了在跑步机上行走的代表性健康大鼠中的肘角轮廓。请注意，健康速率能够持续延长持续时间。

光滑的单峰表示具有完整运动范围的步态循环。交替姿态相位和摆动阶段持续时间，每个步骤的时序一致，表示正常内部协调。相比之下，受伤后连续步进不太常见。

代表性脊柱核心受伤大鼠的肘角剖面显示多个扭曲的峰，这些峰不太一致，运动范围更小。此外，延长姿态阶段和缩短摆动阶段持续时间表明右前肢的内部协调不足。此图显示了为两个肢体对之间的内部协调绘制的代表性数据。

代表性健康大鼠表现出定义良好的交替节奏协调，这被视为散射线图中的L形图案。相比之下，具有代表性的颈椎损伤大鼠表现出两个前肢之间的非交替、非节律协调不良。观看此视频后，您应该对如何设置和校准多摄像机运动采集系统、如何为大鼠进行运动捕捉做好准备、如何记录跑步机运动以及如何获取和分析输出的 3D 运动数据有了很好的了解。

因此，研究人员的最终目标是使用这些高度标准化的运动评估工具，并定期进行我们的研究，以破译干预对神经创伤后运动恢复的影响。