用于啮齿类动物临床前研究的三维运动学步态分析

运动和 locomotion 的三维运动学正被越来越多地使用。然而，大多数系统的复杂性限制了其在临床前研究中的应用。本研究旨在提供一种在成年大鼠四足 locomotion 期间采集三维数据的详细且简便的方法。

该系统提供了深入的定性与定量数据分析，且无需使用复杂的算法。我最喜欢该系统的一点是其用途的多样性。我们已将其成功应用于运动功能，以及伸手和抓握功能的研究。

在此，我将演示其在跑步机行走中的应用。使用精密可调的齿轮云台，在距离跑步机两米的墙面上安装六台相机。将相机角度略微向下倾斜，低于地平线，以最大程度覆盖标记点。

为每台相机配备环形灯，以清晰显示反光标记点。根据实验需求确定所需的标记点位置。在前肢和后肢均使用标记点，以评估四肢动物的双侧四足运动。

此处我们使用了22个标记点。然而，可根据实验设计进行调整。使用由L型支架和探杆组成的探杆系统对运动捕捉系统进行校准。

将L形支架垂直放置于跑步机上，L形支架的长边指向大鼠行走的方向。打开动作捕捉软件，选择“Record”以采集校准视频。

在空间中移动手柄校准框，覆盖大鼠行走时可能经过的所有区域。录制至少一分钟的视频，以确保获得足够多的手柄数据点，从而实现精确校准。将视频保存为3D校准文件。

录制完校准视频后，右键单击相机组并选择“3D 跟踪”。选择“3D 校准视频”，然后选择“所有校准相机”，使用固定点功能在全部六个视频上跟踪 L 形标记。定义所有点后，点击“自动搜索”按钮。

完成跟踪后，退出窗口并选择“自动3D探针跟踪”中的“选择选项”，取消勾选“检测L型框架”，然后开始跟踪。软件完成跟踪后，单击“分配标记”，分别为全部六个摄像机分配“探针短”、“探针中”和“探针长”标记。在探针和L型框架完成跟踪后，右键单击“摄像机校准组”，选择“新建探针校准组”，选择“全部摄像机”，并在按住控制键的同时单击“确定”。根据校准时使用的参数，调整探针长度、L型框架高度以及摄像机数量。

接受标准偏差小于三毫米且校准残差小于或等于0.004的标定结果。该系统为商业化产品。在本报告中，我们提供了关于此处研究及其有效使用的详细指南。

我最喜欢这个特定方案及其系统本身的一点是，它具有多种可评估的结局指标，且研究者可以选择与特定条件相关的预设结局指标。每次训练前，让大鼠在跑轮上适应 5 分钟。训练大鼠以肢体完全负重的方式以不同速度行走。

训练所有大鼠，直至它们能够稳定地在跑步机上行走。在数据采集之前，剃除标记物放置区域的鼠体毛发。通过触诊皮肤以确定骨性标志，从而准确定位标记物的位置。

使用记号笔标记肘关节和膝关节远端的部位。点击运动捕捉软件顶部工具栏上的红色摄像按钮以开始记录一次试验。让大鼠行走约30秒，或至少连续行走10步。

每次试验录制视频保存后，创建一个新的相机组。本方案中介绍的软件可供学生、教职员工和研究人员直接使用，无需专业技术知识。该流程操作简便，只需少量练习即可轻松掌握。

该方案的实施时间约为45分钟至1小时，具体时长取决于所需数据量。右键单击摄像机组以进行运动跟踪。选择2D跟踪，“选择7到10个最佳的连续且稳定的步态步骤用于跟踪”。

右键单击感兴趣的标记点，然后选择“自动追踪”，该功能将检测由反光标记产生的明亮圆形斑点。或者，使用模式匹配来追踪标记点，该方法将利用软件内置的算法，根据标记点的大小和颜色进行追踪。对于黑色标记点，可通过高级图像处理技术将其反转为亮斑，从而实现自动追踪。

手动追踪并校正无法检测的标记点或追踪错误。右键单击“时相”，然后选择“编辑时相模型”，根据所选研究的缺陷自定义每个肢体的步态周期时相。在软件中使用“添加时相”按钮或 F11 快捷键，为每个肢体分配步态周期的时相。

在跟踪所有六个摄像头后执行三维计算。右键单击摄像头组并选择“新建三维计算”，将出现一个新文件夹。通过将感兴趣的标记点拖出，与指定的步态时相并排查看，生成感兴趣的数据，例如关节高度或速度图谱。

单击3D图以生成试验的三维图像。该图像显示了一只代表性健康大鼠在跑步机上行走时的肘关节角度变化曲线。注意，健康大鼠能够持续行走较长时间。

平滑的单峰代表具有完整活动范围的步态周期。站立相和摆动相持续时间交替出现，且每步的时间保持一致，表明肢体内部协调正常。相比之下，受伤后持续行走较为少见。

一只代表性脊髓损伤大鼠的肘关节角度曲线显示出多个扭曲的峰值，其运动的一致性较差，且活动范围较小。此外，站立相持续时间延长和摆动相持续时间缩短，提示右侧前肢的肢体内部协调功能存在缺陷。该图展示了两对肢体之间肢体内部协调性的代表性数据。

典型的健康大鼠表现出明确的交替节律性协调运动，在散点线图中呈现为L形模式。相比之下，典型的颈段脊髓损伤大鼠则表现出前肢之间缺乏交替性及节律性的不良协调运动。观看本视频后，您应能够充分理解如何设置和校准多摄像头运动捕捉系统、如何准备大鼠以进行运动捕捉、如何记录跑台上的运动行为，以及如何获取并分析输出的三维运动学数据。

因此，研究人员的最终目标是采用这些高度标准化的运动评估工具，并常规性地开展研究，以阐明干预措施对神经创伤后运动功能恢复的影响。