Paw-Print-Analyse kontrastverstärkter Aufnahmen (PrAnCER): Ein kostengünstiges, open-access Automated Gait Analysis System zur Bewertung von Motordefiziten

Wir präsentieren ein neues Ganganalysesystem, das eine benutzerfreundliche, erschwingliche und genaue Alternative zu kommerziellen Gangsystemen darstellt. Die Verwendung eines halbtransparenten Bodens bei korrekter Beleuchtung erzeugt kontrastreiche Pfotenabdrücke, während der Körper des Tieres verschleiert wird. Unser System kann verwendet werden, um die motorische Funktion in einer Vielzahl von Verletzungs- und Krankheitsmodellen zu bewerten, wie Rückenmark- oder Nervenschäden, neurodegenerative Erkrankungen und neuromuskuläre Störungen.

Sowohl unser Ganggerät als auch das automatisierte Programm PrAnCER können einfach an verschiedene Setups oder Tiermodelle angepasst werden. Um einen Ganganalyse-Gehweg einzurichten, legen Sie einen klaren Plexiglas-Umschlossensteg auf einen klaren Plexiglasboden und bedecken Sie den Boden mit einem Stück 16-Pfund-Zeichnungs-Vellum, das auf die gleiche Breite wie der Gehweg geschnitten ist. Platzieren Sie dann eine Kamera mit mindestens 30 Bildern pro Sekunde Bildrate direkt unter dem Laufsteg, um die Mitte der Strecke zu erfassen und einen Streifen von 12-Volt-Licht emittierenden Diodenlichtern mit 18 Leuchtdioden pro Fuß zu sichern, die etwa zwei Zoll vom Fuß und einen Zoll über dem Boden des Gehwegs entfernt sind, um die Strecke zu beseitigen.

Um die Tiere auf den Gehweg zu gewöhnen, legen Sie den Ratten-Heimkäfig auf der Oberflächenebene am Ende des Ganggangs, um als Torkasten zu dienen und der Ratte zu ermöglichen, von der Hand die Länge des Gehwegs hinunter zum Hauskäfig zu gehen. Ratten halten oft am Ende des Gehwegs an, um sich umzusehen, bevor sie in den heimischen Käfig springen. Wenn eine Ratte länger als eine Minute braucht, um den Gehweg zu verlassen, ermutigen Sie das Tier, den Hauskäfig mit einem sanften Druck zu betreten.

Wenn sich die Ratte umdreht, verwenden Sie ein kleines Stück Plexiglas, um das Anfangdes des Gehwegs zu blockieren. Wenn die Ratten bequem den Laufsteg in einem gleichmäßigen Tempo ohne Einfrieren überqueren, passen Sie die Einstellungen auf der Webcam-Software an, um das klarste Bild der Pfotenabdrücke zu erzielen und jeden Lauf separat aufzuzeichnen, wobei die Läufe für die Verwendung mit dem automatisierten Analyseprogramm entsprechend gekennzeichnet werden. Nachdem Sie bestätigt haben, dass es keine Flecken oder Trümmer auf dem Pergament gibt, beginnen Sie mit der Aufnahme ein paar Sekunden, bevor die Ratte den Gehweg betritt, und halten Sie an, sobald die Ratte den Gehweg verlässt und den Hauskäfig betritt.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die aufgenommenen Videos mindestens vier aufeinander folgende Schritte erfassen, die ohne Pause oder Beschleunigung auftreten, um die Motorfunktion des Tieres genau widerzuspiegeln. Wischen Sie den Gehweg mit Ethanol nach jeder Ratte ab und ersetzen Sie das Pergament nach Bedarf. Legen Sie für die Analyse der Gangaufzeichnungen alle zu analysierenden Videos in einem einzigen Ordner ab, und führen Sie die Paw-Print-Analyse kontrastreicher Aufnahmen oder prAnCER, Python-Skript aus.

Klicken Sie im Popup-Menü auf einen Ordner, um den Ordner mit Videos auszuwählen, und wählen Sie die entsprechenden benutzerdefinierten Optionen für die Analyse nach Belieben aus. Klicken Sie auf Fortfahren, wenn Sie fertig sind. Um einen Bereich von Interesse auf dem Bild des Gehwegs zu definieren, klicken Sie mit der linken Maustaste, um einen oberen Rand zu definieren, und klicken Sie mit der rechten Maustaste, um eine untere Kante zu definieren.

Wenn das angezeigte Feld korrekt ist, drücken Sie N, um fortzufahren. Das Programm wird automatisch ausgeführt. Nachdem PrAnCER abgeschlossen ist, klicken Sie auf Enter in das Terminal, um das Programm zu beenden.

Überprüfen Sie dann manuell die von PrAnCER ausgegebenen Bilder, indem Sie das Python-Skript, die Gait Editor Graphic User Interface ausführen und die entsprechende MP4-Datei für jedes Video auswählen. Korrigieren Sie alle falsch identifizierten oder zusammengeführten Drucke nach Bedarf. Um räumliche und zeitliche Gangparameter zu extrahieren, führen Sie das Python-Skript Parameter Analyzer aus, und wählen Sie die Anzahl der zu analysierenden Hinterdrucke und den Ordner der zu analysierenden Videos aus.

Klicken Sie dann auf Fortfahren, um eine csv-Datei für jedes Video auszugeben, das eine Reihe gängiger Gangparameter enthält. Obwohl PrAnCER nicht identisch mit der manuellen Bewertung ist, arbeitet es mit hoher Genauigkeit und erzeugt zuverlässige Gaitmessungen. Ergebnisse aus einer Gruppe von Steuervideos werden hier zum Vergleich angezeigt.

Die PrAnCER-Analyse der Schrittlänge unterschied sich nicht wesentlich von der manuellen Bewertung, aber es gab einen signifikanten Unterschied in der Basis der Unterstützungsmessung. Dies ist wahrscheinlich auf Abweichungen bei der Zentrierungsauswahl und nicht auf Erkennungsfehler zurückzuführen. Bei Tieren, die mit hochdosierten Haloperidolen behandelt werden, wird eine signifikante Erhöhung der Schrittlänge und der maximalen Kontaktfläche beobachtet.

Tiere, die niedrig dosiertes Haloperidol erhalten, weisen ebenfalls eine signifikante Erhöhung der Haltungsdauer und der maximalen Kontaktfläche auf. Darüber hinaus gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen den hohen und niedrigen Dosis Haloperidol Bedingungen in der Basis der Unterstützung, maximale Kontaktfläche, und Interlimb Abstand Gangparameter. Während PrAnCER bereits viele gängige raumzeitliche Gangparameter analysiert, kann der Code geändert werden, um alle zusätzlichen Gangeigenschaften zu bewerten, die der Benutzer wünscht.

Wir hoffen, dass unser System die Ganganalyse für Forscher zugänglicher macht, die eine einfache und erschwingliche Möglichkeit zur Messung der Motorfunktion wünschen.