3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

Hier wird ein Protokoll zur Erfassung und Analyse dreidimensionaler Kinematik entolierter Vierbeiner bei Nagetieren für präklinische Studien vorgestellt.

3D-Kinematik von Bewegung und Fortbewegung wird zunehmend eingesetzt. Aber die Komplexität der meisten Systeme begrenzt Ihren Einsatz in der präklinischen Forschung. Was wir in dieser Arbeit tun, ist eine detaillierte und einfache Methode zum Sammeln von 3D-Daten während der vierbeinigen Fortbewegung bei erwachsenen Ratten.

Das beschriebene System bietet eine eingehende qualitative und quantitative Datenanalyse, ohne dass komplexe Algorithmen erforderlich sind. Mein Lieblingsteil des Systems ist seine Vielseitigkeit der Nutzung. Wir konnten es für die Fortbewegung sowie für die Reichweite und das Greifen der Funktion nutzen.

Hier werde ich seine Verwendung für Laufband-Walking demonstrieren. Montieren Sie sechs Kameras in der Wand, zwei Meter vom Laufband entfernt, mit fein verstellbaren Getriebeköpfen. Etwas winkeln Sie unter dem Horizont für maximale Abdeckung von Markern.

Rüsten Sie jede Kamera mit einem Ringlicht für die Visualisierung von retroreflektierenden Markern aus. Definieren Sie die gewünschten Marker für das Experiment. Verwenden Sie Marker für die Vorderbeine und die Hinterbeine, um die bilaterale Vierbeiner-Fortbewegung zu bewerten.

Hier haben wir 22 Marker verwendet. Dies kann jedoch je nach experimentellem Design angepasst werden. Kalibrieren Sie das Bewegungserfassungssystem mit dem Stabsystem, das aus dem L-Frame und dem Zauberstab besteht.

Legen Sie den L-Rahmen orthogonal auf das Laufband, wobei das lange Bein des L-Rahmens in die Richtung zeigt, in die die Ratte gehen wird. Öffnen Sie die Motion Capture-Software. Wählen Sie Record" aus, um das Kalibrierungsvideo aufzunehmen.

Bewegen Sie den Zauberstab-Kalibrierungsrahmen durch den Laufbandbereich im Raum, um alle Bereiche abzudecken, in denen die Ratte hindurchgeht. Zeichnen Sie mindestens eine Minute Filmmaterial auf, um sicherzustellen, dass ausreichende Stab-Datenpunkte für eine genaue Kalibrierung vorhanden sind. Speichern Sie die Videos als 3D-Kalibrierungsdatei.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Kameragruppe und wählen Sie 3D-Tracking"nach der Aufnahme der Kalibrierungsvideos. Wählen Sie 3D-Kalibrierungsvideos" und alle Kalibrierungskameras"Verfolgen Sie die L-Frame-Marker auf allen sechs Videos mit Derkpoint-Funktion. Definieren Sie alle Punkte, und wählen Sie dann die Schaltfläche Automatisch suchen aus.

Nach der Nachverfolgung verlassen Sie das Fenster und wählen Sie Automatische 3D Wand Verfolgung"Select Options"and deselect Detect L-Frame"Begin tracking. Nachdem die Software die Verfolgung beendet hat, klicken Sie auf Markerzuweisen"Zuweisen Wand Short"Wand Mid"und Wand Long"Marker für alle sechs Kameras. Nachdem der Zauberstab und der L-Frame nachverfolgt wurden, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Camera Calibration Group"und wählen Sie Neue Wand-Kalibrierungsgruppe"Alle Kameras auswählen" und halten Sie die Steuertaste gedrückt, während Sie OK"Ändern der Stablänge, der L-Frame-Höhe und der Anzahl der Kameras entsprechend dem, was während der Kalibrierung verwendet wurde, gedrückt halten.

Akzeptieren Sie Kalibrierungen mit einer Standardabweichung von weniger als drei Millimetern und einem Kalibrierrest von 0,004 oder weniger. Dieses System ist im Handel erhältlich. Und in diesem Bericht geben wir einen gründlichen Leitfaden für die Forschung hier und effektiv nutzen.

Was ich am besten an diesem speziellen Protokoll und dem System an sich mag, ist, dass es eine Vielzahl von mehr Ergebnissen gibt und man vordefinierte Ergebnisse von Interesse auswählen kann, die spezifisch für die Bedingung sind. Akklimatisieren Sie Ratten vor jeder Trainingseinheit 5 min lang an das Laufband. Trainieren Sie die Ratten, mit vollem Gewicht auf ihren Gliedmaßen mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu gehen.

Trainieren Sie alle Ratten, bis sie in der Lage sind, konsequent auf dem Laufband zu gehen. Rasieren Sie vor der Datenerfassung die Ratten in den Regionen, in denen Marker platziert werden. Palpate die Haut für knöcherne Wahrzeichen, um genau Marker zu platzieren.

Verwenden Sie Stiftmarker für Gelenke, die sich an Ellbogen und Knie distal enzieren. Wählen Sie die rote Kamerataste auf der oberen Leiste der Motion Capture-Software aus, um eine Testversion aufzuzeichnen. Lassen Sie die Ratte für etwa 30 Sekunden oder mindestens 10 kontinuierliche Schritte laufen.

Erstellen Sie eine neue Kameragruppe für jede Testversion, nachdem Sie das aufgezeichnete Video gespeichert haben. Die in diesem Protokoll vorgestellte Software kann von Studenten, Mitarbeitern und Forschern ohne technisches Know-how genutzt werden. Dieser Prozess ist benutzerfreundlich und lässt sich mit wenig Übung leicht meistern.

Dieses Protokoll kann in ca. 45 Minuten bis zu einer Stunde implementiert werden, abhängig von der gewünschten Datenmenge. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Kameragruppe für die Bewegungsverfolgung. Wählen Sie 2D-Tracking"Wählen Sie sieben bis zehn beste kontinuierliche und konsistente Schritte für die Verfolgung.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Marker von Interesse und wählen Sie Automatisches Tracking aus, das helle kreisförmige Flecken erkennt, die von retroreflektierenden Markern erzeugt werden. Alternativ können Sie Markierungen mithilfe von Musterübereinstimmungen verwenden, die einen in die Software integrierten Algorithmus verwenden, um Marker basierend auf Größe und Farbe zu verfolgen. Verfolgen Sie schwarze Marker mithilfe einer erweiterten Bildverarbeitung, indem Sie schwarze Marker zu hellen Flecken für die automatische Verfolgung inumsetzen.

Verfolgen und korrigieren Sie nicht nachweisbare Marker oder Fehler bei der Nachverfolgung manuell. Rechtsklick Phasen" und wählen Sie Phase-Modell bearbeiten"Anpassen von Gangzyklusphasen für jede Gliedmaße entsprechend den Defiziten, die man untersucht. Weisen Sie Phasen des Gangzyklus für jede Gliedmaße innerhalb der Software mithilfe der Schaltfläche Phase hinzufügen oder der Tastenkombination F11 zu.

Führen Sie 3D-Berechnungen durch, nachdem Sie alle sechs Kameras verfolgt haben. Rechtsklick auf die Kameragruppe und neue 3D-Berechnungen auswählen"Ein neuer Ordner wird angezeigt. Generieren Sie Daten von Interesse, z. B. Verbindungshöhen- oder Geschwindigkeitsdiagramme mit Datenpunkten, indem Sie die Markierung von Interesse herausziehen, um seite an Seite mit den zugewiesenen Gangphasen zu zeigen.

Klicken Sie auf 3D-Diagramm, um eine dreidimensionale Figur der Studie zu generieren. Diese Abbildung zeigt das Ellenbogenwinkelprofil einer repräsentativen gesunden Ratte, die auf dem Laufband läuft. Beachten Sie, dass gesunde Raten in der Lage sind, kontinuierlich für längere Dauern zu treten.

Die glatten Einzelspitzen stellen Gangzyklen mit vollständigem Bewegungsumfang dar. Die abwechselnde Haltungsphase und die Schwingungsphasendauern mit konsistentem Timing bei jedem Schritt sind ein Hinweis auf eine normale Intralimb-Koordination. Im Gegensatz dazu ist kontinuierliches Stepping nach einer Verletzung seltener.

Das Ellenbogenwinkelprofil einer repräsentativen spinalen, verletzten Ratte zeigt mehrere verzerrte Spitzen, die weniger konsistent sind und einen kleineren Bewegungsbereich aufweisen. Darüber hinaus deuten verlängerte Haltungsphasen und verkürzte Schwingphasen auf einen Mangel in der Intralimb-Koordination für das rechte Vorderglied hin. Diese Abbildung zeigt repräsentative Daten, die für die Intralimb-Koordination zwischen zwei Gliedmaßenpaaren dargestellt werden.

Repräsentative gesunde Ratte zeigt eine gut definierte abwechselnde rhythmische Koordination, die als L-förmiges Muster in einem Streuliniendiagramm gesehen wird. Im Gegensatz dazu zeigt die repräsentative Halswirbelsäulen-verletzte Ratte eine schlechte, nicht-wechselnde, nicht-rhythmische Koordination zwischen den beiden Vorderbeinen. Nachdem Sie sich dieses Video angeschaut haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein Bewegungsaufnahmesystem mit mehreren Kameras einrichten und kalibrieren, wie Sie eine Ratte auf die Bewegungsaufnahme vorbereiten, wie Sie Laufband-Fortbewegung aufzeichnen und wie Sie die ausgegebenen 3D-Kinematikdaten erhalten und analysieren.

Das ultimative Ziel für die Forscher ist es dann, diese hochstandardisierten motorischen Bewertungswerkzeuge einzusetzen und unsere Forschung routinemäßig durchzuführen, um die Auswirkungen von Interventionen auf die motorische Erholung nach neurotrauma zu entschlüsseln.