3D Kinematic Gait Analysis for Preclinical Studies in Rodents

La cinematica 3D del movimento e della locomozione viene sempre più utilizzata. Ma la complessità della maggior parte dei sistemi limita il tuo uso nella ricerca pre-clinica. Quello che stiamo facendo in questo lavoro è fornire un metodo dettagliato e semplice per raccogliere dati 3D durante la locomozione quadrupede nei ratti adulti.

Il sistema descritto fornisce un'analisi approfondita dei dati qualitativi e quantitativi, senza la necessità di algoritmi complessi. La mia parte preferita del sistema è la sua versatilità d'uso. Siamo stati in grado di utilizzarlo per la locomozione, oltre a raggiungere e afferrare la funzione.

Qui, dimostrerò il suo uso per camminare sul tapis roulant. Monta sei telecamere nel muro, a due metri dal tapis roulant, utilizzando teste orientate finemente regolabili. Leggermente inclinato verso il basso sotto l'orizzonte per la massima copertura dei marcatori.

Equipaggia ogni fotocamera con una luce ad anello per la visualizzazione di marcatori retrorif;riflettenti. Definite i marcatori desiderati per l'esperimento. Utilizzare marcatori sia per gli arti anteriori che per gli arti posteriori per valutare la locomozione quadrupede bilaterale.

Qui, abbiamo usato 22 marcatori. Tuttavia, questo può essere regolato in base a un progetto sperimentale. Calibrare il sistema di motion capture utilizzando il sistema bacchetta, costituito dal telaio L e dalla bacchetta.

Posizionare il telaio a L ortogonalmente sul tapis roulant con la gamba lunga del telaio A che punta verso la direzione in cui il topo cammini. Aprire il software di acquisizione del movimento. Selezionare Registra"per acquisire il video di calibrazione.

Spostare il telaio di calibrazione della bacchetta in tutta l'area del tapis roulant nello spazio in modo da coprire tutte le aree in cui il topo cammini. Registrare almeno un minuto di metraggio per assicurarsi che siano presenti punti dati wand adeguati per una calibrazione accurata. Salva i video come file di calibrazione 3D.

Fare clic con il pulsante destro del mouse sul gruppo di telecamere e selezionare rilevamento 3D"dopo aver registrato i video di calibrazione. Selezionare video di calibrazione 3D"e selezionare Tutte le telecamere di calibrazione"Tenere traccia dei marcatori L-frame su tutti e sei i video utilizzando la funzione a punto fisso. Definire tutti i punti e quindi selezionare il pulsante Cerca automaticamente.

Dopo il rilevamento, uscire dalla finestra e selezionare Tracciamento automatico bacchetta 3D"Seleziona opzioni" e deselezionare Rileva L-Frame"Inizia il rilevamento. Al termine del monitoraggio del software, fare clic su Assegna marcatori"Assegna bacchetta corta"Bacchetta mid" e Bacchetta lunga"marcatori per tutte e sei le telecamere. Dopo aver tracciato la bacchetta e il fotogramma L, fare clic con il pulsante destro del mouse su Gruppo di calibrazione fotocamera"e selezionare Nuovo gruppo di calibrazione bacchetta"Seleziona tutte le telecamere" e tenere premuto il tasto di controllo selezionando OK"Cambia lunghezza bacchetta, altezza fotogramma L e numero di telecamere in base a ciò che è stato utilizzato durante la calibrazione.

Accettare calibrazioni con una deviazione standard di lunghezza bacchetta inferiore a tre millimetri e un residuo di calibrazione di 0,004 o meno. Questo sistema è disponibile in commercio. E in questa relazione, forniamo una guida completa alla ricerca qui e la utilizziamo efficacemente.

Ciò che mi piace di più di questo particolare protocollo e del sistema in sé, è che ci sono una varietà di più risultati e si possono selezionare risultati di interesse predefiniti specifici per la condizione. Acclimatare i ratti al tapis roulant per 5 minuti prima di ogni sessione di allenamento. Allena i ratti a camminare con tutto il peso che porta sui loro arti a varie velocità.

Addestrare tutti i ratti fino a quando non sono in grado di camminare costantemente sul tapis roulant. Prima della raccolta dei dati, radere i ratti nelle regioni in cui verranno posizionati i marcatori. Palpa la pelle per un punto di riferimento ossuto per posizionare con precisione i marcatori.

Utilizzare pennarelli per articolazioni distale al gomito e al ginocchio. Selezionare il pulsante rosso della fotocamera sulla barra superiore del software di acquisizione del movimento per registrare una versione di valutazione. Lasciare camminare il topo per circa 30 secondi o almeno 10 passaggi continui.

Creare un nuovo gruppo di telecamere per ogni versione di valutazione dopo aver salvato il video registrato. Il software presentato in questo protocollo può essere utilizzato da studenti, personale e ricercatori senza la necessità di competenze tecniche. Questo processo è facile da usare e può essere facilmente padroneggiato con poca pratica.

Questo protocollo può essere implementato in circa 45 minuti a un'ora, a seconda della quantità di dati desiderati. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul gruppo di telecamere per il rilevamento del movimento. Selezionare il tracciamento 2D"Selezionare da sette a 10 passaggi migliori continui e coerenti per il monitoraggio.

Fate clic con il pulsante destro del mouse sul marcatore di interesse e selezionate Tracciamento automatico (Automatic Tracking) che rileverà le macchie circolari luminose create dai marcatori retrorifiettivi. In alternativa, traccia i marcatori utilizzando la corrispondenza dei pattern, che utilizzerà un algoritmo integrato nel software per tenere traccia dei marcatori in base alle dimensioni e al colore. Monitora i marcatori neri usando l'elaborazione avanzata delle immagini invertendo i marcatori neri in punti luminosi per il tracciamento automatico.

Tenere traccia e correggere manualmente marcatori o errori non rilevabili nel tracciamento. Fare clic con il pulsante destro del mouse su Fasi"e selezionare Modifica modello di fase"Personalizza fasi ciclo andatura per ogni arto in base ai deficit che si sceglie di studiare. Assegnare fasi del ciclo dell'andatura per ogni arto all'interno del software utilizzando il pulsante Aggiungi fase" o il tasto di scelta rapida F11.

Esegui calcoli 3D dopo aver tracciato tutte e sei le telecamere. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul gruppo di telecamere e scegliere Nuovi calcoli 3D"Verrà visualizzata una nuova cartella. Generare dati di interesse, ad esempio diagrammi di altezza o velocità del giunto con punti dati trascinando il marcatore di interesse per visualizzare fianco a fianco con le fasi di andatura assegnate.

Fare clic su Diagramma 3D"per generare una figura tridimensionale della prova. Questa figura mostra il profilo dell'angolo del gomito in un topo sano rappresentativo che cammina sul tapis roulant. Si noti che le tariffe sane sono in grado di intervenire continuamente per durate più lunghe.

I singoli picchi lisci rappresentano cicli di andatura con una gamma completa di movimento. La fase di posizione alternata e le durate della fase oscillante, con tempistiche coerenti in ogni fase, sono indicative della normale coordinazione intralimb. Al contrario, il passo continuo è meno comune dopo un infortunio.

Il profilo dell'angolo del gomito di un ratto ferito spinale rappresentativo mostra più picchi distorti, che sono meno coerenti e di minore portata di movimento. Inoltre, la fase di posizione allungata e la durata ridotta della fase di oscillazione suggeriscono una carenza nella coordinazione intralimb per l'avaro destro. Questa figura mostra i dati rappresentativi tracciati per la coordinazione intralimb tra due coppie di arti.

Il ratto sano rappresentativo dimostra una coordinazione ritmica alternata ben definita, che è vista come un modello a forma di L in un grafico a linee di dispersione. Al contrario, il ratto ferito al midollo spinale cervicale rappresentativo dimostra una scarsa coordinazione non alternata e non ritmica tra i due arti anteriori. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione su come configurare e calibrare un sistema di motion capture multicamera, come preparare un topo per l'acquisizione del movimento, come registrare la locomozione del tapis roulant e come ottenere e analizzare i dati cinematici 3D emessi.

L'obiettivo finale per i ricercatori, quindi, è quello di utilizzare questi strumenti di valutazione motoria altamente standardizzati e fare la nostra ricerca su base di routine per decifrare gli effetti degli interventi sul recupero motorio dopo il neurotrauma.