Analiza kinematyczna chodu 3D do badań przedklinicznych na gryzoniach

Kinematyka 3D ruchu i lokomocji jest coraz częściej stosowana. Jednak złożoność większości systemów ogranicza ich zastosowanie w badaniach przedklinicznych. To, co robimy w tej pracy, to dostarczenie szczegółowej i prostej metody zbierania danych 3D podczas poruszania się na czworonożnych nogach u dorosłych szczurów.

Opisany system zapewnia dogłębną analizę danych jakościowych i ilościowych, bez konieczności stosowania skomplikowanych algorytmów. Moją ulubioną częścią systemu jest jego wszechstronność zastosowania. Udało nam się go wykorzystać do poruszania się, a także do funkcji sięgania i chwytania.

Tutaj zademonstruję jego zastosowanie do chodzenia na bieżni. Zamontuj sześć kamer w ścianie, w odległości dwóch metrów od bieżni, za pomocą precyzyjnie regulowanych głowic zębatych. Lekko pochyl się w dół poniżej horyzontu, aby uzyskać maksymalne pokrycie znaczników.

Wyposaż każdą kamerę w lampę pierścieniową do wizualizacji znaczników odblaskowych. Zdefiniuj żądane znaczniki dla eksperymentu. Użyj markerów zarówno dla kończyn przednich, jak i tylnych, aby ocenić obustronną lokomocję czworonożną.

Tutaj użyliśmy 22 markerów. Można to jednak dostosować zgodnie z projektem eksperymentalnym. Skalibruj system przechwytywania ruchu za pomocą systemu różdżki, który składa się z ramki L i różdżki.

Umieść ramę L prostopadle na bieżni tak, aby długa noga ramy L była skierowana w kierunku, w którym szczur będzie chodził. Otwórz oprogramowanie do przechwytywania ruchu. Wybierz Nagraj", aby nagrać wideo z kalibracją.

Przesuń ramkę kalibracyjną różdżki po całym obszarze bieżni w przestrzeni, tak aby pokryć wszystkie obszary, w których szczur będzie chodził. Nagraj co najmniej jedną minutę materiału filmowego, aby upewnić się, że dostępne są odpowiednie punkty danych różdżki do dokładnej kalibracji. Zapisz filmy jako plik kalibracji 3D.

Kliknij prawym przyciskiem myszy grupę kamer i wybierz Śledzenie 3D"po nagraniu filmów kalibracyjnych. Wybierz filmy z kalibracją 3D"i wybierz Wszystkie kamery kalibracyjne"Śledź znaczniki L-frame na wszystkich sześciu filmach za pomocą funkcji stałego punktu. Zdefiniuj wszystkie punkty, a następnie wybierz przycisk "Szukaj automatycznie".

Po śledzeniu wyjdź z okna i wybierz Automatyczne śledzenie różdżki 3D"Wybierz opcje" i odznacz Wykryj L-Frame"Rozpocznij śledzenie. Po zakończeniu śledzenia przez oprogramowanie kliknij Przypisz znaczniki"Przypisz różdżkę krótką"Różdżka w środku"i Różdżka długa"znaczniki dla wszystkich sześciu kamer. Po śledzeniu różdżki i ramki L kliknij prawym przyciskiem myszy Grupa kalibracji aparatu" i wybierz Nowa grupa kalibracji różdżki "Wybierz wszystkie kamery" i przytrzymaj Control podczas wybierania OK "Zmień długość różdżki, wysokość ramki L i liczbę kamer zgodnie z tym, co zostało użyte podczas kalibracji.

Akceptuj kalibracje z odchyleniem standardowym długości różdżki mniejszym niż trzy milimetry i resztką kalibracji 0,004 lub mniejszą. Ten system jest dostępny na rynku. W tym raporcie przedstawiamy dokładny przewodnik po badaniach i efektywnym ich wykorzystaniu.

To, co najbardziej podoba mi się w tym konkretnym protokole i systemie jako takim, to to, że istnieje wiele więcej wyników i można wybrać predefiniowane interesujące wyniki, które są specyficzne dla danego schorzenia. Przyzwyczajaj szczury do bieżni przez 5 minut przed każdą sesją treningową. Trenuj szczury, aby chodziły z pełnym ciężarem ciała na kończynach z różnymi prędkościami.

Trenuj wszystkie szczury, aż będą w stanie konsekwentnie chodzić na bieżni. Przed zebraniem danych ogol szczury w regionach, w których zostaną umieszczone znaczniki. Zbadaj palpacyjnie skórę w celu uzyskania kostnego punktu orientacyjnego, aby dokładnie umieścić znaczniki.

Używaj markerów długopisowych do stawów dystalnych do łokcia i kolana. Wybierz czerwony przycisk kamery na górnym pasku oprogramowania do przechwytywania ruchu, aby nagrać próbę. Pozwól szczurowi chodzić przez około 30 sekund lub co najmniej 10 ciągłych kroków.

Utwórz nową grupę kamer dla każdej próby po zapisaniu nagranego wideo. Oprogramowanie przedstawione w tym protokole może być wykorzystywane przez studentów, pracowników i badaczy bez konieczności posiadania specjalistycznej wiedzy technicznej. Ten proces jest przyjazny dla użytkownika i można go łatwo opanować przy niewielkiej wprawie.

Protokół ten można wdrożyć w ciągu około 45 minut do jednej godziny, w zależności od pożądanej ilości danych. Kliknij prawym przyciskiem myszy grupę kamer, aby śledzić ruch. Wybierz śledzenie 2D"Wybierz od siedmiu do 10 najlepszych ciągłych i spójnych kroków śledzenia.

Kliknij prawym przyciskiem myszy interesujący Cię znacznik i wybierz Automatyczne śledzenie"który wykryje jasne okrągłe plamy utworzone przez znaczniki odblaskowe. Alternatywnie, śledź znaczniki za pomocą dopasowywania wzorców, które będą wykorzystywać algorytm wbudowany w oprogramowanie do śledzenia znaczników na podstawie rozmiaru i koloru. Śledź czarne znaczniki za pomocą zaawansowanego przetwarzania obrazu, odwracając czarne znaczniki do jasnych punktów w celu automatycznego śledzenia.

Ręczne śledzenie i korygowanie niewykrywalnych znaczników lub błędów w śledzeniu. Kliknij prawym przyciskiem myszy Fazy"i wybierz Edytuj model fazy"Dostosuj fazy cyklu chodu dla każdej kończyny zgodnie z deficytami, które zdecydujesz się badać. Przypisz fazy cyklu chodu do każdej kończyny w oprogramowaniu za pomocą przycisku Dodaj fazę" lub skrótu F11.

Wykonuj obliczenia 3D po śledzeniu wszystkich sześciu kamer. Kliknij prawym przyciskiem myszy grupę kamer i wybierz Nowe obliczenia 3D"Pojawi się nowy folder. Generuj interesujące dane, takie jak wykresy wysokości lub prędkości stawów z punktami danych, przeciągając interesujący Cię znacznik, aby wyświetlić go obok przypisanych faz chodu.

Kliknij diagram 3D", aby wygenerować trójwymiarową figurę badania. Ten rysunek przedstawia profil kąta łokcia u reprezentatywnego zdrowego szczura chodzącego po bieżni. Należy pamiętać, że zdrowe stawki są w stanie stale rosnąć przez dłuższy czas.

Gładkie, pojedyncze szczyty reprezentują cykle chodu z pełnym zakresem ruchu. Naprzemienny czas trwania fazy podporu i wymachu, ze stałym czasem trwania każdego kroku, wskazuje na normalną koordynację wewnątrzkończynową. Natomiast ciągłe chodzenie jest mniej powszechne po kontuzji.

Profil kąta łokcia reprezentatywnego szczura z rdzeniem rdzeniowym wykazuje wiele zniekształconych szczytów, które są mniej spójne i mają mniejszy zakres ruchu. Ponadto wydłużona faza podparcia i skrócony czas trwania fazy wymachu sugerują brak koordynacji wewnątrzkończynowej prawej kończyny przedniej. Rysunek ten przedstawia reprezentatywne dane wykreślone dla koordynacji wewnątrzkończynowej między dwiema parami kończyn

Reprezentatywny zdrowy szczur wykazuje dobrze zdefiniowaną naprzemienną koordynację rytmiczną, która jest postrzegana jako wzór w kształcie litery L na wykresie linii rozproszonej. W przeciwieństwie do tego, reprezentatywny szczur z uszkodzeniem rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym wykazuje słabą, nienaprzemienną, nierytmiczną koordynację między dwiema kończynami przednimi. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak skonfigurować i skalibrować system przechwytywania ruchu z wieloma kamerami, jak przygotować szczura do przechwytywania ruchu, jak nagrywać lokomocję na bieżni oraz jak uzyskać i przeanalizować wyjściowe dane kinematyczne 3D.

Ostatecznym celem naukowców jest zatem zastosowanie tych wysoce ustandaryzowanych narzędzi oceny motorycznej i rutynowe prowadzenie badań w celu rozszyfrowania wpływu interwencji na regenerację motoryczną po neurotraumie.