यहाँ प्रस्तुत एक प्रोटोकॉल को इकट्ठा करने और पूर्व नैदानिक अध्ययन के लिए कृन्तकों में चतुष्पादीय चलन के तीन आयामी शुद्ध गति का विश्लेषण है.
त्रि-आयामी (3डी) शुद्ध गति विश्लेषण प्रणालियों की उपयोगिता कृन्तकों में सीमित है। इस अपर्याप्तता के लिए कारण का एक हिस्सा जटिल एल्गोरिदम और गणितीय मॉडलिंग है कि 3 डी डेटा संग्रह और विश्लेषण प्रक्रियाओं के साथ का उपयोग है. यह काम एक छह कैमरा गति पर कब्जा प्रणाली का उपयोग कर स्वस्थ और neurotraumatic चूहों में ट्रेडमिल चलन के दौरान 3 डी शुद्ध गति चाल विश्लेषण के लिए एक सरल, उपयोगकर्ता के अनुकूल, कदम दर कदम विस्तृत पद्धति प्रदान करता है. इसके अलावा प्रदान की गई 1) एक प्रयोगात्मक सेट अप में प्रणाली के अंशांकन के लिए अनुकूलित चौपाया चलन, 2) वयस्क चूहों में ट्रेडमिल चलन के लिए डेटा संग्रह सभी चार अंगों पर तैनात मार्करों का उपयोग कर, 3) वीडियो ट्रैकिंग के लिए उपलब्ध विकल्प और प्रसंस्करण, और 4) बुनियादी 3 डी शुद्ध गतिक डेटा उत्पादन और दृश्य और अंतर्निहित डेटा संग्रह सॉफ्टवेयर का उपयोग कर डेटा की परिमाणीकरण. अंत में, यह सुझाव दिया है कि इस गति पर कब्जा प्रणाली की उपयोगिता से पहले और neurotrauma के बाद मोटर व्यवहार की एक किस्म का अध्ययन करने के लिए विस्तार किया.
कृन्तकों में, स्नायविक विकारों के बाद फोरलिम्ब और हिंडिम्ब लोकोमोटर घाटे का आकलन आमतौर पर व्यक्तिपरक स्कोरिंग सिस्टम1का उपयोग करके किया जाता है। स्वचालित प्रणाली2,3,4,5 चाल विश्लेषण के लिए अपनाया गया है, लेकिन नुकसान से पीड़ित हैं, क्योंकि प्राथमिक परिणाम पदचिह्न विश्लेषण पर आधारित हैं और महत्वपूर्ण पर कब्जा करने में विफल खंडीय और संयुक्त शुद्ध गतिक चर जो अन्यथा अंग संचलन2की वास्तविक शुद्ध गति विज्ञान प्रकट कर सकते हैं . चूंकि अधिकांश चाल पैरामीटर सहसंबद्ध हैं, इसलिए चूहों द्वारा अपनाए गए मुआवजे को पूरी तरह से मोटर घाटे का आकलन करने के लिए चाल मानकों का एक संग्रह समझने की आवश्यकता है।
पिछले दशक में, कई 3 डी गति विश्लेषण प्रणाली6 मनुष्यों में जैव चिकित्सा अनुसंधान के लिए विकसित किया गया है. ये प्रणालियां सफल रही हैं और स्वस्थ मानव प्रदेाों में गति में कमी को दूर करने के साथ ही चलने की शुद्ध गति से बदली हुईंहैं. कृन्तकों में, वर्तमान में उपलब्ध 3 डी शुद्ध गति प्रणालियों आंदोलन व्यवहार के लिए जटिल एल्गोरिदम और मॉडलिंग को अपनाने और परिष्कृत डेटा विश्लेषण तकनीक8,9,10,11 का उपयोग , जो अंततः उनकी बहुमुखी प्रतिभा को सीमित. इसके अलावा, सबसे 3 डी गति पर कब्जा प्रणाली के साथ डेटा एकत्र करने के लिए इस्तेमाल किया तरीकों पर्याप्त रूप से साहित्य में समझाया नहीं कर रहे हैं. डेटा संग्रह और विश्लेषण प्रक्रियाओं, सीमाओं, और प्रभावी ढंग से प्रणाली का उपयोग करने में शामिल तकनीकों पर विवरण की कमी कर रहे हैं.
नतीजतन, शोधकर्ताओं के बीच आम धारणाओं में से एक यह है कि 3 डी गति पर नज़र रखने शुद्ध मूल्यांकन बल्कि प्रयास और समय लेने वाली प्रक्रियाओं है कि तकनीकी विशेषज्ञता और विस्तृत डेटा विश्लेषण की जरूरत है. इस काम का उद्देश्य डेटा संग्रह और विश्लेषण प्रोटोकॉल को तोड़ना और चरण-दर-चरण प्रक्रिया के माध्यम से पद्धति का वर्णन करना है ताकि यह उद्देश्य, आसानी से सीखना हो, और व्यवस्थित रूप से संपर्क किया जा सके। आज, तंत्रिका संबंधी चोटों और पूर्व नैदानिक अध्ययन ों में हस्तक्षेप के बाद एक अधिक व्यापक और व्यवस्थित तरीके से कार्यात्मक मोटर व्यवहार का आकलन करने पर एक उभरते जोर है।
चतुष्पादीय चलन के दायरे में, यहाँ प्रस्तुत एक 3 डी गति ट्रैकिंग प्रणाली है कि इस तरह के शरीर की मुद्रा के रूप में अतिरिक्त जानकारी प्रदान कर सकते हैं का उपयोग है, शरीर अक्षों के संबंध में पंजा रोटेशन, जोड़ों के अंतर संबंध, और अधिक सटीक जानकारी समन्वय के बारे में, सभी जबकि समवर्ती सभी विमानों से पूरे जानवर visualizing. यह, बारी में, कई परिणामों के माध्यम से स्वस्थ और घायल चूहों के बीच मोटर व्यवहार में महत्वपूर्ण मतभेद प्रकट कर सकते हैं. एक अधिक परिष्कृत शुद्ध गतिक विश्लेषण है कि सही और उद्देश्य है के साथ, एक हस्तक्षेप के गलत infering प्रभाव का खतरा कम से कम है. इस गति पर कब्जा सॉफ्टवेयर से उत्पन्न डेटा आंदोलन की गुणवत्ता के लिए कल्पना फ्रेम द्वारा फ्रेम है और स्वचालित रूप से ट्रैक किया जा सकता है, और डेटा संग्रह या परिमाणीकरण किसी भी अतिरिक्त एल्गोरिदम या मॉडलिंग की आवश्यकता नहीं है. इस कार्य का उद्देश्य स्वस्थ और रीढ़ की हड्डी में घायल चूहों में ट्रेडमिल चलन के दौरान डेटा संग्रह और 3 डी चाल शुद्ध गति विज्ञान के विश्लेषण में शामिल विधि संबंधी विवरण और विचार प्रदान करना है। इस प्रोटोकॉल पूर्व नैदानिक शोधकर्ताओं जो प्रयोगों में न्यूरोलॉजिकल चूहे मॉडल का उपयोग द्वारा उपयोग के लिए करना है.
इस प्रोटोकॉल लेख संग्रह और कृन्तकों में चतुष्पादीय ट्रेडमिल चलन के दौरान 3 डी शुद्ध गतिगत डेटा के विश्लेषण के लिए एक गति ट्रैकिंग प्रणाली के उपयोग को दर्शाता है। 3 डी शुद्ध गति विश्लेषण प्रणाली की महत्वपूर्ण विशेषताओं में संयुक्त आंदोलन (चरण चरण शुद्धगतिकी, संयुक्त कोण, गति की सीमा, कदम वेग) के शुद्ध गति विज्ञान का विस्तृत परिमाण शामिल है, एक साथ कई जोड़ों और अंगों से, का पता लगाना मोटर घाटे नग्न आंखों से unmeasurable, डेटा संग्रह और विश्लेषण में व्यक्तिपरक पूर्वाग्रह का उन्मूलन, और पूरे अंग और postural शुद्ध गति विज्ञान है कि गति में पूरे चूहे के एक साथ तालमेल के साथ तुलना की जा सकती के आसान दृश्य. जोड़ा एल्गोरिदम और मॉडलिंग के लिए की आवश्यकता के बिना, तरीकों मात्रात्मक महान विस्तार, दक्षता, आसानी, सटीक, और reproducibility के साथ चाल की शुद्ध गति का विश्लेषण करने के लिए सॉफ्टवेयर की क्षमता दिखा।
कृन्तकों में, रीढ़ की हड्डी की चोट (एससीआई) के बाद फोरलिम्ब और हिंडिम्ब लोकोमोटर घाटे का आकलन आमतौर पर व्यक्तिपरक और मानकीकृत लोकोमोटर स्कोरिंग सिस्टम जैसे बीबीबी स्कोरिंग सिस्टम1का उपयोग करके किया जाता है। व्यक्तिपरक स्कोरिंग प्रणाली आम तौर पर परीक्षक पूर्वाग्रह परिचय क्योंकि विभिन्न शोधकर्ताओं एक ही मोटर घाटे या अलग मोटर घाटे के लिए एक ही स्कोर के लिए अलग अलग स्कोर आवंटित कर सकते हैं, कम reproducibility और परीक्षण की संवेदनशीलता में जिसके परिणामस्वरूप13 . इसके अलावा, सूक्ष्म घाटे का पता लगाने में असमर्थता एक हस्तक्षेप के प्रभाव पर गलत तरीके से अनुमान लगाने का जोखिम पहनता है।
इन समस्याओं का मुकाबला करने के लिए, स्वचालित सिस्टम2,3,4,5 और सिस्टम के साथ या जटिल एल्गोरिदम के उपयोग के बिना14,15 कुछ जांचकर्ताओं द्वारा अपनाया गया है. इन परीक्षणों कदम चक्र विश्लेषण है कि वजन असर प्रोफाइल और कदम अनुक्रम एक रनवे भर में चलने चूहों के पंजा स्थान आंदोलनों से व्युत्पन्न पैटर्न प्रकट करते हैं. हालांकि, अधर विमान वीडियो चाल विश्लेषण का एक बड़ा नुकसान यह है कि विषय के शरीर ही सीधे दिखाई नहीं है2,3. ये आंकड़े पैर और पंजा आंदोलनों के छापों से प्राप्त जानकारी तक सीमित हो जाते हैं,घाटे का आकलन करने में चाल मापदंडों के चयन और व्याख्या पर सवाल उठाते हैं (चेन एट अल 16 देखें)। अंग संचलन और स्थिति के गतिशील खंडीय शुद्ध गति विज्ञान को प्रकट करने वाले संचलन का विवरण3,5. संयुक्त कोण डेटा के महत्वपूर्ण विचलन (यानी, गति की सीमा, आंदोलनों के वेग, आदि), एक अंग के भीतर और अंगों के बीच एक दूसरे के संबंध में जोड़ों के संबंध, और अंतर्निहित शरीर यांत्रिकी कि चाल पैटर्न को बदलने के लिए प्राप्त करने के लिए असंभव है. इस प्रकार, क्या कोई प्रेक्षणीय चाल हानियां एकल और/या अनेक खंडीय संयुक्त आंदोलनों में परिवर्तन के परिणामस्वरूप होती हैं (अर्थात्, समीपस्थ-विपर्यास आंतरग्राम समन्वय, स्थिति और चाल चक्र के संबंध में ट्रंक के postural संबंध अंग, आदि) नकाबपोश रहते हैं.
कुछ वर्तमान में उपलब्ध प्रणालियों चाल शुद्ध गति पर कब्जा और मोटर रोग गुणात्मक और मात्रात्मक आकलन लेकिन कम व्यापक रूप से इस्तेमाल कर रहे हैं. एक पूर्ण शरीर उच्च गति वीडियो ट्रैकिंग चाल विश्लेषण प्रणाली फिल्मों सहज चाल चक्र तीन पक्षों से (एक अधर और दो पार्श्व विमानों) और चाल परिणामों की एक संख्या उत्पादन करने के लिए बोनी स्थलों ट्रैक17,18. धनु तल शुद्ध गतिगत चाल विश्लेषण कुछ शोधकर्ताओं द्वारा रुचि पूर्णलिंब19,20के 2 डी गति डेटा प्राप्त करने के लिए नियोजित किया जाता है . तथापि, गति का एक तीसरा आयाम जो देखने वाले विमान (पार्श्व या धनु ) को ओर्थोगोनल होता है, विश्लेषण11,18,19में पता नहीं लगाया जा सकता है।
अन्य अधिक परिष्कृत, 3 डी, तीन शरीर खंड कृंतक शरीर postural डेटा संग्रह प्रणाली डेटा संग्रह के 3 डी गणितीय मॉडलिंग के रूप में के रूप में अच्छी तरह से विश्लेषण प्रणाली का उपयोग करने के लिए ट्रैक और कृन्तक शरीर क्षेत्रों के 3 डी गति मात्रा जबकि सिर सहित गति पैटर्न8| मेडे एट अल9 एक सात कैमरा प्रणाली का उपयोग कर चलने बीम पर overground चलन के दौरान 3 डी शरीर postural शुद्ध गति की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक मार्कर आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गति पर कब्जा प्रणाली विकसित की है। मुख्य परिणाम बाद दो में अध्ययन किया मुख्य रूप से चाल विश्लेषण के बजाय कृंतक के समग्र मुद्रा पर ध्यान केंद्रित काम करता है. 3डी गति पर कब्जा सिस्टम कई कैमरों और विस्तृत सॉफ्टवेयर प्रणालियों का उपयोग कर उच्च थ्रूपुट 3 डी शुद्ध गति चाल डेटा प्रदान करते हैं, के रूप में भीमणी एट अल द्वारा की समीक्षाकी 21. प्रस्तुत 3 डी गति विश्लेषण प्रणाली के पुराने संस्करणों का भी प्रयोगचूहों में पिछले काम में 12 ,22,23के साथ और बिना किए किया गया है .
अनुसंधान के लिए 3 डी गति संग्रह और विश्लेषण प्रणालियों की उपलब्धता के बावजूद, कृन्तकों में इस तकनीक का पूर्व नैदानिक उपयोग अपेक्षाकृत सीमित रहता है। इस समस्या का कारण यह है कि डेटा संग्रह और विश्लेषण प्रोटोकॉल शुद्ध गतिक मॉडल और जटिल एल्गोरिदम के निर्माण के उपयोग पर भारी भरोसा करते हैं जो ठीक, उच्च-रिज़ॉल्यूशन उत्पन्न करने के लिए चलने के दौरान चूहे के हिंदलिंब के शुद्ध गतिक मॉडल को फिट करते हैं। चाल शुद्ध गति विज्ञान8,9,11,22. यहाँ प्रस्तुत विस्तृत पद्धति पशु हैंडलिंग, प्रशिक्षण, प्रयोगात्मक सेट अप, डेटा संग्रह, और विश्लेषण कदम सहित प्रयोगात्मक प्रक्रिया में शामिल प्रक्रिया का विवरण प्रदान करता है.
इसके अलावा प्रदान की प्रणाली के अंशांकन पर विवरण हैं, जो प्रोटोकॉल का मौलिक हिस्सा है, कि भीतर और विषयों के बीच आसन्न परीक्षणों के बीच reproducibility आश्वासन देगा. वर्णित चरण-दर-चरण तकनीक डेटा संग्रह प्रक्रिया में वस्तुपरकता का परिचय देते हैं और इसे अत्यधिक पुन: उत्पादन ीय बनाते हैं. इस गति पर कब्जा सॉफ्टवेयर से उत्पन्न डेटा आंदोलन की गुणवत्ता के लिए फ्रेम-दर-फ्रेम कल्पना की जा सकती है और स्वचालित रूप से ट्रैक किया। इसके अलावा बताया गया है कि कैसे इस डेटा संग्रह या परिमाणीकरण किसी भी अतिरिक्त एल्गोरिदम या मॉडलिंग की आवश्यकता नहीं है. छात्रों, कर्मचारियों, और शोधकर्ताओं सरल सांख्यिकीय सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए विशिष्ट तकनीकी विशेषज्ञता पर निर्भरता के बिना बुनियादी शुद्ध गतिज उत्पादन उत्पन्न कर सकते हैं.
इस प्रणाली को भी overground चलन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, तक पहुँचने और लोभी, और अन्य प्रयोगात्मक सेट अप प्रयोगात्मक लक्ष्य के अनुरूप करने के लिए. संख्या और मार्करों के प्रकार भी पूंछ के लिए समायोजित किया जा सकता है, वापस, ट्रंक, या कान, के रूप में की जरूरत है. सिस्टम की तुलना में प्रस्तुत सॉफ्टवेयर का एक बड़ा लाभ अपने विषय के उच्च संकल्प वीडियो डेटा इकट्ठा करने की क्षमता है. इस प्रकार, गणना के जटिल सेट (यानी, कोणीय गतियां, कई जोड़ों को जोड़ने वाली स्टिक लाइनें आदि) को रिकॉर्ड किए गए वीडियो पर आरोपित किया जा सकता है। मार्कर प्लेसमेंट और उत्पन्न 3 डी डेटा गति में एक चूहे की वास्तविक आंदोलनों के साथ सत्यापित किया जा सकता है. इसके विपरीत, अन्य 3 डी गति पर कब्जा प्रणाली के साथ, केवल मार्करों पर कब्जा कर रहे हैं, और किसी भी फिर से विश्लेषण छड़ी आरेख पर किया जाना चाहिए (कंकाल रूपरेखा) के बजाय वास्तविक विषय के वीडियो. नतीजतन, वास्तविक विषय आंदोलन पर मार्कर प्लेसमेंट के सत्यापन की कमी है.
इस प्रणाली के साथ अनुभव के आधार पर, अंशांकन डेटा संग्रह की सफलता में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है. सिस्टम के अंशांकन बदलने के लिए अत्यधिक संवेदनशील है. और किसी भी एक कैमरे के मामूली आंदोलन पूरे 3 डी समन्वय डेटा संग्रह और विश्लेषण प्रक्रिया समझौता कर सकते हैं. केवल एक को देखने के विमान के प्रत्येक पक्ष पर दो कैमरों डेटा संग्रह के लिए आवश्यक हैं, लेकिन तीसरे कैमरे अत्यधिक अन्य कैमरों के साथ प्रत्येक मार्कर के स्थानों को पार संदर्भ द्वारा अधिक सटीकता प्रदान करने के लिए सिफारिश की है. ट्रैकिंग कैमरों की संख्या में वृद्धि के रूप में, एक विशिष्ट मार्कर के लिए 3 डी समन्वय की सटीकता भी वृद्धि होगी. अवसरों के दौरान जिसमें मार्कर चाल घाटे (जैसे कि टोरे कर्लिंग या neurotrauma के बाद चाल के मामले में खींचें के कारण अस्पष्ट हो जाते हैं), इन स्थितियों व्यापक मैनुअल ट्रैकिंग की मांग कर सकते हैं. फिर भी, डेटा की राशि अंततः ट्रैकिंग से उत्पन्न मैन्युअल रूप से मार्करों पर नज़र रखने में निवेश समय के योग्य है, यह सूक्ष्म मोटर घाटे का पता लगाने में एक अमूल्य उपकरण बना रही है.
हमारे अनुभव में, प्रणाली के उपयोग के साथ जुड़े किसी भी थकाऊ उपकरण और प्रौद्योगिकी ही उपयोग से परे है. मोटर व्यवहार के आकलन के लिए अन्य प्रोटोकॉल के समान, जिस विधि के साथ चूहों को संभाला और कार्य के लिए प्रशिक्षित किया जाता है, बहुत परिणामों को प्रभावित करता है। उदाहरण के लिए, परीक्षण के दौरान चूहों को उनके सहगण से अलग करना महत्वपूर्ण है; अन्यथा, चूहों कि परीक्षण नहीं कर रहे हैं, लेकिन अभी भी परीक्षण के दौरान मौजूद हैं कार्य प्रदर्शन के अंतिम गिरावट दिखा. इष्टतम कमरे के तापमान, प्रकाश व्यवस्था, और शोर का स्तर अन्य निर्धारक हैं. Fouad एट अल अन्य चुनौतियों है कि चूहों में कार्यात्मक मोटर परीक्षण के साथ प्रकाशित24. दरअसल, इस प्रयोगशाला से अंधा उपयोगकर्ताओं को जो पद्धति का सही ढंग से पालन डेटा संग्रह, गति ट्रैकिंग, और डेटा विश्लेषण के साथ किसी भी प्रमुख बाधाओं का अनुभव नहीं किया.
इस पेपर में, लोकोमोटर डेटा को प्रभावी ढंग से एकत्र करने और उसका विश्लेषण करने के लिए एक 3D गति कैप्चर सिस्टम का वर्णन किया गया है ताकि शोधकर्ता कई चूहों से गहराई से चलन डेटा की भारी मात्रा में इकट्ठा कर सकें। वर्तमान में हम एक स्वचालित डेटा विश्लेषण टेम्पलेट है कि सॉफ्टवेयर में बनाया जा सकता है और कृन्तकों में ट्रेडमिल चलन के लिए कुछ ही सेकंड के भीतर पूर्व निर्धारित परिणामों की एक रिपोर्ट पैदा करने में सक्षम हो बनाने पर काम कर रहे हैं, क्या मानव में किया जाता है के समान गति पर कब्जा और विश्लेषण प्रणाली का उपयोग कर अध्ययन6,25. इस टेम्पलेट के विकास से पूर्व नैदानिक शोधकर्ताओं को माउस बटन के कुछ क्लिक की सुविधा पर विस्तृत कृंतक चलन डेटा प्राप्त करने की अनुमति होगी। यह आशा की जाती है कि इस कार्य में प्रदान की गई विधियां पूर्व नैदानिक शोधकर्ताओं के लिए कृंतक मोटर व्यवहार का अधिक निष्पक्ष आकलन करने के लिए उपयोगी साबित होगी। अब हम इस प्रणाली के उपयोग को ठीक कर रहे हैं इस तरह तक पहुँचने और लोभी के रूप में आम, कुशल forelimb व्यवहार के दौरान उच्च throughput 3 डी शुद्ध गतिसेक डेटा इकट्ठा करने के लिए. महत्वपूर्ण बात, इस विधि की उपयोगिता neurotraumatic और गैर neurotraumatic चोटों की एक किस्म के साथ चूहों के लिए विस्तार किया जा सकता है.
The authors have nothing to disclose.
इस परियोजना के लिए वीडियो और बौद्धिक योगदान के लिए प्रयोगात्मक सेट अप के साथ उनकी सहायता के लिए पवन शर्मा को हमारा विशेष धन्यवाद। हम भी वीडियो प्रोटोकॉल के प्रदर्शन के साथ सहायता में उनके योगदान के लिए क्रिस्टोफर Palacio धन्यवाद.
6 camera Basler (Scout scA640-120gu) motion capture system. | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | Recording device for motion analytics. |
Calibration Frame and Wand | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | L-shaped calibration defining the global coordinate sysetem, and the trident shape wand (100 mm) |
Markers | Shah Lab | N/A | Recording device for motion analytics. Markers are Custom made in our lab from 0.5cm googly-eyes covered with reflective tape. |
Matlab | Mathworks, Inc, Natic, Ca | N/A | Data analysis software |
Rodent Cage | Custom Made within Stony Brook. | N/A | Clear plexiglass cage used to keep the rodent on the treadmill. |
Simi Reality Motion Systems | Simi Reality Motion Systems GmbH Max-Planck-Str. 11 85716 Unterschleibheim, Germany | N/A | 3D tracking Software. |
Treadmill | Mk Automation Inc., Bloomfield, CT 06002 | N/A | Treadmill used for rodent locomotion. |