3D运动性步态分析,用于啮齿动物的临床前研究

这项研究是根据国家卫生研究所《实验室动物护理和使用指南》的建议进行的。该协议得到了石溪大学校长动物研究委员会的批准。 1. 设置运动捕捉系统 设置 使用可精确调节的齿轮头将六个摄像机安装在墙壁(或三脚架)上。将三台摄像机放置在跑步机的每一侧,每台摄像机在地平线以下倾斜 20°-45°,距离跑步机约 2.0 米,距离相邻摄像机约 0.5 米,以实现标记的最大覆盖范围(图 1)。 为每个摄像机配备环形灯,以可视化反光标记。 启动运动捕捉系统。 在”项目”下 |规范,为实验定义所需的标记。注:出于演示目的,前肢和后肢共使用22个标记(每侧11个标记)来评估双边四足运动。或者,具有特定标记 ID 的导入标记集允许在软件内进行预设计算。 2. 运动捕获系统的校准 捕获校准视频 将 L 形校准框架(以下简称”L 帧”)正交放置在跑步机上,L 型框架的长腿指向大鼠的行走方向(图 2)。 打开运动捕捉软件并选择”录制”以捕获校准视频。 将三叉形校准框架(以下简称”魔杖”)移到整个空间的跑步机区域,以覆盖大鼠将进入的所有区域。注: L 帧包含四个建立全局坐标系的标记,魔杖包含三个标记,这些标记将校准大鼠的 3D 行走空间。 记录至少 1 分钟的素材,以确保有足够的魔杖数据点,以便以 120 帧/秒进行正确校准。 将视频另存为 3D 校准文件。 L 帧跟踪 右键单击相机组并选择3D跟踪。在下拉窗口下,选择3D校准视频,然后选择所有校准摄像机。 使用定点功能,在六个校准视频中分别跟踪 L 帧原点、L 帧短帧、L 帧中长和 L 帧长。定义所有点并选择”自动搜索”按钮。注:在整个实验过程中,L 帧位置必须相对于跑步机保持一致,以防止坐标系移动。 魔杖跟踪 右键单击相机组并选择”自动 3D-魔杖跟踪”。 选择摄像机选择中的所有摄像机。在窗口右下角,选择”选项”,”取消选择检测 L帧”,然后选择”开始跟踪”。 自动跟踪后,为所有六个摄像机选择”分配魔杖短、魔杖中”和”魔杖长”标记。 在3D 跟踪窗口中,选择”导出到原始数据”,然后选择”覆盖现有魔杖数据”选项以保存跟踪。 在最后一步之后出现的窗口中选择”是”,以保存最准确的数据。注: 此新跟踪将保存在左侧边栏的”自动跟踪”选项卡下。以后可以访问和编辑保存的跟踪。 计算校准 右键单击相机校准组并选择”新魔杖校准组”。 选择”所有摄像机”并按住Ctrl(控制)键,同时选择”确定”。 将魔杖长度更改为 100.00 mm,将 L 帧地板偏移更改为 7.00 mm,将异常值检测的迭代更改为 4,并允许魔杖长度偏差为 0.300。 将魔杖在选项中必须可见的相机更改为 4,并打开以下内容:修复纵横比、修复偏斜参数和修复主要点(表 1)。注: 这些设置经实验确定是此设置的最佳选择。 接受标准偏差小于 3 mm 且残值小于 0.004 的魔杖长度的校准。注:如果摄像机或相关设备移动超过此点,则需要重新校准系统。 3. 训练和准备动物跑步机运动 训练大鼠进行跑步机运动 在训练课12之前,让大鼠在跑步机上适应5分钟。 训练大鼠以13厘米/秒的速度以13厘米/秒的速度行走,在上午进行15分钟/次,为期1周。训练所有老鼠,直到他们能够持续行走(至少10个连续步骤)在跑步机12。 完成每只大鼠在一天中同一时间的训练。 在收集数据之前,通过将大鼠放入孵化室来麻醉大鼠。 输送非卢兰气体(1.0%-2.5%)和0.4L的氧气约5分钟。捏住大鼠的脚,检查麻醉的深度。 当大鼠对爪子捏合没有反应时继续(负爪戒反射)。 在放置标记的区域对大鼠进行毛毛处理,以避免毛皮干扰标记跟踪(图1)。 将皮肤用于骨质地标,以放置标记物。使用笔标记用于肘部和膝关节的远端(图3)。注:反光标记是直径为 0.5 厘米的塑料半球,覆盖有反光胶带。 在数据收集之前,根据需要将标记放在骨质地标上(图3)。注:在健康的非神经创伤性大鼠中,放置在远端关节上的反光标记经常被大鼠去除。出于演示目的,反光标记被放置在近端骨质地标(后肢的骨峰、髋关节、前肢的膝关节、肩关节和肘关节)上,笔标记用于较远端的地标。在我们手中,这已经产生了可重复的结果之间和大鼠内部(未公布的数据)。 4. 运动捕捉 选择运动捕捉软件顶部栏上的红色摄像机按钮以记录试用。在计算机上指定保存位置,然后选择”开始录制”以 120 帧/秒进行录制。 设置用户定义的跑步机速度,让大鼠行走约 30 s,或至少连续 10 步。 停止录制并检查素材至少包含 ±10 个连续步骤,然后再继续。 保存录制的视频后,为每个试用版创建新的摄像机组。 5. 运动跟踪 选择”+”符号相邻的保存的相机组。 这将显示所有六个摄像机的列表。 为摄像机文件分配 3D 校准 转到相机校准组,右键单击”计算校准”。选择”分配 3D 摄像机参数”。将校准文件分配给保存的摄像机组中的相应摄像机文件。将鼠标悬停在相机文件上以验证校准(读取为3D 校准有效)。 单个摄像机 2D 跟踪 右键单击摄像机组进行运动跟踪。选择2D 跟踪。 选择七到十个最佳连续和一致的跟踪步骤。记录每一步在跑步机上参考肢体的第一次接触时的框架编号。注:出于演示目的,选择左后肢作为参考肢体。 提供各种跟踪选项。 右键单击感兴趣的标记并选择”自动跟踪”,这将检测由反光标记创建的亮点(图 4)。 或者,使用模式匹配来跟踪标记,它将使用软件中内置的算法来跟踪基于大小和颜色的标记(图 4)。 手动跟踪和更正无法检测到的标记或跟踪错误。 当远端关节反光标记无法时,请使用黑色标记。 通过将黑色标记反转到亮点以进行自动跟踪,使用高级图像处理跟踪黑色标记。注:图像处理选项可用于帮助跟踪难以检测或查看的标记。 右键单击 2D 跟踪窗口中的大鼠视频。选择图像处理。 选择”高级视图”并添加四个滤镜(亮度、对比度、伽玛)的组合,以使黑色标记与其周围环境尽可能暗。最后,添加反转,黑色标记将成为可自动跟踪的明亮标记(图 5)。 标记放置校正 手动跟踪和更正无法检测到的标记或跟踪错误。 要手动跟踪视频,请在右侧边栏上选择所需的标记。右键单击并选择”手动跟踪”。开始跟踪逐帧显示的大鼠视频上的选定标记。 要纠正任何错误,请访问发生跟踪错误的帧。右键单击右侧边栏中的特定标记选项卡,然后单击”删除点”。在准确位置手动重新跟踪点。 使用上述方法,对连续步长帧范围内用于所有所需标记的所有摄像机进行 2D 跟踪。 单击整个跟踪过程的”保存”。 6. 运动学分析 阶段分配 右键单击”阶段”并选择”编辑阶段模型”。 根据一个人选择研究的不足,根据每个肢体的步态周期阶段(例如,添加拖动阶段、脚趾卷曲阶段等)在步进周期的传统姿势和摆动阶段定制步态周期阶段。定义实验的阶段 (图 6)。注:出于演示目的,此处显示了三个阶段,左后肢用作七到十个步态周期的参考肢体。 右键单击摄像机组中的摄像机并选择显示视频。 使用添加相位按钮或 F11 快捷键为软件中的每个肢体分配步态周期的阶段。 选择要分析的肢体,并将第一帧跟踪指定为Stance 阶段的开始。 将视频前进到姿态相位结束和摆动阶段开始的帧。指定此帧为摆动阶段的开始。 将视频前进到脚开始下降的第一帧。指定此帧为中回转阶段的开始。注:本文将每个肢体的步进周期的姿势阶段定义为肢体接触跑步机表面的第一帧。摆动阶段被定义为肢体离开跑步机表面的第一帧。中间摆动阶段是肢体达到最大间隙并开始下降的框架。从初始姿态开始到下一个步态周期的姿势阶段分配,定义了完整的步态周期。 重复这些步骤,直到每个步骤的肢体阶段分配完成。对其他三肢重复上述步骤。 3D 坐标计算 跟踪所有六台摄像机后,执行 3D 计算。 右键单击相机组并选择”新建 3D计算”,单击”全部”以选择相机,然后选择”确定”。注: 将显示一个新文件夹。此文件夹包含跟踪的所有标记的所有 3D 坐标数据。要查看和/或编辑相位,请右键单击左侧边栏中的3D 坐标并选择”编辑相位”(图 7)。 通过拖出感兴趣的标记,与分配的步态相并排查看,生成感兴趣的数据,例如带有数据点的关节高度或速度图。(例如,图8中的关节运动学)。 3D 图 单击3D 关系图生成试用版 3D 图形。 通过右键单击3D 坐标/导出导出原始数据。 右键单击3D 坐标文件并选择”导出”。 在电子表格软件中打开文件,并将数据导入 MATLAB。 创建程序以创建肢体步长协调图。注:3D 坐标数据可以导出到分析软件或自定义宏脚本中,以生成超出软件功能提供的数据。