3D ניתוח הילוך קימטי למחקרים פרה-קליניים במכרסמים
Summary
מוצג כאן הוא פרוטוקול לאסוף ולנתח הקינטיקה תלת ממדית של התנועה במכרסמים למחקרים פרה-קליניים.
Abstract
השירות של תלת מימדי (3D) מערכות ניתוח התנועה מוגבלת מכרסמים. חלק מהסיבה לחוסר הסדר הזה הוא השימוש באלגוריתמים מורכבים ובמידול מתמטי המלווים תהליכי איסוף וניתוח נתונים תלת-ממדיים. עבודה זו מספקת פשוטה, ידידותית למשתמש, צעד אחר צעד מתודולוגיה מפורטת עבור ניתוח הילוך קימטי 3D במהלך הליכון תנועה ב חולדות בריאים ונוירוטראומטיים באמצעות מערכת לכידת שישה מצלמה תנועה. גם סיפק פרטים על 1) כיול של המערכת הגדרת ניסיוני מותאם אישית עבור הדוושה תנועה, 2) איסוף נתונים עבור הליכון תנועה חולדות למבוגרים באמצעות סמנים ממוקם על כל ארבעת הגפיים, 3) אפשרויות הזמינות עבור מעקב וידאו ועיבוד, 4) בסיסי 3D הדור נתונים קימטי והדמיה וכימות הנתונים באמצעות תוכנה מובנית איסוף נתונים. לבסוף, הוא הציע כי כלי השירות של מערכת זו לכידת תנועה להתרחב כדי ללמוד מגוון של התנהגויות מוטוריות לפני ואחרי נוירוטראומה.
Introduction
ב מכרסמים, forelimb ו הlocomotor לאחר הפרעות נוירולוגיות מוערך בדרך כלל באמצעות מערכות הניקוד הסובייקטיבי1. מערכות אוטומטיות2,3,4,5 אומצו עבור ניתוח הילוך אבל סובלים מחסרונות, כי התוצאות העיקריות מבוססות על ניתוח טביעת רגל ולהיכשל ללכוד קריטי משתנים קימטיים ומשותפים שיכולים אחרת לחשוף את הקינמטיקה האמיתית של תנועות גפיים2. מאז הפרמטרים הילוך ביותר הם מתואמים, אוסף של פרמטרים הליכה צריך להבין את הפיצוי שאומצה על ידי חולדות כדי להעריך לחלוטין את החסרונות מנוע.
בעשור האחרון, מספר מערכות ניתוח תלת-ממד תנועה6 פותחו עבור מחקר ביו בבני אדם. מערכות אלה מוצלחות והוכחו להיות יעילים בלכידת לכידת בתנועה בוגרים אנושיים בריאים, כמו גם בקינמטיקה של הליכה6,7. ב מכרסמים, זמין כעת 3d מערכות תנועה קימטיות לאמץ אלגוריתמים מורכבים ומידול להתנהגות התנועה ולנצל מתוחכם ניתוח נתונים טכניקות8,9,10,11 , אשר בסופו של דבר להגביל את צדדיות שלהם. יתר על כן, השיטות המשמשות לאיסוף נתונים עם רוב מערכות 3D לכידת תנועה לא מוסבר כראוי בספרות. הפרטים על תהליכי איסוף הנתונים והניתוח, המגבלות והטכניקות הכרוכים בשימוש יעיל במערכת, חסרים.
כתוצאה מכך, אחת התפיסות הנפוצות בקרב החוקרים היא כי מעקב תנועה תלת-ממדי של הערכות קימטיות הם effortful והליכים זמן הזקוקים למומחיות טכנית וניתוח נתונים משוכלל. הכוונה של עבודה זו היא לפרק את פרוטוקולי איסוף הנתונים והניתוח ולתאר את המתודולוגיה באמצעות תהליך צעד-אחר-צעד, כך שהוא אובייקטיבי, קל ללמידה, וניתן להתקרב אליו באופן שיטתי. כיום, יש דגש המתעוררים על הערכת התנהגות מוטורית תפקודית באופן מקיף יותר ושיטתי בעקבות פציעות נוירולוגיות והתערבויות במחקרים פרה-קליניים.
בתחום של 4 פדאל תנועה, הציג כאן הוא השימוש במערכת מעקב 3D תנועה שיכולה לספק מידע נוסף כגון תנוחת הגוף, כפה סיבוב ביחס צירי הגוף, קשרי גומלין בין המפרקים, ומידע מדויק יותר בנוגע לתיאום, ובמקביל מדמיין את החיה כולה מכל המטוסים. זה, בתורו, יכול לחשוף הבדלים קריטיים התנהגות מוטורית בתוך ובין חולדות בריאים ופצועים באמצעות תוצאות מרובות. עם ניתוח קימטי מעודן יותר כי הוא מדויק ואובייקטיבי, הסיכון של השפעות מסוימות בטעות של התערבות ממוזער. הנתונים שנוצרו מתוכנה זו לכידת תנועה הוא דמיינו מסגרת על ידי מסגרת עבור איכות התנועה ניתן לעקוב באופן אוטומטי, ואיסוף נתונים או כימות אינו דורש שום אלגוריתמים או מידול נוספים. מטרת העבודה היא לספק פרטים מתודולוגיים ושיקולים מעורבים איסוף נתונים וניתוח של הליכה 3D kinאמאם במהלך הליכון תנועה ב בריא השדרה נפגע חולדות. פרוטוקול זה מיועד לשימוש על ידי חוקרים פרה-קליניים המשתמשים במודלים נוירולוגיים בניסויים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה פרוטוקול מדגים את השימוש במערכת מעקב תנועה עבור איסוף וניתוח של נתונים קימטיים 3D במהלך הליכון 4 תנועה ההליכון במכרסמים. תכונות חשובות של מערכת ניתוח תנועה קינמטית 3D כוללים כימות מפורטות של הקינטיקה של תנועה משותפת (שלב שלב kinאמאם, זוויות משותפת, טווח של תנועה, צעד המהירויות) ממפרקים וגפיים מרובים בו זמנית, זיהוי של המנוע מדיד על ידי עין בלתי, חיסול של הטיה סובייקטיבית באיסוף נתונים וניתוח, ויזואליזציה קלה של האיבר כולו הגפיים הפוסט שניתן להשוות עם הסמיכות בו זמנית של החולדה כולה בתנועה. ללא צורך באלגוריתמים מתווספים ובמידול, השיטות מציגות את יכולת התוכנה לנתח את הקינמטיקה של הליכה עם פירוט רב, יעילות, קלות, דיוק, והתנוסות.
ב מכרסמים, forelimb ו הlocomotor לאחר פגיעה בחוט השדרה (SCI) הם העריכו בדרך כלל באמצעות סובייקטיבית וסטנדרטית locomotor מערכות הניקוד כגון מערכת הניקוד BBB1. מערכות הבקיע סובייקטיבית בדרך כלל להציג הטיה בודק משום שחוקרים שונים עשויים להקצות עשרות שונים עבור הגירעון מנוע זהה או ציון זהה עבור מנועים שונים, וכתוצאה מכך מופחתת מקטינה ורגישות המבחן13 . יתר על כן, חוסר היכולת לזהות לגרדות עדינים לובשים את הסיכון של מסקנות שלא כצדק על השפעות של התערבות.
כדי להילחם בבעיות אלה, מערכות אוטומטיות2,3,4,5 ומערכות עם או בלי שימוש באלגוריתמים מורכבים14,15 אומצו על ידי כמה חוקרים. בדיקות אלה לבצע ניתוח מחזור שלב לחשוף פרופילים הנושאת משקל דפוסי רצף הצעדים נגזר תנועות הצבת כפה של חולדות הליכה על מסלול. עם זאת, החיסרון העיקרי של ניתוח הילוך וידאו מטוס הגחוני הוא שהגוף של הנושא עצמו אינו נראה ישירות2,3. נתונים אלה הופכים למוגבלים למידע שהושג מרשמים של כפות רגליים ותנועות כפה, שאלות על הבחירה והפרשנות של פרמטרי הילוך בהערכת כמויות (ראו חן ואח ‘16). פרטי התנועה החושפים את הקינמטיקה הדינמית של תנועת גפיים ומיצוב אינם השגה מדויקת לניתוח תנועה3,5. סטיות קריטיות של נתוני זווית משותפת (כלומר, טווח של תנועות, מהירות של תנועות, וכו ‘), הקשר בין המפרקים ביחס לשני בתוך איבר ובין הגפיים, ומכניקת הגוף הבסיסיים המשנים דפוסי הליכה אינם ניתנים להשגה. ככזה, בין אם ליקויים הליכה הנצפה כתוצאה שינויים באחד ו/או מספר תנועות משותפת מרובות (כלומר, הבית ה, הבית הפנימי התאום הקשר, היחסים הדו של גזע ביחס למיקום מחזור הילוך של הגפיים וכו ‘) להישאר רעולי פנים.
מספר מערכות זמינות כרגע ללכוד הילוך kinאמאם ולהעריך בתפקוד מוטורי באופן איכותי וכימות אבל הם בשימוש נרחב פחות. גוף מלא במהירות גבוהה וידאו מעקב הילוך ניתוח מערכת סרטים מחזורי הליכה ספונטנית משלושה צדדים (אחד ושני מטוסים לרוחב) ומעקב אחר ציוני הדרך כדי פלט מספר תוצאות הליכה17,18. משונן המטוס ניתוח הילוך קימטי מועסק על ידי כמה חוקרים כדי להשיג נתונים בתנועה 2d של מתעניין האיבר19,20. עם זאת, ממד שלישי של תנועה המתרחש אורתוגונאל למישור הצפייה (לרוחב או משונן) אינו ניתן לגילוי בניתוחים11,18,19.
אחרים מתוחכמים יותר, 3D, שלושה גוף פלח גוף מכרסם מערכות נתוני איסוף נתונים לנצל 3D מידול מתמטי של איסוף נתונים, כמו גם מערכת ניתוח לעקוב ולכמת את התנועה 3D של הגוף של מכרסם מקטעים תוך כולל ראש דפוסי תנועה8. מעשה ואח ‘9 פיתחו מערכת מבוססת לכידת תנועה אלקטרואופטיקה כדי לכמת את הגוף התלת-ממדי במהלך התנועה על קרני הליכה באמצעות מערכת שבעה מצלמה. התוצאות העיקריות למדו בשתי היצירות האחרונות מתמקדים בעיקר בתנוחה הכללית של מכרסם ולא ניתוח הילוך. 3D לכידת תנועה מערכות לספק תפוקה גבוהה 3D הילוך הליכה הנתונים באמצעות מצלמות מרובות מערכות תוכנה משוכללת, כפי שנבדקו על ידי הנזיר ואח ‘21. גרסאות ישנות יותר של מערכת ניתוח 3d הציג תנועה השתמשו גם בעבודה הקודמת חולדות עם ובלי נוירוטראומה12,22,23.
למרות הזמינות של מערכות הפיתוח והניתוח של התנועה התלת-ממדית למחקר, שימוש טרום-קליני בטכניקה זו במכרסמים נשאר מוגבל יחסית. חלק מהסיבה לבעיה זו היא שפרוטוקולי איסוף הנתונים והניתוח מסתמכים במידה רבה על השימוש בבניית מודלים קימטיים ואלגוריתמים מסובכים המתאימים למודל קימטי של החולדה במהלך הליכה כדי ליצור קנס, ברזולוציה גבוהה . הילוך בקינמטיקה8,9,11,22 המתודולוגיה המפורטת המוצגת כאן מספקת פרטים על ההליך המעורב בתהליך הניסיוני, כולל טיפול בבעלי חיים, הדרכה, הגדרת מידע, איסוף נתונים וניתוח.
כמו כן, מסופקים פרטים על כיול של המערכת, שהיא החלק הבסיסי של הפרוטוקול, אשר תבטיח התוכהות בין מבחנים סמוכים בתוך ובין הנושאים. השיטות המתוארות לשלב אחר שלב מציגות אובייקטיביות בתהליך איסוף הנתונים והופכת אותה לתוכבת במידה רבה. הנתונים שנוצרו מתוכנה זו לכידת תנועה יכול להיות דמיינו מסגרת על ידי מסגרת עבור איכות התנועה ומעקב אוטומטית. כמתואר לעיל הוא כיצד איסוף נתונים או כימות מידע זה אינו דורש אלגוריתמים או מידול נוספים. סטודנטים, צוות וחוקרים יכולים להשתמש בתוכנה סטטיסטית פשוטה כדי ליצור פלט קימטי בסיסי ללא הסתמכות על מומחיות טכנית ספציפית.
ניתן להשתמש במערכת זו גם לתנועה קרקע, להגעה ולאחיזה, ולמערכות נסיוניות אחרות שיתאימו למטרה הניסיונית. ניתן גם לכוונן את המספר והסוג של הסמנים עבור הזנב, הגב, העורק או האוזניים, לפי הצורך. יתרון גדול יותר של התוכנה המוצגת בהשוואה למערכות היא יכולתה לאסוף נתוני וידאו ברזולוציה גבוהה של הנושא. ככאלה, ערכות מורכבות של חישובים (כלומר, תנועות זוויתי, קווי מקל חיבור מפרקים מרובים, וכו ‘) ניתן לשאת על גבי הווידאו המוקלט. מיקום סמן ואת הנתונים 3D שנוצר ניתן לאימות עם תנועות בפועל של עכברוש בתנועה. לעומת זאת, עם מערכת לכידת התנועה 3D אחרים, רק סמנים נלכדים, וכל ניתוח מחדש חייב להיעשות על דיאגרמות מקל (שלד מסגרת) במקום וידאו של הנושא בפועל. כתוצאה מכך, האימות של הצבת הסמן על תנועת הנושא בפועל חסר.
בהתבסס על ניסיון במערכת זו, כיול ממלא תפקיד מכריע בהצלחת איסוף הנתונים. כיול המערכת רגיש מאוד לשינוי. ותנועה קלה של כל מצלמה אחת יכולה לסכן את כל תהליך איסוף הנתונים של קואורדינטות תלת-ממד וניתוח. רק שתי מצלמות בכל צד של מטוס צפייה נדרשים עבור איסוף נתונים, אבל המצלמה השלישית היא מומלצת מאוד כדי לספק דיוק יותר על ידי הצלבה המיקומים של כל סמן עם מצלמות אחרות. ככל שמספר מצלמות המעקב יגדל, הדיוק של קואורדינטת התלת-ממד עבור סמן מסוים יגדל גם הוא. במקרים שבהם הסמנים הופכים מטושטשים בשל הליכה הילוך (כגון סלסול הבוהן או לגרור במקרה של הליכה לאחר נוירוטראומה), תנאים אלה עשויים לדרוש מעקב ידני נרחב. עם זאת, כמות הנתונים שנוצרו בסופו של דבר מן המעקב הוא ראוי הזמן המושקע באופן ידני מעקב אחר סמנים, מה שהופך אותו כלי רב ערך בזיהוי לקות מנוע עדין.
בניסיון שלנו, כל הידע הקשור לשימוש במערכת נמצא מעבר לשימוש בציוד ובטכנולוגיה עצמה. דומה פרוטוקולים אחרים להערכת התנהגויות מוטוריות, השיטה שבה חולדות מטופלות ומאומנים עבור המשימה משפיע מאוד על תוצאות. לדוגמה, בידוד חולדות מתוך הקבוצה שלהם הוא קריטי במהלך בדיקה; אחרת, חולדות שאינן נבדקות, אך עדיין קיימות במהלך בדיקות להראות בסופו של דבר הידרדרות של ביצועי המשימה. הטמפרטורות האופטימליות של החדר, התאורה ורמות הרעש הן מאוד דטרמיניזם. פואד ואח ‘ פרסם אתגרים נוספים המלווים בבדיקות מוטוריות פונקציונליות בחולדות24. אכן, משתמשים עיוורים מהמעבדה הזאת שעקבו אחר המתודולוגיה נכונה לא חוו מכשולים גדולים עם איסוף נתונים, מעקב אחר תנועה וניתוח נתונים.
במאמר זה, מערכת לכידת תנועה תלת-ממד כדי לאסוף ולנתח נתונים locomotor ביעילות מתוארת כך החוקרים יכולים לאסוף כמויות עצומות של נתונים locomotor מעמיק במהירות של חולדות מרובות. אנחנו עובדים כרגע על יצירת תבנית אוטומטית ניתוח נתונים שניתן לבנות לתוך התוכנה ולהיות מסוגל ליצור דוח של תוצאות מראש שנקבע בתוך כמה שניות עבור הליכון תנועה במכרסמים, בדומה למה שנעשה באדם מחקרים באמצעות לכידת תנועה וניתוח מערכות6,25. הפיתוח של תבנית זו יאפשר לחוקרים מראש כדי להשיג מכרסמים מפורטים locomotor נתונים בנוחות של לחיצות ספורות של לחצן העכבר. הוא מקווה כי השיטות המסופקות בעבודה זו יוכיח שימושי חוקרים קדם קלינית כדי להעריך התנהגות מנוע מכרסם באופן אובייקטיבי יותר. אנחנו עכשיו finessing את השימוש במערכת זו כדי לאסוף התפוקה גבוהה 3D נתונים קינמטיים במהלך נפוץ, התנהגויות forelimb מיומנים כגון להגיע ואוחז. וחשוב מכך, ניתן להרחיב את התועלת של שיטה זו לחולדות עם מגוון פציעות נוירוטראומטיות ולא-נוירולוגיות.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תודות מיוחדות שלנו לפאוואן שארמה על עזרתו בתוכנית הניסיונית לקבלת הוידאו והתרומה האינטלקטואלית לפרויקט זה. כמו כן, אנו מודים לכריסטופר פאלאסיו על תרומתו בנושא הדגמת פרוטוקול הווידיאו.
Materials
| 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. |
References
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Cheng, H., et al. Gait analysis of adult paraplegic rats after spinal cord repair. Experimental Neurology. 148 (2), 544-557 (1997).
- Hamers, F. P., Lankhorst, A. J., van Laar, T. J., Veldhuis, W. B., Gispen, W. H. Automated quantitative gait analysis during overground locomotion in the rat: its application to spinal cord contusion and transection injuries. Journal of Neurotrauma. 18 (2), 187-201 (2001).
- Beare, J. E., et al. Gait analysis in normal and spinal contused mice using the TreadScan system. Journal of Neurotrauma. 26 (11), 2045-2056 (2009).
- Nakamura, A., et al. Low-cost three-dimensional gait analysis system for mice with an infrared depth sensor. Neuroscience Research. 100, 55-62 (2015).
- Pfister, A., West, A. M., Bronner, S., Noah, J. A. Comparative abilities of Microsoft Kinect and Vicon 3D motion capture for gait analysis. Journal of Medical Engineering & Technology. 38 (5), 274-280 (2014).
- Alt Murphy, M., Murphy, S., Persson, H. C., Bergstrom, U. B., Sunnerhagen, K. S. Kinematic Analysis Using 3D Motion Capture of Drinking Task in People With and Without Upper-extremity Impairments. Journal of Visualized Experiments. (133), (2018).
- Karakostas, T., Hsiang, S., Boger, H., Middaugh, L., Granholm, A. C. Three-dimensional rodent motion analysis and neurodegenerative disorders. Journal of Neuroscience Methods. 231, 31-37 (2014).
- Madete, J. K., et al. Challenges facing quantification of rat locomotion along beams of varying widths. Journal of Engineering in Medicine. 224 (11), 1257-1265 (2010).
- Neckel, N. D., Dai, H. N., Burns, M. P. A novel multidimensional analysis of rodent gait reveals the compensation strategies employed during spontaneous recovery from spinal cord and traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. , (2018).
- Valdez, S. I., et al. Modeling hind-limb kinematics using a bio-inspired algorithm with a local search. Biomedical Engineering Online. 17, (2018).
- Shah, P. K., et al. Use of quadrupedal step training to re-engage spinal interneuronal networks and improve locomotor function after spinal cord injury. Brain: A Journal of Neurology. 136 (Pt 11), 3362-3377 (2013).
- Barros Filho, T. E., Molina, A. E. Analysis of the sensitivity and reproducibility of the Basso, Beattie, Bresnahan (BBB) scale in Wistar rats. Clinics (Sao Paulo). 63 (1), 103-108 (2008).
- Jacobs, B. Y., Kloefkorn, H. E., Allen, K. D. Gait analysis methods for rodent models of osteoarthritis). Currend Pain and Headache Reports. 18 (10), 456 (2014).
- Kloefkorn, H. E., et al. Automated Gait Analysis Through Hues and Areas (AGATHA): A Method to Characterize the Spatiotemporal Pattern of Rat Gait. Annals of Biomedical Engineering. 45 (3), 711-725 (2017).
- Chen, H., Du, J., Zhang, Y., Barnes, K., Jia, X. Establishing a reliable gait evaluation method for rodent studies. Journal of Neuroscience Methods. 283, 92-100 (2017).
- Zorner, B., et al. Profiling locomotor recovery: comprehensive quantification of impairments after CNS damage in rodents. Nature Methods. 7 (9), 701-708 (2010).
- Preisig, D. F., et al. High-speed video gait analysis reveals early and characteristic locomotor phenotypes in mouse models of neurodegenerative movement disorders. Behavioural Brain Research. 311, 340-353 (2016).
- Fiander, M. D., Chedrawe, M. A., Lamport, A. C., Akay, T., Robertson, G. S. Sagittal Plane Kinematic Gait Analysis in C57BL/6 Mice Subjected to MOG35-55 Induced Experimental Autoimmune Encephalomyelitis. Journal of Visualized Experiments. (129), (2017).
- Fiander, M. D., Stifani, N., Nichols, M., Akay, T., Robertson, G. S. Kinematic gait parameters are highly sensitive measures of motor deficits and spinal cord injury in mice subjected to experimental autoimmune encephalomyelitis. Behavioural Brain Research. 317, 95-108 (2017).
- Bhimani, A. D., et al. Functional gait analysis in a spinal contusion rat model. Neuroscience Biobehavioral Reviews. 83, 540-546 (2017).
- Courtine, G., et al. Transformation of nonfunctional spinal circuits into functional states after the loss of brain input. Nature Neuroscience. 12 (10), 1333-1167 (2009).
- Shah, P. K., et al. Unique Spatiotemporal Neuromodulation of the Lumbosacral Circuitry Shapes Locomotor Success after Spinal Cord Injury. Journal of Neurotrauma. 33 (18), 1709-1723 (2016).
- Fouad, K., Hurd, C., Magnuson, D. S. Functional testing in animal models of spinal cord injury: not as straight forward as one would think. Frontiers in Integrative Neuroscience. 7, 85 (2013).
- Miller, E., et al. Mechanical testing for three-dimensional motion analysis reliability. Gait & Posture. 50, 116-119 (2016).
