3D kinematische Gait-analyse voor preklinische studies bij knaagdieren

3D kinematica van beweging en beweging worden steeds vaker gebruikt. Maar de complexiteit van de meeste systemen beperkt uw gebruik in preklinisch onderzoek. Wat we doen in dit werk is het verstrekken van een gedetailleerde en eenvoudige methode voor het verzamelen van 3D-gegevens tijdens viervoudige beweging bij volwassen ratten.

Het beschreven systeem biedt een diepgaande kwalitatieve en kwantitatieve data-analyse, zonder de noodzaak van complexe algoritmen. Mijn favoriete onderdeel van het systeem is de veelzijdigheid van het gebruik. We zijn in staat geweest om het te gebruiken voor bewegingsvrijheid, evenals het bereiken en grijpen functie.

Hier zal ik het gebruik ervan demonstreren voor loopbandwandelen. Monteer zes camera's in de muur, twee meter afstand van de loopband, met behulp van fijn verstelbare gericht koppen. Licht hoek onder de horizon voor maximale dekking van markers.

Rust elke camera uit met een ringlicht voor de visualisatie van retro-reflecterende markeringen. Definieer de gewenste markeringen voor het experiment. Gebruik markeringen voor zowel de voorpoten als de achterpoten om bilaterale viervoeters te beoordelen.

Hier gebruikten we 22 markers. Dit kan echter worden aangepast aan de experimentele ontwerpen. Kalibreer het motion capture systeem met behulp van het wandsysteem, dat bestaat uit het L-frame en de toverstok.

Plaats het L-frame orthogonaal op de loopband met het lange been van het L-frame dat naar de richting wijst waarin de rat zal lopen. Open de motion capture software. Selecteer Opnemen om de kalibratievideo vast te leggen.

Verplaats de wand kalibratie frame over de loopband gebied in de ruimte om alle gebieden die de rat zal lopen in te dekken. Neem minimaal één minuut beeldmateriaal op om ervoor te zorgen dat er voldoende wandgegevenspunten aanwezig zijn voor nauwkeurige kalibratie. Sla de video's op als een 3D-kalibratiebestand.

Klik met de rechtermuisknop op de cameragroep en selecteer 3D-tracking"na het opnemen van de kalibratievideo's. Selecteer 3D-kalibratievideo's en selecteer Alle kalibratiecamera's"Volg de L-framemarkeringen op alle zes video's met een vaste puntfunctie. Definieer alle punten en selecteer vervolgens de knop Automatisch zoeken.

Verlaat na het bijhouden het venster en selecteer Automatische 3D Wand Tracking"Select Options" en schakel De selectie voor Het volgen van L-Frame uit.After tracking, exit the window and select Automatic 3D Wand Tracking"Select Options"and deselecten Detecteren L-Frame"Begin tracking. Nadat de software klaar is met volgen, klikt u op Markeringen toewijzen"Wand Short"Wand Mid" en Wand Long"-markeringen toewijzen voor alle zes de camera's. Nadat de toverstok en het L-frame zijn bijgehouden, klikt u met de rechtermuisknop op Camerakalibratiegroep"en selecteer New Wand Kalibratiegroep"Selecteer alle camera's" en houd u de bedieningssleutel ingedrukt terwijl u OK"Toverstoklengte, L-framehoogte en het aantal camera's selecteert op basis van wat werd gebruikt tijdens de kalibratie.

Accepteer kalibraties met een wandlengte standaarddeviatie van minder dan drie millimeter en een kalibratierest van 0,004 of minder. Dit systeem is commercieel beschikbaar. En in dit rapport geven we een grondige gids voor het onderzoek hier en effectief te gebruiken.

Wat ik het leukst vind aan dit specifieke protocol en het systeem op zich, is dat er een verscheidenheid aan meer resultaten en men kan vooraf gedefinieerde resultaten van belang die specifiek zijn voor de aandoening te selecteren. Acclimatiseren ratten aan de loopband voor 5 minuten voorafgaand aan elke training. Train de ratten te lopen met volle gewicht lager op hun ledematen op verschillende snelheden.

Train alle ratten totdat ze in staat zijn om consequent lopen op de loopband. Voordat de gegevens worden verzameld, scheert u de ratten in de gebieden waar markeringen worden geplaatst. Palpate de huid voor benige oriëntatiepunt om nauwkeurig markeringen te plaatsen.

Gebruik penmarkers voor gewrichten distaal aan de elleboog en de knie. Selecteer de rode cameraknop op de bovenste balk van de motion capture-software om een proefversie op te nemen. Laat de rat ongeveer 30 seconden of minimaal 10 doorlopende stappen lopen.

Maak een nieuwe cameragroep voor elke proefversie na het opslaan van de opgenomen video. De software gepresenteerd in dit protocol kan worden gebruikt door studenten, personeel en onderzoekers zonder de noodzaak van technische expertise. Dit proces is gebruiksvriendelijk en kan gemakkelijk worden beheerst met weinig oefening.

Dit protocol kan worden geïmplementeerd in ongeveer 45 minuten tot een uur, afhankelijk van de gewenste hoeveelheid gegevens. Klik met de rechtermuisknop op de cameragroep voor bewegingstracking. Selecteer 2D-tracking"Selecteer zeven tot 10 beste continue en consistente stappen voor het bijhouden.

Klik met de rechtermuisknop op de markering van belang en selecteer Automatisch bijhouden", waarin heldere cirkelvormige vlekken worden gedetecteerd die zijn gemaakt door retro-reflecterende markeringen. U markeringen ook bijhouden met patroonmatching, waarmee een algoritme dat in de software is ingebouwd, wordt gebruikt om markeringen te volgen op basis van grootte en kleur. Volg zwarte markeringen met behulp van geavanceerde beeldverwerking door zwarte markeringen om te keren naar lichtpuntjes voor automatische tracking.

Handmatig bijhouden en corrigeren niet-detecteerbare markers of fouten in het bijhouden. Klik met de rechtermuisknop op Fasen"en selecteer Fasemodel bewerken"Loopcyclusfasen aanpassen voor elke ledemaat op basis van de tekorten die men kiest om te bestuderen. Wijs fasen van de gangcyclus voor elke ledemaat binnen de software toe met behulp van de knop Fase toevoegen of de F11-sneltoets.

Voer 3D-berekeningen uit na het volgen van alle zes camera's. Klik met de rechtermuisknop op de cameragroep en selecteer Nieuwe 3D-berekeningen"Er verschijnt een nieuwe map. Genereer gegevens van belang, zoals gewrichtshoogte- of snelheidsdiagrammen met gegevenspunten door markering van belang uit te slepen om de toegewezen loopfasen naast elkaar te bekijken.

Klik op 3D-diagram"om een 3-dimensionale figuur van de proefversie te genereren. Deze figuur toont de ellebooghoek profiel in een representatieve gezonde rat lopen op de loopband. Merk op dat gezonde tarieven in staat zijn om voortdurend stap voor langere duur.

De vloeiende enkele pieken vertegenwoordigen loopcycli met een volledig bewegingsbereik. De afwisselende houdingsfase en swingfase duur, met consistente timing bij elke stap is indicatief voor normale intralimb coördinatie. In tegenstelling, continue stappen is minder gebruikelijk na een blessure.

De ellebooghoek profiel van een representatieve spinale cored gewonde rat toont meerdere vervormde pieken, die minder consistent en van kleinere bereik van de beweging. Bovendien wijzen de verlengde houdingsfase en verkorte duur van de swingfase op een tekort aan intralimbcoördinatie voor de juiste voorpoot. Dit cijfer toont representatieve gegevens uitgezet voor intralimb coördinatie tussen twee ledematen paren.

Representatieve gezonde rat toont goed gedefinieerde afwisselende ritmische coördinatie, die wordt gezien als een L-vormig patroon in een scatter line plot. In tegenstelling, representatieve cervicale ruggenmerg gewonde rat toont een slechte niet-afwisselende, niet-ritmische coördinatie tussen de twee voorpoten. Na het bekijken van deze video, moet u een goed begrip over hoe het opzetten en kalibreren van een multi-camera motion capture systeem, hoe een rat voor te bereiden op motion capture, hoe de loopband locomotion record, en hoe te verkrijgen en analyseren van de outputted 3D kinematische gegevens.

Het uiteindelijke doel voor onderzoekers is dan om deze zeer gestandaardiseerde motorische beoordelingsinstrumenten in te zetten en ons onderzoek op routinebasis te doen om effecten van interventies op motorisch herstel na neurotrauma te ontcijferen.