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运动能力评估 | DigiGait步态分析系统,丰富不同维度实验的数据!

2021.12.10

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步态定义:  

步行是人类生存的基础,步态是步行的行为特征。步态分析就是研究步行规律的检查方法,旨在通过生物力学和运动学手段,揭示步态异常的关键环节和影响因素,从而指导康复评估和治疗,也有助于临床诊断、疗效评定及损伤机制的研究等

正常步态主要分为两个相:  

支撑相: 是指足接触地面和承受重力的时相,占步态周期的60%。包括:足跟接地、足掌接地、支撑中期、足跟离地、足趾离地5个时段;

摆动相: 足在空中向前摆动的时相,占步态周期的40%,由加速期、摆动中期、减速期这3期构成。

而影响步态的常见因素主要有两种:  

1. 骨关节因素:由于运动损伤、骨关节疾病、先天畸形、截肢、手术等造成的躯干、骨盆、髋、膝、踝、足静态畸形和两下肢长度不一致。疼痛和关节松弛等也对步态产生明显影响。

2. 神经肌肉因素:中枢神经损伤,包括中风、脑外伤、脊髓损伤和疾病、脑瘫、帕金森氏综合征等造成的痉挛步态、偏瘫步态、剪刀步态、共济失调步态、蹒跚步态等。

步态分析的适用领域:  

1. 中枢神经系统损伤,如:脑卒中、脑外伤后偏瘫、脑瘫、帕金森病、小脑及其传导路病变。

2. 骨关节疾病与外伤,如:截肢、髋膝关节置换术后、关节炎、韧带损伤、踝扭伤、下肢不等长等。

3. 下肢肌力损伤,如:脊髓灰质炎、股神经损伤、腓总神经损伤等。

4. 其他:疼痛。

为了方便评估小鼠步态,最早采用足底墨迹法分析 。但评估数据有限,且操作复杂、耗时。随后为了降低操作难度,并提高数据的客观性,出现了DigiGait数字足迹分析设备



足底墨迹法


是步态分析最早期和简易的方法之一。在足底涂上墨汁,在步行通道(一般为15-20cm)铺上白纸。测试动物走过白纸,留下足迹,便可以测量行走步态。步行同时用秒表记录时间。这种方式不需要复杂设备,但是十分耗时,所以实际实验过程中越来越少用到。

可以获得的参数包括:

1. 步长(Step length):指一足着地至对侧足着地的平均距离。国内也有称之为步幅。

2. 步长时间(step time): 指一足着地至对侧足着地的平均时间,相当于支撑相早期和中期。

3. 步幅(Stride length):指一足着地至同一足再次着地的距离。国内也有称之为跨步长。

4. 步行周期(cycle time):指平均步幅时间(stride time),相当于支撑相与摆动相之和。

5. 步频(cadence):指平均步数(步/min),等于:60(s)      ÷步长平均时间(s)。由于步长时间两足不同,所以一般取其均值。有人按左右步长单独计算步频,以表示两侧步长的差异。

6. 步速(velocity):指步行的平均速度(m/s),等于:步幅÷步行周期。

7. 步宽(walking base):也称之为支撑基础(supporting      base),指两脚跟中心点或重力点之间的水平距离,也有采用两足内侧缘或外侧缘之间的最短水平距离。左右足分别计算。

8. 足偏角(toe out angle):指足中心线与同侧步行直线之间的夹角。左右足分别计算。



DigiGait步态分析系统


MSI DigiGait影像系统通过高速摄像机,并迫使(属于被动步态,另外还有主动步态,该款设备可满足小鼠主动步态的需求)小鼠、大鼠、豚鼠以及仓鼠等动物在透明机械跑步带上行走。通过一个高速的数字相机以及数据分析系统,获得脚爪或是四肢的动力学数据。 MSI专利软件能对每个脚爪进行步长、每步持续时间及频率,和大量的其他步态指标进行自动的计算分析。

且该设备由瑞沃德生命科技有限公司独家代理,为实验人员提供完善的售前、售后服务。

DigiGait成像系统介绍:    


Digigait成像系统提供啮齿动物在透明步行带上行走时的腹侧面录像。通过一个高速数码影像摄像机持续对动物下面进行拍摄。
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生成“数码爪印”以及动态步态信号。每只脚爪的步态信号包含站立状态下脚掌与步行带接触持续时间,以及摇摆状态下该脚掌与步行带分离持续时间。站立持续时间会细分成制动区间(随时间增加脚爪与步行带接触区域面积增大)与推进区间(随时间增加脚爪与步行带接触区域面积减小)。 软件会报告超过35组步态指数,包括坐骨神经功能指数(SFI),站立参数,以及步态序列模式。

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实验操作:    


1、打开录像软件录像,步骤如下:

    a.点击Record按钮采集视频影像。

    b.点击Play按钮回放视频,确定想要保存的视频片段。

    c.双击“From Frame #”按钮选择一个起始帧。

    d.双击“To”按钮选择一个终止帧。

2、输入动物信息,以便于区分动物,输入的信息包括: ID(动物编号)、Date of Birth(出生日期)、Gender(性别)、Weight(体重)、Species(种属)、Belt Speed(跑带速度)、Incline/Decline(爬坡/下坡)以及Additional Comments(附加信息)。必要信息是Belt Speed跑带速度,其它信息可选填。

    a.单击“SAVE”,保存视频至D:/盘。

    b.单击“EXIT”退出程序,单击“CAMERA”可以开始获取下一只老鼠的视频。

3、打开分析软件进行数据分析,操作步骤:

    a.单击“SELECT STUDY FOLDER”选择包含所需视频的文件夹。

    b.选中需要分析的视频开始分析。如果需要计算功能指数(SFI、TFI、PFI),请勾选正确的动物种属。

    c.选中标有@的视频,按下GO开始第一阶段的分析,即预处理。

    d.选中标有@@的视频,按下GO开始第二阶段的分析,即处理。

    e.选中标有@@@的视频,按下GO开始第三阶段的分析,即后处理。

    f.使用Reorganize Rusults按钮可合并所有视频的数据。

实验注意事项:    


将啮齿类动物安放于DigiGait系统(提示:将啮齿类动物轻放于步行隔间中,首先用步行隔间右侧的前门门栓打开隔间。当目标动物进入步行隔间后,关闭隔间前门。请确认动物尾巴没有被门缝夹住。)

1. 实验室的老鼠(通常是健康的)可以在步行带上以10~60 cm/sec的速度行进。低于10 cm/sec的速度通常是探索性或觅食状态。高于60      cm/sec的速度对于大多数老鼠来说都很难达到。因此,当第一次将动物放置于步行隔间进行行走时,可以将速度设置于约20 cm/sec并在运行2 sec左右时关闭。在达到目标速度前,将此步骤重复2~3次以确认老鼠可以进行测试。

2. 很多实验室的老鼠并不喜欢在步行带上走动,约有25%(基于年龄或品种)永远在测试中不配合。基于这些考虑,在进行手术处理或干预前,最好先进行步行带上的训练。对动物进行良好的饲养有助于提高可以进行步行带测试的老鼠产量,包括溺爱以及指甲修剪等。另外,实验室大鼠的测试速度可能和小鼠的近似。

3. 在进行记录前,确认老鼠处在照相机视野范围内。使用步行隔间的两端旋钮(连接着滑竿以调节隔间距离)对步行隔间的长度进行调节。

4. 小鼠的四肢运动频率约为2~8 HZ,这与步行速度有关,大鼠的四肢运动频率为1.5~6 HZ,因此推荐获取3~8 sec步幅视频以便于足够多的步幅分析。举例说明:经典的C57BL/6成年小鼠在步行带上速度为25      cm/sec时,四肢运动频率约为4次/秒。一个四秒的视频则会生成16个步幅用于分析。

5. 动物会经常沿着跑带行走或跑动,然后停下来,就好像可以的话,他们会从跑步机上下来。这通常是一种行为学特征,因为众所周知的,老鼠会进行多次轮跑活动。这需要与失败的测试区分开,失败的测试中动物无法恢复后肢运动从而站立起来。大多数情况,无法进行测试是由于后肢功能障碍。在确定动物不能被测试之前,试着将跑带速度降低。另外,晃动隔间和/或用隔板轻轻拍打动物的后腿,通常可以刺激动物进行测试,并防止动物行走或奔跑时停下来和向后滑动。

6. 正确的做法是慢慢增加步行速度至达到所需的步行速度,非常适合于新生的小鼠或患有亨丁顿舞蹈症或ALS的小鼠。

7. 当影像获得后,打开隔间的门并撤离动物。大多数动物并不会跳出隔间。当动物自己沿着打开的门表面从隔间内出来时,人们更容易把它捡起来。


案例分享:速度对步态的影响
Title 速度对步态的影响
Number of animals 3
Species/strain CD1小鼠
Instrumentation   needed DigiGait Imaging   System
Reagents required None
Time to perform 45min,9个数据
这个Protocol主要研究大/小鼠通过如何调整步态增加行走速度。 研究人员将了解到即使是很小的速度变化对步态改变也有很大的影响。

1. 将受试者放入步行隔间,并将跑步机调至速度1。建议速度分别为20cm /s、40cm /s和60cm /s。

2. 打开跑步机,捕捉对象流动和保持的图像跑步机的速度。目的捕捉约4秒的视频。

3. 注意:在更快的速度下,当动物的步频,或步幅是增加,记录一个约2秒的视频就足够了。

4. 在速度1的视频记录存档后,将跑步机的速度提高到速度2和重复以上记录动作。

5. 在速度2的视频记录存档后,提高跑步机的速度到速度3和重复。这种实验操作方法能极大减少对动物的处理,增加了实验的效率。

6. 对其它两只动物重复上述步骤。

7. 3只动物在3种速度下的实际数据采集时间应小于15分钟。

8. 通过DigiGait分析记录视频,计算时间应该小于30分钟。

9. 使用重组功能,将9个视频中收集步态指标合为一个电子表格,并将每个速度组合在一起。

讨论:    


可以将步幅认作速度;你是否注意到了步幅【Column P】随着速度而增加;步频如何变化的呢?如何发现速度和摇晃时间的关系呢?这些观察结果与你自己的经验相一致吗?与脚触地的相对时间和摆动的时间。

实验结果显示速度的影响非常明显。然而,即使是小的速度变化的增量可以显著影响步态指标。这些知识应该帮助阐明为什么动物可以任意行走的自愿地上模式和许多速度,产生结果与非常高的标准误差。速度差异在解释步态差异时,受试者之间是最重要的混杂因素。因此,一只患有亨廷顿舞蹈病的垂死的老鼠可能是较短的步幅也就正常了。通过跑步机,你可以通过适当的速度选择,减少标准误差,增加你的模型重复性。

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跑带不同运行速度下,动物步幅 

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跑带不同运行速度下,动物站立时间和摆动时间


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