DigiGait步態(tài)分析系統(tǒng)在運動能力評估不同維度實驗的數(shù)據(jù)中的應用

步態(tài)定義：

步行是人類生存的基礎，步態(tài)是步行的行為特征。步態(tài)分析就是研究步行規(guī)律的檢查方法，旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態(tài)異常的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和影響因素，從而指導康復評估和治療，也有助于臨床診斷、療效評定及損傷機制的研究等。

正常步態(tài)主要分為兩個相：

支撐相：是指足接觸地面和承受重力的時相，占步態(tài)周期的60%。包括：足跟接地、足掌接地、支撐中期、足跟離地、足趾離地5個時段；

擺動相：足在空中向前擺動的時相，占步態(tài)周期的40%，由加速期、擺動中期、減速期這3期構(gòu)成。

而影響步態(tài)的常見因素主要有兩種：

1. 骨關(guān)節(jié)因素：由于運動損傷、骨關(guān)節(jié)疾病、先天畸形、截肢、手術(shù)等造成的軀干、骨盆、髖、膝、踝、足靜態(tài)畸形和兩下肢長度不一致。疼痛和關(guān)節(jié)松弛等也對步態(tài)產(chǎn)生明顯影響。
2. 神經(jīng)肌肉因素：中樞神經(jīng)損傷，包括中風、腦外傷、脊髓損傷和疾病、腦癱、帕金森氏綜合征等造成的痙攣步態(tài)、偏癱步態(tài)、剪刀步態(tài)、共濟失調(diào)步態(tài)、蹣跚步態(tài)等。

步態(tài)分析的適用領(lǐng)域：

1. 中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，如：腦卒中、腦外傷后偏癱、腦癱、帕金森病、小腦及其傳導路病變。
2. 骨關(guān)節(jié)疾病與外傷，如：截肢、髖膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后、關(guān)節(jié)炎、韌帶損傷、踝扭傷、下肢不等長等。
3. 下肢肌力損傷，如：脊髓灰質(zhì)炎、股神經(jīng)損傷、腓總神經(jīng)損傷等。
4. 其他：疼痛。

為了方便評估小鼠步態(tài)，最早采用足底墨跡法分析。但評估數(shù)據(jù)有限，且操作復雜、耗時。隨后為了降低操作難度，并提高數(shù)據(jù)的客觀性，出現(xiàn)了DigiGait數(shù)字足跡分析設備。

足底墨跡法

是步態(tài)分析最早期和簡易的方法之一。在足底涂上墨汁，在步行通道（一般為15-20cm）鋪上白紙。測試動物走過白紙，留下足跡，便可以測量行走步態(tài)。步行同時用秒表記錄時間。這種方式不需要復雜設備，但是十分耗時，所以實際實驗過程中越來越少用到。

可以獲得的參數(shù)包括：

1. 步長(Step length)：指一足著地至對側(cè)足著地的平均距離。國內(nèi)也有稱之為步幅。
2. 步長時間(step time): 指一足著地至對側(cè)足著地的平均時間，相當于支撐相早期和中期。
3. 步幅(Stride length)：指一足著地至同一足再次著地的距離。國內(nèi)也有稱之為跨步長。
4. 步行周期(cycle time)：指平均步幅時間(stride time)，相當于支撐相與擺動相之和。
5. 步頻(cadence)：指平均步數(shù)（步/min），等于：60(s) ÷步長平均時間(s)。由于步長時間兩足不同，所以一般取其均值。有人按左右步長單獨計算步頻，以表示兩側(cè)步長的差異。
6. 步速(velocity)：指步行的平均速度(m/s)，等于：步幅÷步行周期。
7. 步寬(walking base)：也稱之為支撐基礎(supporting base)，指兩腳跟中心點或重力點之間的水平距離，也有采用兩足內(nèi)側(cè)緣或外側(cè)緣之間的最短水平距離。左右足分別計算。
8. 足偏角(toe out angle)：指足中心線與同側(cè)步行直線之間的夾角。左右足分別計算。

 

DigiGait步態(tài)分析系統(tǒng)

MSI DigiGait影像系統(tǒng)通過高速攝像機，并迫使（屬于被動步態(tài)，另外還有主動步態(tài)，該款設備可滿足小鼠主動步態(tài)的需求）小鼠、大鼠、豚鼠以及倉鼠等動物在透明機械跑步帶上行走。通過一個高速的數(shù)字相機以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，獲得腳爪或是四肢的動力學數(shù)據(jù)。MSI專利軟件能對每個腳爪進行步長、每步持續(xù)時間及頻率，和大量的其他步態(tài)指標進行自動的計算分析。

且該設備由瑞沃德生命科技有限公司獨家代理，為實驗人員提供完善的售前、售后服務。

 

DigiGait成像系統(tǒng)介紹：

Digigait成像系統(tǒng)提供嚙齒動物在透明步行帶上行走時的腹側(cè)面錄像。通過一個高速數(shù)碼影像攝像機持續(xù)對動物下面進行拍攝。
 

 

生成“數(shù)碼爪印”以及動態(tài)步態(tài)信號。每只腳爪的步態(tài)信號包含站立狀態(tài)下腳掌與步行帶接觸持續(xù)時間，以及搖擺狀態(tài)下該腳掌與步行帶分離持續(xù)時間。站立持續(xù)時間會細分成制動區(qū)間（隨時間增加腳爪與步行帶接觸區(qū)域面積增大）與推進區(qū)間（隨時間增加腳爪與步行帶接觸區(qū)域面積減�。�。軟件會報告超過35組步態(tài)指數(shù)，包括坐骨神經(jīng)功能指數(shù)(SFI)，站立參數(shù)，以及步態(tài)序列模式。
 

 

實驗操作：

1、打開錄像軟件錄像，步驟如下：

1. 點擊Record按鈕采集視頻影像。
2. 點擊Play按鈕回放視頻，確定想要保存的視頻片段。
3. 雙擊“From Frame #”按鈕選擇一個起始幀。
4. 雙擊“To”按鈕選擇一個終止幀。

2、輸入動物信息，以便于區(qū)分動物，輸入的信息包括：ID（動物編號）、Date of Birth（出生日期）、Gender（性別）、Weight（體重）、Species（種屬）、Belt Speed（跑帶速度）、Incline/Decline（爬坡/下坡）以及Additional Comments（附加信息）。必要信息是Belt Speed跑帶速度，其它信息可選填。

1. 單擊“SAVE”，保存視頻至D:/盤。
2. 單擊“EXIT”退出程序，單擊“CAMERA”可以開始獲取下一只老鼠的視頻。

3、打開分析軟件進行數(shù)據(jù)分析，操作步驟：

1. 單擊“SELECT STUDY FOLDER”選擇包含所需視頻的文件夾。
2. 選中需要分析的視頻開始分析。如果需要計算功能指數(shù)（SFI、TFI、PFI），請勾選正確的動物種屬。
3. 選中標有@的視頻，按下GO開始第一階段的分析，即預處理。
4. 選中標有@@的視頻，按下GO開始第二階段的分析，即處理。
5. 選中標有@@@的視頻，按下GO開始第三階段的分析，即后處理。
6. 使用Reorganize Rusults按鈕可合并所有視頻的數(shù)據(jù)。

實驗注意事項：

將嚙齒類動物安放于DigiGait系統(tǒng)（提示：將嚙齒類動物輕放于步行隔間中，首先用步行隔間右側(cè)的前門門栓打開隔間。當目標動物進入步行隔間后，關(guān)閉隔間前門。請確認動物尾巴沒有被門縫夾住。）

1. 實驗室的老鼠（通常是健康的）可以在步行帶上以10～60 cm/sec的速度行進。低于10 cm/sec的速度通常是探索性或覓食狀態(tài)。高于60 cm/sec的速度對于大多數(shù)老鼠來說都很難達到。因此，當?shù)谝淮螌�動物放置于步行隔間進行行走時，可以將速度設置于約20 cm/sec并在運行2 sec左右時關(guān)閉。在達到目標速度前，將此步驟重復2～3次以確認老鼠可以進行測試。
2. 很多實驗室的老鼠并不喜歡在步行帶上走動，約有25%（基于年齡或品種）永遠在測試中不配合�；�于這些考慮，在進行手術(shù)處理或干預前，最好先進行步行帶上的訓練。對動物進行良好的飼養(yǎng)有助于提高可以進行步行帶測試的老鼠產(chǎn)量，包括溺愛以及指甲修剪等。另外，實驗室大鼠的測試速度可能和小鼠的近似。
3. 在進行記錄前，確認老鼠處在照相機視野范圍內(nèi)。使用步行隔間的兩端旋鈕（連接著滑竿以調(diào)節(jié)隔間距離）對步行隔間的長度進行調(diào)節(jié)。
4. 小鼠的四肢運動頻率約為2～8 HZ，這與步行速度有關(guān)，大鼠的四肢運動頻率為1.5～6 HZ，因此推薦獲取3～8 sec步幅視頻以便于足夠多的步幅分析。舉例說明：經(jīng)典的C57BL/6成年小鼠在步行帶上速度為25 cm/sec時，四肢運動頻率約為4次/秒。一個四秒的視頻則會生成16個步幅用于分析。
5. 動物會經(jīng)常沿著跑帶行走或跑動，然后停下來，就好像可以的話，他們會從跑步機上下來。這通常是一種行為學特征，因為眾所周知的，老鼠會進行多次輪跑活動。這需要與失敗的測試區(qū)分開，失敗的測試中動物無法恢復后肢運動從而站立起來。大多數(shù)情況，無法進行測試是由于后肢功能障礙。在確定動物不能被測試之前，試著將跑帶速度降低。另外，晃動隔間和/或用隔板輕輕拍打動物的后腿，通常可以刺激動物進行測試，并防止動物行走或奔跑時停下來和向后滑動。
6. 正確的做法是慢慢增加步行速度至達到所需的步行速度，非常適合于新生的小鼠或患有亨丁頓舞蹈癥或ALS的小鼠。
7. 當影像獲得后，打開隔間的門并撤離動物。大多數(shù)動物并不會跳出隔間。當動物自己沿著打開的門表面從隔間內(nèi)出來時，人們更容易把它撿起來。

∨

案例分享：速度對步態(tài)的影響

 

這個Protocol主要研究大/小鼠通過如何調(diào)整步態(tài)增加行走速度。研究人員將了解到即使是很小的速度變化對步態(tài)改變也有很大的影響。

1. 將受試者放入步行隔間，并將跑步機調(diào)至速度1。建議速度分別為20cm /s、40cm /s和60cm /s。
2. 打開跑步機，捕捉對象流動和保持的圖像跑步機的速度。目的捕捉約4秒的視頻。
3. 注意:在更快的速度下，當動物的步頻，或步幅是增加，記錄一個約2秒的視頻就足夠了。
4. 在速度1的視頻記錄存檔后，將跑步機的速度提高到速度2和重復以上記錄動作。
5. 在速度2的視頻記錄存檔后，提高跑步機的速度到速度3和重復。這種實驗操作方法能極大減少對動物的處理，增加了實驗的效率。
6. 對其它兩只動物重復上述步驟。
7. 3只動物在3種速度下的實際數(shù)據(jù)采集時間應小于15分鐘。
8. 通過DigiGait分析記錄視頻，計算時間應該小于30分鐘。
9. 使用重組功能，將9個視頻中收集步態(tài)指標合為一個電子表格，并將每個速度組合在一起。

討論：

可以將步幅認作速度；你是否注意到了步幅【Column P】隨著速度而增加；步頻如何變化的呢？如何發(fā)現(xiàn)速度和搖晃時間的關(guān)系呢？這些觀察結(jié)果與你自己的經(jīng)驗相一致嗎？與腳觸地的相對時間和擺動的時間。

實驗結(jié)果顯示速度的影響非常明顯。然而,即使是小的速度變化的增量可以顯著影響步態(tài)指標。這些知識應該幫助闡明為什么動物可以任意行走的自愿地上模式和許多速度，產(chǎn)生結(jié)果與非常高的標準誤差。速度差異在解釋步態(tài)差異時，受試者之間是最重要的混雜因素。因此，一只患有亨廷頓舞蹈病的垂死的老鼠可能是較短的步幅也就正常了。通過跑步機，你可以通過適當?shù)乃俣冗x擇，減少標準誤差，增加你的模型重復性。
 

跑帶不同運行速度下，動物步幅
 

跑帶不同運行速度下，動物站立時間和擺動時間