DigiGait步態(tài)分析系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)能力評(píng)估不同維度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

步態(tài)定義：

步行是人類生存的基礎(chǔ)，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(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)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(dǎo)康復(fù)評(píng)估和治療，也有助于臨床診斷、療效評(píng)定及損傷機(jī)制的研究等。

正常步態(tài)主要分為兩個(gè)相：

支撐相：是指足接觸地面和承受重力的時(shí)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(gè)時(shí)段；

擺動(dòng)相：足在空中向前擺動(dòng)的時(shí)相，占步態(tài)周期的40%，由加速期、擺動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度不一致。疼痛和關(guān)節(jié)松弛等也對(duì)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(fēng)、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(jì)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(dǎo)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(zhǎng)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(píng)估小鼠步態(tài)，最早采用足底墨跡法分析。但評(píng)估數(shù)據(jù)有限，且操作復(fù)雜、耗時(shí)。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(shè)備。

足底墨跡法

是步態(tài)分析最早期和簡(jiǎn)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(cè)試動(dòng)物走過白紙，留下足跡，便可以測(cè)量行走步態(tài)。步行同時(shí)用秒表記錄時(shí)間。這種方式不需要復(fù)雜設(shè)備，但是十分耗時(shí)，所以實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中越來越少用到。

可以獲得的參數(shù)包括：

1. 步長(zhǎng)(Step length)：指一足著地至對(duì)側(cè)足著地的平均距離。國內(nèi)也有稱之為步幅。
2. 步長(zhǎng)時(shí)間(step time): 指一足著地至對(duì)側(cè)足著地的平均時(shí)間，相當(dāng)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(zhǎng)。
4. 步行周期(cycle time)：指平均步幅時(shí)間(stride time)，相當(dāng)于支撐相與擺動(dòng)相之和。
5. 步頻(cadence)：指平均步數(shù)（步/min），等于：60(s) ÷步長(zhǎng)平均時(shí)間(s)。由于步長(zhǎng)時(shí)間兩足不同，所以一般取其均值。有人按左右步長(zhǎng)單獨(dú)計(jì)算步頻，以表示兩側(cè)步長(zhǎng)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(chǔ)(supporting base)，指兩腳跟中心點(diǎn)或重力點(diǎn)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(jì)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(jì)算。

DigiGait步態(tài)分析系統(tǒng)

MSI DigiGait影像系統(tǒng)通過高速攝像機(jī)，并迫使（屬于被動(dòng)步態(tài)，另外還有主動(dòng)步態(tài)，該款設(shè)備可滿足小鼠主動(dòng)步態(tài)的需求）小鼠、大鼠、豚鼠以及倉鼠等動(dòng)物在透明機(jī)械跑步帶上行走。通過一個(gè)高速的數(shù)字相機(jī)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，獲得腳爪或是四肢的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。MSI專利軟件能對(duì)每個(gè)腳爪進(jìn)行步長(zhǎng)、每步持續(xù)時(shí)間及頻率，和大量的其他步態(tài)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)的計(jì)算分析。

且該設(shè)備由瑞沃德生命科技有限公司獨(dú)家代理，為實(shí)驗(yàn)人員提供完善的售前、售后服務(wù)。

DigiGait成像系統(tǒng)介紹：

Digigait成像系統(tǒng)提供嚙齒動(dòng)物在透明步行帶上行走時(shí)的腹側(cè)面錄像。通過一個(gè)高速數(shù)碼影像攝像機(jī)持續(xù)對(duì)動(dòng)物下面進(jìn)行拍攝。
 

生成“數(shù)碼爪印”以及動(dòng)態(tài)步態(tài)信號(hào)。每只腳爪的步態(tài)信號(hào)包含站立狀態(tài)下腳掌與步行帶接觸持續(xù)時(shí)間，以及搖擺狀態(tài)下該腳掌與步行帶分離持續(xù)時(shí)間。站立持續(xù)時(shí)間會(huì)細(xì)分成制動(dòng)區(qū)間（隨時(shí)間增加腳爪與步行帶接觸區(qū)域面積增大）與推進(jìn)區(qū)間（隨時(shí)間增加腳爪與步行帶接觸區(qū)域面積減小）。軟件會(huì)報(bào)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(shí)驗(yàn)操作：

1、打開錄像軟件錄像，步驟如下：

1. 點(diǎn)擊Record按鈕采集視頻影像。
2. 點(diǎn)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(gè)起始幀。
4. 雙擊“To”按鈕選擇一個(gè)終止幀。

2、輸入動(dòng)物信息，以便于區(qū)分動(dòng)物，輸入的信息包括：ID（動(dòng)物編號(hào)）、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(jìn)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(jì)算功能指數(shù)（SFI、TFI、PFI），請(qǐng)勾選正確的動(dòng)物種屬。
3. 選中標(biāo)有@的視頻，按下GO開始第一階段的分析，即預(yù)處理。
4. 選中標(biāo)有@@的視頻，按下GO開始第二階段的分析，即處理。
5. 選中標(biāo)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

將嚙齒類動(dòng)物安放于DigiGait系統(tǒng)（提示：將嚙齒類動(dòng)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(dāng)目標(biāo)動(dòng)物進(jìn)入步行隔間后，關(guān)閉隔間前門。請(qǐng)確認(rèn)動(dòng)物尾巴沒有被門縫夾住。）

1. 實(shí)驗(yàn)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(jìn)。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(duì)于大多數(shù)老鼠來說都很難達(dá)到。因此，當(dāng)?shù)谝淮螌��?dòng)物放置于步行隔間進(jìn)行行走時(shí)，可以將速度設(shè)置于約20 cm/sec并在運(yùn)行2 sec左右時(shí)關(guān)閉。在達(dá)到目標(biāo)速度前，將此步驟重復(fù)2～3次以確認(rèn)老鼠可以進(jìn)行測(cè)試。
2. 很多實(shí)驗(yàn)室的老鼠并不喜歡在步行帶上走動(dòng)，約有25%（基于年齡或品種）永遠(yuǎn)在測(cè)試中不配合�；�于這些考慮，在進(jìn)行手術(shù)處理或干預(yù)前，最好先進(jìn)行步行帶上的訓(xùn)練。對(duì)動(dòng)物進(jìn)行良好的飼養(yǎng)有助于提高可以進(jìn)行步行帶測(cè)試的老鼠產(chǎn)量，包括溺愛以及指甲修剪等。另外，實(shí)驗(yàn)室大鼠的測(cè)試速度可能和小鼠的近似。
3. 在進(jìn)行記錄前，確認(rèn)老鼠處在照相機(jī)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(duì)步行隔間的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4. 小鼠的四肢運(yùn)動(dòng)頻率約為2～8 HZ，這與步行速度有關(guān)，大鼠的四肢運(yùn)動(dòng)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(shí)，四肢運(yùn)動(dòng)頻率約為4次/秒。一個(gè)四秒的視頻則會(huì)生成16個(gè)步幅用于分析。
5. 動(dòng)物會(huì)經(jīng)常沿著跑帶行走或跑動(dòng)，然后停下來，就好像可以的話，他們會(huì)從跑步機(jī)上下來。這通常是一種行為學(xué)特征，因?yàn)楸娝�周知的，老鼠�?huì)進(jìn)行多次輪跑活動(dòng)。這需要與失敗的測(cè)試區(qū)分開，失敗的測(cè)試中動(dòng)物無法恢復(fù)后肢運(yùn)動(dòng)從而站立起來。大多數(shù)情況，無法進(jìn)行測(cè)試是由于后肢功能障礙。在確定動(dòng)物不能被測(cè)試之前，試著將跑帶速度降低。另外，晃動(dòng)隔間和/或用隔板輕輕拍打動(dòng)物的后腿，通�？梢源碳�動(dòng)物進(jìn)行測(cè)試，并防止動(dòng)物行走或奔跑時(shí)停下來和向后滑動(dòng)。
6. 正確的做法是慢慢增加步行速度至達(dá)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(dāng)影像獲得后，打開隔間的門并撤離動(dòng)物。大多數(shù)動(dòng)物并不會(huì)跳出隔間。當(dāng)動(dòng)物自己沿著打開的門表面從隔間內(nèi)出來時(shí)，人們更容易把它撿起來。

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案例分享：速度對(duì)步態(tài)的影響

這個(gè)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(duì)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(jī)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(jī)，捕捉對(duì)象流動(dòng)和保持的圖像跑步機(jī)的速度。目的捕捉約4秒的視頻。
3. 注意:在更快的速度下，當(dāng)動(dòng)物的步頻，或步幅是增加，記錄一個(gè)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(jī)的速度提高到速度2和重復(fù)以上記錄動(dòng)作。
5. 在速度2的視頻記錄存檔后，提高跑步機(jī)的速度到速度3和重復(fù)。這種實(shí)驗(yàn)操作方法能極大減少對(duì)動(dòng)物的處理，增加了實(shí)驗(yàn)的效率。
6. 對(duì)其它兩只動(dòng)物重復(fù)上述步驟。
7. 3只動(dòng)物在3種速度下的實(shí)際數(shù)據(jù)采集時(shí)間應(yīng)小于15分鐘。
8. 通過DigiGait分析記錄視頻，計(jì)算時(shí)間應(yīng)該小于30分鐘。
9. 使用重組功能，將9個(gè)視頻中收集步態(tài)指標(biāo)合為一個(gè)電子表格，并將每個(gè)速度組合在一起。

討論：

可以將步幅認(rèn)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(shí)間的關(guān)系呢？這些觀察結(jié)果與你自己的經(jīng)驗(yàn)相一致嗎？與腳觸地的相對(duì)時(shí)間和擺動(dòng)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)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(biāo)。這些知識(shí)應(yīng)該幫助闡明為什么動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)誤差。速度差異在解釋步態(tài)差異時(shí)，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(jī)，你可以通過適當(dāng)?shù)乃俣冗x擇，減少標(biāo)準(zhǔn)誤差，增加你的模型重復(fù)性。
 

跑帶不同運(yùn)行速度下，動(dòng)物步幅
 

跑帶不同運(yùn)行速度下，動(dòng)物站立時(shí)間和擺動(dòng)時(shí)間