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用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍

日期:2020-04-02 02:11
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摘要:动物行为学分析技术的革新,以大小鼠步态系统为先导。随着硬件(camera的分辨率、帧频等)、方法(计算机视觉、深度学习等相关理论)的不断发展,动物行为学从原有繁重的手工测量分析过程,逐步演变为接近自动化的水平,这里说是接近,是因为单靠一种或几种算法,无法上乘地解决实验方法自动化问题,特别是在数据挖掘过程中,还需要大量的人工工作。当然,随着2012年深度学习理论的发展,可以进一步提升算法识别准确性,进一步减少人为工作。软硬件技术的飞速发展,实验指标体系发生了巨大的变化,如从二维分析到三维分析、从低帧频到高帧频、从事后分析到实时或准实时分析等。实验指标在时空尺度上不断细化,使得我们可以从全新的视角重新审视已有的动物行为学方法,新的机理机制逐步被发现。

一、开发背景

随着硬件(camera的分辨率、帧频等)、方法(计算机视觉、深度学习等相关理论)的不断发展,动物行为学从原有繁重的手工测量分析过程,逐步演变为接近自动化的水平,这里说是接近,是因为单靠一种或几种算法,无法上乘地解决实验方法自动化问题,特别是在数据挖掘过程中,还需要大量的人工工作。当然,随着2012年深度学习理论的发展,可以进一步提升算法识别准确性,进一步减少人为工作。软硬件技术的飞速发展,实验指标体系发生了巨大的变化,如从二维分析到三维分析、从低帧频到高帧频、从事后分析到实时或准实时分析等。实验指标在时空尺度上不断细化,使得我们可以从全新的视角重新审视已有的动物行为学方法,新的机理机制逐步被发现。

从数据流的角度,要实现自动化获取精准的实验指标,需要在数据获取、数据挖掘两方面入手,而数据获取又分为原始数据获取和数据初步分析,这些依赖硬件系统、软件系统。通常,我的做法是,通过硬件优化提升,以简化算法设计,即硬件简化软件。

VisuGait大小鼠步态实时检测分析处理系统 大小鼠步态(gait)是指大小鼠行走时所表现的姿态。大小鼠步态分析系统基于原有足迹分析方法(footprint analysis),运用图理新技术对足印分析法进行了改进,通过足印图像增强技术采用高速摄像机可以清晰地采集大小鼠行走过程的足印信息,然后利用步态分析系统自动识别分析大小鼠足迹的步行周期、支撑距离、支撑时长、摆动时长、制动时长、推进时长、步频等60余种指标,以此客观、准确和**地反映动物步态的变化情况。而且本步态分析系统集数据采集、监测、分析、统计处理、绘图制表、打印输出于一体,避免繁重的人工劳动,极大提高实验的自动化程度。本仪器可广泛应用于脑缺血、阿尔茨海默病、帕金森氏病、脑外伤、脊髓损伤、疼痛**、关节炎等多种**动物模型步态的研究。

二、系统介绍
VisuGait动物可视步态分析系统是一套在啮齿动物自然行走的情况下评估其运动缺陷和由疼痛引起的步态变化的完整系统。VisuGait系统的核心部件是步行台,老鼠可以从步行台的一端行走到另一端,系统采用独特的脚印光亮折射技术,通过放置于步行台下方的高速高清摄像机捕获真正的脚印足迹,然后通过计算机视觉处理软件将这些脚印进行自动归类(新一代足迹归类算法)。同时,系统还能够探测到脚步的相对压力差异,这是动物行走时体重在其四个脚爪上分布不同的结果。
三、系统组成
用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍,VisuGait系统重要组成部分:
  • 动物步行台(折射光源)
  • 动物诱导箱
  • 高清高速摄像机
  • VisuGait软件
四、应用范围
动物步态分析系统可用于评价神经创伤、神经性萎缩、神经**、以及疼痛症状群的动物模型。通过步态分析,了解神经源性**发展过程、评价**方法的效果和筛选****。例如:帕金森氏症导致肢体动作僵硬和协调性降低。步态分析系统通过测量动物模型中的脚间距离、摆动时相、支撑方式和正常步序比等参数评估运动协调性。用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍
该系统应用范围包括:
  • 脊索损伤
  • 神经性疼痛
  • 关节炎
  • 中风
  • 帕金森病
  • 运动失调
  • 脑损伤
  • 外周神经损伤、末梢神经损伤
  • 阿兹海默症
其他功能
  • 用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍自动保存视频文件,可用于离线分析,视频分辨率为不低于1280x1024;
  • 支持双向分析功能,即动物前行和后退都能采集数据并进行分析;
  • 系统可以灵活调节光敏感度,可以应对不同体重的动物;用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍
五、测试指标

5.1系统可测量基于单只脚印的参数:

5.1.1脚*大触地时相(Max contact) 
5.1.2脚*大触地面积(Max area)
5.1.3脚触地压力(Intensity)
5.1.4脚印宽度(Box width)
5.1.5脚触地时间(Stand) 
5.1.6脚印之间的位置关系(Print positions)
5.1.7同一脚爪触地时间占总时间的比例(Duty cycle)
5.1.8步行周期(Step  Cycle)、步幅(Step Stride)
5.1.9制动指数(Stop Index)、推进指数(Start Index)

5.2系统可测量基于不同脚印间关系的参数:

5.2.1单位时间内脚步数(Cadence)
5.2.2步序(Step sequence)
5.2.3★步宽(前肢步宽、后肢步宽)
5.2.4★步基(左侧步基、右侧步基)
5.2.5步序正常指数(Regularity index)
5.2.6相位离差指数(Phase dispersions)
5.2.7双足协调指数(Couplings)
5.2.8同时触地指数(Support formulas) 
5.3系统可以测量足趾宽度Toe Spread,中间足趾宽度(第二只跟第四只足趾)Intermediate Toe Spread,基于身体脚爪的角度Paw Angle Body Axis
5.4系统可以自动测量出胫骨神经功能指数(Posterior Tibial Functional Index TFI)
5.5系统可以自动测量出腓骨神经功能指数(Peroneal Functional Index PFI)

5.6系统可以自动测量出坐骨神经功能指数(Sciatic Functional Index SFI)

用于帕金森病研究的科研仪器VisuGait大小鼠步态分析系统参数介绍

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