一、系統(tǒng)介紹
VisuGait 動(dòng)物可視步態(tài)分析系統(tǒng)是一套在嚙齒動(dòng)物自然行走的情況下評(píng)估其運(yùn)動(dòng)缺陷和由疼痛引起的步態(tài)變化的完整系統(tǒng)。VisuGait 系統(tǒng)的核心部件是步行臺(tái)，老鼠可以從步行臺(tái)的一端行走到另一端，系統(tǒng)采用獨(dú)特的腳印光亮折射技術(shù)，通過放置于步行臺(tái)下方的高速高清攝像機(jī)捕獲真正的腳印足跡，然后通過計(jì)算機(jī)視覺處理軟件將這些腳印進(jìn)行自動(dòng)歸類（新一代足跡歸類算法）。同時(shí)，系統(tǒng)還能夠探測到腳步的相對(duì)壓力差異，這是動(dòng)物行走時(shí)體重在其四個(gè) 腳爪上分布不同的結(jié)果。

二、系統(tǒng)組成
VisuGait 系統(tǒng)重要組成部分：
1.動(dòng)物步行臺(tái)（折射光源）
2.動(dòng)物誘導(dǎo)箱
3.高清高速攝像機(jī)
4.VisuGait 軟件
三、應(yīng)用范圍
動(dòng)物步態(tài)分析系統(tǒng)可用于評(píng)價(jià)神經(jīng)創(chuàng)傷、神經(jīng)性萎縮、神經(jīng)**、 以及疼痛癥狀群的動(dòng)物模型。通過步態(tài)分析， 了解神經(jīng)源性**發(fā)展過程、評(píng)價(jià)**方法的效果和篩選****。例如：帕金森氏癥導(dǎo)致肢體動(dòng)作僵硬和協(xié)調(diào)性降低。步態(tài)分析系統(tǒng)通過測量動(dòng)物模型中的腳間距離、擺動(dòng)時(shí)相、支撐方式和正常步序比等參數(shù)評(píng)估運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。攝像頭采用USB線和電腦相連，無需通過網(wǎng)卡。
該系統(tǒng)應(yīng)用范圍包括：
1.脊索損傷
2.神經(jīng)性疼痛
3.關(guān)節(jié)炎
4.中風(fēng)
5.帕金森病
6.運(yùn)動(dòng)失調(diào)
7.腦損傷
8.外周神經(jīng)損傷、末梢神經(jīng)損傷
9.阿茲海默癥
10.神經(jīng)肌肉以及骨骼肌肉等**

四、技術(shù)特點(diǎn)
4.1 新一代足印識(shí)別及歸類算法
VisuGait 可視步態(tài)分析軟件采用了自研的足印識(shí)別和歸類算法，為準(zhǔn)確無誤的識(shí)別動(dòng)物足 印和高效足跡自動(dòng)歸類提供了有力保障，核心包括:
1.圖像降噪預(yù)處理模塊
2.虛假足印剔除模塊
3.步跡分離增強(qiáng)模塊
4.時(shí)序跟蹤模塊
5.聚類分析模塊
其中降噪模塊主要利用濾波算法，降低因?yàn)楣饩€變化引起的足跡提取誤差；虛假目標(biāo)剔除模 塊主要是對(duì)于老鼠行走過程中引起的虛假目標(biāo)（如老鼠糞便等）進(jìn)行剔除；步跡分離增強(qiáng)模 塊針對(duì)紅綠藍(lán)三通道數(shù)據(jù)，根據(jù)其顯著性自動(dòng)剔除其中信噪比較低的通道，利用差圖像法和 QTSU 二值化算法， 自動(dòng)提取足跡區(qū)域；時(shí)序跟蹤模塊和聚類分析模塊主要對(duì)單幀提取的足 跡區(qū)域，先進(jìn)行聚類，然后根據(jù)時(shí)序關(guān)系自動(dòng)識(shí)別左右前后四個(gè)爪子，并進(jìn)行標(biāo)記，為下一 幀分析提供依據(jù)；

4.2 足跡增強(qiáng)裝置（內(nèi)光源折射技術(shù)）
側(cè)光足跡增強(qiáng)裝置，采用綠色 LED 燈，將均勻的綠色熒光射入玻璃側(cè)面，達(dá)到玻璃體中充滿綠色熒光，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)物足跡圖像增強(qiáng)的效果，便于 VisuGait 軟件對(duì)動(dòng)物行走時(shí)四肢的自動(dòng)識(shí)別。
其中，老鼠步行通道、高速攝像機(jī)、足跡增強(qiáng)板、背景增強(qiáng)系統(tǒng)、誘導(dǎo)箱安裝在用鋁型材加工的支架上，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在足跡增強(qiáng)板上行走過程中足跡的提取，誘導(dǎo)箱為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供熟悉的小環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)動(dòng)物經(jīng)過訓(xùn)練后，能夠在足跡增強(qiáng)板上正常行走，方便完成 足跡提取。高速攝像機(jī)與安裝了 VisuGait 軟件的計(jì)算機(jī)通過 USB 3.0 接口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。

4.3 步序可視化呈現(xiàn)
VisuGait 軟件可以可視化呈現(xiàn)多種類型的步序：
平面腳印圖（footprints）

步序圖（Gait diagram）

腳印壓力分布圖（Print intensities）

腳印壓力熱圖（Footprints pressure thermogram）

三維腳?。?D Footprints）

步序型式圖

4.4 自動(dòng)檢測分類錯(cuò)誤
在一些體重大或者受損極其嚴(yán)重的動(dòng)物中，對(duì)足印分類進(jìn)行分類工作非常困難的，即便人工 分類也是如此。新一代的智能足跡識(shí)別能力和出色的足跡歸類技術(shù)可自動(dòng)檢測分類錯(cuò)誤。用 戶可以通過下拉選擇框來挑選這些分類錯(cuò)誤，系統(tǒng)中視頻能夠自動(dòng)跳到相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)（時(shí)間 幀） 。使用者可以使用變焦攝影功能查看影像細(xì)節(jié)，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分類。

4.5 足跡自動(dòng)合并
有時(shí)，受損嚴(yán)重的動(dòng)物的一個(gè)腳步可能會(huì)被分成兩個(gè)或者更多的步型?；谶@些額外足印， 這時(shí)，VisuGait 動(dòng)物步態(tài)分析系統(tǒng)將會(huì)錯(cuò)誤地計(jì)算參數(shù)。但是通過把分裂的腳步影像合成 一個(gè)腳步影像，這些參數(shù)會(huì)很容易地被被修復(fù)。

4.6 交互式足跡測量模塊
該模塊可以測量以下參數(shù)：
遠(yuǎn)趾端開口距
近趾端開口距
腳印長度
腳印朝向
脛骨神經(jīng)和腓骨神經(jīng)是坐骨神經(jīng)的兩個(gè)分支。類似于坐骨神經(jīng)功能指數(shù)，這些新參數(shù)的計(jì)算 同樣基于遠(yuǎn)趾端開口距，近趾端開口距，腳印長度。
· 坐骨功能指數(shù)（簡稱 SFI），被用作坐骨神經(jīng)損傷的功能恢復(fù)評(píng)估的工具。
· 脛骨功能指數(shù)（簡稱 TFI），被應(yīng)用于研究脛骨神經(jīng)損傷恢復(fù)。
· 腓骨功能指數(shù)（簡稱 PFI），被應(yīng)用于研究腓骨神經(jīng)（也被稱為腓神經(jīng)）損傷恢復(fù)。

4.7 其他功能
支持雙向分析功能，即動(dòng)物前行和后退都能采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析；
系統(tǒng)可以靈活調(diào)節(jié)光敏感度，可以應(yīng)對(duì)不同體重的動(dòng)物；
自動(dòng)保存視頻文件，可用于離線分析，采集幀數(shù)120FPS、視頻分辨率不低于640*480；
五、測試指標(biāo)
5.1 系統(tǒng)可測量基于單只腳印的參數(shù)：
5.1.1 觸地時(shí)相（Max contact）
5.1.2 觸地面積（Max area）
5.1.3 腳觸地壓力（Intensity）
5.1.4 腳印寬度（Box width）
5.1.5 腳觸地時(shí)間（Stand）
5.1.6 腳印之間的位置關(guān)系（Print positions）
5.1.7 同一腳爪觸地時(shí)間占總時(shí)間的比例（Duty cycle）
5.1.8 步行周期（Step Cycle）、步幅（Step Stride）
5.1.9 制動(dòng)指數(shù)（Stop Index）、推進(jìn)指數(shù)（Start Index）等
5.2 系統(tǒng)可測量基于不同腳印間關(guān)系的參數(shù)：
5.2.1 單位時(shí)間內(nèi)腳步數(shù)（Cadence）
5.2.2 步序（Step sequence）
5.2.3步寬（前肢步寬、后肢步寬）
5.2.4步基（左側(cè)步基、右側(cè)步基）
5.2.5 步序正常指數(shù)（Regularity index）
5.2.6 相位離差指數(shù)（Phase dispersions）
5.2.7 雙足協(xié)調(diào)指數(shù)（Couplings）
5.2.8 同時(shí)觸地指數(shù)（Support formulas）
5.3 系統(tǒng)可以測量足趾寬度 Toe Spread，中間足趾寬度（**只跟第四只足趾）Intermediate Toe Spread，基于身體腳爪的角度 Paw Angle Body Axis
5.4系統(tǒng)可以自動(dòng)測量出脛骨神經(jīng)功能指數(shù)（Posterior Tibial Functional Index TFI） 5.5系統(tǒng)可以自動(dòng)測量出腓骨神經(jīng)功能指數(shù)（Peroneal Functional Index PFI）
5.6 系統(tǒng)可以自動(dòng)測量出坐骨神經(jīng)功能指數(shù)（Sciatic Functional Index SFI）
5.7系統(tǒng)還可以自動(dòng)檢測后肢共享觸地時(shí)間、步幅長度變化性、擺動(dòng)時(shí)長變化系數(shù)、運(yùn)動(dòng)失調(diào)系數(shù)等。

部分文獻(xiàn)：

1. Ganoderma lucidum polysaccharide peptide (GLPP) attenuates rheumatic arthritis in rats through inactivating NF-κB and MAPK signaling pathways

2. M2 macrophage-derived exosomal miR-26b-5p regulates macrophage polarization and chondrocyte hypertrophy by targeting TLR3 and COL10A1 to alleviate osteoarthritis

3. Blocking Cancer–Nerve Crosstalk for Treatment of Metastatic Bone Cancer Pain

4. ROS-responsive PPGF nanofiber membrane as a drug delivery system for long-term drug release in attenuation of osteoarthritis

5.Immune-regulating strategy against rheumatoid arthritis by inducing tolerogenic dendritic cells with modified zinc peroxide nanoparticles

6.Meniscus-Inspired Self-Lubricating and Friction-Responsive Hydrogels for Protecting Articular Cartilage and Improving Exercise

7.Mechanical-cellular electrical conversion model reshapes the immune microenvironment of peripheral nerve by modulating neutrophil extracellular traps

8.A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2

9.Annexin A5 Derived from Cell-free Fat Extract Attenuates Osteoarthritis via Macrophage Regulation

10.Eupatorium Lindleyanum DC. Extract Protects against MPTP-induced Mouse of Parkinson's Disease by Targeting Neuroinflammation

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