一、系統(tǒng)介紹

VisuGait動物步態(tài)分析系統(tǒng)是一套在嚙齒動物自然行走的情況下評估其運(yùn)動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，老鼠可以從步行臺的一端行走到另一端，系統(tǒng)采用*的腳印光亮折射技術(shù)，通過放置于步行臺下方的高速高清攝像機(jī)捕獲真正的腳印足跡，然后通過計算機(jī)視覺處理軟件將這些腳印進(jìn)行自動歸類（新一代足跡歸類算法）。同時，系統(tǒng)還能夠探測到腳步的相對壓力差異，這是動物行走時體重在其四個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：

• 動物步行臺（折射光源）

• 動物誘導(dǎo)箱

• 高清高速攝像機(jī)

• VisuGait軟件

三、應(yīng)用范圍

VisuGait動物步態(tài)分析系統(tǒng)可用于評價神經(jīng)創(chuàng)傷、神經(jīng)性ws、神經(jīng)疾病、以及疼痛癥狀群的動物模型。通過步態(tài)分析，了解神經(jīng)源性疾病發(fā)展過程、評價治療方法的效果和篩選治療藥物。例如：帕金森氏癥導(dǎo)致肢體動作僵硬和協(xié)調(diào)性降低。步態(tài)分析系統(tǒng)通過測量動物模型中的腳間距離、擺動時相、支撐方式和正常步序比等參數(shù)評估運(yùn)動協(xié)調(diào)性。

該系統(tǒng)應(yīng)用范圍包括：

• 脊索損傷

• 神經(jīng)性疼痛

• 關(guān)節(jié)炎

• 中風(fēng)

• 帕金森病

• 運(yùn)動失調(diào)

• 腦損傷

• 外周神經(jīng)損傷、末梢神經(jīng)損傷

• 阿茲海默癥

• 神經(jīng)肌肉以及骨骼肌肉等疾病        

四、技術(shù)特點(diǎn)

4.1 新一代足印識別及歸類算法

VisuGait軟件采用了自研的足印識別和歸類算法，為準(zhǔn)確無誤的識別動物足印和高效足跡自動歸類提供了有力保障，核心包括:

• 圖像降噪預(yù)處理模塊

• 虛假足印剔除模塊

• 步跡分離增強(qiáng)模塊

• 時序跟蹤模塊

• 聚類分析模塊

其中降噪模塊主要利用濾波算法，降低因為光線變化引起的足跡提取誤差；虛假目標(biāo)剔除模塊主要是對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)模塊針對紅綠藍(lán)三通道數(shù)據(jù)，根據(jù)其顯著性自動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，自動提取足跡區(qū)域；時序跟蹤模塊和聚類分析模塊主要對單幀提取的足跡區(qū)域，先進(jìn)行聚類，然后根據(jù)時序關(guān)系自動識別左右前后四個爪子，并進(jìn)行標(biāo)記，為下一幀分析提供依據(jù)；

腳印光亮折射技術(shù)

4.2 足跡增強(qiáng)裝置（內(nèi)光源折射技術(shù)）

VisuGait系統(tǒng)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，從而實現(xiàn)動物足跡圖像增強(qiáng)的效果，便于VisuGait軟件對動物行走時四肢的自動識別。
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，用于實現(xiàn)實驗動物在足跡增強(qiáng)板上行走過程中足跡的提取，誘導(dǎo)箱為實驗動物提供熟悉的小環(huán)境，使實驗動物經(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軟件的計算機(jī)通過USB 3.0接口實現(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），選配

4.4 自動檢測分類錯誤

在一些體重大或者受損極其嚴(yán)重的動物中，對足印分類進(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別能力和出色的足跡歸類技術(shù)可自動檢測分類錯誤。用戶可以通過下拉選擇框來挑選這些分類錯誤，系統(tǒng)中視頻能夠自動跳到相應(yīng)的時間點(diǎn)（時間幀）。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)實際情況進(jìn)行分類。

4.5 足跡自動合并

有時，受損嚴(yán)重的動物的一個腳步可能會被分成兩個或者更多的步型?；谶@些額外足印，這時，VisuGait系統(tǒng)將會錯誤地計算參數(shù)。但是通過把分裂的腳步影像合成一個腳步影像，這些參數(shù)會很容易地被被修復(fù)。

4.6 交互式足跡測量模塊（選配）

該模塊可以測量以下參數(shù)：

l 遠(yuǎn)趾端開口距

l 近趾端開口距

l 腳印長度

l 腳印朝向

VisuGait系統(tǒng)脛骨神經(jīng)和腓骨神經(jīng)是坐骨神經(jīng)的兩個分支。類似于坐骨神經(jīng)功能指數(shù)，這些新參數(shù)的計算同樣基于遠(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

• 自動保存視頻文件，可用于離線分析，視頻分辨率為不低于1280x1024；

• 支持雙向分析功能，即動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)對不同體重的動物；

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腳大觸地時相（Max contact）

5.1.2腳大觸地面積（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同一腳爪觸地時間占總時間的比例（Duty cycle）

5.1.8步行周期（Step  Cycle）、步幅（Step Stride）

5.1.9制動指數(shù)（Stop Index）、推進(jìn)指數(shù)（Start Index）

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（第二只跟第四只足趾）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)可以自動測量出坐骨神經(jīng)功能指數(shù)（Sciatic Functional Index SFI）

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