VisuGait動(dòng)物步態(tài)分析系統(tǒng)

一、系統(tǒng)介紹

VisuGait動(dòng)物步態(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*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(cè)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：

• 動(dòng)物步行臺(tái)（折射光源）

• 動(dòng)物誘導(dǎo)箱

• 高清高速攝像機(jī)

• VisuGait軟件

三、應(yīng)用范圍

VisuGait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ws、神經(jīng)疾病、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)源性疾病發(fā)展過程、評(píng)價(jià)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(dòng)作僵硬和協(xié)調(diào)性降低。步態(tài)分析系統(tǒng)通過測(cè)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。

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(dòng)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(shí)別及歸類算法

VisuGait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:

• 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(shí)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?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)；

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(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）

• 三維腳印（3D Footprints），選配

4.4 自動(dòng)檢測(cè)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(cè)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。基于這些額外足印，這時(shí)，VisuGait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(cè)量模塊（選配）

該模塊可以測(cè)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(zhǎng)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(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(zhǎng)度。

· 坐骨功能指數(shù)（簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)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(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；

五、測(cè)試指標(biāo)

5.1系統(tǒng)可測(cè)量基于單只腳印的參數(shù)：

5.1.1腳大觸地時(shí)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(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）

5.2系統(tǒng)可測(cè)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(cè)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(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)量出坐骨神經(jīng)功能指數(shù)（Sciatic Functional Index SFI）

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