一、系統介紹

VisuGait動(dòng)物步態(tài)分析系統是一套在嚙齒動(dòng)物自然行走的情況下評估其運動(dòng)缺陷和由疼痛引起的步態(tài)變化的完整系統。VisuGait系統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，系統采用*的腳印光亮折射技術(shù)，通過(guò)放置于步行臺下方的高速高清攝像機捕獲真正的腳印足跡，然后通過(guò)計算機視覺(jué)處理軟件將這些腳印進(jìn)行自動(dòng)歸類(lèi)（新一代足跡歸類(lèi)算法）。同時(shí)，系統還能夠探測到腳步的相對壓力差異，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果。

二、系統組成

VisuGait系統重要組成部分：

• 動(dòng)物步行臺（折射光源）

• 動(dòng)物誘導箱

• 高清高速攝像機

• VisuGait軟件

三、應用范圍

VisuGait動(dòng)物步態(tài)分析系統可用于評價(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(guò)步態(tài)分析，了解神經(jīng)源性疾病發(fā)展過(guò)程、評價(jià)治療方法的效果和篩選治療藥物。例如：帕金森氏癥導致肢體動(dòng)作僵硬和協(xié)調性降低。步態(tài)分析系統通過(guò)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評估運動(dòng)協(xié)調性。

該系統應用范圍包括：

• 脊索損傷

• 神經(jīng)性疼痛

• 關(guān)節炎

• 中風(fēng)

• 帕金森病

• 運動(dòng)失調

• 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(lèi)算法

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

• 圖像降噪預處理模塊

• 虛假足印剔除模塊

• 步跡分離增強模塊

• 時(shí)序跟蹤模塊

• 聚類(lèi)分析模塊

其中降噪模塊主要利用濾波算法，降低因為光線(xiàn)變化引起的足跡提取誤差；虛假目標剔除模塊主要是對于老鼠行走過(guò)程中引起的虛假目標（如老鼠糞便等）進(jìn)行剔除；步跡分離增強模塊針對紅綠藍三通道數據，根據其顯著(zhù)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)提取足跡區域；時(shí)序跟蹤模塊和聚類(lèi)分析模塊主要對單幀提取的足跡區域，先進(jìn)行聚類(lèi)，然后根據時(shí)序關(guān)系自動(dòng)識別左右前后四個(gè)爪子，并進(jìn)行標記，為下一幀分析提供依據；

腳印光亮折射技術(shù)

4.2 足跡增強裝置（內光源折射技術(shù)）

VisuGait系統側光足跡增強裝置，采用綠色LED燈，將均勻的綠色熒光射入玻璃側面，達到玻璃體中充滿(mǎn)綠色熒光，從而實(shí)現動(dòng)物足跡圖像增強的效果，便于VisuGait軟件對動(dòng)物行走時(shí)四肢的自動(dòng)識別。
其中，老鼠步行通道、高速攝像機、足跡增強板、背景增強系統、誘導箱安裝在用鋁型材加工的支架上，用于實(shí)現實(shí)驗動(dòng)物在足跡增強板上行走過(guò)程中足跡的提取，誘導箱為實(shí)驗動(dòng)物提供熟悉的小環(huán)境，使實(shí)驗動(dòng)物經(jīng)過(guò)訓練后，能夠在足跡增強板上正常行走，方便完成足跡提取。高速攝像機與安裝了VisuGait軟件的計算機通過(guò)USB 3.0接口實(shí)現圖像數據采集。              

4.3 步序可視化呈現

VisuGait軟件可以可視化呈現多種類(lèi)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(dòng)檢測分類(lèi)錯誤

在一些體重大或者受損極其嚴重的動(dòng)物中，對足印分類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)工作非常困難的，即便人工分類(lèi)也是如此。新一代的智能足跡識別能力和出色的足跡歸類(lèi)技術(shù)可自動(dòng)檢測分類(lèi)錯誤。用戶(hù)可以通過(guò)下拉選擇框來(lái)挑選這些分類(lèi)錯誤，系統中視頻能夠自動(dòng)跳到相應的時(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節，然后根據實(shí)際情況進(jìn)行分類(lèi)。

4.5 足跡自動(dòng)合并

有時(shí)，受損嚴重的動(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系統將會(huì )錯誤地計算參數。但是通過(guò)把分裂的腳步影像合成一個(gè)腳步影像，這些參數會(huì )很容易地被被修復。

4.6 交互式足跡測量模塊（選配）

該模塊可以測量以下參數：

l 遠趾端開(kāi)口距

l 近趾端開(kāi)口距

l 腳印長(cháng)度

l 腳印朝向

VisuGait系統脛骨神經(jīng)和腓骨神經(jīng)是坐骨神經(jīng)的兩個(gè)分支。類(lèi)似于坐骨神經(jīng)功能指數，這些新參數的計算同樣基于遠趾端開(kāi)口距，近趾端開(kāi)口距，腳印長(cháng)度。

· 坐骨功能指數（簡(jiǎn)稱(chēng)SFI），被用作坐骨神經(jīng)損傷的功能恢復評估的工具。

·  脛骨功能指數（簡(jiǎn)稱(chēng)TFI），被應用于研究脛骨神經(jīng)損傷恢復。

·  腓骨功能指數（簡(jiǎn)稱(chēng)PFI），被應用于研究腓骨神經(jīng)（也被稱(chēng)為腓神經(jīng)）損傷恢復。

4.7其他功能

• 自動(dòng)保存視頻文件，可用于離線(xiàn)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據并進(jìn)行分析；

• 系統可以靈活調節光敏感度，可以應對不同體重的動(dòng)物；

五、測試指標

5.1系統可測量基于單只腳印的參數：

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（Stop Index）、推進(jìn)指數（Start Index）

5.2系統可測量基于不同腳印間關(guān)系的參數：

5.2.1單位時(shí)間內腳步數（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（左側步基、右側步基）

5.2.5步序正常指數（Regularity index）

5.2.6相位離差指數（Phase dispersions）

5.2.7雙足協(xié)調指數（Couplings）

5.2.8同時(shí)觸地指數（Support formulas）

5.3系統可以測量足趾寬度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★系統可以自動(dòng)測量出脛骨神經(jīng)功能指數（Posterior Tibial Functional Index TFI）

5.5★系統可以自動(dòng)測量出腓骨神經(jīng)功能指數（Peroneal Functional Index PFI）

5.6系統可以自動(dòng)測量出坐骨神經(jīng)功能指數（Sciatic Functional Index SFI）

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