對于由神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的運動障礙的康復(fù)治療方案，需要預(yù)先進(jìn)行動物實驗，利用結(jié)果分析病癥機理，并為制定治療/康復(fù)方案提供實驗依據(jù)。

脊髓損傷是中樞神經(jīng)損傷的一種，它會引發(fā)運動功能部分或完全喪失。研究脊髓損傷最主要的指標(biāo)是殘留運動功能輸出的恢復(fù)，它能夠最直觀地反映脊髓損傷的受損程度或治療效果。這類研究存在一個問題：在判斷運動功能輸出的恢復(fù)情況時，一些研究基于主觀評價，對于運動輸出的變化不夠敏感和精確。

研究案例介紹

恒河猴脊髓損傷步態(tài)分析-北京航空航天大學(xué)

而北京航空航天大學(xué)的研究團(tuán)隊選擇了光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)來協(xié)助實驗，分別在恒河猴脊髓損傷前、脊髓損傷后6周和12周進(jìn)行步態(tài)測試，進(jìn)而獲取更準(zhǔn)確客觀的的步態(tài)特征[1]。

步態(tài)測試前，將恒河猴以與訓(xùn)練期同樣的狀態(tài)被保定于固定裝置，將16個反光標(biāo)識點固定于下肢關(guān)節(jié)（如上圖所示），采用8臺動作捕捉鏡頭采集下肢步態(tài)數(shù)據(jù)，采集頻率為100Hz。測試中，動物在速度0.8km/h的跑步機上行走，連續(xù)行進(jìn)>10步的數(shù)據(jù)被保留，獲取的數(shù)據(jù)包括雙下肢步態(tài)周期時長，步長、步高、膝/踝關(guān)節(jié)角度幅值以及聯(lián)動參數(shù)比值。

帕金森氏病大鼠-卡迪夫大學(xué)

同樣，卡迪夫大學(xué)科研人員在進(jìn)行帕金森氏病大鼠在不同寬度的橫梁上的行走運動研究時，也選擇了光學(xué)動作捕捉設(shè)備進(jìn)行運動捕捉分析（如下圖）。

結(jié)果表明，利用動作捕捉系統(tǒng)可以為帕金森氏病大鼠模型提供量化的時間步態(tài)參數(shù)，是一種研究帕金森氏病對運動影響的有效方法。研究人員指出，可以使用三維運動捕捉技術(shù)采集動物疾病模型數(shù)據(jù)，與人類運動分析進(jìn)行比較，將人類疾病與其各自的動物模型相關(guān)聯(lián)，以探討動物模型與人類行為之間的相關(guān)性[2]。

老鼠胡須運動模式-田納西大學(xué)

嚙齒動物的胡須有敏感的觸覺，大鼠（rat）和小鼠（mouse）會通過主動控制這些胡須來探測地形，而目前對于老鼠胡須運動模式的研究仍處于早期階段。由于胡須移動速度相對較快，而且老鼠胡須非常細(xì)，實驗中很難跟蹤胡須運動。

田納西大學(xué)的研究團(tuán)隊利用光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，在小鼠的胡須上粘貼微小的反光標(biāo)識物，頭部用特質(zhì)支架固定，并在小鼠前爪粘貼一塊紙板，防止其嘗試移除標(biāo)識物。這種測量小鼠胡須運動的方法具有很高的精度，可以用于神經(jīng)和遺傳方面的研究[3]。

猴子社會腦心理學(xué)實驗-RIKEN腦科學(xué)研究所

除了生理實驗，研究人員還通過分析聰明的靈長類動物的行為，進(jìn)行相關(guān)心理學(xué)實驗。社會腦（socialbrain）功能使我們的行為適應(yīng)社會環(huán)境，但由于技術(shù)上的限制，關(guān)于神經(jīng)元如何識別和調(diào)節(jié)以響應(yīng)社會行為，我們是所知甚少的。針對該領(lǐng)域，RIKEN腦科學(xué)研究所的研究人員設(shè)計實驗，用兩只猴子（M1、M2）開展了研究[4]。

實驗分為三個場景，即兩只猴子無交叉空間（A）以及有交叉空間（B、C）。將食物放在桌上各位置，觀察不同情形下猴子的行動。猴子下半身固定在椅子上，上半身自由活動，上圖中，桌上餅狀圖代表食物放在該區(qū)域時，對應(yīng)顏色猴子拿到食物的成功率。兩只猴子的腦中被植入鎢電極記錄神經(jīng)活動，并穿著特制動捕服（反光標(biāo)識點粘貼在雙側(cè)肩部、肘部、手腕和手，以及前額和后腦勺），利用光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)記錄手臂和頭部運動，實驗中只記錄手臂運動速度高于30mm/s的動作，通過設(shè)定閾值可以更好的剔除隨機動作，動作捕捉系統(tǒng)可以幫助研究人員實現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析。

無論最終目標(biāo)是獲取動物運動特性、分析行為還是只是記錄動物的運動，NOKOV度量光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)都可以提供合適的解決方案，下面是我們一些客戶的應(yīng)用案例。

NOKOV度量動作捕捉項目舉例

中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院

脊髓康復(fù)評估中，運動神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)是最重要的指標(biāo)。在中山大學(xué)醫(yī)學(xué)院的實驗中，主要選取狗下肢膝關(guān)節(jié)的活動來作為運動神經(jīng)系統(tǒng)恢復(fù)的外在表現(xiàn)。

實驗過程中，構(gòu)建了一個約3m*3m的場地供狗活動，在場地的四周分布著八個NOKOV（度量）光學(xué)三維動作捕捉鏡頭。同時在狗下肢的根部、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)處貼反光標(biāo)識點，通過動作捕捉鏡頭采集表示點的位置信息，來采集狗在這個空間活動的過程中各關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)。將癱瘓的狗的運動數(shù)據(jù)與正常狗的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就能夠評估出狗運動神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)情況，進(jìn)而評估出狗脊髓的恢復(fù)情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙璨,魏瑞晗,趙文,季潤,饒家聲,楊朝陽,李曉光.脊髓損傷恒河猴下肢殘留跨步能力的評估[J].中國康復(fù)理論與實踐,2020,26(06):648-653.

[2] MadeteJK,KleinA,FullerA,etal.Challengesfacingquantificationofratlocomotionalongbeamsofvaryingwidths[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineersPartHJournalofEngineeringinMedicine,2010,224(11):1257-65.

[3] SnigdhaR,BryantJL,CaoY,etal.High-Precision,Three-DimensionalTrackingofMouseWhiskerMovementswithOpticalMotionCaptureTechnology[J].FrontiersinBehavioralNeuroscience,2011,5(23):27.

[4] FujiiN,HiharaS,IrikiA.Dynamicsocialadaptationofmotion-relatedneuronsinprimateparietalcortex[J].PloSone,2007,2(4):e397.

總結(jié)

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