SuperFootPrint大小鼠步态分析系统原理及设备介绍

1.步态分析系统硬件结构布局
    动物步态分析系统硬件的布局，下方安装有高频摄像头的大小为130cm×9cm×6cm大小鼠跑台，跑道上方设有红色背景光照射装置，玻璃跑道侧方射入绿色荧光。

2. 高速高分辨率的图像采集系统
    工业高清晰电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）摄像头，采集分辨率为768*576像素，其距离定位精度约为1mm；采样速度100帧/秒。
3. 动物步行跑台
    本步态分析系统实现动物双通道训练及检测，从而为今后药效评价中所需的大样本量需求提供可靠保证，且系统双通道宽度可随动物大小进行调整，以适应不同品系、月龄、体重的动物。       
4. 动物诱导箱
    为了高效率高质量的完成动物步态测试，加入诱导箱设计，诱导箱中放入动物平时饲养所用的饲养箱，以便动物通过前期训练后习惯性的顺利不间断的通过步态测试跑道，进入放有饲养笼的诱导箱内。    
5. 背光装置
    应用红色发光二极管（Light Emitting Diode, LED）灯制作灯箱，灯箱宽度覆盖这个跑道，通过红色的背景光，可将动物轮廓清晰的体现出来。    
6. 足迹增强系统
    侧光足迹增强系统，应用绿色LED灯，将均匀的绿色荧光射入玻璃侧面，达到玻璃体中充满绿色荧光，*终可实现动物足迹图像增强的效果，便于电脑软件对动物行走时四肢的自动识别。
    其中，老鼠步行通道、高速摄像机、足迹增强板、背景增强系统、诱导箱安装在用铝型材加工的支架上，用于实现实验动物在足迹增强板上行走过程中足迹的提取，诱导箱为实验动物提供熟悉的小环境，使实验动物经过训练后，能够在足迹增强板上正常行走，方便完成足迹提取。高速摄像机与视频采集分析计算机用网线连接，通过计算机的千兆网卡实现图像数据采集。
7. 步态视频分析软件
    步态视频分析软件模块为步态分析软件的核心部分，而其中的步态自动识别功能又是是本系统的核心模块，该功能模块主要包括:图像降噪预处理子模块、虚假目标剔除子模块、步迹分离增强子模块、时序跟踪子模块、聚类分析子模块、指标分析子模块等。其中降噪子模块主要利用滤波算法，降低因为光线变化引起的足迹提取误差；虚假目标剔除子模块主要是对于老鼠行走过程中引起的虚假目标（如老鼠粪便等）进行剔除；步迹分离增强子模块针对红绿蓝三通道数据，根据其显著性自动剔除其中信噪比较低的通道，利用差图像法和QTSU二值化算法，自动提取足迹区域；时序跟踪子模块和聚类分析子模块主要是对单帧提取的足迹区域，先进行聚类，然后根据时序关系自动识别左右前后四个爪子，并进行标记，为下一帧分析提供依据；指标分析子模块根据各个步态指标的物理意义，自动分析相应指标。*终，通过软件自动识别动物脚印，可得到步态相关的各个方面信息，如距离方面，时间方面，体态方面，压力方面和速度方面。

7. 步态评价指标
步 行 周 期：动物行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程被称为一个步行周期，一个步行周
             期可分为支撑相（Stance Phase）和摆动相（Swing Phase）；
支 撑 时 长：在一个步行周期中始终与地接触的阶段；
摆 动 时 长：在一个步行周期中始终与地无接触的阶段；
支 撑 时 相：支撑时长所占步态周期的百分数（Cycle%）作为单位来表达；
单支撑时相：通常指一足着地到该足离地的过程；
双支撑时相：在一个步行周期中产生的双足同时着地的阶段；
三支撑时相：在一个步行周期中产生的三足同时着地的阶段；
摆 动 时 相：摆动时长所占步态周期的百分数（Cycle%）作为单位来表达；
制 动 时 长：从该足开始接触时刻到该足与地面*大接触面积时刻所需的时长；
制 动 指 数：制动时长/支撑时长；
推 进 时 长：从该足与地面*大接触面积时刻到该足离地时刻所需的时长；
推 进 指 数：推进时长/支撑时长；
同源协调性：被观测足爪(RH or LH)的摆动时间或支撑时间与对照足爪(LH or LF)的步行周期的比值
同侧协调性：被观测足爪(RH or LH)的摆动时间或支撑时间与对照足爪(RF or LF)的步行周期的比值
对侧协调性：被观测足爪(RH or LH)的摆动时间或支撑时间与对照足爪(LF or RF)的步行周期的比值
步       幅：动物在一个步行周期中，同一前肢或后肢连续两个*大脚印横坐标中点之间的距离；
左 侧 步 基：动物在一个步行周期中，左前肢连续两个*大脚印横坐标中点与左后肢连续两个*大脚
             印横坐标中点之间的距离；
右 侧 步 基：同上；
前 肢 步 宽：在行走中左、右两足间的距离称为步宽，通常以足爪中点为测量参考点；
后 肢 步 宽：同上；
足迹*大面积：t为足爪接触地面的*大面积时刻；
足迹平均面积：每帧图像足迹面积之和/总帧数；
足迹*大强度：t为足爪接触地面的*大强度时刻；
足迹平均强度：每帧图像足迹强度之和/总帧数；
摆 动 速 度：步长/摆动时间；
瞬 时 速 度：每只爪子的步长/步行周期；
总  速  度：在一次行走过程中，步长的总和/步长周期的总和；
平均体转角：老鼠嘴尖与尾根形成的轴线的方向和正前方向轴之间的夹角的平均值，比如老鼠移动的
             方向偏离正前方向5°；
体转角标准偏差：老鼠嘴尖与尾根形成的轴线方向和正前方向轴之间的夹角的标准偏差，比如如果老鼠的
              平均体转角为5°，标准偏差为3°，那么代表动物有在2-8°的范围内运动的趋势；
平均侧向移动：动物质量中心延Y轴侧向移动的距离；
侧向移动标准偏差：动物质量中心延Y轴侧向移动的标准偏差。