Способ оценки двигательной активности задних конечностей животных после получения спинальной травмы

Изобретение относится к научной медицине и предназначено для оценки эффективности двигательного восстановления крыс в плавательном тесте, получивших спинальную травму.

Известен способ оценки двигательной активности в плавательном тесте. Анализ проводят по 17 бальной шкале Louisville (Louisville Swimming Scale (LSS)), разработанный группой Девида Магнусена в 2006 году. Эта оценка была разработана, чтобы оценить плавательную работу на основе трех основных компонентов: зависимости от передней конечности, деятельности задней конечности и положения тела. Шкала содержит 3 диапазона: 0-5 - низкая двигательная активность, 6-11 - средняя двигательная активность, 12-17 - высокая двигательная активность.

(The Louisville Swim Scale: A Novel Assessment of Hindlimb Function following Spinal Cord Injury in Adult Rats - David S. K. Magnuson, Rebecca R. Smith, Darlene A. Burke, 2006 November)

Однако данный способ позволяет оценить плавательный потенциал животных в целом, не заостряя внимание на параметрах, показывающих двигательную активность конечностей, которые не будут вовлечены или будут вовлечены в процесс плавания после в меньшей степени после полученной модельной спинальной травмы. Так же одним из основных недостатков способа является субъективность оценки шкального метода, который не в полной мере описывает двигательную активность животного (двигательную активность задних конечностей).

Известен другой способ оценки двигательной активности животных в плавательном тесте разработанной группой Девида Магнусена в 2009 году. Проводится измерения изменений циклических углов задних конечностей между в трех суставах (тазобедренном, коленном, голеностопном). На основе полученных величин углов строилась зависимость одного угла от другого. Итоговый график зависимости представлял собой фигуру, величина площади которой показывает активность задней конечности.

(Swimming as a Model of Task-Specific Locomotor Retraining After Spinal Cord Injury in the Rat - David S. K. Magnuson, PhD, Rebecca R. Smith, 2009 November)

Однако в данном способе предложен вариант используемых углов, которые описывают движение суставных костей относительно друг друга, но не описывают их положение относительно движения (не показывают его динамику). Следовательно, не в полной мере оценивают активность движений конечности как в целом, так и для каждого из суставов по отдельности. При построении фигуры возникает проблема оценки углов, которые попадают в противофазу в одном цикле (например для коленного и голеностопного суставов), вследствие чего происходит занижение показателя - площадь фигуры.

Задачей изобретения является создание объективного и точного способа оценки двигательной активности задних конечностей животных после получения спинальной травмы, позволяющего определить восстановительные процессы для оценки эффективности проведенной терапии.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения двигательной активности задних конечностей животных.

Это достигается тем, что в заявляемом способе оценки двигательной активности задних конечностей животных после получения спинальной травмы с использованием плавательного теста путем измерения изменений величин углов с фиксированной осью в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, согласно изобретению, перед проведением плавательного теста задние конечности каждого животного маркируют пятью точками, соответствующими суставам конечностей, осуществляют видеосъемку, проводят компьютерную обработку видеофайлов и вычисляют дисперсию углов сгибания по формуле:

где А - амплитуда движений, и при значении показателя дисперсии (градус²) более 2100 степень восстановления двигательной активности задней конечности считается нормой, при значении 0-700 степень восстановления считают низкой, при значении 700-1400 - средней, при значении показателя дисперсии 1400-2100 степень восстановления двигательной активности задней конечности считают высокой.

Описание способа

Животное помещают в прозрачный прямоугольный бассейн размерами 150×40×13 см. заполненный водой с температурой 30°С. Уровень воды не должен позволять животному касаться дна бассейна. Вдоль бассейна располагают дорожку с камерой для проведения съемки движений задних конечностей при заплыве. Задние конечности каждого животного маркируют 5 черными точками, соответствующими суставам конечностей (тазобедренный, коленный, голеностопный) для облегчения процесса анализа двигательной функции в данных суставах в процессе наблюдения, а также позволяет проводить компьютерную обработку видеофайлов.. На Фиг. 1 показаны маркировочные точки на суставах.

Проводят раскадровку видеодорожки с частотой дискретизации 3-5 кадра/сек. при помощи программного обеспечения "The KM Player". На полученных изображениях (14 кадров для одного гребкового цикла) проводят измерение углов относительно оси движения в каждом суставе (тазобедренном, коленном, голеностопном). На Фиг. 2 показаны углы с фиксированной осью движения. Среди полученных значений для 14 углов находят угол с максимальным значением для каждого сустава - аналогичен амплитуде движений. С его помощью проводят вычисление дисперсии в зависимости от амплитуды движений по формуле 6.

Угол относительно оси движения - угол получаемый, при фиксировании оси движения, относительно которой суставной угол будет изменять свое положение при движении. Данный угол имеет ряд преимуществ:

1) При их помощи можно описать форму и характер движения суставов при плавании.

2) Дают возможность получить наглядную картину плавательного цикла.

3) Позволят показать динамику изменения силы для каждого сустава и каждой конечности.

Дисперсия случайной величины - мера разброса значений случайной величины относительно ее математического ожидания. Дисперсия позволяет достоверно оценить степень разброса величин углов сгибания, являющихся одинаково распределенными случайными величинами, а также оценить отклонение величин углов от их математического ожидания.

Было замечено, что характер движений суставов в конечностях приближенно напоминает функцию у=sin х. На Фиг. 3 показан график изменения суставных углов с течением времени. Следовательно, изменения величины углов близки к гармоническим колебаниям:

х - смещение

А - амплитуда движений

ωt - циклическая частота

Так как движения конечности при плавании непрерывны, то есть величина изменения углов также изменяется непрерывно, тогда имеет место следующая формула для дисперсии непрерывной величины:

D [х] - дисперсия случайно величины

М [х] - математическое ожидание

ƒ(x) - плотность вероятности случайной величины

тогда плотность вероятности распределения ƒ(х) функции (1) будет равна:

Подставим в выражение (2) полученную плотность распределения вероятности, при этом М [х]=0 для гармонического колебания:

Вычислив интеграл в пределах одного двигательного цикла:

Получим, что дисперсия угла сгибания вычисляется по формуле:

Обработку полученных кадров проводят с помощью программного обеспечения "STAR" (swimming test angles researcher), разработанной автором на языке С# в среде обработки программного обеспечения Visual Studio 2017. На Фиг. 4 показан интерфейс программы "STAR". Программное обеспечение позволяет загружать, полученные в результате обработки видеоматериалов, кадры, проводить расчет величин углов относительно оси движения, дисперсию углов сгибания и дисперсию в зависимости от амплитуды движения. Так же существует возможность выгрузки полученных величин в формате электронной таблицы Excel.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Группа лабораторных животных - пять крыс чистой лини рода Sprague-Dawley, самки, весом 250-350 грамм прошли серию плавательных тестов в течение 6 недель (1 раз в неделю). Операция по нанесению контузионной травмы спинного мозга не проводилась (группа контроля). На основе предложенного способа, с использованием разработанного программного обеспечения рассчитаны параметры двигательной активности задних конечностей животных. Динамика изменений показателя дисперсии в зависимости от амплитуды движения с учетом значений трех суставов, группа контроля показаны в таблице 1. Выявлена стабильность показателей в течение 6 недель.

Пример 2

Группе лабораторных животных - восьми крысам чистой линии рода Sprague-Dawley, самкам, весом 250-350 граммов, была нанесена контузионная травмы спинного мозга средней степени тяжести на уровне девятого грудного позвонка (Th9). Терапия не проводилась (группа самовосстановления). Группа прошла серию плавательных тестов в течение 6 недель (1 раз в неделю). На основе предложенного способа, с использованием разработанного программного обеспечения рассчитаны параметры двигательной активности задних конечностей животных. Динамика изменений показателя дисперсии в зависимости от амплитуды движения с учетом значений трех суставов, группа самовосстановления показаны в таблице 2. Выявлена динамика изменений двигательной активности задних конечностей у группы самовосстановления во времени, показанная в таблице 2. Наблюдается тенденция к увеличению двигательной активности задних конечностей во времени с 1 по 3 неделю и сохранение показателей двигательной активности с 3 по 6 неделю, объясняемая снижением токсического влияния иммунных клеток и их продуцентов на сохранившиеся, после нанесенной травмы, нейроны и их отростки.

Пример 3

Группе лабораторных животных - восьми крысам чистой линии рода Sprague-Dawley, самкам, весом 250-350 граммов, была нанесена контузионная травмы спинного мозга средней степени тяжести на уровне девятого грудного позвонка (Th9), на 5-е сутки была проведена терапия с введением мононуклеарных клеток пуповинной крови человека (группа с лечением). На 7-е сутки после нанесенной травмы, в течение 6 недель (1 раз в неделю) все животные проходили плавательный тест. На основе предложенного способа, с использованием разработанного программного обеспечения рассчитаны результаты двигательной активности задних конечностей животных. Динамика изменений показателя дисперсии в зависимости от амплитуды движения с учетом значений трех суставов, группа с лечением показаны в таблице 3. Наблюдается тенденция к увеличению двигательной активности задних конечностей во времени с 1 по 3 неделю и сохранение показателей двигательной активности с 3 по 6 неделю схожая с группой самовосстановления. Однако, динамика изменений двигательной активности задних конечностей у группы с лечением свидетельствует о статистически значимом увеличении двигательной активностью с 3 по 6 неделю, после нанесения травмы, в сравнении с группой самовосстановления (см. таблица 2) на основе статистики Манна-Уитни, что объясняется нейропротективым, нейрорегенеративным и нейрорепаративным действием, ангиогенным действием, противовоспалительным и иммуносупрессивным эффектами от введения мононуклеарных клеток пуповинной крови человека.

Таким образом, на основании проведенных исследований показано, что данный способ расчета двигательной активности движений задних конечностей животных с использованием программы "STAR" (swimming test angles researcher) является высокочувствительным, и может применяться в научных исследованиях.