小鼠的行為測試通常在臨床試驗之前進行。然而，研究人員觀察和分析他們的行為和反應通常非常耗時。一種基于慣性測量單元的傳感器，用于捕獲實驗性鼠的運動。慣性傳感器（inertial measurement unit，IMU）越來越多地用于嚙齒動物研究，特別是用于估計相對于重力的頭部方向或頭部傾斜。慣性頭部傾斜測量在單側前庭病變臨床前大鼠模型中應用較多，頭戴式慣性傳感器對于一般定量嚙齒動物行為分析，特別是對于前庭姿勢功能的研究來說是一種有效的工具。

IMU由獨立印刷電路板(PCB)上的三個模塊組成：主板模塊、電源管理模塊和同步/選項模塊。該主板包含一個數字軸慣性傳感器，可在三個維度上采樣線性加速度、角速度和磁場強度，一個運行自定義固件的低功耗可編程微控制器和一個藍牙無線電，其信號通過芯片天線傳輸。微控制器被編程為處理傳感器和無線電的初始化和管理，并解碼從客戶端軟件接收到的參數化和操作命令。傳感器數據采集和藍牙數據發射由微控制器利用中斷機制調度，以保證系統的實時性。微控制器固件還實現了簡單的數據處理功能。

Fig1 無線慣性測量系統概述

(A)慣性測量單元（IMU）及其主要部件。(B)左：佩戴IMU的成年大鼠的照片。右圖：草圖顯示了傳感器測量到的相對于動物頭部的線加速度（a x、a y、a z）和角速度（ω x、ω y、ω z）的方向。

Fig2 捕獲計算自由移動大鼠中基于IMU的頭部傾斜估計的準確性

應用

自然運動期間的頭部運動學：IMU提供了一種測量大鼠正常活動期間頭部運動運動學的方法。俯仰軸(ωy)中的快速頭部旋轉(50°/s)比橫滾軸和偏航軸（分別為 ωx和ωz；）更頻繁。自然頭部運動的光譜功率集中在20Hz的頻率處，在4、8和15-20Hz附近有明顯的峰值。在主動探索期間，頭部角速度達到高達500°/s 的值（特別是在劇烈的定向運動期間），并顯示10Hz振蕩周期，可能反映有節奏的口面部活動，例如嗅探。在身體修飾期間，4Hz附近的大振蕩也很明顯。加速度計和陀螺儀數據提供了大量信息，其中包含不同類型正在進行的運動活動的清晰特征。

測量自由移動的大鼠的頭部姿勢：由于加速度計對重力敏感，IMU可用于監測頭部姿勢。例如，由于周圍前庭病變，頭部相對于重力的方向（頭部傾斜）可能會發生變化。在包括大鼠在內的各種動物模型中，頭部傾斜是評估單側前庭病變(UVL)引起的姿勢缺陷嚴重程度和研究正常姿勢恢復的可塑性機制的關鍵參數。傳統上，UVL 后頭部傾斜的變化是通過輕度束縛動物的照片或以離散尺度記錄的直接觀察來量化的，該程序可能會產生不精確的測量結果，并且可能無法檢測小傾斜角度。IMU可以通過精確測量不受約束的動物的頭部傾斜來促進此類實驗。由于大鼠的自然頭部運動通常很短暫，因此線性加速度的低頻分量應該提供傳感器坐標中重力加速度的可靠近似值。

活動類別和閾值

Resting：在活動被手動標記為休息的階段，鼠在類似睡眠的狀態下表現出特別缺乏運動，這與所有其他活動明顯不同。觀察到平均速度為 0.45 px/s，標準偏差為 0.04 px/s。

Locomotion：特征是行走或混合行走、挖掘、梳理、伸展和旋轉的行為。它的范圍可以從緩慢行走到跳躍。運動活動期間的時間范圍顯示平均速度為 115.22 px/s，標準差為 43.0 px/s。

Stationary Activity：包含所有在現場進行的活動，例如梳理、挖掘、旋轉和伸展。 在進行上述活動但沒有步行的時間范圍內，觀察到平均速度為20.73 px/s，標準差為17.0 px/s。

文獻引用

1.Pasquet MO, Tihy M, Gourgeon A, Pompili MN, Godsil BP, Léna C, Dugué GP. Wireless inertial measurement of head kinematics in freely-moving rats. Sci Rep. 2016 Oct 21;6:35689.

2.Sunderam, S. et al. Improved sleep-wake and behavior discrimination using MEMS accelerometers. Journal of Neuroscience Methods 163(2), 373–383 (2007).

3.Venkatraman, S., Jin, X., Costa, R. M. Carmena, J. M. Investigating neural correlates of behavior in freely behaving rodents using inertial sensors. Journal of neurophysiology 104(1), 569–575 (2010).

4.Fayat R, Delgado Betancourt V, Goyallon T, Petremann M, Liaudet P, Descossy V, Reveret L, Dugué GP. Inertial Measurement of Head Tilt in Rodents: Principles and Applications to Vestibular Research. Sensors (Basel). 2021 Sep 21;21(18):6318.

5. Try P, Gebhard M. Non-Contact Activity Monitoring Using a Multi-Axial Inertial Measurement Unit in Animal Husbandry. Sensors (Basel). 2022 Jun 9;22(12):4367.

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