疼痛问题一直困扰着我们的日常生活，头痛，牙痛，肠胃痛，伤病痛等。有时候折腾得我们彻夜难眠，疼痛难忍，精疲力竭。所以人们对疼痛的研究一直很重视，不断开发出新的动物模型和疼痛监测设备。
动物步态分析系统（CatWalk）就是最新的利用大小鼠为动物模型的疼痛研究设备，主要通过监测动物步态的变化来研究疼痛变化情况，如某一个肢体的疼痛会导致该只脚着地时间缩短、着地面积减少、着地力量减少、空中悬浮时间增长等。动物步态分析系统可以准确的测定上述这些参数的变化，为疼痛研究提供精确的数据。另外可以连续多次，快速准确的测定这些数据。因此可以用于高通量的数据研究，以及长时间的疼痛恢复过程的监测。过去该系统主要用于神经性疼痛、脊髓损伤、神经退行性病变、脑中风的研究。
自体骨移植术后疼痛是主要并发症之一 ,这种疼痛在术后3-4天内必须得到控制和减少，否则就会变成慢性疼痛，给患者带来终身痛苦。术后前四周的疼痛护理是有效降低其转化成慢性疼痛风险的关键，也是手术成功与否的标志。
传统治疗会给予系统的镇痛剂，比如对乙酰氨基酚，非甾体抗炎药和含吗啡的药品，这些传统的对身体的损副作用和伤害大，同时镇痛剂处方会增加总体花费。磷酸钙（CaP）骨替代物和CaP骨水泥（CPC）现在被认为是许多骨填充骨科手术适应症的标准治疗方法。
它们可以被细胞吸收，具有明显的骨传导特性，作为局部药物传递系统，可以与生物活性分子和治疗剂结合。由于CPCs已成为许多骨科及外伤适应症的首选治疗方法，因此作者设计了一种新型的生物注射材料，将CPC与不同的局部麻醉药粘合在一起，用于骨科或骨外伤适应症。
最近法国南特大学（University of Nantes）将该系统应用于外科骨损伤修复重建手术引起的疼痛研究，开创了一个全新的应用领域。骨外科研究也可以采用步态分析系统开展损伤疼痛的研究，以便找到更好的控制术后疼痛的方法和步骤，减轻病患的痛苦。
骨重建修复后疼痛缓解新疗法的研究
该研究是有史以来第一篇用步态分析系统（CatWalk）来评价骨重建中疼痛缓解，并用局部麻醉镇痛的文章。文章来源于The Journal of Pain（2017年影响因子4.859），2018年5月15日发表，本文将为大家做详细阐述。
作者目的是：
1）通过步态分析系统（CatWalk）对骨填充手术术后疼痛进行功能评价；
2）评价骨损伤填充手术结合使用最新的磷酸钙水泥对于术后疼痛的缓解；
3）评估他们的机械和生物学性能。
具体方法是利用手术在大鼠股骨远端制造了一个临界大小的骨缺损模型，并在其损伤处以装载或不装载带局部麻醉剂的注射用磷酸钙骨水泥（CPC）为填充来缓解骨重建修复术后的疼痛。
通过使用步态分析系统（CatWalk）所测量的步态的变化来对比不同的CPC装载材料对于CPC骨重建修复手术后创伤疼痛的缓解。结果表明，术后短期时间内，在脚印面积和脚印平均接触强度这两个指标上两种镇痛方法都有显著的疼痛缓解。与术前的基础值相比，CPC组，装载罗哌卡因CPC组(CPC-Ropi)，和装载丁哌卡因CPC组 (CPC-Bupi)在第24小时，脚印面积值分别降低了65%, 42%和24%，同时脚印平均接触强度也分别降低了25%, 9%和1%。CPC-Bupi比CPC-Ropi有更高效的功能康复效果。
除此之外，CPC手术保持了机械和生物学性能。这步态结果可能乍一看有点不思其解，这三个组都比对照组降低了啊，怎么说明哪个比哪个好呢？ 这个结果侧面说明了疼痛程度，对照组的肯定最高，这三个手术组的老鼠疼啊，所以脚爪接触面积和接触强度肯定是都降低的，哪个方法效果更佳，肯定是降低的数值更少的那个了。
动物步态分析系统
在过去的十年里，步态分析系统（CatWalk）已经被证明是一种高效无创的评估慢性疼痛的方法，被证实为研究啮齿类动物许多疾病模型的方法工具，如神经退行性疾病，肌筋膜炎症，周围神经损伤，骨关节炎，外伤。该方法通过视频跟踪分析步态，对每个爪印的时空参数和动态肢体协调进行了完整的分析。
上图所示，大鼠术后步态分析采用步态分析系统（CatWalk）具体参考之前文献报道，总的来说CatWalk的原理是：大鼠在一条8厘米宽的走廊里，非强迫自主穿过一块发光的玻璃板，与玻璃板接触后，脚爪把绿灯反射到下面的摄像机（100HZ）上，摄像机就会记录整个运动的过程。每只动物的每一次实验的步态相关指标都会被系统记录，整个过程没有食物诱导刺激。
手术过程见下图：
图1，骨水泥手术过程
实验分组：3个CPC实验组，其实还有1个隐藏组（Control）：手术前后的自身对比
1. Control group (preoperation的Control组)
2. CPC unloaded with anesthetic agent (CPC组)
3. CPC loaded with 8% bupivacaine (CPC-Bupi组)
4. CPC loaded with 8% ropivacaine (CPC-Ropi组)
实验protocol：手术前两周，每天让大鼠适应走廊环境在其中自由活动，手术前一天的适应训练的数据作为术前参考值。为了排除个体差异性，用每一只自身手术前后的值来对比统计。分别在手术后第2,4,6,24,48,72小时,以及第7天第14天测CatWalk数据。步态分析实验对清楚磷酸钙水泥的相同实验员设盲，开始操作注射水泥的时间记为第0天。
下来是实验装置和具体统计的数据：步态分析系统的走廊长42cm，符合标准的步态会被记录：1）通过走廊全程的时间在1-5秒之间；2）速度最大变化不超过80%，标准之外的数据系统不会去采集记录（图2A）。统计以下数据：
1、脚印面积 (cm2) 是在站立时相完整脚印的表面积（图2B）。
2、脚印平均接触强度（AU）：完整脚印在一个步长周期中步态支撑期接触的平均强度（图2C）。
3、脚印长度（cm）：第三指中间到脚后跟的距离（图2C）。
4、支撑期比重（%）：在一个步长周期中，支撑期所占比重（图2D）。
这四个指标都是经典的用来衡量疼痛与康复的数据，其中脚印平均接触强度被报过用来评估神经性疼痛，包括机械性痛觉超敏。
（A）对照组大鼠在CatWalk系统上的背景图；（B）术前的CatWalk脚印（脚印面积）左脚印红色，右脚印蓝色，后肢显示浅色，前肢深色；（C）一个正常大鼠的右后腿爪，显示出的手动脚印测量长度和脚印接触强度；（D）术前CatWalk步态图
接下来就是数据结果分析了，首先是CatWalk的结果分析：手术前，动物步态正常，与对侧相比，右后腿爪的印纹面积和印纹长度没有显著差异。术前基础参考的平均值为：脚印面面积1.88±0.03 cm2，脚印平均接触强度115.28±0.55 AU，脚印长度1.86±0.02cm2，支撑期比重66.34%±0.56%。
图5A和6A显示的是手术前后脚印面积的变化。CPC组脚印面积从2.04±0.07 cm2手术前的值下降到24小时之后的0.66±0.06 cm2，14天以后逐渐增加到1.60±0.06 cm2。在这两种骨水泥中，在术后第一次减少后，与未加载的CPC在14天时相比，两种均可以更快地恢复到基线值。
术后24小时，骨水泥处理大鼠的步态变化达到最高水平（从基础值降到最低），这说明了CPC-Bupi和CPC-Ropi组的相比CPC组脚印面积有了显著增加（P＜0.01）：CPC-Bupi组1.44±0.06 cm2，CPC-Ropi组1.10±0.06 cm2，图5B中脚印图也可以很直观的对应此结果。与此同时，两种水泥之间也是有差异的，CPC-Bupi组脚印面积明显大。术后48小时后，两种水泥跟CPC相比，依然有差异，一直持续到第7天，CPC-Bupi组恢复到手术前的基础值时才消失。
(A) CPC组表示为黄色实线，CPC-Bupi组蓝色点虚线，PC-Ropi组绿色点划线，手术前的参考组黑色虚线。用双因素方差分析，事后分析Fisher检验，结果表示为平均值±标准差(N = 6),* P < 0.01 (CPC-Bupi vs CPC-Ropi vs CPC),** P < 0.01 anesthetic loaded-CPCs vs CPC, # P < 0.01 CPC-Bupi vs others；（B）手术后24小时每组脚印面积图
接触强度的结果也是这样（图6B）。术后24小时，与术前基础值相比，CPC组，CPC-Bupi和CPC-Ropi组分别下降了25%±2%，9%±2%，1%±2%。这三组互相比较都有显著差异（P＜0.01），48小时后，CPC组下降至最低（79%±2%），分别与CPC-Ropi组（96%±2%）和CPC-Bupi组（98%±2%）比较。有趣的是，CPC-Ropi组全程跟术前的基础值相比都没有统计差异，这一点很费解。术后第14天，CPC组和CPC-Bupi组开始回到基础值，这种差异才消失。
与脚印面积结果一致，脚印长度在术后是降低的（图6C）。24小时后，CPC组脚印长度的值为72%±2%，CPC-Bupi组和CPC-Ropi组分别为91±2%，88±2%，与CPC组相比这两组都有统计差异（P＜0.01），但是CPC-Bupi组和CPC-Ropi组本身没差异。7天后，这两组与术前基础值相比也没差异了。
（A）术前脚印面积的基础值；（B）术前脚印接触强度的基础值；（C）脚印长度占术前的百分比重；（D）支撑期比重占术前的基础值百分比；CPC组表示为黄色实线，CPC-Bupi组蓝色点虚线，PC-Ropi组绿色点划线，手术前的参考组黑色虚线。用双因素方差分析，事后分析Fisher检验，结果表示为平均值±标准差(N = 6), * P < 0.01 (CPC-Bupi vs CPC-Ropi vs CPC), ** P < 0.01 loaded-CPCs vs CPC, # P < 0.01 CPC-Bupi vs others
支撑期比重在整个手术过程中都没有表现出来差异，这两种水泥组也没有差异。相反，在24小时后，CPC组支撑起比重值降低并且和两种水泥组相比有显著差异（P＜0.01）：CPC组84%±2%，CPC-Ropi组95%±2%和CPC-Bupi组99%±2%。术后48小时开始差异消失，第7天恢复至术前的值。
总结
本文的意义在于开创了一个用来评价骨重建修复引起的疼痛的指导方法：CatWalk步态分析系统从行为上直观直接的测试，并且用了这种CPC材料和局部麻醉剂的结合来研究骨手术术后重建疼痛的缓解，对该领域的研究起到指导和借鉴作用。该研究为理解环境光调节昼行生物认知功能奠定了基础，对从环境光设计角度促进认知功能的发展具有重要意义，对临床上预防和治疗认知功能损伤提供了新的见解与方向。
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