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专利号: 2022110916860
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:包括:超声刺激控制平台,用于对小鼠施加超声刺激作用;

动物行为采集装置,用于实时采集小鼠的行为信息,采集小鼠脚底掌的运动轨迹视频;

可视化分析平台,与动物行为采集装置相连接,用于分析小鼠行为信息,并计算出小鼠的行为特征数据,包括小鼠运动速度、步幅、压力、跑步时间、停留时间的信息;

应用自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统进行闭环超声刺激方法,包括以下步骤:

S1、动物行为采集装置实时采集超声刺激中的小鼠的行为信息,为小鼠的足底轨迹视频,即第一行为信息,第一行为信息作为实时数据传入可视化分析平台进行小鼠行为特征数据的计算,或暂时存储为离线视频用于以后的分析;

S2、当所述第一行为信息作为实时数据传入到所述可视化分析平台时,可视化分析平台利用预设的视觉分析算法分析所述第一行为信息,并得到小鼠的第一行为特征数据,具体方法为:使用鼠标在识别到的小鼠身体覆盖区域的小鼠脚掌部分依次绘画封闭曲线,并依据公式计算区域内所有像素点的R、G、B各分量的平均值,其中S集合封闭曲线内的像素点,设共N个像素点,Ri为S集合内第i个像素的红色分量,R左前足为区域内像素的红色分量平均值,B左前足、G左前足两分量同理,依次框选所述小鼠的左前足、右前足、左后足、右后足可得到所述小鼠每只脚的特征,并依据公式得到所述小鼠的足部特征:

并依据十字分割线依据位置判别小鼠每只足底分为左前足、左后足、右前足、右后足;

依次手动提取小鼠每只脚掌的特征,包括右前足、左前足、右后足、左后足每只脚掌的RGB三原色各十次,对其取均值,保存为对应脚掌的特征,随后依据每只脚掌的特征对小鼠身体区域符合特征的区域即脚掌处于十字分割的四个区域判别为对应的右前足、左前足、右后足、左后足,故识别到所述小鼠每只脚掌分别为左前足、右前足、左后足、右后足;

由上述步骤可从小鼠的运动视频中识别出小鼠的每只脚掌,由于所述小鼠在运动过程中,其每只脚掌在落地与悬空状态时脚掌的RGB数值差异较大,依据阈值判断小鼠的脚掌是否处于悬浮或落地状态,进而可判断出小鼠腿部的迈动幅度、跑步速度、跑步时间以及身体扭动角度;

S3、根据实验的预期要求判定所述第一行为特征数据是否符合要求;如符合要求,保持超声刺激控制平台的控制参数不变;如不符合要求,将所述第一行为特征数据与实验预先要求对比,并生成超声刺激参数控制命令传入到所述超声刺激控制平台;

S4、超声刺激控制平台依据受到的所述超声刺激参数控制命令后,生成对小鼠不同形式的超声刺激;

S5、动物行为采集装置捕获所述不同形式超声刺激下的小鼠的行为信息,被称为第二行为信息;所述可视化分析平台分析所述第二行为信息,并生成对应的第二行为特征数据,可视化分析平台将所述第一行为特征数据与所述第二行为特征数据对比,并生成超声刺激控制参数命令送入所述超声刺激控制平台对小鼠生成超声刺激,同时将第二行为特征数据保存为第一行为特征数据以此来达到自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激。

2.根据权利要求1所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:动物行为采集装置包括电机驱动系统、动物跑道系统、光学成像系统部分;超声刺激控制平台用于接受超声刺激参数控制命令,并根据命令产生不同形式的超声刺激,包括强度、间隔时间、持续时间、大脑作用区域;所述超声刺激控制平台依据受到的所述超声刺激参数控制命令后,生成对小鼠不同形式的超声刺激。

3.根据权利要求2所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:所述电机驱动系统包括驱动动物跑道系统运动的驱动电机(6)、电机固定板(7)、电机控制器以及皮带传送装置;动物跑道系统包括胶辊、透明跑道(4)、阻隔板(5)以及跑道清洁毛刷,胶辊包括主动轮胶辊(2)和从动轮胶辊(3),透明跑道(4)套在分开一定距离的两个胶辊上,皮带传送装置带动主动轮胶辊(2)运转进而带动透明跑道(4)运转,两个胶辊的前后两侧设有支撑板(1),透明跑道(4)上在支撑板(1)中间设置有可插拔式的阻隔板(5)组成小鼠活动室(19)。

4.根据权利要求3所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:皮带传送装置为皮带同步轮与皮带(10)进行传动,皮带同步轮分别使用键槽与顶丝的方式固定于驱动电机(6)的输出轴与主动轮胶辊(2)上,并采用皮带(10)连接的方式将两个皮带同步轮连接,两个同步轮的齿数比为1:3,驱动电机(6)固定于电机固定板(7)上,通过调节所述电机控制器来达到控制动力大小进而控制透明跑道(4)。

5.根据权利要求3所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:前后支撑板(1)上对应设置有滚轴调动板(13),从动轮胶辊(3)活动地固定于滚轴调动板(13)上,从动轮胶辊(3)在滚轴调动板(13)上位置可调;小鼠活动室(19)的阻隔板(5)的后面设置有半圆柱形的凸台用于驱动小鼠按照实验预期进行奔跑,跑道清洁毛刷设置于透明跑道上方,可与透明跑道(4)进行接触。

6.根据权利要求2所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:所述光学成像系统包括反射镜平台(9)、光源与摄像机箱体(17),透明跑道(4)的上下跑道中间安装反射镜平台(9),反射镜平台(9)上固定反射镜(8),反射镜(8)将小鼠在透明跑道(4)上的足底轨迹反射进入摄像机箱体(17),摄像机箱体(17)设置于小鼠活动室(19)前方,摄像机箱体(17)采用不透光材质,上半部分开有观察窗,用于接收小鼠的行为信息,摄像机箱体(17)中间设置有凹槽导轨用于安装摄像机(12)及调节焦距,捕获被反射镜反射的小鼠足底轨迹。

7.根据权利要求2所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:所述超声刺激控制平台包括函数信号发生器、射频功率放大器以及微型头戴式超声刺激器(15),微型头戴式超声刺激器(15)以套头的方式固定于小鼠的头部,函数信号发生器产生超声波的激励信号,后经过射频功率放大器对所述激励信号进行放大,最终驱动微型头戴式超声刺激器产生所需的超声波;并随时依据可视化分析平台产生的所述小鼠行为特征数据通过调节所述信号发生器与射频功率放大器调节所述微型头戴式超声刺激器(15)产生的超声波特征。

8.根据权利要求7所述的一种自由活动小鼠行为状态依赖的闭环超声刺激系统,其特征在于:超声波特征包括超声声压幅值、刺激持续时间、刺激重复周期和刺激“关闭”时间;

所述微型头戴式超声刺激器(15)包括电源线、金属外壳、垫圈、压电陶瓷、聚焦声学透镜以及颅骨底座,垫圈固定于金属外壳与压电陶瓷中间,颅骨底座用于超声刺激器与小鼠头部的固定,函数信号发生器产生的周期性激励信号经由射频功率放大器放大作用于压电陶瓷上,产生固定频率的周期性震动即超声波,后经声学透镜聚焦作用于所述小鼠的颅骨内进而传达到小鼠的特定脑区。