一種監控動物日常活動的方法及系統的製作方法

2023-05-19 06:43:21 1

專利名稱：一種監控動物日常活動的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像數據處理技術領域，特別涉及一種監控動物日常活動的方法及系 統。
背景技術：
新藥的研發必須要進行動物實驗，根據實驗動物對藥物的反應來評估其藥理和毒 理影響。通常情況下，由於藥物有可能會引起動物生理和行為上的改變，因此監測動物的生 理參數和行為活動，獲取相關的數據，對於評價一種藥物是非常重要的。除了藥物實驗之 夕卜，基因與動物生理、行為及疾病相互之間的關係等方面的研究也非常重要，研究人員需要 知道某些特定基因的突變會引起哪些生理和行為的變化，或者病變。目前的動物藥物實驗 和基因研究一般需要監測動物的心跳、血壓、血氧濃度、體溫、進食量、飲水量、耗氧量、自主 運動、非自主運動、活動軌跡、節律和睡眠等生理及行為參數。在監測動物行為方面，目前主 要集中在對實驗動物的飲水量、進食量、體溫、血壓和運動軌跡追蹤等方面，其中有採用視 頻監測外加輔助儀器方法的，也有利用LED陣列探測的。在實際應用中，動物的睡眠和節律情況是一項非常重要的指標，對於與睡眠及節 律相關的藥物研究特別重要，例如安眠藥等一些改善睡眠的藥物；同時對於研究動物體內 與睡眠及節律相關的基因等物質也很重要，例如5-羥色胺。在實驗動物的睡眠周期節律、 時間和次數等參數獲取和分析方面，現有技術大多採用與監測人體睡眠類似的方法，即在 身體上植入或者外加電極探測腦電波或者肌動電流，根據腦電波或者肌動電流的變化來監 測睡眠狀態。但是對於實驗動物來說，這種監控方法操作複雜，對實驗者要求較高，並且一 次實驗只能記錄單個動物的睡眠情況，而藥理、毒理實驗及基因相關的病理實驗要求大量 動物的實驗數據，因此這種方法不適合大規模使用。另外，植入電極的方法會對動物身體造 成傷害，會對實驗結果產生不好的影響；有些簡單的實驗可以通過直接觀察的方法，來判斷 動物睡眠等日常活動情況是否發生變化，但是這種方法不科學，受人為影響較大，其實驗結 果容易產生較大的誤差。

發明內容
為了科學準確地獲得實驗動物的睡眠周期節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡 等實驗數據，提高實驗工作效率，本發明提供了一種監控動物日常活動的方法，所述方法包 括步驟A 採集封閉式動物飼養箱的背景圖像，並將多隻實驗動物放入所述封閉式 動物飼養箱中；步驟B:在預先設置的採樣時刻，採集所述封閉式動物飼養箱中實驗動物的圖像， 將採集到的圖像與所述背景圖像進行絕對差減，並對差減後得到的圖像中高於預先設定顯 示閾值的像素點進行標記；步驟C 計算出帶有標記的像素點的平均坐標，將所述平均坐標設定為實驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，並根據所述位置坐標計算出實驗動物相對於上一次採樣時刻 的位置坐標的運動位移及運動距離；步驟D 將實驗動物在每個採樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行 比較，並將小於等於所述閾值的運動位移所對應的位置坐標標記為一個靜止點；當連續靜 止點的個數大於等於預先設定的靜止點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一 次睡眠時間；步驟E 根據實驗動物在每個採樣時刻的位置坐標、標記的睡眠時間及睡眠次數 和靜止點的個數，得出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。
所述步驟A具體包括步驟Al 將封閉式動物飼養箱劃分成多個相同大小的獨立空間，並通過攝像頭採 集所述封閉式動物飼養箱的背景圖像；步驟A2 將多隻實驗動物分別放入每個相同大小的獨立空間中。所述步驟E具體包括步驟El 將實驗動物在每個採樣時刻的位置坐標、標記的睡眠時間及睡眠次數和 靜止點的個數存儲到計算機數據文件中；步驟E2 讀取所述數據文件中的數據，並根據預先設定的步長值將所述數據劃分 為多個區段，計算每一個區段內數據的算術平均值和標準差；步驟E3 根據所述算術平均值和標準差，分析並繪製出實驗動物的睡眠節律、睡 眠時間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。所述封閉式動物飼養箱的頂部正中有一個攝像頭安裝孔，一個側面有靜音風扇安 裝孔，以及兩側有多個飲水孔。本發明提供了一種監控動物日常活動的系統，所述系統包括第一採集模塊，用於採集並發送封閉式動物飼養箱的背景圖像；第二採集模塊，用於在預先設置的採樣時刻，採集並發送所述封閉式動物飼養箱 中實驗動物的圖像；差減模塊，用於接收所述第一採集模塊和第二採集模塊發送的圖像，並對接收到 的圖像進行絕對差減，發送差減結果；標記模塊，用於接收所述差減模塊發送的差減結果，並對差減結果中高於預先設 定顯示閾值的像素點進行標記，發送標記結果；計算設定模塊，用於接收所述標記模塊發送的標記結果，根據所述標記結果計算 出帶有標記的像素點的平均坐標，將所述平均坐標設定為實驗動物在當前採樣時刻的位置 坐標，並根據所述位置坐標計算出實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移 及運動距離，發送計算結果；比較標記模塊，用於接收所述計算設定模塊發送的計算結果，並將實驗動物在每 個採樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，將小於等於所述閾值的運動 位移所對應的位置坐標標記為一個靜止點；當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止 點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送比較標記結果；輸出模塊，用於根據所述計算設定模塊和比較標記模塊發送的計算結果和比較標 記結果，輸出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。
所述計算設定模塊包括第一計算單元，用於接收所述標記模塊發送的標記結果，並根據所述標記結果計 算出帶有標記的像素點的平均坐標，發送所述平均坐標；設定單元，用於接收所述第一計算單元發送的平均坐標，並將所述平均坐標設定 為實驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，發送所述位置坐標；第二計算單元，用於接收所述設定單元發送的位置坐標，並根據所述位置坐標計 算出實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及運動距離，發送所述運動位 移及運動距離。所述比較標記模塊包括比較單元，用於接收所述第二計算單元發送的運動位移，並將實驗動物在每個採 樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，發送比較結果；
標記單元，用於接收所述比較單元發送的比較結果，並將小於等於所述閾值的運 動位移所對應的位置坐標標記為一個靜止點，且當連續靜止點的個數大於等於預先設定的 靜止點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送標記結果。所述輸出模塊包括存儲單元，用於接收所述設定單元和標記單元發送的位置坐標和標記結果，並將 所述位置坐標和標記結果存儲到計算機數據文件中；讀取同步化單元，用於讀取所述數據文件中的數據，並將所述數據按照其採集時 間同步到統一時間軸上；分段平均單元，用於根據預先設定的步長值將所述數據劃分為多個區段，並計算 每一個區段內數據的算術平均值和標準差，發送所述算術平均值和標準差；睡眠分析單元，用於接收所述算術平均值和標準差，並根據所述算術平均值和標 準差分析出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡，發送分析結果；繪製單元，用於接收所述睡眠分析單元發送的分析結果，並根據所述分析結果繪 制出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。本發明還提供了另一種監控動物日常活動的系統，所述系統包括封閉式動物飼養 箱、照明燈、視頻採集模塊和計算機；所述照明燈安裝在所述封閉式動物飼養箱的頂部，用於設定所述封閉式動物飼養 箱內的晝夜節律變化；所述視頻採集模塊，用於採集所述封閉式動物飼養箱內的視頻圖像，並將所述視 頻圖像傳輸給所述計算機；所述計算機，用於接收且存儲所述視頻圖像，並根據所述視頻圖像分析出實驗動 物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡；所述視頻採集模塊通過數據線與所述計算機相連。所述視頻採集模塊包括視頻獲取單元和A/D轉換單元；所述視頻獲取單元，用於實時獲取所述封閉式動物飼養箱內的視頻圖像，並將獲 取到的視頻圖像發送給所述A/D轉換單元；所述A/D轉換單元，用於接收所述視頻獲取單元發送的視頻圖像，並將所述視頻 圖像進行數字離散化處理，發送給所述計算機。
有益效果本發明提供的監控動物日常活動的方法及系統，可以長時間對多隻實驗動物進行無幹擾監控，並自動獲取和分析實驗動物的睡眠周期節律、睡眠時間、睡眠次數 和運動軌跡等實驗數據，以便於開展與動物日常行為相關的藥理學、基因學和神經生物學 等方面的實驗研究，特別是與睡眠相關的研究。


圖1是本發明實施例封閉式動物飼養箱的外觀示意圖；圖2是本發明實施例監控動物日常活動的方法流程圖；圖3是本發明實施例獲取動物飼養箱參考圖像的軟體界面示意圖；圖4是本發明實施例實時監控實驗小鼠活動的軟體界面示意圖；圖5是本發明實施例實時監控實驗小鼠位置的軟體界面示意圖；圖6是本發明實施例實現監控實驗動物活動方法的軟體功能示意圖；圖7是本發明實施例計算機分析監控到的數據的軟體界面示意圖；圖8是本發明實施例計算機加載數據文件的軟體界面示意圖；圖9是本發明實施例記錄的實驗小鼠一天活動的情況示意圖；圖10是本發明實施例記錄的實驗小鼠四天活動的情況示意圖；圖11是本發明實施例記錄的實驗小鼠運動量曲線圖和睡眠時間曲線圖；圖12是本發明實施例記錄的四隻實驗小鼠的周期節律變化曲線圖；圖13是本發明實施例記錄的一隻實驗小鼠的運動軌跡圖；圖14是本發明實施例記錄的實驗數據與探測腦電波記錄的實驗數據對比圖；圖15是本發明實施例提供的第一種監控動物日常活動的系統結構示意圖；圖16是本發明實施例提供的第二種監控動物日常活動的系統結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。本發明實施例提供了一種監控動物日常活動的方法，該方法可以同時對多隻實驗 動物進行無幹擾的監控，並基於動物日常活動的監控數據，分析得到實驗動物的睡眠時間、 睡眠次數和睡眠周期節律等實驗數據，同時還可以提供實驗動物的運動軌跡及自主運動量 等行為學數據。本實施例以監控四隻小鼠為例，來闡述本發明實施例提供的技術方案。為了 更加方便地監控四隻小鼠的日常活動，本實施例將四隻小鼠分別放置在一個封閉式不透明 的長方體動物飼養箱中(如圖1所示)，該封閉式動物飼養箱的尺寸為50X50X80cm(長X 寬X高)，動物飼養箱的一側開門，動物飼養箱內部被劃分成四個獨立的20X20cm的小 隔間，每個小隔間分別飼養一隻小鼠，小鼠之間互不影響；動物飼養箱頂部正中開有一個 IOcm的攝像頭安裝孔1，用於安裝紅外攝像頭，以便採集小鼠的日常活動數據；四個獨立 的小隔間內均有墊料、食物和水；動物飼養箱的另一側開有直徑為12cm的圓孔2，用於安 裝12cm靜音風扇，以保證動物飼養箱內的空氣流通；動物飼養箱兩側開有四個飲水孔，可 以將水瓶插入其中以供小鼠的飲水；LED可控光照明燈安裝在動物飼養箱的頂部，該照明 燈受一可編程的時鐘控制開關控制，可以根據實驗要求自行設定動物飼養箱內部的晝夜變化。在對小鼠進行監控之前，在動物飼養箱內的四個獨立小隔間中均勻鋪入墊料，放入適量食物，將水瓶充滿乾淨飲用水，裝入飲水孔。參見圖2，本發明實施例提供的監控動物日常活動的方法，具體包括以下步驟步驟201 採集封閉式動物飼養箱的背景圖像，並將四隻小鼠分別放入封閉式動 物飼養箱內部的四個獨立小隔間；在將四隻小鼠放入封閉式動物飼養箱之前，通過安裝在封閉式動物飼養箱頂部正 中的紅外攝像頭來採集封閉式動物飼養箱的背景圖像，並將該背景圖像作為參考圖像，如 圖3所示；四隻小鼠被放入封閉式動物飼養箱的四個獨立小隔間之後，可以通過紅外攝像 頭實現實時監控，如圖4所示；步驟202 在預先設置的採樣時刻，紅外攝像頭以5幀/秒的速度採集封閉式動物 飼養箱的圖像，並將採集到的圖像與封閉式動物飼養箱的背景圖像進行絕對差減；步驟203 將絕對差減後的圖像中高於預先設定顯示閾值的像素點設定為255，低 於預先設定顯示閾值的像素點設定為0，得到新的二值圖；顯示閾值可以根據實驗動物皮毛的顏色與背景顏色的差別來設定；步驟204 利用傅立葉變換進行圖像除噪，並將除噪後的圖像分別劃分到四個獨 立小隔間；將除噪後的圖像分別劃分到四個獨立小隔間具體為將除噪後的屬於同一隻小鼠 的圖像劃分到對應於該小鼠所在的小隔間內；步驟205 分別計算每個小隔間中的值為255的像素點的平均坐標，並將該平均坐 標設定為與該小隔間對應的小鼠的位置坐標；如圖5所示，圖中右上側每個白色亮塊代表一隻小鼠的位置坐標；步驟206 根據小鼠的位置坐標，計算並存儲當前採樣時刻小鼠相對於上一幀圖 像採集時刻的位置坐標的運動位移及運動距離；在實際應用中，可以根據實際情況來設定監控小鼠的活動時間，即在設定的時間 內通過紅外攝像頭監控小鼠的活動，並將監控到的數據存儲到計算中預先指定的數據文件 夾目錄中；根據計算出的小鼠的運動位移及運動距離，可以得到小鼠的運動軌跡；通過統 計一段時間內的小鼠的運動位移，可以反應這段時間內小鼠的運動狀態；步驟207 將小鼠在每個採樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比 較，並將小於等於該閾值的運動位移所對應的位置坐標標記為一個靜止點，且當連續靜止 點的個數大於等於預先設定的靜止點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次 睡眠時間，存儲睡眠時間、睡眠次數和靜止點個數；在實際應用中，可以根據實驗的具體情況來設定判斷小鼠是否睡眠的時間間隔， 本實施例設定的小鼠睡眠時間間隔為35秒，即在35秒採樣時間內，如果小鼠保持身體靜止 不動，則認為小鼠處於睡眠狀態；通過統計一段時間內的小鼠的睡眠時間，可以反應這段時 間內小鼠的睡眠狀態；另外，還可以使用大鼠來實現本實施例，可以設定大鼠睡眠時間間隔為40秒，即 在40秒採樣時間內，如果大鼠保持身體靜止不動，則認為大鼠處於睡眠狀態；在實際應用中，睡眠時間、睡眠次數和靜止點個數可以存儲到計算中預先指定的 數據文件夾目錄中；
步驟208 讀取計算機數據文件中的數據，並根據預先設定的步長值將數據劃分為多個區段，計算每一個區段內數據的算術平均值和標準差；步驟209 根據計算出的算術平均值和標準差，分析並繪製出小鼠的睡眠節律、睡 眠時間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。本實施例實現了對四隻小鼠日常活動的監控，這四隻小鼠分別在各自獨立的空間 內活動；封閉式動物飼養箱為四隻小鼠提供了全封閉且無幹擾的生存空間，同時還保證了 小鼠的飲水和食物；通過控制LED可控光照明燈的照明亮度，實現了封閉式動物飼養箱封 閉空間內的晝夜節律變化。在實際應用中，可以根據實驗動物形體大小，將封閉式動物飼養箱劃分成多個獨 立的小隔間，進而實現對多隻實驗動物日常活動的監控；紅外攝像頭採集的圖像數據可以 通過數據線和視頻採集卡傳輸到計算機，計算機完成對視頻數據的處理。視頻採集卡可以 安裝在計算機的PCI擴展插槽內，或者通過其他接口方式與計算機連接，例如USB接口方 式。在具體生產實踐中，本實施例提供的技術方案可以通過計算機軟體來實現，計算 機軟體用於實現實驗動物日常活動的記錄、存儲和分析等功能，具體說該軟體界面由參考 圖像窗口、實時圖像窗口、圖像顯示閾值調節、程序控制按鈕、實驗動物位置坐標與運動距 離顯示欄和數據存儲欄等部分構成，如圖6所示。在獲取實驗動物日常活動數據後，計算機 軟體對數據進行分析，得到實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數及運動軌跡等實驗結 果。計算機軟體判定實驗動物是否進入睡眠狀態的依據是實驗動物的位置坐標連續在預 先設定的時間(小鼠為35秒，大鼠為40秒)內保持不變，則認為實驗動物正處於睡眠狀態， 否則認為飼養動物處於運動狀態。數據分析的主界面如圖7所示，點"load"按鈕可以設 定需要加載的文件的路徑(如圖8所示)，設定好路徑後就可按"Add"按鈕將該文件加入 到要分析的文件列表中，此時就可以對添加的文件簡單作圖，點擊「plot」按鈕。圖9示出 了一天時間內實驗動物的活動情況。另外，還可以利用通配符一次添加多個文件，並對添加 的多個文件簡單作圖，得到連續四天內實驗動物的活動情況(如圖10所示)。點擊"Even plot"按鈕以選定的時段長度對讀入數據分時段平均作圖(如圖11所示)，本實施例以12 小時為時間段長度，得到的平均段分析結果，其中兩條曲線分別為動物運動量曲線和動物 睡眠時間曲線，兩條曲線為互補關係，即運動量少則睡眠時間多，反之同理。在分段統計後 就可以點擊"Phase display"按鈕，分別畫出四隻小鼠的節律變化圖(如圖12所示)，其 中圖12 —共有四欄，每一欄分別表示一隻實驗小鼠睡眠節律變化情況，一共記錄了連續三 天的數據，每一欄中的三條曲線分別代表每一天小鼠睡眠節律變化情況；點擊「histom」得 到動物的運動軌跡圖，如圖13所示。實驗數據表明，與通過探測腦電波確定動物睡眠狀態的方法相比較，本發明實施 例提供的方法得到的動物睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡等實驗結果準確可靠， 如圖14所示。本發明實施例提供的方法操作簡單，科學準確，對操作人員要求低，對實驗動 物無任何幹擾，且一次可同時記錄及分析多隻實驗動物的日常活動狀態，適合大規模使用。參見圖15，本發明實施例提供了一種監控動物日常活動的系統，該系統包括第一採集模塊，用於採集並發送封閉式動物飼養箱的背景圖像；第二採集模塊，用於在預先設置的採樣時刻，採集並發送封閉式動物飼養箱中實驗動物的圖像；
差減模塊，用於接收第一採集模塊和第二採集模塊發送的圖像，並對接收到的圖像進行絕對差減，發送差減結果；標記模塊，用於接收差減模塊發送的差減結果，並對差減結果中高於預先設定顯 示閾值的像素點進行標記，發送標記結果；計算設定模塊，用於接收標記模塊發送的標記結果，根據標記結果計算出帶有標 記的像素點的平均坐標，將平均坐標設定為實驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，並根據 位置坐標計算出實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及運動距離，發送 計算結果；比較標記模塊，用於接收計算設定模塊發送的計算結果，並將實驗動物在每個採 樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，將小於等於閾值的運動位移所對 應的位置坐標標記為一個靜止點；當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止點個數閾 值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送比較標記結果；輸出模塊，用於根據計算設定模塊和比較標記模塊發送的計算結果和比較標記結 果，輸出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。其中，計算設定模塊包括第一計算單元，用於接收標記模塊發送的標記結果，並根據標記結果計算出帶有 標記的像素點的平均坐標，發送平均坐標；設定單元，用於接收第一計算單元發送的平均坐標，並將平均坐標設定為實驗動 物在當前採樣時刻的位置坐標，發送位置坐標；第二計算單元，用於接收設定單元發送的位置坐標，並根據位置坐標計算出實驗 動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及運動距離，發送運動位移及運動距罔。其中，比較標記模塊包括比較單元，用於接收第二計算單元發送的運動位移，並將實驗動物在每個採樣時 刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，發送比較結果；標記單元，用於接收比較單元發送的比較結果，並將小於等於閾值的運動位移所 對應的位置坐標標記為一個靜止點，且當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止點個 數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送標記結果。其中，輸出模塊包括存儲單元，用於接收設定單元和標記單元發送的位置坐標和標記結果，並將位置 坐標和標記結果存儲到計算機數據文件中；讀取同步化單元，用於讀取數據文件中的數據，並將數據按照其採集時間同步到 統一時間軸上；分段平均單元，用於根據預先設定的步長值將數據劃分為多個區段，並計算每一 個區段內數據的算術平均值和標準差，發送算術平均值和標準差；睡眠分析單元，用於接收算術平均值和標準差，並根據算術平均值和標準差分析 出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡，發送分析結果；繪製單元，用於接收睡眠分析單元發送的分析結果，並根據分析結果繪製出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。參見圖16，本發明實施例還提供了另一種監控動物日常活動的系統，該系統包括 封閉式動物飼養箱、照明燈、視頻採集模塊和計算機。其中，照明燈安裝在封閉式動物飼養 箱的頂部，用於設定動物飼養箱內的晝夜節律變化；視頻採集模塊，用於採集封閉式動物飼 養箱內的視頻圖像，並將視頻圖像傳輸給計算機；計算機，用於接收且存儲視頻圖像，並根 據視頻圖像分析出動物睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。視頻採集模塊通過數據 線與計算機相連。視頻採集模塊包括視頻獲取單元和A/D轉換單元；視頻獲取單元，用於實時獲取 封閉式動物飼養箱內的視頻圖像，並將獲取到的視頻圖像發送給A/D轉換單元；A/D轉換單 元，用於接收視頻獲取單元發送的視頻圖像，並將視頻圖像進行數字離散化處理，發送給計 算機。在實際應用中，視頻獲取單元可以但不限於紅外攝像頭；A/D轉換單元可以但不限於 視頻採集卡；照明燈可以但不限於程序可控LED燈；計算機存儲有用於分析動物日常活動 數據的軟體。本實施例採用紅外攝像頭記錄實驗動物的日常運動，通過計算機中存儲的運動距 離記錄與分析軟體處理後，得到被觀察實驗動物的睡眠周期節律變化、睡眠時間、睡眠次數 及運動軌跡等行為科學學數據。本發明提供的監控動物日常活動的方法及系統，可以長時間對多隻實驗動物進行無幹擾監控，並自動獲取和分析實驗動物的睡眠周期節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡 等實驗數據，以便於開展與動物日常行為相關的藥理學、基因學和神經生物學等方面的實 驗研究，特別是與睡眠相關的研究。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種監控動物日常活動的方法，其特徵在於，所述方法包括步驟A採集封閉式動物飼養箱的背景圖像，並將多隻實驗動物放入所述封閉式動物飼養箱中；步驟B在預先設置的採樣時刻，採集所述封閉式動物飼養箱中實驗動物的圖像，將採集到的圖像與所述背景圖像進行絕對差減，並對差減後得到的圖像中高於預先設定顯示閾值的像素點進行標記；步驟C計算出帶有標記的像素點的平均坐標，將所述平均坐標設定為實驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，並根據所述位置坐標計算出實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及運動距離；步驟D將實驗動物在每個採樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，並將小於等於所述閾值的運動位移所對應的位置坐標標記為一個靜止點；當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間；步驟E根據實驗動物在每個採樣時刻的位置坐標、標記的睡眠時間及睡眠次數和靜止點的個數，得出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。
2.如權利要求1所述的監控動物日常活動的方法，其特徵在於，所述步驟A具體包括 步驟Al 將封閉式動物飼養箱劃分成多個相同大小的獨立空間，並通過攝像頭採集所述封閉式動物飼養箱的背景圖像；步驟A2 將多隻實驗動物分別放入每個相同大小的獨立空間中。
3.如權利要求1所述的監控動物日常活動的方法，其特徵在於，所述步驟E具體包括 步驟El 將實驗動物在每個採樣時刻的位置坐標、標記的睡眠時間及睡眠次數和靜止點的個數存儲到計算機數據文件中；步驟E2:讀取所述數據文件中的數據，並根據預先設定的步長值將所述數據劃分為多 個區段，計算每一個區段內數據的算術平均值和標準差；步驟E3:根據所述算術平均值和標準差，分析並繪製出實驗動物的睡眠節律、睡眠時 間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。
4.如權利要求1-3中任一權利要求所述的監控動物日常活動的方法，其特徵在於，所 述封閉式動物飼養箱的頂部正中有一個攝像頭安裝孔，一個側面有靜音風扇安裝孔，以及 兩側有多個飲水孔。
5.一種監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述系統包括 第一採集模塊，用於採集並發送封閉式動物飼養箱的背景圖像；第二採集模塊，用於在預先設置的採樣時刻，採集並發送所述封閉式動物飼養箱中實 驗動物的圖像；差減模塊，用於接收所述第一採集模塊和第二採集模塊發送的圖像，並對接收到的圖 像進行絕對差減，發送差減結果；標記模塊，用於接收所述差減模塊發送的差減結果，並對差減結果中高於預先設定顯 示閾值的像素點進行標記，發送標記結果；計算設定模塊，用於接收所述標記模塊發送的標記結果，根據所述標記結果計算出帶 有標記的像素點的平均坐標，將所述平均坐標設定為實驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，並根據所述位置坐標計算出實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及 運動距離，發送計算結果；比較標記模塊，用於接收所述計算設定模塊發送的計算結果，並將實驗動物在每個採 樣時刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，將小於等於所述閾值的運動位移 所對應的位置坐標標記為一個靜止點；當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止點個 數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送比較標記結果；輸出模塊，用於根據所述計算設定模塊和比較標記模塊發送的計算結果和比較標記結 果，輸出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。
6.如權利要求5所述的監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述計算設定模塊包括第一計算單元，用於接收所述標記模塊發送的標記結果，並根據所述標記結果計算出 帶有標記的像素點的平均坐標，發送所述平均坐標；設定單元，用於接收所述第一計算單元發送的平均坐標，並將所述平均坐標設定為實 驗動物在當前採樣時刻的位置坐標，發送所述位置坐標；第二計算單元，用於接收所述設定單元發送的位置坐標，並根據所述位置坐標計算出 實驗動物相對於上一次採樣時刻的位置坐標的運動位移及運動距離，發送所述運動位移及 運動距離。
7.如權利要求6所述的監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述比較標記模塊包括比較單元，用於接收所述第二計算單元發送的運動位移，並將實驗動物在每個採樣時 刻的運動位移與預先設定的運動位移閾值進行比較，發送比較結果；標記單元，用於接收所述比較單元發送的比較結果，並將小於等於所述閾值的運動位 移所對應的位置坐標標記為一個靜止點，且當連續靜止點的個數大於等於預先設定的靜止 點個數閾值時，標記連續靜止點對應的採樣時間為一次睡眠時間，發送標記結果。
8.如權利要求7所述的監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述輸出模塊包括 存儲單元，用於接收所述設定單元和標記單元發送的位置坐標和標記結果，並將所述位置坐標和標記結果存儲到計算機數據文件中；讀取同步化單元，用於讀取所述數據文件中的數據，並將所述數據按照其採集時間同 步到統一時間軸上；分段平均單元，用於根據預先設定的步長值將所述數據劃分為多個區段，並計算每一 個區段內數據的算術平均值和標準差，發送所述算術平均值和標準差；睡眠分析單元，用於接收所述算術平均值和標準差，並根據所述算術平均值和標準差 分析出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡，發送分析結果；繪製單元，用於接收所述睡眠分析單元發送的分析結果，並根據所述分析結果繪製出 實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡曲線圖。
9.一種監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述系統包括封閉式動物飼養箱、照明 燈、視頻採集模塊和計算機；所述照明燈安裝在所述封閉式動物飼養箱的頂部，用於設定所述封閉式動物飼養箱內 的晝夜節律變化；所述視頻採集模塊，用於採集所述封閉式動物飼養箱內的視頻圖像，並將所述視頻圖 像傳輸給所述計算機；所述計算機，用於接收且存儲所述視頻圖像，並根據所述視頻圖像分析出實驗動物的 睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡；所述視頻採集模塊通過數據線與所述計算機相連。
10.如權利要求9所述的監控動物日常活動的系統，其特徵在於，所述視頻採集模塊包 括視頻獲取單元和A/D轉換單元；所述視頻獲取單元，用於實時獲取所述封閉式動物飼養箱內的視頻圖像，並將獲取到 的視頻圖像發送給所述A/D轉換單元；所述A/D轉換單元，用於接收所述視頻獲取單元發送的視頻圖像，並將所述視頻圖像 進行數字離散化處理，發送給所述計算機。
全文摘要
本發明公開了一種監控動物日常活動的方法及系統，屬於圖像數據處理技術領域。所述方法包括採集動物飼養箱的背景圖像，放入實驗動物；採集動物圖像，將其與背景圖像進行差減，對差減中高於顯示閾值的像素點標記；計算標記像素點的平均坐標，並計算出運動位移及運動距離；將小於等於設定閾值的運動位移對應的位置坐標標記為靜止點，當連續靜止點個數大於等於靜止點個數閾值時，標記一次睡眠；根據標記的結果，得出實驗動物的睡眠節律、睡眠時間、睡眠次數和運動軌跡。本發明還提供了兩種監控動物日常活動的系統。本發明可以長時間對多隻實驗動物進行無幹擾監控，並自動獲取和分析實驗動物的睡眠周期節律、時間、次數和運動軌跡等實驗數據。
文檔編號A01K1/03GK101826197SQ200910079539
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者丁澄, 佔成, 羅敏敏 申請人:北京百奧金生物科技有限公司