斑馬魚行為誘發系統的製作方法
2023-05-15 13:33:11
專利名稱：斑馬魚行為誘發系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物分析系統，尤其是涉及一種模式生物斑馬魚行為誘發和分析系統。
背景技術：
模式生物斑馬魚在生命科學領域廣泛應用於腫瘤、造血系統疾病、心血管疾病、眼科疾病、腎病疾病、骨骼相關疾病、癲癇、神經系統等各項研究。斑馬魚行為學分析是一項重要的研究手段，但目前已有的行為系統不能用於成年斑馬魚OKR(optokinetic response, 眼動反應)、0MR(optomotor response，視動反應)等行為的誘發和分析。
實用新型內容本實用新型的目的是提出一種斑馬魚行為誘發和分析系統，能夠進行成年斑馬魚的OKR分析。本實用新型提出一種斑馬魚行為學誘發和分析系統，包括視覺刺激裝置、攝像頭以及分析系統。視覺刺激裝置至少能夠誘發斑馬魚的眼動反應、視動反應行為。攝像頭用以拍攝斑馬魚的行為，以獲得視頻數據。分析系統輸入所述視頻數據進行行為學分析，以獲得斑馬魚的眼動反應和視動反應行為學數據。在本實用新型的一實施例中，所述視覺刺激裝置是機械式視覺刺激裝置，其包括電機、傳動裝置、光柵、以及燈管，所述電機用於產生旋轉動力，所述傳動裝置用於把電機的轉動傳遞至光柵以帶動光柵轉動，所述燈管用於照亮光柵產生視覺圖像。在本實用新型的一實施例中，所述視覺刺激裝置是弧形屏刺激器，其包括容納斑馬魚的容器和包圍該容器的弧形屏顯示器，該弧形屏顯示器產生圖像，作為斑馬魚的視覺刺激。在本實用新型的一實施例中，所述分析系統是基於預設的一個或多個模板對選定的視頻圖像的一個或多個感興趣區域進行模板匹配，以跟蹤獲取斑馬魚眼動反應行為的眼動角度數據。在本實用新型的一實施例中，所述分析系統是從視頻圖像中扣除背景再剪切出選定的感興趣區域並通過二值化分離出目標，以跟蹤獲取斑馬魚視動反應行為的角度數據。本實用新型由於採用以上技術方案，使得能夠對成年斑馬魚和幼年斑馬魚進行眼動反應分析。進一步，還能夠對成年斑馬魚進行視動反應分析，且對幼年斑馬魚進行多點跟
S示ο
圖1示出本實用新型一實施例的行為誘發和分析系統示意圖。圖2示出本實用新型一實施例的視覺刺激裝置示意圖。圖3示出圖2所示裝置的控制電路圖。圖4示出本實用新型另一實施例的視覺刺激裝置示意圖。[0015]圖5示出圖4所示裝置的驅動電路圖。圖6示出本實用新型一實施例的行為學分析系統架構。圖7示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OKR分析原理。圖8示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OKR分析流程圖。圖9示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OKR分析界面。圖10示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OMR分析流程圖。圖11示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OMR分析界面。圖12示出本實用新型一實施例的幼年斑馬魚OKR分析原理。圖13示出本實用新型一實施例的幼年斑馬魚OKR分析流程圖。圖14示出本實用新型一實施例的幼年斑馬魚OKR分析界面。
具體實施方式
為讓本實用新型的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作詳細說明。圖1示出本實用新型一實施例的行為誘發和分析系統示意圖。參照圖1所示，斑馬魚行為學系統1000包括視覺刺激裝置100、攝像頭200、數據採集單元300及分析系統 400。視覺刺激裝置100用於給斑馬魚運動的光柵圖像刺激，形成特定的斑馬魚行為。 視覺刺激裝置的不同實施例將在後文參照圖2-5來描述。攝像頭200用於採集斑馬魚運動的視頻信息。在本實用新型的實施例中，攝像頭 200可以使用CCD或者CMOS通用攝像頭和軟體來構建。為了有效地分析數據，攝像頭200 的採集幀率> 25幀/秒。數據採集單元300用於從攝像頭200獲取視頻信息，並輸入分析系統400。分析系統400用於存儲視頻信息，並對視頻進行分析，獲取不同斑馬魚行為學數據。分析系統400的具體構成實例將在後文參照圖6來描述。在本實用新型一實施例中，數據採集單元300和分析系統400可由硬體實施。對於硬體實施而言，本文中所描述的實施例可在一個或多個專用集成電路(ASIC)或數位訊號處理器(DSP)中來實現。在本實用新型另一實施例中，數據採集單元300和分析系統400 可由計算機來構建。斑馬魚行為學系統1000的實施例可廣泛地適用於成年斑馬魚(後文簡稱成魚) 0KR、成魚OMR、幼年斑馬魚(後文簡稱幼魚)0KR、幼魚多點追蹤分析。然而在不同的實施例中，斑馬魚行為學系統1000可以僅適用於部分場合的分析，例如成魚OKR分析。對於以硬體實施的分析系統來說，在不同的實施例中，硬體可能需要有所變動。圖2示出本實用新型一實施例的視覺刺激裝置示意圖。參照圖2所示，該示例為機械式視覺刺激裝置。斑馬魚機械式視覺刺激裝置100的主要結構包括殼體101，齒輪傳動裝置102，電機103，控制面板104，光柵託盤105，光柵106，環形燈光107，魚缸託盤108 以及控制電路110等。電機103通過齒輪傳動裝置102帶動光柵託盤105轉動，光柵託盤 105的轉動帶動光柵106轉動。通過控制面板104可以控制環形燈107的開關、電機103的正反轉和轉速。[0034]圖3示出圖2所示視覺刺激裝置的控制電路，參照圖3所示，控制電路110由220V 電源供電。測速探頭111用於檢測電機103的實時轉速，轉速表112用於顯示速度，電阻Rl 用於調節電機的速度。開關K2、K3設在控制面板104上，分別控制環形燈107和電機103 的正反轉。機械式視覺刺激裝置功能和特點是1.提供均勻的散射光，光柵圖像均勻清晰；2.實時顯示光柵轉速，並且能調節光柵轉動方向和光柵轉速來改變光柵是時間頻率；3.光柵拆裝容易，能方便地更換光柵的空間頻率。除了使用以上描述的機械式視覺刺激裝置，還可以使用如圖4所示的另一實施例的視覺刺激裝置100，即弧形屏刺激器作為斑馬魚的視覺刺激。弧形屏刺激器使用弧形屏顯示器128與魚缸或者培養皿相結合。弧形屏顯示器1 可以根據程序控制顯示圖像，可以實現多種刺激模式。刺激的光柵可以任意的改變空間頻率、時間頻率、光柵的運動方向、顏色、角度以及斑馬魚左右眼不對稱刺激，同時也可以顯示複雜的圖像。圖5示出圖4所示的弧形屏顯示器128的驅動電路。驅動電路中包含CPU122、存儲器124、顯示接口 126。CPU 122可從存儲器124中讀取程序來執行，產生圖像，通過顯示接口 1 的驅動，在弧形屏顯示器1 上顯示。由於省去了機械結構，整個刺激裝置體積小、結構簡潔。而且使用程序控制，實現了自動化，使用方便。圖6示出本實用新型一實施例的行為學分析系統架構。參照圖6所示，行為學分析系統400可包括視頻分析模塊402、數據修正模塊404和數據導出模塊406。為了使該分析系統400適用於成魚0KR、成魚OMR、幼魚0KR、以及幼魚多點追蹤分析等不同情形，上述這些模塊，尤其是視頻分析模塊需要調整，以用於分析各種不同的斑馬魚行為學視頻數據類型。以下介紹在不同場合下進行分析的過程。成魚的OKR成魚的OKR是在斑馬魚身體被固定的條件下進行光柵刺激，左、右眼會跟跟蹤光柵的運動。這時需要分析的是視頻中每一幀左、右眼相對於中心線運動的角度。由此獲得斑馬魚OKR角度隨時間的曲線，即可從曲線中分析出眼動的角度、幅度、周期、次數等參數。首先是OKR行為學誘發。成年斑馬魚經麻醉劑麻醉後，用大頭針或者其他固定裝置固定，阻止其遊動。待斑馬魚清醒後適應5 lOmin，把固定斑馬魚置於機械式視覺刺激裝置中(如圖2)，或者弧形屏刺激器中(如圖4)。給光刺激適應約aiiin，通過攝像頭200 記錄成年斑馬魚頭部的0KR，如圖7所示。圖7示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OKR分析原理。從圖7所示的成魚的形態特徵可以看出成魚的左眼和右眼，背側觀，由此可以明顯地看出眼球的特徵線。因此在進行分析時，可使用圖像中的某一部分作為模板，使用模板匹配(Match Pattern)算法在圖中尋找與模板匹配的圖像，並最終獲得與左眼、右眼、中心相匹配圖像的數目、方向、坐標等參數。成魚OKR的分析過程如圖8所示。首先是設置左眼、右眼、中心模板的步驟S 1。這一步驟實現後述的模板匹配(Pattern Match)步驟S3所需的模板圖像的選取。其次是設置ROI (region of interest，感興趣區)，該步驟實現三個與左眼、右眼、中心對應的感興趣區域。在步驟S3進行模板匹配，通過圖像模塊匹配算法獲得左眼、右眼、中心三個模板對應的坐標和角度。最後在步驟S4存儲這些坐標和角度等數據。圖9示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OKR分析界面500。在界面500的左側有圖像區域502，通過設置三個模板504、506、508作為跟蹤對象，分別在三個ROI區域內通過模板匹配算法，跟蹤獲取視頻中斑馬魚眼動角度數據。在界面的右側有曲線區域510， 其分別顯示左眼、右眼和中心的運動曲線。成魚的OMR當光柵移動時成年斑馬魚會追隨光柵圍繞魚缸做圓周運動，這即是成魚OMR。首先將成魚置於如圖2或圖4所示的視覺刺激裝置100內，光適應幾分鐘後，攝像頭200記錄運動光柵順時針或逆時針給視覺刺激的視頻。通過觀察可知，成魚的運動有以下特點在圓心的空間內作往復的圓周運動；體形會在運動過程中改變。因此，這裡結合使用扣除背景和圖像二值化分析算法，通過背景扣除，來分離出要跟蹤的目標。再經二值化後獲取二值圖形的坐標。由於斑馬魚作循環的圓周運動，可以從視頻不同幀的圖形中經過剪切合併，合成
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出冃足。具體分析過程如圖10所示。首先在步驟Sll扣除背景，使用待分析的圖像減去背景以獲得與背景不同的對象。因為光柵是轉動的，扣除背景後，光柵也會出現在圖像中。因此為了避免光柵的幹擾，在步驟S12，在扣除背景的圖像中剪切出一個圓形的ROI區域作為分析的對象；在步驟S13，設置閾值把圖像二值化，分離出目標；再經過步驟S14的二值圖分析可以獲得追蹤的目標；最後在步驟S15儲存數據。圖11示出本實用新型一實施例的成年斑馬魚OMR分析界面600。在圖11所示的界面600中，左側有圖像區域602，其中央的包含成魚圖像的圓形區域604為ROI區域。界面右側有曲線區域606，其顯示成魚在圓形區域604中的所處角度變化曲線。由此通過合成背景、扣除背景、ROI選取、二值化閾值設置獲得跟蹤的目標，分析一段視頻內斑馬魚逆/順時針時針運動的圈數，以及運動距離、平均速度，最終獲得斑馬魚視覺刺激後的運動變化。幼魚的OKR由於幼魚與成魚在體形特徵上有所不同，因此分析方法相應進行調整。分析幼魚 OKR時，定義了體軸作為中心線，左右眼轉動的角度以中心線為參考，計算其相對角度，如圖 12所示。幼魚的色素主要集中在眼部，在頭部體表的色素上皮細胞也含有部分色素，但與眼部顏色相比較淺，且分散，因此經過二值化後，可以把兩個眼球從背景中分離出來。首先進行誘發。將幼魚浸於甲基纖維素內，或者使用低溫瓊脂糖固定其位置，把幼魚置於機械式視覺刺激裝置(如圖2)或弧形屏刺激器(如圖4)內，給光柵刺激，同時攝像頭200記錄視頻。分析流程如圖13所示。流程從兩個方向同時或者先後進行。在步驟S21，視頻的每一幀圖像，首先從圖中選取一個局部圖像作為幼魚眼動角度的參考中心，設置成為中心模板。在步驟S22，通過模板匹配算法，獲得參考中心的坐標和角度，再到步驟幻6存儲數據。在分析眼動角度時，在步驟S23，選取設置頭部為ROI區域，然後在步驟S24，提取ROI 圖像經過二值化後處理後，兩個眼球對應為兩個值為1的粒子，通過於步驟S25分析二值圖可以獲取左右眼球對應的坐標和角度。然後在步驟S^存儲跟蹤獲得數據。圖14示出本實用新型一實施例的幼年斑馬魚OKR分析界面700。在圖14所示的界面700中，左側有圖像區域702，設置幼年卵黃區作為幼魚的中心模板，在圖像區域702內設置一個ROI矩形框界定的幼魚頭部區域704，經過模板匹配、圖像二值化、二值化分析後獲得左右眼的坐標和角度。界面右側有曲線區域706，其顯示幼魚在左右眼的角度變化曲線。在視頻數據分析以後，為了消除因視頻圖像質量，參數設置不當等原因造成的少數幀圖象的分析錯誤，可以對該數據進行手動矯正，獲取可靠的數據。最後是數據輸出，輸出斑馬魚在每一幀的坐標X，Y、總幀數、總時間、總距離、平均速度、總運動圈數(0ΜΙ )，順時針方向的圈數(OMR)，逆時針圈數(OMR)；眼動角度(OKR)Jg 動次數(OKR)，平均眼動幅度(OKR)。其中，總時間
權利要求1.一種斑馬魚行為學誘發系統，其特徵在於包括視覺刺激裝置，至少能夠誘發斑馬魚的眼動反應、視動反應行為； 攝像頭，用以拍攝斑馬魚的行為，以獲得視頻信息； 數據採集單元，從該攝像頭獲取視頻信息，並輸入一分析系統。
2.如權利要求1所述的斑馬魚行為學誘發系統，其特徵在於，所述視覺刺激裝置是機械式視覺刺激裝置，其包括電機、傳動裝置、光柵、以及燈管，所述電機用於產生旋轉動力， 所述傳動裝置用於把電機的轉動傳遞至光柵以帶動光柵轉動，所述燈管用於照亮光柵產生視覺圖像。
3.如權利要求1所述的斑馬魚行為學誘發系統，其特徵在於，所述視覺刺激裝置是弧形屏刺激器，其包括容納斑馬魚的容器和包圍該容器的弧形屏顯示器，該弧形屏顯示器產生圖像，作為斑馬魚的視覺刺激。
專利摘要本實用新型涉及一種斑馬魚行為學誘發系統。該系統包括視覺刺激裝置、攝像頭以及數據採集單元。視覺刺激裝置至少能夠誘發斑馬魚的眼動反應、視動反應行為。攝像頭用以拍攝斑馬魚的行為，以獲得視頻數據。數據採集單元，從該攝像頭獲取視頻信息，並輸入一分析系統。分析系統輸入所述視頻數據進行行為學分析，以獲得斑馬魚的眼動反應和視動反應行為學數據。本實用新型可用於成年斑馬魚的眼動反應、視動反應分析，以及幼年斑馬魚的眼動反應分析。
文檔編號A01K61/00GK202184048SQ2011200497
公開日2012年4月11日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者胡兵, 鄒蘇琪, 黃玉斌 申請人:中國科學技術大學