基于红外热像跟踪的无偏性动物行为测定实验系统

技术领域

本发明涉及动物行为测定实验系统，具体涉及一种基于红外热像视频跟踪的无偏性鼠类行为测定实验系统。

背景技术

药物成瘾是一种慢性复发性疾病，表现为强迫性的用药行为、强烈的药物渴求及复发。而药物的奖赏效应是诱发精神依赖、导致强迫性觅药行为和复吸的最主要原因之一。为从不同角度模拟人的觅药行为，反应药物的正性强化效应，目前已有多种评价药物依赖的动物行为药理学模型，目前各实验室使用最广泛的是条件性位置偏爱(conditioned place preference，简称CPP)实验以及运动活性(locomotor activity，LA)测定。因此，能对鼠类自动进行行为测定的实验系统的建立，对药物依赖研究具有极其重要的辅助作用。

CPP实验装置可分为有偏性设计和无偏性设计，目前大多采用有偏性设计方法，但有偏性设计存在一些不足之处。首先，在决定哪一侧环境是伴药环境时，选择已测中的偏爱侧为伴药环境会混淆条件性与非条件性偏爱，并且天花板效应可能会削弱CPP效应，不利于实验模型的建立；而将药物与已测中的非偏爱侧环境相匹配，是以动物对该侧环境厌恶的减弱来衡量药物奖赏效应的强弱。有偏性设计的不足之处还在于可能产生假阳性结果，药物的抗焦虑成分会减弱对原本非偏爱的厌恶，而不是药物的奖赏作用引发了动物的偏爱，此外，厌恶的减弱与奖赏性刺激引发的偏爱是否具有相同的神经机制也没有一致意见。而采用无偏性设计可以避免出现这些误差。

其次，目前国内外应用的行为测定实验系统普遍采用光电管自动计数装置，存在实验获取的信息指标单一、实验过程中不能观察动物如鼠类活动状况等缺陷。有些虽然采用视频图像分析追踪动物如鼠类的运动轨迹进行特征数据计算，但是动物如鼠类活动留下的尿液对动物行为测定有很大的干扰，以致不能全程准确跟踪动物如鼠类不同行为状态时的位置，分析结果存在一定的误差；并且一般的视频跟踪必须要在一定照度下才能识别，这样就无法避免灯光因素对动物如鼠类活动的影响。

再者，目前CPP实验装置对实验动物如鼠的毛色有特别要求，由于视频识别等因素只能选择白色种系的动物进行实验，实验系统存在一定的局限性和片面性。

在实现了视频跟踪动物行为并进行自动识别与测定分析结果之后，追求高准确性、高自动化、高计算效率、而又能满足动物如鼠类生物实验环境特殊要求的动物如鼠类行为测定系统，一直是当前各实验室研究动物模型的重点。例如，如何消除鼠类活动留下的尿液对行为分析的影响，如何准确跟踪鼠类不同行为状态时的位置，如何保持实验环境的低噪声与暗环境等。

发明内容

本发明提供了一种基于红外热像跟踪的无偏性动物行为测定实验系统，采用硬件装置和软件两部分相结合，可在低噪声、暗环境条件下进行条件性位置偏爱实验，该实验系统的实验周期可控，即使有尿液等干扰也可准确获取多项动物如鼠类特征数据，并全程监控动物如鼠类行动轨迹。

一种基于红外热像跟踪的无偏性动物行为测定实验系统，由硬件装置和测定系统两部分组成，所述的硬件装置包括箱体、置于箱体内的动物活动盒以及与箱体连通的新风系统；所述的测定系统为红外热像跟踪测定系统，由系统硬件和测定软件组成，系统硬件包括红外热像成像仪、红外热像视频采集卡和计算机，红外热像成像仪通过数据线连接计算机并置于箱体顶部，红外热像视频采集卡和测定软件安装在计算机上，测定软件包括以下模块：红外热像视频采集、参数设置、动物轨迹计算、特征数据计算、结果格式化显示和保存。

所述的动物可选用实验常用动物，对动物的颜色没有限制，优选鼠类动物，如大鼠、小鼠等。

所述的动物活动盒由若干个穿梭盒组成，每一个穿梭盒中间设有一活动的隔板，该隔板训练阶段为封闭型隔板，测试阶段为通道型隔板，将穿梭盒分隔为第一盒子和第二盒子，第一盒子和第二盒子的四周均为黑色，底面粗糙。其中第一盒子标记为伴药盒，第二盒子标记为对照盒。

所述的穿梭盒可选用聚氯乙烯(PVC)材料来制备。

所述的动物活动盒置于红外热像成像仪的图像采集范围内即可，优选位于红外热像成像仪的正下方，便于采集动物活动盒内各动物的红外运动热像图。

所述的箱体优选隔音箱体，可采用1～4mm厚的隔音板来制备隔音箱体，比如一种由深圳华蝶隔音材料有限公司生产的型号为ep100的高分子高效隔音板材，其具有高效隔音性能，耐水、耐老化、耐候、抗臭氧，防火级为难燃2级。

所述的新风系统可选用本领域通用的现有产品，优选背景噪音可控制在30分贝(dB)以下的新风系统，以便为动物提供正常的活动环境，免受噪音的干扰。

所述的红外热像成像仪可选用通用的现有产品，如主动红外热像成像仪或被动红外热像成像仪。主动热像成像仪需要主动发射红外射线的发射机，与其相比，被动热像成像仪靠探测生命体(如鼠类)发射的10μm左右的红外线而进行工作，主要优点是：自身不主动发出任何类型的红外线，从而减少了对受试动物的影响；另一方面，黑暗环境与光亮环境中都可有效成像，对实验环境的光照条件没任何要求，因此，优选被动红外成像的热像视频摄像仪。可采用专门部门购置的符合规定的标准化器件，例如美国FLIR公司的Photon-320。

所述的红外热像视频采集卡、计算机和数据线均可采用直接购置的标准化器件。

所述的红外热像跟踪测定系统的测定软件为面向动物如鼠类的行为学红外热像视频自动测定软件，适用于专门实验箱的动物如鼠类行为红外热像视频的测定。

动物行为测定实验阶段采集的动物红外运动热像图可采用红外热像跟踪测定系统来测定受试动物的位置偏爱、运动活性和探索行为等指标，这些指标可通过受试动物的特征数据来表现。

所述的红外热像跟踪测定系统进行动物行为测定的步骤如下：

(I)安装红外热像跟踪测定系统的系统硬件；

(II)安装红外热像跟踪测定系统的测定软件；

(III)启动红外热像跟踪测定系统的运行程序，对红外热像跟踪测定系统的系统硬件进行初始化；包括红外热像成像仪、红外热像视频采集卡和计算机的初始化；红外热像成像仪的初始化为设定红外热像跟踪测定系统的视频测定视场，设定红外热像跟踪测定系统的采样周期；

所述红外热像跟踪测定系统的视频测定视场为若干个穿梭盒所在的区域；

(IV)红外热像成像仪根据设定的采样周期采集视频测定视场内的红外热像图像并记录相对应的采集时间，红外热像成像仪将采集到的红外热像图像数据输入到红外热像视频采集卡；

(V)红外热像视频采集卡对红外热像图像数据进行模数转换，变成数字红外热像图像数据，并将数字红外热像图像数据传输到计算机；

(VI)测定软件对每一帧数字红外热像图像计算后得到动物位置的轨迹点，根据动物位置的轨迹点生成动物的行为轨迹集合。

步骤(VI)中，所述的测定软件对每一帧数字红外热像图像计算的算法包括以下步骤：

a.选择跟踪区域；

b.根据设定的图像二值化阈值(一般为0-255中任意值)将跟踪区域内的数字红外热像图像二值化，并用形态学开操作算子进行去噪滤波；

c.采用连通分量的序贯标记算法对二值化后的数字红外热像图像进行前景连通分量的标记；

d.找出最大前景连通分量，并计算其重心，该重心即为动物位置的轨迹点。

根据每一帧数字红外热像图像计算获得的动物位置的轨迹点，可形成动物的活动轨迹集合如动物的行为轨迹图。在活动轨迹集合的基础上，可采用现有技术简单计算获得很多动物的活动特征数据，例如穿梭次数、逗留时间、徘徊路程等，从而达到对动物行为的测定。

所述的计算机还可将动物的运动序列图像、行为轨迹图以及特征数据等显示出来并存储在计算机数据库中，便于随时查阅。

所述的形态学开操作算子进行去噪滤波的方法采用本领域的通用方法，如可依据《图象处理与分析-数学形态学方法及应用》中记载的形态学开操作算子进行去噪滤波的方法(崔屹编著，科学出版社，2002年)。

所述的连通分量的序贯标记算法采用本领域的通用方法，如可依据《机器视觉》中记载的连通分量的序贯标记算法(贾云得编著，科学出版社，2000年)。

本发明具有如下优点：

(1)动物行为数据的采集在低噪声、暗环境条件下进行，减少声音对动物正常活动的影响，避免灯光因素对动物正常活动的影响，提高实验结果的准确度；

(2)采用红外热像视频跟踪技术，实现了实验过程的自动化，避免了人工计数引入的主观误差和对实验动物的干扰，增加了实验结果的真实可靠性；

(3)领先的核心算法，有效保证识别的抗干扰性和准确性；

(4)采用开放式、模块化设计，系统可扩展性强，可外接其它的测定模块，根据白鼠的行动轨迹图计算的数据和指标结果可导入到Excel，便于用户在统计软件中作进一步测定处理；

(5)测定方式灵活，支持时段测定，支持定时终止和人工终止，并具有丰富的显示方式，对白鼠的运动情况可采用轨迹图、参数指标、曲线、直方图等多种显示方式表现，并可生成完整的报告，供打印输出。

(6)CPP实验装置采用无偏性设计，可避免传统有偏性设计产生的假阳性结果；

(7)测定系统为红外热像跟踪测定系统，探测动物发射的红外线进行跟踪定位，避免了传统CPP实验装置对实验动物毛色的要求，实现了对黑/白鼠生理行为特征数据的计算，包括对逗留时间、徘徊路程和穿梭次数的计算，还可显示受试黑/白鼠每帧位置的轨迹点，其算法简单有效，测定速度快，且可同时录制并测定多只动物在各活动盒内的停留时间、活动路程、穿梭次数及运动轨迹等多个特征数据。

附图说明

图1为本发明基于红外热像跟踪的无偏性动物行为测定实验系统的结构示意图；

图2为本发明实验系统中动物活动盒的结构示意图；

图3为本发明采用红外热像跟踪测定系统进行动物行为测定的流程框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明基于红外热像跟踪的无偏性动物行为测定实验系统，主要由硬件装置和红外热像跟踪测定系统两部分组成，硬件装置包括箱体1、置于箱体1内的动物活动盒2以及与箱体1相连通的松下FV-15PE2C新风系统3；红外热像跟踪测定系统由系统硬件和测定软件组成，系统硬件包括FLIR Photon-320被动红外成像的热像视频摄像仪4、USB接口的DH-CG400红外热像视频采集卡和计算机5，被动红外成像的热像视频摄像仪4通过数据线连接计算机5并置于箱体1顶部，红外热像视频采集卡和测定软件安装在计算机5上，测定软件包括以下模块：红外热像图像采集、参数设置、动物轨迹计算、特征数据计算、结果格式化显示和保存。

箱体1采用4mm厚、深圳华蝶隔音材料有限公司生产的型号为ep100的隔音板制造的隔音箱体，箱体1规格为长160cm，宽110cm，高110cm。

松下FV-15PE2C新风系统3包括排风扇、主机、通风管道、排风口和窗进器，该新风系统3的背景噪音＜30dB。

动物活动盒2位于被动红外成像的热像视频摄像仪4的正下方，当实验动物为小鼠时：其规格为长45cm，宽45cm，高15cm，由4个聚氯乙烯穿梭盒6组成，聚氯乙烯穿梭盒6的规格为长30cm，宽15cm，高15cm，每一个聚氯乙烯穿梭盒6中间有一活动的隔板，该隔板训练阶段为封闭型隔板，测试阶段为通道型隔板，将聚氯乙烯穿梭盒6分隔为第一盒子7和第二盒子8，第一盒子7和第二盒子8的规格均为长15cm，宽15cm，高15cm，其中第一盒子7和第二盒子8四周和底面均为黑色，底面镂刻成网格，网格为0.5cm×0.5cm的正方形；当实验动物为大鼠时：聚氯乙烯穿梭盒6的规格为长60cm，宽30cm，高30cm，箱体四周漆成黑色，底板制成粗糙面(放置黑色铁丝网0.63cm×0.63cm)。

以吗啡诱导的条件性位置偏爱为例，进行如下测试：

1、吗啡诱导小鼠行为测定实验的建立与表达(采用小鼠穿梭盒)

根据非倾向性设计原理，将第一盒子7标记为伴药盒，第二盒子8标记为对照盒。整个CPP实验周期共9天，包括下面两个阶段：

小鼠行为测定实验的建立阶段：训练期间采用封闭型隔板将动物活动盒2中第一盒子7和第二盒子8完全隔离，将16只小鼠随机分为生理盐水对照组(NS)和吗啡组(Mor)，各组8只，吗啡组(Mor)小鼠分别在第1天、第3天、第5天、第7天进行腹腔注射盐酸吗啡(5mg/kg)后放置第一盒子7训练50min；生理盐水对照组(NS)鼠类分别在第2天、第4天、第6天、第8天进行腹腔注射生理盐水(0.5ml/kg)后放置第二盒子8训练50min。对照组小鼠每次均给予生理盐水，其它处理同吗啡组鼠类。

小鼠行为测定实验的表达阶段：实验第9天，第一盒子7和第二盒子8之间采用通道型隔板，将鼠类未作任何处理放置于两盒交界处，让其在两盒内自由活动15min，通过被动红外成像的热像视频摄像仪4采集鼠类运动系列图像。

吗啡诱导大鼠行为测定实验的建立与表达(采用大鼠穿梭盒)

根据非倾向性设计原理，将第一盒子7标记为伴药盒，第二盒子8标记为对照盒。整个CPP实验周期共9天，包括下面两个阶段：

大鼠行为测定实验的建立阶段：训练期间采用封闭型隔板将动物活动盒2中第一盒子7和第二盒子8完全隔离，将16只大鼠随机分为生理盐水对照组(NS)和吗啡组(Mor)，各组8只，吗啡组(Mor)大鼠分别在第1天、第3天、第5天、第7天进行腹腔注射盐酸吗啡(10mg/kg)后放置第一盒子7训练50min；生理盐水对照组(NS)鼠类分别在第2天、第4天、第6天、第8天进行腹腔注射生理盐水(2ml/kg)后放置第二盒子8训练50min。对照组大鼠每次均给予生理盐水，其它处理同吗啡组鼠类。

大鼠行为测定实验的表达阶段：实验第9天，第一盒子7和第二盒子8之间采用通道型隔板，将鼠类未作任何处理放置于两盒交界处，让其在两盒内自由活动15min，通过被动红外成像的热像视频摄像仪4采集鼠类运动系列图像。

2、鼠类红外热像视频跟踪测定系统对被动红外成像的热像视频摄像仪4采集的大/小鼠行为视频进行测定的步骤如下：

正确安装鼠类红外热像视频跟踪测定系统的系统硬件和系统软件后，启动鼠类红外热像视频跟踪测定系统的运行程序，此运行程序根据被动红外成像的热像视频摄像仪4、红外热像视频采集卡、计算机5的初始化要求设置好初始化数值，运行程序根据这些初始化数值分别对鼠类红外热像视频跟踪测定系统的系统硬件进行初始化，包括被动红外成像的热像视频摄像仪4、红外热像视频采集卡、计算机5的初始化；被动红外成像的热像视频摄像仪4的初始化为将鼠类红外热像视频跟踪测定系统的视频测定视场设定为4个聚氯乙烯穿梭盒6所在的区域，同时设定鼠类红外热像视频跟踪测定系统的采样周期；

鼠类行为测定实验的表达阶段时采样周期为15min；

红外热像视频跟踪测定系统根据预先设定的采样周期采集4个聚氯乙烯穿梭盒6所在的区域内鼠类的红外运动热像图像并记录相对应的采集时间，被动红外成像的热像视频摄像仪4将采集到的鼠类运动系列图像数据输入到红外热像视频采集卡；

红外热像视频采集卡对每一帧鼠类运动系列图像数据进行模数转换，变成数字红外热像图数据，并将数字红外热像图数据传输到计算机5；

参见图3，对鼠类红外热像视频跟踪测定系统的系统软件进行设置，包括：设计鼠类行为视频测定系统软件外观、创建鼠类行为视频测定软件类、定义用户界面等；

测定软件对每一帧数字红外热像图像计算的算法包括以下步骤：

a.选择跟踪区域；

b.根据人工设定的图像二值化阈值(0-255中任意值)将跟踪区域内的数字红外热像图像二值化，并用形态学开操作算子进行去噪滤波(依据：崔屹编著《图象处理与分析-数学形态学方法及应用》，科学出版社，2002年)；

c.采用连通分量的序贯标记算法(依据：贾云得编著《机器视觉》，科学出版社，2000年)对二值化后的数字红外热像图像进行前景连通分量的标记；

d.找出最大前景连通分量，并计算其重心，该重心即为动物位置的轨迹点。

根据每一帧数字红外热像图像计算获得的动物位置的轨迹点，可形成动物的活动轨迹集合如动物的行为轨迹图。在活动轨迹集合的基础上，可采用现有技术简单计算获得很多动物的活动特征数据，例如穿梭次数、逗留时间、徘徊路程等，从而达到对动物行为的测定。

有了测定结果，测定软件根据计算获得的位置轨迹，可将轨迹图可视化出来，也可将分析结果保存成excel格式。