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基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统

阅读：493发布：2020-06-02

专利汇可以提供基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了属于生物领域的一种基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能研究系统。该系统包括动物固定座椅、触摸屏交互系统、给水系统、眼动仪装置、手部运动追踪记录系统、肌电记录系统、信号采集系统、下位机以及上位机。本发明可用于多种训练模式，可在线调整各项重要参数，可准确记录动作执行过程各个阶段的时间，可同步提取被试眼球运动方向的特征向量、手臂多块肌肉的肌电信号、记录手部的运动轨迹及大脑神经电活动。本发明设计合理，可供视觉、听觉、运动等功能相关的神经电生理研究使用，多功能自动化动物行为训练方法，极大的提高了训练速度，方便相关实验范式设计和后期数据采集和处理。，下面是基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，包括动物固定座椅、触摸屏交互系统、给水系统、眼动仪装置、手部运动追踪记录系统、肌电记录系统、信号采集系统、下位机以及上位机；所述动物固定座椅用于固定非人灵长类动物；所述触摸屏交互系统用于呈现实验任务，包括视觉、听觉刺激，并可记录感知非人灵长类动物触摸的位置；所述眼动仪装置用于追踪并记录非人灵长类动物双侧眼球运动及眨眼信息；
所述手部运动追踪记录系统用于实时追踪记录动物手部的运动轨迹；所述肌电记录系统用于同步记录非人灵长类动物上肢部分区域的肌肉发放的电信号；所述下位机以及上位机用于相关模块和系统的整合控制、设置训练模式及相关模式下的参数并对实验结果进行记录。
2.根据权利要求1所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述动物固定座椅包括主框架和实验筐，实验筐由颈板、腰板、支撑柱、底筐构成；所述触摸屏交互系统包括触摸屏、显示屏、LED提示灯、准备按钮、蜂鸣器、PC机、实验控制程序；所述给水系统包括水嘴、导管A、导管B、水瓶、驱动控制电路、电磁阀；所述眼动仪装置包括眼动仪本体、红外摄像头、红外灯、三脚架、DA卡和计算机；所述手部运动追踪记录系统包括摄像头、支架、视频采集卡；所述肌电记录系统包括记录电极传感器和接受器。
3.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述动物固定座椅的主框架为钢结构，固定在地板上，所述实验筐为透明亚克力板材，颈环扣入颈板的槽内固定，非人灵长类动物的躯干和腿被限制在底筐内，手臂可在颈板和腰板之间的空间内自由移动，实验筐颈板与水平面呈20度角。
4.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述触摸屏交互系统的PC机连接有两个显示器，一个显示器位于训练室内，用于非人灵长类动物任务提示或用于播放声音进行听觉刺激以及呈现影像的视觉刺激，所述显示器的前面下方紧固一与触摸屏底部平行的基座板，所述的准备按钮、LED提示灯位于基座板中央位置，并都与下位机相连接，基座板水平放置于可升降高度的钢台座上，另一个显示器位于训练室外，用于操作人员监测系统状态和实验记录。
5.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述给水系统的导管A的一端连接电磁阀，另一端连接水嘴，导管B的一端连接水瓶，另一端连接电磁阀，电磁阀与驱动控制电路相连，用于控制电磁阀开关，驱动控制电路与下位机相连，导管A端连接的水嘴固定在动物座椅左侧，水嘴出水口连接金属水管，角度可进行调整，可被实验动物含入嘴中。
6.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述眼动仪装置通过USB 接口与上位机相连，所述和DA卡安装在计算机中，红外摄像头安置在三脚架上，并和DA卡相连接；所述红外摄像头及红外灯作为眼动仪采集端，与眼动仪本体连接，红外摄像头及红外灯用于检测眼球活动，眼动仪本体用于控制、记录及输出的眼动轨迹。
7.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述手部运动追踪记录系统的视频采集卡安装在计算机2中，固定架安装在动物座椅四周，摄像头固定在支架上，并和视频采集卡相连接，可从四个不同的角度实时监测动物行为。
8.根据权利要求2所述基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述肌电记录系统的电极传感器将记录到肌电信号无线传输到接受器，接收器与信号采集系统相连接，并可与脑神经信息的记录同步。
9.根据权利要求2所述的基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述下位机通过串口连接线与上位机相连接，所述上位机为控制程序客户端进行训练参数设置，上位机将设置好的参数通过串口传给下位机，下位机将传感器获得的信息进行处理，再将处理结果传回上位机，可根据实验需求选择不同的训练模式，设置包括奖励时间、视听觉反馈时间、图像与训练模式等重要参数来对非人灵长类动物进行训练，其结果输出模块，用于记录实验结果。
10.根据权利要求2所述的一种基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，其特征在于，所述手部运动追踪记录系统还包括由红黄绿三种颜色组成的荧光方形便签，在实验中作为手部运动轨迹追踪的标签；所述动物固定座椅两侧及上方固定有魔术臂支架，用于固定四个高清摄像头，其位置可进行调整，摄像头与信号采集系统相连接，可与脑神经信息的记录同步。

说明书全文

基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统

技术领域

[0001] 本发明涉及动物运动及认知功能技术领域，具体涉及基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知的研究系统。

背景技术

[0002] 大脑运动及认知功能受关注程度很高，已成为国际性的研究热点，相关进展不断被Nature，Science等顶尖学术期刊报道。而非人灵长类动物，例如猕猴作为与人类最接近的实验动物，有高级复杂的神经系统，通过训练可以完成多种复杂的行为学任务，已被广泛用于代替和模拟人类进行运动及认知功能等相关研究领域。

[0003] 前人已经开发出一系列的研究运动功能以及认知功能的系统，且触摸屏早已被用于研究运动功能以及认知等领域。例如有研究团队利用基于平板电脑的5-CSRTT任务去诊断阿尔兹海默症患者的认知功能；美国研究团队开发的“猴子CANTAB触屏认知系统”，也是基于触摸屏用于非人灵长类动物的认知功能测试；斯坦福大学的研究团队也基于触摸屏开发了一套用于猕猴运动功能的研究系统。因其精确可控，集刺激呈现与响应反馈记录于一体等优点，具有广阔的临床及科研应用前景。

[0004] 但大多数动物运动及认知研究系统，有的需要特殊匹配的猴笼，或无法限定动物的行为，这使得动物做出反应前后处于相对不受控制的状态，因此无法用来研究肢体运动、眼动或记录脑神经信号；有的无法满足多任务、精确可重复测量的实验要求。因此需要开发一种可以基本固定非人灵长类的身体位置，能精确、智能、自动化、可根据实验目的进行实时调整地进行非人灵长类动物学训练及测试，不需要另配备相应的猴笼，实用功能多、购置成本和使用成本低的运动及认知研究系统。

发明内容

[0005] 本发明提出了一种基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统，包括动物固定座椅、触摸屏交互系统、给水系统、眼动仪装置、手部运动追踪记录系统、肌电记录系统、信号采集系统、下位机以及上位机；其中，动物固定座椅用于固定非人灵长类动物；触摸屏交互系统用于呈现实验任务，包括视觉、听觉刺激，并可记录感知非人灵长类动物触摸的位置；眼动仪装置用于追踪并记录非人灵长类动物双侧眼球运动及眨眼信息；手部运动追踪记录系统用于实时追踪记录动物手部的运动轨迹；肌电记录系统用于同步记录非人灵长类动物手部区域的肌肉发放的电信号；下位机以及上位机用于相关模块和系统的整合控制，设置训练模式及相关模式下的参数并对触摸屏结果进行记录。

[0006] 动物固定座椅包括主框架和实验筐，实验筐由颈板、腰板、支撑柱、底筐构成，主框架为钢结构，固定在地板上，所述实验筐为透明亚克力板材，颈环扣入颈板的槽内固定，非人灵长类动物的躯干和腿被限制在底筐内，手臂可在颈板和腰板之间的空间内自由移动，实验筐颈板与水平面呈20度角。

[0007] 触摸屏交互系统包括触摸屏、显示屏、LED提示灯、准备按钮、蜂鸣器、PC机、实验控制程序； PC机连接有两个显示器，一个显示器位于训练室内，用于非人灵长类动物任务提示或用于播放声音进行听觉刺激以及呈现影像的视觉刺激，所述显示器的前面下方紧固一与触摸屏底部平行的基座板，所述的准备按钮、LED提示灯位于基座板中央位置，并都与下位机相连接，基座板水平放置于可升降高度的钢台座上，另一个显示器位于训练室外，用于操作人员监测系统状态和实验记录。

[0008] 给水系统包括水嘴、导管A、导管B、水瓶、驱动控制电路、电磁阀；导管A的一端连接电磁阀，另一端连接水嘴，导管B的一端连接水瓶，另一端连接电磁阀，电磁阀与驱动控制电路相连，用于控制电磁阀开关，驱动控制电路与下位机相连，导管A端连接的水嘴固定在动物座椅左侧，水嘴出水口连接金属水管，角度可进行调整，可被测试动物含入嘴中。

[0009] 眼动仪装置通过USB 接口与上位机相连，包括眼动仪本体、红外摄像头、红外灯、三脚架、视频采集卡、DA卡和计算机；视频采集卡和DA卡安装在计算机中，红外摄像头安置在三脚架上，并和视频采集卡相连接；红外摄像头及红外灯作为眼动仪采集端，与眼动仪本体连接，红外摄像头及红外灯用于检测眼球活动，眼动仪本体用于控制、记录及输出的眼动轨迹。

[0010] 手部运动追踪记录系统包括摄像头、支架、视频采集卡、DA卡和计算机，视频采集卡和DA卡安装在计算机2中，固定架安装在动物座椅四周，摄像头固定在支架上，并和视频采集卡相连接，可从四个不同的角度实时监测动物行为。

[0011] 肌电记录系统包括记录电极传感器和接受器，电极传感器将记录到肌电信号无线传输到接受器，接收器与信号采集系统相连接，并可与脑神经信息的记录同步。

[0012] 下位机通过串口连接线与上位机相连接，上位机为控制程序客户端进行训练参数设置，上位机将设置好的参数通过串口传给下位机，下位机将传感器获得的信息进行处理，再将处理结果传回上位机，可根据实验需求选择不同的训练模式，设置包括奖励时间、视听觉反馈时间、图像与训练模式等重要参数来对非人灵长类动物进行训练，其结果输出模块，用于记录实验结果。

[0013] 另外，手部运动追踪记录系统还包括由红黄绿三种颜色组成的荧光方形便签，在实验中作为手部运动轨迹追踪的标签；所述动物固定座椅两侧及上方固定有魔术臂支架，用于固定四个高清摄像头，其位置可进行调整，摄像头与信号采集系统相连接，可与脑神经信息的记录同步。

[0014] 有益效果：本发明装置可用于训练非人灵长动物进行运动目标物体（包括沿直线运动和沿圆周运动）的追踪和拦截、静止目标物体的捕获等多种训练模式，可在线调整训练过程中的各项重要参数，包括奖励时间、视听觉反馈时间、目标物体运动方式（速度、方向、直线运动、圆周运动）、图像与声音模式等，可准确记录动作执行过程各个阶段的时间，可同步提取被试眼球运动方向的特征向量、手臂多块肌肉的肌电信号及记录其手部的运动轨迹。此外，结合脑电或神经信号采集系统，本装置可同步地对猕猴在执行任务过程中的大脑神经电活动进行采集。相比于现有非人灵长类动物训练装置，本发明设计合理，功能全面，使用方便，可供视觉、听觉、运动等功能相关的神经电生理研究使用，可实现一种无痛苦的多功能自动化动物行为训练方法，极大的提高了训练速度和节省了人力成本，方便使用者进行相关实验范式设计和后期数据采集和处理。附图说明

[0015] 图1为本发明基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统结构示意图。

[0016] 图2为本发明基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统的操作流程图。

[0017] 图3为本发明基于触摸屏的非人灵长类动物运动及认知功能的研究系统的实验过程图。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。

[0019] 实施例1本实施例如图1所述包括动物固定座椅、触摸屏交互系统、给水系统、眼动仪装置、手部运动追踪记录系统、肌电记录系统、信号采集系统、下位机以及上位机；动物固定座椅包括主框架和实验筐，实验筐由颈板、腰板、支撑柱、底筐构成，主框架为钢结构，固定在地板上，所述实验筐为透明亚克力板材，颈环扣入颈板的槽内固定，非人灵长类动物的躯干和腿被限制在底筐内，手臂可在颈板和腰板之间的空间内自由移动，实验筐颈板与水平面呈20度角。

[0020] 触摸屏交互系统包括触摸屏、显示屏、LED提示灯、准备按钮、蜂鸣器、PC机、实验控制程序； PC机连接有两个显示器，一个显示器位于训练室内，用于非人灵长类动物任务提示或用于播放声音进行听觉刺激以及呈现影像的视觉刺激，所述显示器的前面下方紧固一与触摸屏底部平行的基座板，所述的准备按钮、LED提示灯位于基座板中央位置，并都与下位机相连接，基座板水平放置于可升降高度的钢台座上，另一个显示器位于训练室外，用于操作人员监测系统状态和实验记录。

[0021] 给水系统包括水嘴、导管A、导管B、水瓶、驱动控制电路、电磁阀；导管A的一端连接电磁阀，另一端连接水嘴，导管B的一端连接水瓶，另一端连接电磁阀，电磁阀与驱动控制电路相连，用于控制电磁阀开关，驱动控制电路与下位机相连，导管A端连接的水嘴固定在动物座椅左侧，水嘴出水口连接金属水管，角度可进行调整，可被测试动物含入嘴中。

[0022] 眼动仪装置通过USB接口与上位机相连，包括眼动仪本体、红外摄像头、红外灯、三脚架、视频采集卡、DA卡和计算机；视频采集卡和DA卡安装在计算机中，红外摄像头安置在三脚架上，并和视频采集卡相连接；红外摄像头及红外灯作为眼动仪采集端，与眼动仪本体连接，红外摄像头及红外灯用于检测眼球活动，眼动仪本体用于控制、记录及输出的眼动轨迹。

[0023] 手部运动追踪记录系统包括摄像头、支架、视频采集卡、DA卡和计算机，视频采集卡和DA卡安装在计算机中，固定架安装在动物座椅四周，摄像头固定在支架上，并和视频采集卡相连接，可从四个不同的角度实时监测动物行为。

[0024] 肌电记录系统包括记录电极传感器和接受器，电极传感器将记录到肌电信号无线传输到接受器，接收器与信号采集系统相连接，并可与脑神经信息的记录同步。

[0025] 下位机通过串口连接线与上位机相连接，上位机为控制程序客户端进行训练参数设置，上位机将设置好的参数通过串口传给下位机，下位机将传感器获得的信息进行处理，再将处理结果传回上位机，可根据实验需求选择不同的训练模式，设置包括奖励时间、视听觉反馈时间、图像与训练模式等重要参数来对非人灵长类动物进行训练，其结果输出模块，用于记录实验结果。

[0026] 另外，手部运动追踪记录系统还包括由红黄绿三种颜色组成的荧光方形便签，在实验中作为手部运动轨迹追踪的标签；所述动物固定座椅两侧及上方固定有魔术臂支架，用于固定四个高清摄像头，其位置可进行调整，摄像头与信号采集系统相连接，可与脑神经信息的记录同步。

[0027] 实施例2记录实验动物体重后，将其放置于固定座椅上，通过颈环将颈部固定，根据动物的大小调整座椅的位置。再固定腰部限制板和背板，限制其抬腿和后退。

[0028] 如图2所述进行操作，开启系统，进入程序。进入程序包括开启中央控制程序、开启眼动仪装置，肌电记录系统。打开下位机与上位机的通讯串口。根据实验目的及需求进行不同试验模式的选择，本实例中选择模式二中目标物体静止模式。进入参数选择设置，准备按钮的按压维持时间，目标物体的半径、颜色，触屏的亮度刷新频率，需触摸目标物体的时间，给水的时间，整个trail的时长，目标物体运动的速度和时长，运动的方式恒定速度或者加速或减速。

[0029] 参数设置完后保存完毕，开始实验，如图3所示实验过程。打开前端，前端主要用于非人灵长类动物的刺激呈现及触屏使用。实验阶段会根据选择不同的模式给出对应模式下的训练模式，同时上位机控制界面会对应的显示出硬件系统的状态信息以及整个实验过程中的不同任务下正确与错误试验次数的统计、成功率以及目标物体的状态信息。并可根据实验需求选择切换新的模式。

[0030] 实验结束后，做好实验记录，测完电极阻抗将实验动物取出，并根据动物表现进行额外奖励，并将动物放回饲养间，完成当天实验。

[0031] 以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

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