基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置及介质与流程

1.本技术涉及生物神经科学技术领域，具体是涉及一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置及介质。

背景技术：

2.前庭眼动反射(vestibulo-ocular reflex,vor)，是一种通过向眼球发送信号，使其在眼窝中产生与头部运动和幅度同样的运动，但是方向相反的运动，以补偿头部运动造成的影响来完成的。
3.半规管(semicircular canals)，是一种维持姿势和平衡有关的内耳感受装置，内耳的组成部分。由上、后和外三个相互垂直的环状管，即上半规管、后半规管和外侧半规管组成，将内耳和前庭连接起来。
4.半规管前庭眼反射(semicircular canals ocular reflex)，是指在动物体中共有六个，左右两侧成对分布，每侧三个又相互垂直形成空间坐标系，其中，水平半规管略微向上倾斜，与水平面成30度的角度。头部的空间旋转运动被各平面半规管以不同激活程度的形式记录下来，从而促使对应支配的眼外肌收缩形成反向眼球运动。
5.前庭是保持身体平衡的器官，传统评估前庭受损的方法主要依赖于人眼观察，以小鼠为例，若前庭受损会有特异的行为，例如：头左右晃动、跑动过程中步态不稳、躯体卷曲、不自主转圈运动等。传统的评估前庭功能的方法主要是依赖人为观察打分。
6.由于啮齿类动物在生理构造上与人类相似度很高，前庭眼反射原理对于这些小动物同样适用，因此设计将小动物作为实验对象来获取眼动信号，对于分析生物神经学科具有重要意义。
7.而现有技术中，通过人眼观察的结果不具有客观性，只能简单评估前庭功能的状况，不能量化前庭功能的受损程度等。且受人为因素影响会导致测试结果误差较大。

技术实现要素：

8.本发明主要针对以上问题，提出了一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置及介质，其目的是通过机器量化前庭眼动，提高分析结果的准确度。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，包括如下步骤：
10.通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；
11.采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；
12.对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；
13.将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；
14.对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼
动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。
15.进一步地，向被测动物施加刺激需要在暗室中进行，采用红外照明装置产生足够亮度，并避免外界光的介入和视动干扰。
16.进一步地，所述被试动物为小鼠。
17.进一步地，在通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动之前，还包括：将被试动物固定在转盘上，通过嵌入式程序输入不同频率和不同速度，使转盘产生往复机械转动，使得被试动物的眼球相对于头部正前方位置产生与所述转盘运动方向相反的转动。
18.进一步地，采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列的步骤包括：将两组红外相机与被试动物放在转盘的同一侧，通过两组反光镜分别采集被试动物的左眼瞳孔图像和右眼瞳孔图像。
19.进一步地，所述对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益的步骤，包括：
20.傅里叶变换的输入参数为每帧瞳孔位置信息的原始数据；
21.输出将时域信息转化为频域信息；
22.取出其最接近转盘频率位点的幅值；
23.将所述幅值通过时间转换获得角速度，所述角速度与转盘角速度的比值即为所述增益。
24.为实现上述目的，本发明提供了一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置，包括：
25.刺激模块，用于通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；
26.采集模块，采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；
27.处理模块，对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；
28.绘制模块，将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；
29.计算模块，对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。
30.进一步地，所述分析装置还包括设于所述转盘的控鼠模组，所述控鼠模组包括调节底座、设于所述调节底座上的调节平台、安装在所述调节平台上的固定鼠架，其中，所述固定鼠架上设置有基座，所述基座上端具有放置小鼠的放置槽，所述基座上方设置有将置于所述放置槽的小鼠固定的背盖、脖盖以及鼻盖。
31.进一步地，所述采集模块设于所述转盘，包括安装在所述转盘上的y轴移动座和反光镜、设于所述y轴移动座的x轴移动座、设于所述x轴移动座上的相机座，其中，所述相机座上设有红外相机，所述红外相机的采集方向朝向所述反光镜，所述红外相机通过两组所述反光镜分别采集被试动物的左眼瞳孔图像和右眼瞳孔图像。
32.为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理执行时实现上述一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法。
33.与现有技术相比，本发明提供的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置
及介质具有如下有益效果：该方法将小鼠固定在转盘上，使转盘发生不同速度的往复机械转动，使得小鼠的眼球相对于头部正前方位置产生与转盘运动方向相反的转动，使用红外相机记录眼球的位置变化，然后通过图像处理描绘眼球在水平方向上的运动轨迹。这一眼球的运动轨迹可反映出半规管对前庭眼动的调节能力；本发明通过机器量化前庭眼动，将前庭的人为主观评估转变为机器处理得到准确的数值，减少了测试误差，提高了分析结果的准确度。
附图说明
34.图1为本发明披露的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法的流程图。
35.图2为本发明披露的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法的结构框图。
36.图3为小鼠瞳孔图像采集结果及识别结果可视化图片。
37.图4为在转盘的不同频率和不同转动速度刺激下图像处理得到的瞳孔位置变化曲线。
38.图5为反射式图像采集结构示意图。
39.图6为为控鼠模组的立体结构示意图。
40.图7为采集模块的立体结构示意图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
42.技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。
43.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
44.本领域技术人员应当理解，本发明所称的“应用”、“应用程序”、“应用软件”以及类似表述的概念，是业内技术人员所公知的相同概念，是指由一系列计算机指令及相关数据资源有机构造的适于电子运行的计算机软件。除非特别指定，这种命名本身不受编程语言种类、级别，也不受其赖以运行的操作系统或平台所限制。理所当然地，此类概念也不受任何形式的终端所限制。
45.在一种实施例中，本发明提供了一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，如图1所示，包括如下步骤：
46.s100：通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；
47.小鼠与人类的基因相似度高达85％，而且小鼠染体上的碱基对也与人类染体
上的碱基对非常的接近，本实施例以小鼠为例对小鼠进行小鼠前庭眼动反射实验，当然小鼠它绝不是唯一实验对象，还可对斑马鱼、果蝇、非洲爪蟾等进行实验对象，因此，本发明的保护范围不受任何形式的实验对象所限制。
48.本发明的前庭分析方法是通过机器量化，在小鼠身体运动过程中，为了看清楚事物，需要保持眼球注视在同一物体上，保持成像始终停留在视网膜中心。该实施例，通过将小鼠固定在转盘上，使转盘发生不同速度的往复机械转动，对小鼠前庭产生刺激。其中，可通过嵌入式程序输入正弦型信号控制电机往复转动，程序设置了不同的频率和不同的速度。
49.s200：采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；
50.图5为反射式采集模块的结构示意图，如图5所示，使用红外相机采集被测动物的眼动图像，经过无线传输到计算机设备，在采集眼动图像前，向被测动物施加机械刺激需要在暗室中进行，采用红外照明装置产生足够亮度，并避免外界光的介入和视动干扰，红外相机为两组，将两组红外相机与被试动物放在转盘的同一侧，通过两组反光镜分别采集被试动物的左眼瞳孔图像和右眼瞳孔图像，本实施例通过使用反射式图像采集的方式最大程度减少了被测动物眼睛转动过程中受环境的影响。
51.s300:对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；
52.s400:将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；
53.s500:对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。
54.在上述步骤s300-s500实施例中，如图3-图5，在采集小鼠瞳孔图像，将图像通过无线传输到计算机后，使用安装于计算机的识别程序对采集的图像识别分析。识别程序使用深度学习的方法在每一帧图像中出瞳孔，并通过轮廓计算出中心点位置坐标，将该坐标按照帧数统计到表格中(首先将分辨率为1080p下的像素点用标准比例尺确定其尺寸，例如一个像素点对应的尺寸是p毫米，然后根据每一帧小鼠瞳孔中心点在水平方向移动的像素点个数n，确定出小鼠瞳孔在水平方向移动的位移p
×
n毫米。由于小鼠眼球是球体，当我们以俯视的角度观察眼球时，眼球是以中心为圆点的球形，瞳孔的位移p
×
n即是瞳孔转动的角度对应的弦长，通过弦长公式l＝2rs i na计算出瞳孔相对于转盘转动的角度a，其中r表示眼球的半径，其和小鼠的体重具有一一对应关系，可以通过标准表查到。由此可确定出每一帧瞳孔相对于基准位置转动的角度，该角度形成的图形是不规则的正弦波)。
55.对一系列瞳孔的绝对位置信息做快速傅里叶变换(fft)，其中，快速傅里叶变换的输入参数为每帧瞳孔位置信息的原始数据，即角度a，输出将时域信息转化为频域信息(此部分为数学上通用的转化方式，傅里叶变换是为了把不规则的正弦波分离成多个规则的正弦波，这一系列规则的正弦波具有不同的频率)，取出其最接近转盘频率位点的幅值(正弦波的幅值，表示瞳孔偏离原始位点的最大角度)，将幅值通过时间转换获得角速度(θ＝ωt)。
56.需要说明的是，眼动增益表示瞳孔相对于初始位置的偏离程度，眼动增益＝瞳孔
转动速度(或位移)
÷
转盘转动速度(或位移)。增益数值范围在0～1之间。
57.由于水平眼动是由前庭水平半规管控制，通过增益可判断前庭损伤程度，增益值越趋近于1，说明前庭功能无受损或受损程度较轻；增益越趋近于0，表示前庭功能受损严重或完全受损。当前庭功能受损时，身体产生平衡障碍，表现出非正常运动状态，例如：步态不稳，不自主的朝一个方向持续转圈，头部经常无序摆动，视野模糊等。
58.在一种实施例中，本发明提供一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置，为了便于描述，将所述分析装置拆分为功能模块架构，如图2所示，包括：
59.刺激模块100，用于通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；
60.采集模块200，采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；
61.处理模块300，对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；
62.绘制模块400，将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；
63.计算模块500，对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。
64.下面将以本技术披露的一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置为例来继续描述本公开的技术方案。
65.优选的，本实施例还提供了一种在实验中对被试动物进行固定的控鼠模组12以及对被试动物进行采集的采集模块200，下面将结合具体示例来对控鼠模组12和采集模块200的组成和连接关系进行详细说明。
66.如图6所示，该控鼠模组12设于所述转盘，包括调节底座12-1、设于所述调节底座12-1上的调节平台12-2、安装在所述调节平台12-2上的固定鼠架12-3，其中，所述固定鼠架12-3上设置有基座12-4，所述基座12-4上端具有放置小鼠的放置槽1200，所述基座12-4上方设置有将置于所述放置槽1200的小鼠固定的背盖12-5、脖盖12-6以及鼻盖12-7。
67.本实施例通过将小鼠躯干置于放置槽1200中，用半包围固定的背盖12-5、脖盖12-6，对小鼠主体部位进行固定，并在头部位置用鼻盖12-7限位的配合使用下，使得小鼠的头部也可能被固定。
68.具体地，如图7所示，采集模块200的数量为两组，两组采集模块200位于控鼠模组12的同侧，其中，两组采集模块200均包括安装在所述转盘上的y轴移动座20和反光镜、设于所述y轴移动座20的x轴移动座21、设于所述x轴移动座21上的相机座22和灯架23，其中，所述相机座22上设有红外相机，所述红外相机的采集方向朝向反光镜，用于采集受刺激下的眼动图像，所述灯架23上设有红外照明装置，用于在黑暗环境下给红外相机提供照明。
69.本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理执行时实现上述任一项所述的基于动物前庭眼动反射参数分析方法。
70.集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例所述的应用程序多开方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行
时，可实现上文方法实施例的步骤。其中，所述算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号；
71.本技术的说明书和权利要求书中，词语“包括/包含”和词语“具有/包括”及其变形，用于指定所陈述的特征、数值、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数值、步骤、部件或它们的组合；
72.本发明的一些特征，为阐述清晰，分别在不同的实施例中描述，然而，这些特征也可以结合于单一实施例中描述。相反，本发明的一些特征，为简要起见，仅在单一实施例中描述，然而，这些特征也可以单独或以任何合适的组合于不同的实施例中描述。
73.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，包括如下步骤：通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。2.根据权利要求1所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，向被测动物施加刺激需要在暗室中进行，采用红外照明装置产生足够亮度，并避免外界光的介入和视动干扰。3.根据权利要求1所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，所述被试动物为小鼠。4.根据权利要求1所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，在通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动之前，还包括：将被试动物固定在转盘上，通过嵌入式程序输入不同频率和不同速度，使转盘产生往复机械转动，使得被试动物的眼球相对于头部正前方位置产生与所述转盘运动方向相反的转动。5.根据权利要求1所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列的步骤包括：将两组红外相机与被试动物放在转盘的同一侧，通过两组反光镜分别采集被试动物的左眼瞳孔图像和右眼瞳孔图像。6.根据权利要求1所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法，其特征在于，所述对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益的步骤，包括：傅里叶变换的输入参数为每帧瞳孔位置信息的原始数据；输出将时域信息转化为频域信息；取出其最接近转盘频率位点的幅值；将所述幅值通过时间转换获得角速度，所述角速度与转盘角速度的比值即为所述增益。7.一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置，其特征在于，包括：刺激模块，用于通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；采集模块，采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；处理模块，对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；绘制模块，将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；计算模块，对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值。8.根据权利要求7所述的一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置，其特征在于，所
述分析装置还包括设于所述转盘的控鼠模组，所述控鼠模组包括调节底座、设于所述调节底座上的调节平台、安装在所述调节平台上的固定鼠架，其中，所述固定鼠架上设置有基座，所述基座上端具有放置小鼠的放置槽，所述基座上方设置有将置于所述放置槽的小鼠固定的背盖、脖盖以及鼻盖。9.根据权利要求8所述的一种基于动物前庭眼动反射参数的分析装置，其特征在于，所述采集模块设于所述转盘，包括安装在所述转盘上的y轴移动座和反光镜、设于所述y轴移动座的x轴移动座、设于所述x轴移动座上的相机座，其中，所述相机座上设有红外相机，所述红外相机的采集方向朝向所述反光镜，所述红外相机通过两组所述反光镜分别采集被试动物的左眼瞳孔图像和右眼瞳孔图像。10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法。

技术总结

本发明公布了一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置及介质，包括：通过转盘往复转动，刺激被试动物眼睛转动；采集所述被试动物在所述刺激下的眼睛转动图像序列，其中，所述图像序列包含若干帧待分析图像；对每一帧图像按照同一参照点建立坐标系，确定每一帧图像中所述被试动物瞳孔的中心点的坐标；将所述图像序列中每一帧的瞳孔坐标的位置绘制曲线，得到瞳孔连续变化曲线；对所述瞳孔连续变化曲线结果通过傅里叶变换计算得到眼动增益，其中，所述眼动增益为瞳孔的转动速度与转盘转动速度的比值；本发明提出一种基于动物前庭眼动反射参数分析方法、装置及介质，其目的是通过机器量化前庭眼动，提高分析结果的准确度。提高分析结果的准确度。提高分析结果的准确度。