一种眼动追踪装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种用于实时记录动物自由活动时眼球运动的眼动追踪装置及方法，眼动追踪装置包括：头部固定器，用于方便地安装和拆卸设备；眼动单元装置，用于拍摄动物眼球运动；外围电路板，设置非必须接近小动物眼部的电路；导电滑环，保障图像信号在动物自由运动时的稳定传输；计算机，收集存储图像并实时提取眼球运动数据。本发明专利技术的眼动追踪装置能够用于实时跟踪动物自由活动状态下的眼球运动状况。配备轻便牢固、方便安装拆卸的结构，使一套眼动追踪装置可应用于多只动物，提高设备利用率，避免设备在实验外因动物争斗损坏。针对神经研究需求，眼动追踪装置安装在动物头部两侧，便于在动物头顶植入其它神经技术植入物以协同探测大脑。

【技术实现步骤摘要】
一种眼动追踪装置及方法
本专利技术涉及生命科学
，尤其涉及一种用于实时记录小动物自由活动时眼球运动并且能够自由移动的眼动追踪装置及方法。
技术介绍
眼动追踪即获取眼球特征变化和运动信息的技术。眼动追踪所获得的信息适用于神经科学研究是由于眼球由3对神经12对肌肉控制，相比于全身运动灵敏高速，指标精细丰富，现已有一百多个眼动指标；而且，眼球部分表现，如眼震、瞳孔扩缩和早期眼动受固有的神经环路调节，较少受到意识的干预，因此眼部运动表现所传达出的信息更为稳定可靠。除了应用在视觉和前庭科学外，眼动追踪在神经心理研究中的视觉信息加工、阅读、动机与态度等等方向也应用广泛，并且作为一些认知和精神异常状态，如阿兹海默症、自闭症、精神分裂症、情感障碍等疾病的生理分析指标。现有的眼动装置基本是用于人和猴，但神经原理的彻底阐明需要在大量小动物身上进行有创研究。因为可用于人类神经系统的研究技术，如核磁共振、脑电图、经颅磁刺激、诱发电位等，具有时空分辨率有限，无法探究精确的神经环路和细胞网络的结构和功能的缺点。这些技术的局限导致我们对情绪和行为的形成机理、发展过程很难进行透彻的分析。目前包括基因编辑修饰、光遗传学、在体电生理和双光子成像等从微观至介观尺度对神经环路进行剖析的研究技术都是侵入式和损伤不可逆的。因此，对神经环路进行剖析的研究主要是以小动物(大、小鼠)为实验模型展开。然而，现有的对小动物的神经行为实验较多基于动物在一定空间中的自由活动。例如迷宫测试记忆，十字高架测试探索行为，三箱装置测试社交障碍等这些方法多年来是国际通用的标准实验范式，但这些方法仅仅分析动物整体行为，检测指标单一，且不便与人类认知与情感反应进行比对。因此，神经科学急需在已有的自由活动实验范式下引入稳定精确、指标丰富的眼动追踪技术。现有的小动物眼动追踪技术绝大部分是采用手术固定小动物头部在某处，然后在斜前方放置一摄像头记录动物眼睛中瞳孔活动情况。小动物不能够随意移动位置，所以不适用神经科学中自由活动的实验范式。如需观察自由活动的小动物的眼动，摄像头应与小动物保持相对位置。如果采用传感器和电动器件使摄像头自动追随小动物，在小动物快速奔跑跳跃时，图像延迟和抖动会比较明显，影响观测结果的准确度，因此需要将摄像装置固定在小动物头部。现有技术中没有专门针对小动物眼动追踪的设备，已有固定在小动物头部实现眼动追踪功能的装置设计复杂，而且集成跟踪臂发光元件、加速度计、神经电生理的电极等设计用于观测更多信息，因此，此类装置会造成如下缺点：一、体积和重量较大，而小动物的头部要负担整个装置，装置相对于小动物而言比较笨重，会影响到小动物的行动，长时间的负重还会对小动物产生干扰，影响小动物在实验中的行为，进而影响到所获取的信息的准确性。集成的加速度和电生理等器件加剧该缺点。二、装置在实验前一星期通过手术固定安装在小动物头部，由于装置体积大且设计复杂，而相对地小动物的体积较小，安装装置时需要协调装置的位置、在手术过程中要小心地操作以避免损坏装置，装置的安装、拆卸十分麻烦。装置一经安装则需要长时间地固定在小动物头部，装置利用率低且容易在实验之外的情况下损坏。三、现有装置的结构和功能是固定的，难以针对实验的具体需要进行适应性调整，装置的设计所具备的功能不适用于神经科学的实验研究。例如，有些装置结合了加速度计，但神经科学研究中很少用到加速度指标，所以加速度计对绝大多数神经实验是多余的；有些装置虽然集成了神经电生理的电极，可测试活体动物运动下多个神经细胞的活动，但是由于装置的结构是固定的，因此在实验过程中仅能用电极且位置不可调节，不能适应脑研究不同的实验设计在大脑不同位置、不同深度置入电极、光纤、微透镜等的需要。除此之外，现有的眼动追踪装置所获取的眼睛图像质量欠佳，像素分辨率较小，部分甚至图像模糊，例如，因光源设置离摄像头上的镜头太近，图像会产生轻微光斑，环形光照明下，因瞳孔的通光特点，眼球转到某些方向时，黑色瞳孔会变成白色瞳孔，影响后期图像处理。这些都将影响对眼动信息的准确获取等等。如上述所提到的现有的小动物眼动追踪技术，存在着需要将小动物固定在某处观测，不适用神经科学中自由活动的实验范式的缺点。虽然有固定在小动物头部的可以让小动物自由活动的眼动追踪装置，但是，装置笨重、体积较大，缺乏对于神经研究应用的针对性、难以协同其他神经技术设备应用，而且所获取的图像质量也有待进一步提高。
技术实现思路
有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术提出了一种可灵活固定拆卸、便于协同其它神经技术、图像质量良好的眼动追踪装置及方法。具体地，本专利技术的眼动追踪装置，包括眼动单元装置和计算机，眼动单元装置中固定设置有超微摄像头和近红外光源。整个所述眼动追踪装置的电路板分为眼动单元电路板和外围电路板两部分，所述眼动单元装置中还设置有所述眼动单元电路板和安装部，所述眼动单元电路板包括成像模块和编码模块；与所述编码模块对应的解码模块设置在所述外围电路板，所述外围电路板设置在所述眼动单元装置外，与所述计算机连接；所述外围电路板通过有线或者无线的方式连接所述眼动单元装置。所述眼动单元电路板和所述外围电路板分别承载了不同的功能，因此所述眼动追踪装置在安装使用时，目标仅需负载所述眼动单元装置部分，减轻了所述目标的负重。而且，图像采集过程中电路板最主要发热的是图像解码模块，解码模块设置在所述外围电路板远离所述目标，降低了热量对所述目标行为的影响。具体地，所述眼动追踪装置包括头部固定器，所述头部固定器固定在所述目标头部，所述眼动单元装置通过所述安装部可拆卸地安装在所述头部固定器上。所述眼动追踪装置除头部固定器以外的部分可以仅在实验时段安装，从而提高设备使用率并避免设备在实验外损坏。具体地，所述头部固定器包括插针底座以及设置在所述插针底座上的插针。优选地，所述头部固定器设置有两个具有一定间距的所述插针底座，所述插针从所述插针底座向所述目标头部两侧伸出，空出了所述目标头顶的位置，便于在神经科学实验中协同其它神经技术使用。具体地，所述眼动单元装置和所述外围电路板通过信号线连接，所述外围电路板与所述计算机之间连接有导电滑环。所述导电滑环使得在目标自由转圈时信号线也可自由旋转，避免打结。具体地，所述超微摄像头和所述近红外光光源设置在所述目标眼部外侧，处于所述目标视轴上，直接对准所述目标眼部。在一些实施例中，所述眼动单元装置还包括近红外全反射镜，所述近红外全反射镜设置在所述目标眼部前外侧，所述超微摄像头和所述近红外光光源设置在所述目标视野之外，朝向所述近红外全反射镜。所述近红外全反射镜能够透射可见光，所述目标可看到镜片后的任何物体，不影响所述目标视野。优选地，所述近红外全反射镜与所述目标眼轴和所述超微摄像头光轴均成45°，对准所述目标眼部，该结构能使所述摄像头间接对准所述目标眼部，并最大限度保证近红外光反射强度，提升最终图像的对比度，减小后期图像处理的难度。。相应地，根据小鼠眼部位置，所述近红外反射镜最终设置为镜面与小鼠身体中轴夹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种安装在动物头部的眼动追踪装置，包括眼动单元装置和计算机，眼动单元装置中固定设置有超微摄像头和近红外光源，其特征在于，/n整个所述眼动追踪装置的电路板分为眼动单元电路板和外围电路板两部分，所述眼动单元装置中还设置有所述眼动单元电路板和安装部，所述眼动单元电路板包括成像模块和编码模块；与所述编码模块对应的解码模块设置在所述外围电路板，所述外围电路板设置在所述眼动单元装置外，与所述计算机连接；所述外围电路板通过有线或者无线的方式连接所述眼动单元装置；/n目标头部固定设置有头部固定器，所述眼动单元装置通过所述安装部可拆卸地安装在所述头部固定器上。/n

【技术特征摘要】
1.一种安装在动物头部的眼动追踪装置，包括眼动单元装置和计算机，眼动单元装置中固定设置有超微摄像头和近红外光源，其特征在于，
整个所述眼动追踪装置的电路板分为眼动单元电路板和外围电路板两部分，所述眼动单元装置中还设置有所述眼动单元电路板和安装部，所述眼动单元电路板包括成像模块和编码模块；与所述编码模块对应的解码模块设置在所述外围电路板，所述外围电路板设置在所述眼动单元装置外，与所述计算机连接；所述外围电路板通过有线或者无线的方式连接所述眼动单元装置；
目标头部固定设置有头部固定器，所述眼动单元装置通过所述安装部可拆卸地安装在所述头部固定器上。


2.根据权利要求1所述的眼动追踪装置，其特征在于，所述头部固定器包括插针底座以及设置在所述插针底座上的插针。


3.根据权利要求1所述的眼动追踪装置，其特征在于，所述头部固定器设置有两个具有一定间距的所述插针底座，所述插针从所述插针底座向所述目标头部两侧伸出。


4.根据权利要求1所述的眼动追踪装置，其特征在于，所述眼动单元装置和所述外围电路板通过信号线连接，所述外围电路板与所述计算机之间连接有导电滑环。


5.根据权利要求1所述的眼动追踪装置，其特征在于，所述超微摄像头和所述近红外光光源设置在所述目标眼部外侧，朝向所述目标眼部；
或者，所述眼动单元装置还包括近红外全反射镜，所述近红外全反射镜设置在所述目标眼部前外侧，所述超微摄像头和所述近红外光光源设置在动物视野之外，朝向所述近红外全反射镜。


6.根据权利要求5所述的眼动追踪装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琴，蔚鹏飞，王立平，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44