[发明专利]一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法

说明书

本发明公开了一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法，属于机器视觉领域和深度学习领域，所述方法包括设计宽度足够小鼠自由进退的透明狭长跑道设备；使用狭长红色背景光源和绿色跑道光源照明，高帧频相机获取平面镜反射的小鼠步态图像，并输入计算机中；构建目标检测网络模型并训练，用训练好的目标检测网络模型，对高帧频相机获取的每一帧图像进行小鼠目标检测和关键点回归，实时输出小鼠四肢、鼻尖、嘴巴、腹部以及尾根共八个关键点坐标信息，对小鼠的步态进行实时分析；实时计算输出移动距离、速度、步长等步态特征参数等步骤。本发明可以长时间实时的分析小鼠步态，对基于小鼠行为学实验步态参数的量化研究具有较高的应用前景。

技术领域

本发明涉及机器视觉领域和深度学习领域，尤其是一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法。

背景技术

外伤或中枢神经系统病变引发神经病理性疼痛，触觉的刺激会引起身体行为产生相应的反应，小鼠基因序列与人类具有高度相似性，在人类的行为学研究过程中扮演着重要的角色。将小鼠放置在狭长跑道中自发活动，方向以前进和后退为主，更易分析小鼠步态特征，狭窄的空间更符合小鼠活动的习惯，计算机辅助分析步态特征参数，更有利于长期的观察和判断。

目前，基于计算机辅助的小鼠步态分析方法都是通过录制小鼠步态视频进行步态特征分析，该方法存在以下不足：

(1)长时间的录制视频产生大量冗余数据，浪费了大量计算机存储空间，需要手动筛选出小鼠以稳定速度从跑道一侧移动至另一侧的视频片段，耗费大量精力，不利于长期观察。

(2)较少的数据量不能很好验证步态特征参数与速度的相关性。

(3)基于跑步机等平台，小鼠运动不具有自发性。

因此需要建立一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法对小鼠步态特征参数进行实时分析。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法，实现对狭长环境中小鼠自发性行为的步态参数进行长时间的获取分析，避免偶然因素的影响，提高数据科学性，计算输出小鼠整体移动距离和速度，肢体摆动速度，步长、单个周期内支撑时间、摆动时间以及支撑时间比等步态特征参数，降低了对小鼠匀速跑动的严格要求，实现对狭长跑道中的小鼠实时进行步态参数量化和分析，对基于小鼠各种特征模型的行为学实验步态参数的量化研究具有较高的应用前景和现实意义。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种狭长跑道中小鼠自发性步态实时分析方法，包括以下步骤：

步骤1，搭建宽度足够小鼠自由前进和后退的透明狭长跑道，在透明狭长跑道的下方以45°倾斜放置能够完整反射透明狭长跑道的平面镜；

步骤2，透明狭长跑道上方放置狭长红色背景光源提供照明，使小鼠与背景做出明显区分；在透明狭长跑道两侧使用狭长绿色跑道光源提供照明，突出小鼠腹部和足迹特征；使用高帧频相机实时获取平面镜反射的小鼠步态图像，并输入计算机中；

步骤3，构建目标检测网络模型并训练，用训练好的目标检测网络模型，对高帧频相机获取的每一帧图像进行小鼠目标检测和关键点回归，实时输出小鼠的回归框坐标和不同关键点的坐标信息，在LabVIEW编辑的主界面的实时画面中进行标注，实现可视化；

步骤4，通过计算连续的帧与帧之间相同关键点坐标关系和单个帧内部不同关键点坐标关系，实时且准确的量化小鼠多种步态参数。

4、本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1中，所述透明狭长跑道顶端使用透明亚克力板与扩散板粘合作为背景，底部使用透明亚克力板作为跑道，长*宽*高为1200mm*100mm*200mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2中，所述高帧频相机的帧频为100FPS。