УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАССИРОВКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ

Предлагаемое устройство относится к экспериментальной физиологии и предназначено для исследований в области высшей нервной деятельности животных. Устройство может быть использовано для анализа поведения животных при тестовых испытаниях, таких как «открытое поле», «свет/темнота», «новый объект», «социальное взаимодействие», «лабиринт Морриса» и другие.
В заявке RU 2001103771 А предложено устройство для выявления действия на поведение животного фармакологических препаратов, отличающееся тем, что в качестве экспериментальной установки используется проблемная камера, включающая в себя регистратор и электродный пол. Данный подход имеет ряд недостатков: экспериментальная камера не подходит для ряда стандартных физиологических и фармакологических экспериментов, электродный пол дает большие ошибки при оценке перемещения животных.
В заявке RU 2008118822 А предложен способ регистрации психофизиологических реакций, отличающийся тем, что анализ поведенческих показателей происходит по видеозаписи. Этот способ используется долгие годы в существующих системах и имеет недостаток, т.к. автоматический анализ данных по последовательности изображений с обычной камеры сильно зависит от контраста между объектом и фоном.
Проблема контрастности между объектом и фоном в физиологических экспериментах частично решена в устройстве для трассировки перемещения лабораторных животных в патенте на полезную модель RU 70105 U1, где автор является патентообладателем. Здесь предложено использовать теневую проекцию, полученную путем размещения источника освещения ниже экспериментальной арены с полупрозрачным матовым дном. Но в данном случае возникают проблемы с экспериментами, в которых требуется размещение осветительных элементов над экспериментальной ареной, а также требуется определение высоты животных. В последнем упоминаемом устройстве экспериментальная арена круглой или прямоугольной формы ограничена стенками, не позволяющими животному его покинуть, наблюдение и регистрация двигательной активности животных осуществляется с помощью видеокамеры, установленной над ареной. По составу элементов (экспериментальная арена, осветительная система, система регистрации поведения животных, компьютер) рассмотренное устройство [RU 70105 U1] является наиболее близким к предлагаемому.
В предлагаемом устройстве устраняются рассмотренные выше недостатки. Это достигается за счет того, что в устройстве для трассировки перемещения лабораторных животных, содержащем экспериментальную арену, с размещенными над ней осветительной и регистрирующей системами, и компьютер, в качестве регистрирующей системы применен датчик активного стереозрения, расположенный над ареной и подсоединенный к компьютеру. Термин «датчик активного стереозрения» введен после изучения принципа работы датчиков стереозрения, изложенных в двух американских заявках на изобретения: 1. №20100020078 (международный класс - АG06Т1700F1, американский класс - 345420). 2. №20100201811 (международный класс - AH04N718FI, американский класс - 348136). Датчик стереозрения (стереоскопического зрения) - это устройство, которое формирует объемное изображение, в котором каждая точка изображения характеризуется координатами в трехмерном пространстве. Классическая система стереозрения состоит из пары откалиброванных видеокамер, регистрирующих одну и ту же сцену. Путем совмещения кадров с пары камер и вычисления смещений соответствующих пикселей изображений восстанавливается дальность до объектов на сцене (по ГОСТ 27459 «пиксель» - наименьший элемент поверхности визуализации, которому может быть независимым образом заданы цвет, интенсивность и другие характеристики изображения). В активной системе стереозрения вместо одной из камер используется проектор, излучающий некий шаблон. В этом случае камера, регистрирующая шаблон, вычисляет смещения между пикселями шаблона, поданного в проектор и пикселями шаблона, найденными на изображении. В случае классического стереозрения система ничего не излучает, а только принимает сигналы (пассивный датчик), во втором случае система сама отправляет сигнал и получает отклик на этот сигнал (активный датчик). У активного датчика есть ряд преимуществ: большая точность, меньшая зависимость от физической природы сцены. Это позволило расширить возможности устройства:
- определять координаты животного на арене с высокой точностью при низком контрасте между животным и фоном;
- функционировать при частичном или полном отсутствии освещения;
- измерять высоту животного для оценки его вертикальной активности.
Новизна предлагаемого устройства заключается как в получении качественно новых характеристик, например, возможность работы при полном отсутствии освещения, так и в достижении высоких технических результатов: достижение высокой точности определения координат объекта, широкий диапазон регистрируемых размеров объектов.
Предлагаемое устройство для трассировки перемещения лабораторных животных показано на фиг. 1, оно состоит из арены (1), ограниченной стенками, не позволяющими животному ее покинуть, осветительной системы (2) и датчика (3), расположенного над ареной и подсоединенного к компьютеру (4), и передающего в компьютер дальностное изображение сцены, т.е. изображение, элементы которого хранят значение расстояния от объекта в кадре до датчика. Анализируя дальностные изображения можно организовать автоматическую регистрацию параметров поведения животных для основных тестов: «открытое поле», «свет/темнота», «новый объект», «социальное взаимодействие», «лабиринт Морриса» и другие.
Трассировка перемещения животных заключается в последовательном определении координат объекта (животного) по последовательности изображений. Процедура трассировки перемещения состоит из следующих этапов: 1. отделение пикселей принадлежащих изображению объекта от пикселей изображения фона: 2. определение связанных (имеющих хотя бы одну точку соприкосновения друг с другом) пикселей, принадлежащих изображению объектов; 3. вычисление математических ожиданий связанных пикселей по абсциссе и ординате. Используя систему активного стереозрения, упрощается процедура 1, т.к. пиксели принадлежащие объекту находятся ближе к датчику, чем пиксели фона, что позволяет быстрее и проще отделять слабоконтрастные в видимом диапазоне излучения объекты от фона. Очевидно, что выполнить перечисленные операции трассировки возможно только с использованием компьютерной техники.
В ходе экспериментальных испытаний с использованием датчика стереозрения фирмы Microsoft Kinect были получены следующие технические характеристик предлагаемого устройства:
- ошибка определения координат животного в пространстве меньше 10 мм
- устройство работоспособно при освещении от 1 до 100 люкс;
- диапазон размеров обнаружаемых объектов от 20 мм до 250 мм.