专利名称：自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置与方法
技术领域：
本发明涉及ー种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置与方法，属于电子技术、动物医学和行为生态研究領域。
背景技术：
视觉是人和动物感知外部世界的主要感觉通路，人和动物主要依赖视觉信息的加エ和处理来感知和辨识中物体的特征，包括形状、大小、顔色、以及位置和运动特征等。在常规的视觉研究中，主要采用固定动物头部，通过视觉呈现特定编码的刺激，通过光学成像或生物电生理技术记录生物电活动。如果要研究动物在自然环境中自由活动状态下的视觉认知机制，传统的视觉研究方式是无法满足要求的。例如，动物在自然环境中进行迁徙运动时视觉起到什么样的导航作用，当其视觉受到干扰后动物又采取什么样的导航策略，当它改变策略时，其生物电活动，尤其是脑电活动能反映其决策过程。目前，尚无有效地相关试验装置和方法，用于完成这ー研究。
发明内容
发明目的:为了克 服现有技术中存在的不足，本发明采用的技术方案为:
ー种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:包括电子眼罩、定位模块、生物电测量部分和主控部分；
所述电子眼罩，用于调节动物的视觉刺激，产生或消除视觉障碍；
所述定位模块，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标信息；所述生物电测量部分包括:生物电采集电极，用于采集动物生物电；生物电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器；多路开关，用于分时导通，把多路生物电信号送入AD转换器；AD转换器，用于把放大滤波后的生物电信号转换为数字信号，存在存储器中；
所述主控部分包括:数据记录模块:记录动物的视觉刺激状态、所处的地理信息和生物电信号；USB接ロ模块:用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块:用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块:给电子眼罩发送驱动信号使其产生或消除视觉刺激、接收定位模块的地理信息、接收生物电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接ロ模块和计算机进行数据交换；
其中，所述生物电采集电极、生物电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、多路开关、AD转换器依次连接后，连接于控制器模块；所述电子眼罩、定位模块、数据记录模块、USB接ロ模块、人机交互模块分别与控制器模块连接。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:所述电子眼罩包括左眼単元和右眼単元，左眼単元和右眼单元单独接受控制器模块发出的驱动信号，所述电子眼罩通过第一尼龙粘扣固定被监测对象的眼睛，所述第一尼龙粘扣上设有用于露出电子眼罩的眼睛孔，所述电子眼罩采用透明液晶材料制成，当无驱动信号时，完全透光不会对动物产生视觉障碍；当接收驱动信号时，会遮断光线，对动物产生视觉障碍。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:所述生物电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、多路开关、AD转换器、定位模块、数据记录模块、USB接ロ模块、人机交互模块、控制器模块安装在一块电路板上，所述电路板通过第二尼龙粘扣固定于被监测对象的背部；所述生物电采集电极固定于被监测对象的头部上。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述生物电信号放大器分为信号跟随部分和信号放大部分；所述信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；所述信号放大部分采用两级放大，包括第一级和第二级，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路；第二级采用运算放大器组成比例放大电路；所述第一级和第二级增益均可调。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:所述数据记录模块采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块采用GPS定位接收模块。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:所述低通滤波器，采用运放组成ニ阶有源低通滤波器，截止频率为500Hz ;和/或，所述带阻滤波器，采用运放组成双T型带阻滤波器。所述的自然环境 下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述AD转换器，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接ロ模块为串行ロ转USB接ロ芯片。所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述人机交互模块包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块采用单片机。自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的方法，包括以下步骤，
步骤(I):控制器模块初始化自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置；
步骤(2):开始定时器中断；
步骤(3):接收并记录被监测对象当前的地理坐标信息；
步骤(4):定时时间到，接收并记录生物电信息；
步骤(5):控制器模块根据生物电信息判断当前条件是否与产生或撤销视觉刺激的条件相吻合，如吻合则由控制器模块发出驱动信号控制电子眼罩；
步骤(6):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(5);若结束，则进入步骤(7)；
步骤(7 ):从被监测对象上取下装置，计算机通过USB接ロ模块获得数据记录模块中的数据，进行分析数据。所述步骤(5)中“产生或撤销视觉刺激的条件”为:当前地理坐标信息与产生或撤销视觉刺激的关键地理坐标相吻合，或者是当前时间与规定时间相吻合。有益效果:本发明提供的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置与方法，通过此装置与方法，1、自动工作的电子眼罩，其可以按照人工设置的条件定时或定点调节视觉刺激，从而改变动物视觉条件；可以在动物自由活动状态下，定时或定点调节视觉刺激，比如施加或消除干扰动物视觉；2、可以记录自然环境中动物的生物电；3、可以记录在自然环境中动物运动的轨迹；可以对在自然环境中的动物不做強制性固定的条件下，人为地给动物产生视觉刺激；可以全程记录动物迁徙运动的路线；可以全程记录动物在运动迁徙过程中的生物电參数；通过本发明装置获取的数据，可以分析出动物下视觉刺激下其生物电与行为响应的关系，为研究动物迁徙规律、迁徙路线、运动导航等科学研究提供支持；本发明装置开启或撤销视觉刺激的方法是给液晶加载驱动信号或撤销驱动信号；本发明装置可以分别开启或撤销左右眼的视觉刺激，不存在关联关系。
图1是本发明的装置示意 图2是本发明的方法流程图。图中:生物电采集电极1、生物电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、多路开关5、AD转换器6、定位模块7、数据记录模块8、USB接ロ模块9、人机交互模块10、控制器模块11、电池供电模块12、电子眼罩13。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进ー步的说明。如图1所示，为ー种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:包括电子眼罩13、定位模块6、生物电测量部分和主控部分；
所述电子眼罩13，用于调节动物的视觉刺激，产生或消除视觉障碍；
所述定位模块7，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标信息；所述生物电测量部分包括:生物电采集电极1，用于采集动物生物电；生物电信号放大器2 ;低通滤波器3 ;带阻滤波器4 ;多路开关5，用于分时导通，把多路生物电信号送入AD转换器;AD转换器6,用于把放大滤波后的生物电信号转换为数字信号,存在存储器中； 所述主控部分包括:数据记录模块8:记录动物的视觉刺激状态、所处的地理信息和生物电信号；USB接ロ模块9:用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块10:用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块11:给电子眼罩发送驱动信号使其产生或消除视觉刺激、接收定位模块的地理信息、接收生物电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接ロ模块和计算机进行数据交换；
其中，所述生物电采集电极1、生物电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、多路开关5、AD转换器6依次连接后，连接于控制器模块；所述电子眼罩13、定位模块7、数据记录模块8、USB接ロ模块9、人机交互模块10分别与控制器模块11连接。还包括电池供电模块12:给上述各模块提供电源；由锂电池、DC-DC及稳压模块构成。所述电子眼罩13包括左眼单元和右眼单元，左眼单元和右眼单元单独接受控制器模块11发出的驱动信号，所述电子眼罩13通过第一尼龙粘扣固定被监测对象的眼睛，所述第一尼龙粘扣上设有用于露出电子眼罩的眼睛孔，所述电子眼罩采用透明液晶材料制成，当无驱动信号时，完全透光不会对动物产生视觉障碍；当接收驱动信号时，会遮断光线，对动物产生视觉障碍。所述生物电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、多路开关5、AD转换器6、定位模块7、数据记录模块8、USB接ロ模块9、人机交互模块10、控制器模块11安装在ー块电路板上，所述电路板通过第二尼龙粘扣固定于被监测对象的背部；所述生物电采集电极I固定于被监测对象的头部上。所述生物电信号放大器2分为信号跟随部分和信号放大部分；信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；信号放大部分采用两级放大，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路，放大倍数约为10倍；第ニ级采用运算放大器组成比例放大电路，放大倍数约160倍；两级总放大倍数为1600倍左右；第一级和第二级增益均可调；
所述数据记录模块8采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块采用GPS定位接收模块。所述低通滤波器3，采用运放组成ニ阶有源低通滤波器，截止频率为500Hz ;和/或，所述带阻滤波器，采用运放组成双T型带阻滤波器。所述AD转换器6，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接ロ模块为串行ロ转USB接ロ芯片。所述人机交互模块10包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块11采用单片机。如图2所示，为ー种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的方法，包括以下步骤，
步骤(I):控制器模块初始化自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置；
步骤(2):开始定时器中断；
步骤(3):接收并记录被 监测对象当前的地理坐标信息；
步骤(4):定时时间到，接收并记录生物电信息；
步骤(5):控制器模块根据生物电信息判断当前条件是否与产生或撤销视觉刺激的条件相吻合，如吻合则由控制器模块发出驱动信号控制电子眼罩；
步骤(6):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(5);若结束，则进入步骤(7)；
步骤(7):从被监测对象上取下装置，计算机通过USB接ロ模块获得数据记录模块中的数据，进行分析数据。所述步骤(5)中“产生或撤销视觉刺激的条件”为:当前地理坐标信息与产生或撤销视觉刺激的关键地理坐标相吻合，或者是当前时间与规定时间相吻合。本发明的具体运用如下:
一、装置安装方式
把生物电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、多路开关5、AD转换器6、定位模块7、数据记录模块8、USB接ロ模块9、人机交互模块10、控制器模块11、电池供电模块12组成的装置用无害强力胶粘贴在尼龙粘扣的刺面上；把尼龙粘扣的毛面用无害强力胶粘贴在动物背部；把尼龙粘扣的毛面和刺面粘合，固定好本发明装置背部部分。把尼龙粘扣剪洞，留出动物眼睛部分；电子眼罩13用无害强力胶粘贴在尼龙粘扣的刺面上，液晶部分覆盖留出的洞；把尼龙粘扣的毛面用无害强力胶粘贴在动物眼部，并露出眼睛；把尼龙粘扣的毛面和刺面粘合，固定本装置的头部部分。把生物电采集电极固定在动物身体的测试部分。本实施例采用针式电极插入动物头部的神经核团采集生物电信号，然后用医用固定剂固定。本实施例的动物采用鸽子。ニ、装置电路实施方式 电路实施如下:
电子眼罩13采用TN透明液晶，当加驱动信号时会遮断光线，对动物产生视觉障碍，否则不会产生视觉障碍。本实施例采用单段液晶，其尺寸大小为5mm*5mm，驱动引脚连接至控制器模块单片机MSP430F427的P16、P17、P23、P24脚，采用动态驱动方式。生物电生物电信号放大器2:本实施例采用运放AD8267及其外围电路做为电压跟随电路；仪用放大电路AD8259及外围电路作为第一级放大，Rg=4.7K，放大倍数约10倍；运放L324及其外围电路作为第二级放大，放大倍数约160倍。低通滤波器3:本实施例运放L324及其外围电路组成ニ阶有源滤波器，截止频率设定在250Hz。带阻滤波器4:本实施例运放L324及其外围电路组成带阻滤波器，陷频率设定在50Hz。多路开关5:采用控制器模块单片机MSP430F427内置的多路开关。AD转换器6:本实施例采用控制器模块单片机MSP430F427内置的12位AD转换器 器。生物电采集电极1、生物电生物电信号放大器2、低通滤波器3、带阻滤波器4、依次连接后，连接于控制器模块单片机MSP430F427的模拟信号输入引脚。定位模块7:接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标信息。本实施例采用ST-93 GPS接收模块。其输出引脚连接至单片机MSP430F427的串行ロ。数据记录模块8:记录动物所处的地理信息和生物电信号。本实施例采用MX25L3205D EEPROM芯片；其引脚与单片机MSP430F427 SIP串行ロ连接。USB接ロ模块9:用于和后台计算机通信，本实施例采用PL2303，连接于单片机MSP430F427 的 Pl.0 和 Pl.1 ロ线。人机交互模块10接收人的操作命令和显示信息给人。本实施例采用红色两个发光二极管和两个按键，分别连接至单片机的引脚。控制器模块11:接收定位模块的地理信息和生物电信号；给数据记录模块发送命令使其进行数据记录；通过USB接ロ模块和计算机进行数据交换；本实施例采用单片机MSP430F427及其外围电路。电池供电模块12:由锂电池和稳压模块构成。本实施例采用标称3.7VIOOOmah的锂聚合物电池及XC6206P332组成，给其他模块提供3.3V的直流电源。本实施例可供本发明装置工作15小时以上。本实施例的总体工作原理如下:当电池供电模块12开启后，控制器模块11初始化其他模块和定时器，定时频率4KHz ;从串ロ每接收到ー个地理信息，即存入数据记录模块8 ;当定时时间到后采样一次生物电信号并记录；同时控制器模块11判断当前是否负荷实施视觉刺激的条件，如果符合，则开启电子眼罩13，否则关闭电子眼罩13。重复以上三项エ作直至结束。当动物归巢后取下本发明装置，通过USB接ロ模块获取记录的数据并进行分析。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范 围。
权利要求
1.ー种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:包括电子眼罩、定位模块、生物电测量部分和主控部分； 所述电子眼罩，用于调节动物的视觉刺激，产生或消除视觉障碍； 所述定位模块，用于实现接收来自卫星的定位信号，从而获知当前的地理坐标信息； 所述生物电测量部分包括:生物电采集电极，用于采集动物生物电；生物电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器；多路开关，用于分时导通，把多路生物电信号送入AD转换器；AD转换器，用于把放大滤波后的生物电信号转换为数字信号，存在存储器中； 所述主控部分包括:数据记录模块:记录动物的视觉刺激状态、所处的地理信息和生物电信号；USB接ロ模块:用于实现把存储芯片中的数据送入计算机或接收计算机的命令；人机交互模块:用于接收操作命令和实现信息显示；控制器模块:给电子眼罩发送驱动信号使其产生或消除视觉刺激、接收定位模块的地理信息、接收生物电的数字化信号、接收人机交互模块的数据、给数据记录模块发送命令使其进行数据记录、通过USB接ロ模块和计算机进行数据交换； 其中，所述生物电采集电极、生物电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、多路开关、AD转换器依次连接后，连接于控制器模块；所述电子眼罩、定位模块、数据记录模块、USB接ロ模块、人机交互模块分别与控制器模块连接。
2.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在干:所述电子眼罩包括左眼単元和右眼単 元，左眼単元和右眼单元单独接受控制器模块发出的驱动信号，所述电子眼罩通过第一尼龙粘扣固定被监测对象的眼睛，所述第一尼龙粘扣上设有用于露出电子眼罩的眼睛孔，所述电子眼罩采用透明液晶材料制成，当无驱动信号时，完全透光不会对动物产生视觉障碍；当接收驱动信号时，会遮断光线，对动物产生视觉障碍。
3.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述生物电信号放大器、低通滤波器、带阻滤波器、多路开关、AD转换器、定位模块、数据记录模块、USB接ロ模块、人机交互模块、控制器模块安装在一块电路板上，所述电路板通过第二尼龙粘扣固定于被监测对象的背部；所述生物电采集电极固定于被监测对象的头部上。
4.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述生物电信号放大器分为信号跟随部分和信号放大部分；所述信号跟随部分采用高输入阻抗运放放大器组成的电压跟随器；所述信号放大部分采用两级放大，包括第一级和第二级，第一级采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路或集成仪用放大电路；第二级采用运算放大器组成比例放大电路；所述第一级和第二级增益均可调。
5.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述数据记录模块采用EEPROM存储芯片或SD卡进行数据存储；和/或，所述定位模块采用GPS定位接收模块。
6.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述低通滤波器，采用运放组成ニ阶有源低通滤波器，截止频率为500Hz ;和/或，所述带阻滤波器，采用运放组成双T型带阻滤波器。
7.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述AD转换器，采用12位及12位以上分辨率的转换芯片，采样频率为4KHz ;和/或，所述USB接ロ模块为串行ロ转USB接ロ芯片。
8.根据权利要求1所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置，其特征在于:所述人机交互模块包括按键和发光二极管；和/或，所述控制器模块采用单片机。
9.自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的方法，包括以下步骤， 步骤(I):控制器模块初始化自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置； 步骤(2):开始定时器中断； 步骤(3):接收并记录被监测对象当前的地理坐标信息； 步骤(4):定时时间到，接收并记录生物电信息； 步骤(5):控制器模块根据生物电信息判断当前条件是否与产生或撤销视觉刺激的条件相吻合，如吻合则由控制器模块发出驱动信号控制电子眼罩； 步骤(6):判断试验是否结束，若未结束，则重复步骤(3)至步骤(5);若结束，则进入步骤(7)； 步骤(7):从被监测对象上取下装置，计算机通过USB接ロ模块获得数据记录模块中的数据，进行分析数据。
10.根据权利要求9所述的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的方法，其特征在于:所述步骤(5)中“产生或撤销视觉刺激的条件”为:当前地理坐标信息与产生或撤销视觉刺激的关键地理坐标相 吻合，或者是当前时间与规定时间相吻合。
全文摘要
本发明公开了一种自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置与方法，装置包括电子眼罩、定位模块、生物电测量部分和主控部分；所述生物电测量部分包括生物电采集电极；生物电信号放大器；低通滤波器；带阻滤波器；多路开关；AD转换器；所述主控部分包括:数据记录模块；USB接口模块；人机交互模块；控制器模块。本发明提供的自然环境下视觉调节及生物电与行为记录的装置与方法，可以对在自然环境中的动物人为地给动物产生视觉刺激；全程记录动物迁徙运动的路线；全程记录动物在运动迁徙过程中的生物电参数；分析出动物下视觉刺激下其生物电与行为响应的关系，为研究动物迁徙规律、迁徙路线、运动导航等科研提供支持。
文档编号A61B19/00GK103110462SQ201310054530
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月21日 优先权日2013年2月21日
发明者刘玉宏, 刘小峰, 齐本胜, 蒋爱民, 童晶 申请人:河海大学常州校区