一种眼动追踪装置及方法

本发明涉及生命科学技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明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，本发明的眼动追踪装置，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角75°，与水平面夹角为25°。

优选地，所述近红外光源设置在所述超微摄像头旁侧，与所述目标眼部和所述超微摄像头成10-20°夹角，解决了现有技术中因光源导致的图像质量欠佳问题，提升了所获取的眼睛图像的质量。

优选地，所述眼动单元装置还包括近红外带通滤光镜，所述近红外带通滤光镜设置在所述超微摄像头镜头前方，可滤除环境杂光，防止实验中可见光对眼动图像的干扰，否则所获图像为眼部图像和反射镜后环境图像的叠加。

同时，本发明还提供一种眼动追踪方法。

将眼动单元装置固定在目标头部，将解码模块设置在所述眼动单元装置外的外围电路板上；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，所述外围电路板不设置在所述目标头部。所述目标仅负载所述眼动单元装置部分，减轻所述目标的负重。

使用包括插针底座和插针的所述头部固定器固定所述眼动单元装置，所述插针设置在所述插针底座上；

将所述插针底座固定在所述目标头部，将所述眼动单元装置的安装部安装到所述插针上。所述眼动单元装置可方便快捷地安装、拆卸，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。

所述头部固定器具有两个所述插针底座，将两个所述插针底座以一定间隔固定在所述目标头部，所述插针从所述插针底座向目标头部的两侧伸出，空出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。

使用导电滑环连接所述外围电路板，使得在所述目标自由转圈时信号线也可自由旋转，避免打结。

综上所述，本发明的眼动追踪装置及方法中，两部分电路板负载不同功能的设计使得眼动追踪装置在安装使用时目标仅需负重眼动单元装置，减轻了目标的负重。改变了装置的安装方法使得装置可灵活固定拆卸，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。头部固定器安装在目标头部两侧，便于在神经科学实验中协同其它神经技术使用；眼动单元装置在头部固定器上可改变固定的具体位置，可以确保将目标眼部全部纳入拍摄范围。将现有技术中围绕摄像头的光源改到摄像头旁侧的优化设计提升了所获取的眼睛图像的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明眼动追踪装置结构框架示意图；

图2为本发明眼动追踪装置的安装状态示意图

图3为本发明眼动追踪装置的眼动单元装置内部设计方案示意图；

图4为本发明眼动追踪装置的眼动单元装置内部设计的另一方案示意图；

图5(a)为现有技术中环绕镜头的环状光源示意图；

图5(b)为本发明中镜头旁侧设置近红外光源的示意图；

图6为本发明眼动追踪装置眼动单元的固定示意图。

附图标记：

1-眼动单元装置；11-超微摄像头；12-近红外光源；13-近红外全反射镜；14-近红外带通滤光镜；2-头部固定器；21-插针；3-外围电路板；4-导电滑环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种眼动追踪装置，用于在小动物(后文以小鼠作为实施例的追踪对象，如果本装置在小鼠可用，其它实验哺乳动物体积均比小鼠大，修改固定器后均可用)自由活动状态下连续精确地追踪检测眼球运动。参见说明书附图1所示，眼动追踪装置主要包括眼动单元装置1、头部固定器2、外围电路板3和计算机。在一些情况下，还可以包括导电滑环4，此部分内容参见后文所述。具体地，眼动单元装置1包括超微摄像头11、近红外光源12、眼动单元电路板、外壳和安装部。眼动单元装置1用于拍摄小动物眼球运动，并将获取的数据通过信号线传输到所连接的外围电路板3。眼动单元装置1通过在小动物头部手术埋置的头部固定器2进行固定和拆卸。头部固定器2包括两部分，分别设置在小动物头部两侧。根据实验需要可以选择只在单侧的头部固定器2上安装眼动单元装置1观察单侧眼动，或者，在两侧的头部固定器2上都安装眼动单元装置1。本发明提供的眼动追踪装置的设计包括了两部分的电路板：设置在眼动单元装置1上的眼动单元电路板和外围电路板3，必须靠近小动物的电路设置在眼动单元地电路板，如成像模块和编码模块；其它电路如解码模块等全部设置在外围电路板3。因此，两部分电路板分别承载了不同的功能，例如，眼动单元电路板能够将拍摄的眼部运动图像编码，外围电路板3具有解码功能，关于电路板的具体内容后文详述。因此本发明中的眼动追踪装置在安装使用时，小鼠仅需负重眼动单元装置1部分，参见说明书附图2，外围电路板3不会承载在小鼠头部，也就是说部分功能所对应的硬件，其重量不会加载在小鼠身上。

在一些实施例中，为了使小动物所负载的重量最小，眼动单元装置1上的眼动单元电路板仅具有成像模块和编码模块，使眼动单元电路板上仅具有必须要靠近小动物的电路部分，将眼动单元装置1的重量减至最小。

进一步，眼动单元装置1拍摄小动物的眼球运动，将拍摄的图像转化为数字信号传输，这样就可以传输任意长距离而无噪点，眼动单元电路板将所获取的图像编码后传送到外围电路板3，在外围电路板3部分进行解码。因为图像采集过程中电路板发热较强，电路板产生的热量会对小动物产生干扰，而电路板中最主要的发热部分是图像解码部分，所以将图像解码部分设计在外围电路板3，使其远离小动物，不会使小动物感到不适，也就降低了热量对小动物行为的影响。在一些实施例中，外围电路板3与眼动单元装置1之间通过信号线连接，眼动单元装置1将所拍摄的眼球运动图像转化为数字信号，图像编码后经长约50cm的信号线传输到外围电路板3进行解码，转换为usb信号，然后传输到计算机。可替换地，眼动单元装置1编码后的数字信号传输还可以采用无线传输的方式传输到外围电路板3。

眼动单元装置1中超微摄像头11和近红外光源12固定在外壳内部的固定位置上，外壳为可透过近红外光线的材质，或者，外壳在近红外光源12和超微摄像头11所形成的光路位置上做窗口设计，以保障近红外光线的顺利传输。由于实现部分功能的硬件不必装载在眼动单元装置1中，因此眼动单元电路板的尺寸可以大幅缩小，可以做到仅为现有技术中装置电路板大小的1/7，一对眼动单元装置1加头部固定器2的总长可以仅为28mm，从而大大减小了小动物所需负载的体积和重量。

眼动单元装置1的内部结构可以根据实验的具体需要做部分改变，参见说明书附图3，在本实施例中，设计了方案一，眼动单元装置1由外壳、超微摄像头11、近红外光源12和眼动单元电路板组成，一对眼动单元装置重量仅为0.8g。超微摄像头11设置在小鼠眼部外侧，直接对准小鼠眼部，本实施例提供的较佳方案为采用1280*720像素的3.8mm内窥镜摄像头约在12mm距离直接对准小鼠眼部。进一步，关于现有技术中因光源影响会造成所获取的眼睛图像质量欠佳的问题，例如，光源的设置会使图像产生光斑等问题，影响后期对眼动信息的准确处理，为解决这些问题，进一步优化光源的布局。参见说明书附图5(a)为现有技术中采用的环状围绕摄像头的光源，因瞳孔的通光特点，这种布局的环状光源设置会造成眼球转到某些方向时黑色瞳孔变成白色瞳孔，影响后期图像处理。因此，在本实施例中，参见说明书附图5(b)，将近红外光源12改到超微摄像头11的旁侧，例如，两个近红外光源12并排设置在11旁边，直接对准小鼠眼部进行照明。优选地，为两个940nm近红外led在摄像头旁侧5mm处照明，与小鼠眼部和摄像头成10-20°夹角，既不会造成白瞳孔，也不会在眼球周围形成过多阴影影响黑色瞳孔提取。为了进一步提升成像效果，可选地，还可以在超微摄像头11的镜头前方设置近红外带通滤光镜14，用于透射近红外光，阻止可见光，防止环境干扰眼动记录的成像，否则所获图像为眼部和环境图像的叠加。这与普通摄像机的近红外截止滤光片作用相反，普通摄像机前的近红外截止滤光片透过可见光成像，滤掉近红外以调节色平衡，防止图像发红。神经科学研究中追踪眼部运动所获得的图像需要清晰、精细，本方案中摄像头的拍摄范围宽度为9mm，可计算分辨率为9mm/1280像素＝0.007mm/像素；对比同类装置采用的640*480像素摄像头，拍摄范围宽度10mm，可算得的分辨率为10mm/640像素＝0.016mm/像素，分辨率提高一倍，获得的图像清晰并且更为精细。摄像头越对准瞳孔，所获得的数据越精准，但是也遮挡了小鼠视野的中心区域，因而本方案适用于在对视野和注意力要求不高的研究中使用。

在进行某些关于视觉、注意等研究时，要求视野中无遮挡物，但是上述方案由于摄像头对准瞳孔，所以遮挡了小鼠视野。为了进一步适应对于视觉、注意等研究的高要求，设计了参见说明书附图4所示的方案二，方案二中眼动单元装置1内部还可以包括近红外全反射镜13。近红外全反射镜13设置在小鼠眼部前外侧，近红外全反射镜13的作用在于透射可见光，小鼠可看到镜片后的任何物体，不影响小鼠视野，同时，近红外全反射镜13可以反射近红外光，这样近红外光源12发出的近红外光经近红外全反射镜13反射到小鼠眼睛进行照明，小鼠眼部图像经近红外全反射镜13反射到超微摄像头11成像。近红外反射镜采用45°全反射镜，即光的入射和出射角为45°时，反射最强，最终图像的对比度和清晰度最好，后继的图像处理较容易。所以眼睛和摄像头均朝向近红外反射镜，眼睛-反射镜和摄像头-反射镜两条连线与镜面均成45°夹角。而使用目标小鼠为侧眼动物，眼睛位于头部两侧，朝向左右斜上方，其方向为小鼠身体中轴向外侧转60°，再向上转25°。所以根据全反射镜和小鼠眼睛的特点，最终近红外全反射镜的最佳设置是：位置正对眼睛，方向与小鼠身体中轴的夹角为180°-60°-45°＝75°，与水平面夹角25°。偏离这个角度，则反射能力逐渐下降，图像对比度变低，画面模糊，后继图像处理提取数据时噪音大错误多。超微摄像头11与近红外光源12可以设置在小鼠头部的后部两侧，朝向近红外全反射镜13，近红外带通滤光镜14在超微摄像头11的镜头前方。因此，除近红外全反射镜13以外的部分都处于小鼠的视野之外，不再遮挡小鼠的视线，减少了对小鼠活动的影响。为了保证图片质量，近红外全反射镜13采用了石英材质，这使得近红外全反射镜13占据了本方案中眼部单元装置1的大部分重量，即便如此，此时包括近红外全反射镜13和近红外带通滤光镜14在内，一对眼动单元装置1的重量也仅为2g。虽然小鼠可以承受，但是与方案一相比，方案二的眼动单元装置1的重量还是重了2.5倍。因此，在当同时应用其它脑研究技术的研究中，需要头部固定其它负重物体时更适合于使用方案一。

固定眼动单元装置1的为头部固定器2，头部固定器2植入小动物头部，与设计在眼动单元装置1上的安装部配合使用以实现眼动单元装置1快捷地安装、拆卸。该衔接部分可设计为螺纹连接、卡扣连接等任何微型轻便牢固的结构。参见说明书附图6，优选地，采用插针连接，头部固定器2为设有多排平行插针21的插针底座，插针底座底部中空，置入到小鼠头部后露出了头顶的位置，以便于小鼠头部植入神经电极、光纤、微透镜等其它设备。插针21从插针底座上向小鼠身体外侧方向伸出。优选地，多排插针中，相邻两排插针21之间的间距相同。相对应地，眼动单元装置1上设置的安装部为平行设置的插孔，内有簧片或硅胶或空心针套管等防止插针21摇摆滑脱，相邻两排插孔之间的间距与插针21的间距相对应。安装时通过将插针21插入安装部的插孔中实现对眼动单元装置1的固定。

在实验前，头部固定器2经手术植入小动物颅骨，在本实施例中，头部固定器2的插针连接设计使得眼动单元装置1固定和拆卸时可以直接插拔，操作方便快捷。因此，眼动追踪装置1仅有头部固定器2部分需要长时间固定在小动物头部，其余部分可以分时在多只小动物实验时段使用，提高设备利用率，并避免实验外因小动物争斗损坏设备。在一些实施例中，头部固定器2提供了平行的三排插针21，眼动单元装置1实际上仅需两排插针21就可以实现固定，因此在插针底座有三根或者更多根插针的情况下，当任意插针之间的间距都相等时，可以任选两根插针进行固定，从而可方便地前后调整眼动单元装置1的位置，解决因不同实验者的手术习惯、实验脑区不同，植入头部固定器2的位置有一定差异，而导致小鼠眼部超出眼动装置成像范围的问题，进一步保障将小鼠眼部全部纳入拍摄范围。而且，如果需要将装置应用于大鼠等动物，只需要调整头部固定器2以及眼动单元装置1上的安装部的尺寸即可使用。

此外，当眼动单元装置1的信号有线传输到计算机时，为了解决小动物在自由运动时容易使信号线缠绕、打结的问题，可在信号传导线路上连接导电滑环4，导电滑环4使得在小动物自由转圈时信号线也可自由旋转，避免打结，同时图像信号可以经过导电滑环4稳定地继续传输。导电滑环的阻力随导电通道数增加而迅速增加，所以导电通道数越少越好。眼动单元装置1与外围电路板3之间由8线传输信号，外围电路板3到计算机usb接口只有4条线，所以导电滑环4设置在外围电路板3和计算机之间。

综上所述，本发明提供了一种体积小重量轻的眼动追踪装置及方法，眼动追踪装置设计中的电路板包括了眼动单元电路板和外围电路板两部分承载，眼动追踪装置安装时，小鼠仅需负重眼动单元装置部分，减轻了小动物的负重。眼动单元装置通过实验前手术埋置在小动物头部的头部固定器可快捷地安装固定，使得眼动追踪装置只有头部固定器部分需要长时间固定在小动物头部，其它部分可以只在实验时使用，提高了装置的利用率，还避免了在实验外因动物争斗而损坏设备。眼动单元装置在头部固定器上可改变固定的具体位置，可以确保将小动物眼部全部纳入拍摄范围。头部固定器中部中空的设计便于眼动追踪装置在神经科学实验中协同其他神经技术探测小动物大脑。将现有技术中围绕摄像头的光源改到摄像头旁侧的优化设计提升了所获取的眼睛图像的质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。