本发明涉及神经学功能研究领域，具体而言，涉及一种实验用小鼠反应监测仪。
背景技术：
在神经学功能研究中，行为运动监测是一个非常重要的方向，在神经学功能研究中，经常利用模式动物(如小鼠)进行相关实验，模式动物神经是否完整，功能是否正常，常常需要人为进行观测，可以通过观测其对外界信号干预是否有反应来判断神经功能是否正常，从而进一步研究神经科疾病的发病机理或致病基因。但是，由于模式动物无法用语言描述其主观感受，且不同个体间存在较大差异，因此，记录及追踪模式动物的行为学模式数据一直是神经科研究领域的难题。目前，虽然有一些可以记录及追踪模式动物的行为学模式数据的装置和系统，但普遍存在体积大、造价高、精确度低以及结果不可靠等问题。
技术实现要素：
本发明提供一种实验用小鼠反应监测仪，用以记录及追踪模式小鼠的模式数据，进而判断小鼠的神经功能是否正常。
为达到上述目的，本发明提供了一种实验用小鼠反应监测仪，其包括：小鼠容置区、光栅、光栅驱动模块、摄像模块和上位机，其中：
所述小鼠容置区由一圆桶构成，所述圆桶具有底面和侧壁并且侧壁为透明；
所述光栅为由黑白条纹相间构成的封闭环形面，其设置在所述圆桶的内侧并且与所述圆桶共圆心；
所述光栅驱动模块与所述光栅以及所述上位机连接，所述上位机向所述光栅驱动模块发送控制信号以驱动所述光栅以其圆心为转轴进行转动；
所述摄像模块设置在所述圆桶顶部并与所述上位机连接，以将拍摄的小鼠图像发送至所述上位机；
所述上位机中预先存储有于自然状态下测量到的小鼠头部长度l1、小鼠头部中心与小鼠身体中心之间的距离l2以及预设比例p1，预设比例p1为正常小鼠对转动光栅发生伸长身体反应的参考值，所述上位机对每一帧小鼠图像进行以下处理：
(1)对小鼠图像进行边缘检测以及二值化处理，以得到对应的灰度图像a，
(2)计算灰度图像a的形心a1；
(3)计算位于灰度图像a边缘的所有点与形心a1之间的距离，距离最大值对应的边缘点即为小鼠鼻子所在点b1；
(4)以b1为圆心，以小鼠头部长度l1为半径绘制一圆形区域c；
(5)计算灰度图像a与圆形区域c的交集区域的形心c1，该形心c1即为小鼠的头部；
(6)计算形心c1与形心a1之间的距离l3；
(7)判断l3是否大于1.3×l2，若为是，则将该帧小鼠图像标记为“1”，若为否，则将该帧小鼠图像标记为“0”；
(8)上位机按照上述步骤(1)～(7)连续处理时长为t的小鼠图像，并计算在此期间标记为“1”的小鼠图像占所有小鼠图像的比例p，若p≥p1，则判断该小鼠神经功能正常，若p＜p1，则判断该小鼠神经功能不正常。
在本发明的一实施例中，所述圆桶的直径为15cm，所述光栅构成的封闭环形面的直径为12cm。
在本发明的一实施例中，所述光栅驱动模块包括一步进电机以及一电机驱动模块。
在本发明的一实施例中，所述电机驱动模块包括单片机stm32f103和电机驱动模块l298n。
在本发明的一实施例中，所述圆桶的侧壁的材质为亚克力。
在本发明的一实施例中，所述光栅中黑色和白色条纹的宽度均为2cm。
在本发明的一实施例中，所述光栅转动的频率为0.5hz。
在本发明的一实施例中，所述摄像模块采用免驱自动对焦摄像头，图像采集频率为24帧/秒。
在本发明的一实施例中，实验用小鼠反应监测仪还包括一无线传输模块，所述无线传输模块与所述上位机连接。
在本发明的一实施例中，t为两分钟。
本发明提供的实验用小鼠反应监测仪体积小、造价低、分析结果精准可靠且可读性强，可供神经科学科研工作者独立操作，填补了市场上动物神经学模式数据记录及追踪领域的技术空白，具有重要的科研价值以及广阔的产业化应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明一个实施例的实验用小鼠反应监测仪的示意图。
附图标记说明：1-小鼠容置区；11-底面；12-侧壁；2-光栅；3-光栅驱动模块；4-摄像模块；5-上位机。
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付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。
本发明的原理是基于小鼠的神经学反应，即视觉、运动觉功能良好的小鼠对运动的物体有视觉跟随、并伸长身体向前探视以追踪运动物体的现象，本发明中的运动物体为光栅，通过采集看到光栅后的小鼠的身体图像并分析小鼠身长变化，判断实验小鼠神经功能是否受损。若小鼠看到运动的光栅后产生较大概率的身长变化，则判断小鼠神经功能良好，若小鼠看到运动的光栅后产生身长变化的概率不大，则判断为小鼠是无意间产生的身长变化，即身长变化与运动的光栅无关，则小鼠的神经功能应受到了损伤。
图1为本发明一个实施例的实验用小鼠反应监测仪的示意图，如图1所示，本发明提供的实验用小鼠反应监测仪包括：小鼠容置区1、光栅2、光栅驱动模块3、摄像模块4和上位机5，其中：
小鼠容置区1由一圆桶构成，圆桶具有底面11和侧壁12并且侧壁12为透明；
本发明中的圆桶的直径可以根据实际需要而定，一般需要根据小鼠的大小选择直径合适的圆桶，以小鼠能够在圆桶内活动自如以及方便小鼠转身为准。例如，本实施例中根据小鼠大小选择的圆桶的直径为15cm。圆桶的侧壁例如可以选用透明性、化学稳定性和耐候性均较好的亚克力。另外，小鼠容置区1的底色与小鼠的毛色以容易区分为佳，以便于后续图像处理顺利进行，另外，小鼠容置区1不应有过多污染物例如小鼠粪便、小鼠毛发等存在，如果有应及时清除。
光栅2为由黑白条纹相间构成的封闭环形面，其设置在圆桶的内侧并且与圆桶共圆心；
光栅2设置在圆桶的内侧，其直径略小于圆桶的直径，本实施例中光栅构成的封闭环形面的直径为12cm，光栅2中黑色和白色条纹的宽度均为2cm。
光栅驱动模块3与光栅2以及上位机5连接，上位机5向光栅驱动模块3发送控制信号以驱动光栅2以其圆心为转轴进行转动；
图1中的小鼠容置区1、光栅2等均以剖视图形式呈现，本领域技术人员根据图1可以想象得出其完整的形态，于此不再赘述。
光栅驱动模块3可以包括一步进电机以及一电机驱动模块(图中未示出)，步进电机与光栅2连接以带动光栅转动，电机驱动模块与上位机连接以接收上位机发送的控制信号，电机驱动模块例如可以采用单片机stm32f103和电机驱动模块l298n实现，能够控制步进电机平稳启动以及改变转速，转速可控范围为0.1hz-5hz，步进电机的转速与光栅2相同，本实施例中，光栅2转动的频率为0.5hz。
摄像模块4设置在圆桶顶部并与上位机5连接，以将拍摄的小鼠图像发送至上位机5；
本实施例中的摄像模块4采用免驱自动对焦摄像头，图像采集频率为24帧/秒。本发明也可根据需要选择其他能够摄取图像的设备进行图像采集，图像采集频率也可根据实际需要而变化。
本实施例中上位机的运行环境如下表：
上位机5中预先存储有于自然状态下测量到的小鼠头部长度l1、小鼠头部中心与小鼠身体中心之间的距离l2以及预设比例p1，预设比例p1为正常小鼠对转动光栅发生伸长身体反应的参考值，上位机5对每一帧小鼠图像进行以下处理：
(1)对小鼠图像进行边缘检测以及二值化处理，以得到对应的灰度图像a，
该步骤将小鼠与小鼠容置区1的底色进行区分，得到清晰完整的小鼠图像，边缘检测是为了剔除小鼠粪便等干扰图形。另外，由于小鼠的尾巴与后续的图像处理无关，该步骤中可以通过二值化处理过程将小鼠的尾巴过滤掉。
(2)计算灰度图像a的形心a1；
(3)计算位于灰度图像a边缘的所有点与形心a1之间的距离，距离最大值对应的边缘点即为小鼠鼻子所在点b1；
(4)以b1为圆心，以小鼠头部长度l1为半径绘制一圆形区域c；
(5)计算灰度图像a与圆形区域c的交集区域的形心c1，该形心c1即为小鼠的头部；
(6)计算形心c1与形心a1之间的距离l3；
(7)判断l3是否大于1.3×l2，若为是，则将该帧小鼠图像标记为“1”，若为否，则将该帧小鼠图像标记为“0”；
(8)上位机按照上述步骤(1)～(7)连续处理时长为t的小鼠图像，并计算在此期间标记为“1”的小鼠图像占所有小鼠图像的比例p，若p≥p1，则判断该小鼠神经功能正常，若p＜p1，则判断该小鼠神经功能不正常。
本实施例中的t为两分钟，也即，于两分钟内按照图像采集频率24帧/秒共采集48帧图像，计算出此期间标记为“1”的小鼠图像的数目，与48的比值即为p。本实施例中的预设比例p1可设为70％(或者70％至100％之间的其他数值)，即，如果标记为“1”的小鼠图像占所有小鼠图像的比例大于70％，则判断小鼠的神经功能良好。
在本发明的其他实施例中，实验用小鼠反应监测仪还可以进一步包括一无线传输模块(图中未示出)，无线传输模块与上位机连接，因此，摄像模块4和光栅驱动模块3均通过无线传输模块实现与上位机之间的数据、信号传输，因此，上位机可以设置在距离实验用小鼠反应监测仪其他部分一定距离处，以实现远程控制。
本发明提供的实验用小鼠反应监测仪体积小、造价低、分析结果精准可靠且可读性强，可供神经科学科研工作者独立操作，填补了市场上动物神经学模式数据记录及追踪领域的技术空白，具有重要的科研价值以及广阔的产业化应用前景。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。