CN113439682A - 用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。该训练装置包括：动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息采集模块、运动目标拦截模块和人‑机交互控制模块。本发明装置可用于动物在自定义三维目标拦截过程中抓握动作训练，能够提供灵活且可调节的三维运动空间，允许自然且可复现的动作拦截行为，实现精确整合及量化动物在动作规划或执行各个阶段的时刻、多模态生理信息的同步采集及与外界环境的自然相互。本发明具有设计合理、人机交互更加自然、整合度和自动化程度高、操作简单且可靠、无需人工干预等优点，可实现动物对三维运动目标拦截的自动化训练。
Description
技术领域
本发明属于实验动物学测试和动物实验装置技术领域，具体涉及一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。
背景技术
基于侵入式的脑-机接口技术对运动相关的脑神经信息解析是国内外学者研究的热点，尤其是上肢三维运动拦截是大脑神经信息解析重点关注方向。运动拦截是在视觉引导下，肢体启动、趋向目标、并最终在预期位置与拦截目标相遇。这一过程涉及视觉皮层的神经元对视觉提示做出反应，运动皮层中的神经元在运动前规划及运动过程中调节活动，并被认为动物参与了动作计划、启动和控制等自主运动。
目前，在运动控制过程中神经元信息解码已经有了一定进展，通过不同神经元的活跃程度对动物抓握、运动方向和轨迹等进行解码，但对于连续运动条件下大脑皮层如何规划和启动运动过程的研究较少。在运动控制相关研究中，国内外的研究者多以经典Center-out实验范式为主，也有在运动条件下连续轨迹解码的实验范式，实现对离散或特定连续轨迹的意图解码。迄今为止，关于运动目标拦截相关脑区神经信号与眼动、肌电信息如何整合相关研究较少，对运动目标拦截进行补偿和预测时生成相应肢体控制机理尚不明确，也未发现在三维空间下整合和量化动物运动规划前及运动拦截过程中多模态电生理信息(包括脑神经信号、肌电信号、眼动信号等)和三维运动轨迹同步记录及与外界环境自然交互的训练装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置及方法。
一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，包括动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息同步采集模块、运动目标拦截模块和人-机交互控制模块。
所述动物座椅由主框架和实验框组成，用于固定实验动物。
所述给水奖励模块包括水嘴、导管、电磁阀、储水瓶；导管将储水瓶、电磁阀、水嘴按顺序连通。
所述多模态生理信息采集模块包括：
植入式肌电采集系统：包含肌电放大器、5V直流电源、植入式肌电电极及AI拓展版，肌电信号经由植入式肌电电极采集，由肌电放大器对肌电信号进行放大和滤波，AI拓展板与肌电放大器和生理信息采集器通过BNC同轴电缆传输；
眼动追踪仪：包含红外摄像头、红外补光灯、固定支架、NI采集卡，红外摄像头安装在固定支架上，并通过数据传输线与NI采集卡相连，整个支架安装在实验基础装置上；红外摄像头用于检测动物眼球活动，红外补光灯用于配合红外摄像头进行补光，NI采集卡与电生理信息采集系统BNC同轴电缆传输，输出眼动信号；
三维运动捕捉系统包括：四部支持近红外记录的摄像头，摄像头支架，视频采集卡、荧光追踪标识，视频采集卡安装在计算机中，并通过高清视频数据线与四部摄像头相连，摄像头支架固定于动物座椅上将摄像头置于可观测猕猴手臂运动的区域，可通过荧光追踪标识记录猕猴手部运动三维轨迹；
在体多通道神经信号记录系统：包括植入式神经电极、神经信号放大器、信号采集器、计算机；植入式神经电极经开颅手术植入至灵长类动物大脑皮质中，与神经信号放大器相连，放大器通过模数转换将模拟信号转换为数字信号传输至信号采集器，信号采集器与计算机相连，计算机中装有神经信号同步采集控制软件，用于调节参数，可同步存储多模态神经信号。
所述运动目标拦截模块包括底板、灯带支架、LED柔性灯带，压力传感器，抓握目标、灯带控制器，15V电源；底板用于连接与固定整体结构，并通过卡扣与试验台固定；灯带支架固定于底板上，并可调节位置与高度，LED柔性灯带固定于灯带支架上，灯带控制器用于控制灯带的工作模式；15V电源用于整体模块的供电；压力传感器均匀置于抓握目标上，监测猕猴从不同角度触摸抓握目标，对应事件发生时发送相应的标识信息，并实时对多模态神经信号进行标记。
所述人-机交互控制模块包括上位机控制界面与下位机主控制器，下位机主控制器负责控制运动目标拦截模块并与上位机进行通信，可接收压力传感器的压力信息并发送控制信号至灯带控制器；上位机控制界面运行于计算机中，用于调节与控制下位机主控制器的试验参数。
一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练方法，按照如下步骤进行：
(1)训练范式启动后，猕猴开始实验过程，初始化随机变量；
(2)位于底板的LED-0点亮，猕猴触摸FSR-0并保持静止；
(3)猕猴触摸FSR-0满足时间要求，三条LED灯带随机之一开始由头至尾逐次亮灭；
(4)LED灯带中的灯珠运动至猕猴可触摸区域时，LED-0熄灭，猕猴对运动灯珠进行拦截，猕猴触摸至目标灯珠即停止运动，猕猴需握住目标并维持一定时间；
(5)若再次过程中猕猴在设定的时间内抓握目标物体并维持足够时间，则系统认为训练成功，并控制给水奖励模块给予猕猴饮水奖励，反之实验失败重新开始新一轮实验；
(6)统计实验数据，包括每一阶段的实验次数、成功次数、成功率，以及实验过程中事件发生的时间，保存记录为事件文件。
本发明的有益效果：本发明可用于灵长类动物进行三维运动目标拦截的抓握训练，可高效且灵活的设置三维轨迹的目标拦截，并在线调整训练过程的各项关键参数，实现精确整合及量化动物在动作规划或执行各个阶段的时刻、多模态生理信息的同步采集及与外界环境的自然相互，便于动作拦截实验范式设计和后期数据处理。因此三维运动目标拦截的训练装置操作简单方便、可靠，人机交互更加自然、整合度和自动化程度高，具有较高的实用价值，这对开发出自然且连续的多模态脑-机操控装备具有重要意义。
附图说明
图1为本发明用于灵长类动物三维运动目标拦截系统示意图。
图2为运动目标拦截模块示意图；
图中，1、底板；2、压力传感器FSR-0；3、发光二极管；4、灯带支架；5、WS2812B LED灯带；6、抓握目标；7、压力传感器。
图3用于人-机交互的微控制处理系统图。
图4为用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练方法示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
一种用于灵长类动物运动三维运动目标拦截的训练装置，如图1所示，包括动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息采集模块、运动目标拦截模块和人-机交互控制模块。
所述动物座椅由主框架和实验框组成，用于固定实验动物。
所述给水奖励模块包括水嘴、导管、电磁阀、储水瓶；导管将储水瓶、电磁阀、水嘴按顺序连通。
所述多模态生理信息采集模块包括：
植入式肌电采集系统：包含肌电放大器、5V直流电源、植入式肌电电极及AI拓展版，肌电信号经由植入式肌电电极采集，由肌电放大器对肌电信号进行放大和滤波，AI拓展板与肌电放大器和生理信息采集器通过BNC同轴电缆传输。
眼动追踪仪：包含红外摄像头、红外补光灯、固定支架、NI采集卡，红外摄像头安装在固定支架上，并通过数据传输线与NI采集卡相连，整个支架安装在实验基础装置上；红外摄像头用于检测动物眼球活动，红外补光灯用于配合红外摄像头进行补光，NI采集卡与电生理信息采集系统BNC同轴电缆传输，输出眼动信号。
三维运动捕捉系统包括：四部支持近红外记录的摄像头，摄像头支架，视频采集卡、荧光追踪标识；视频采集卡安装在计算机中，并通过高清视频数据线与四部摄像头相连，摄像头支架固定于动物座椅上将摄像头置于可观测猕猴手臂运动的区域，可通过荧光追踪标识记录猕猴手部运动三维轨迹。
在体多通道神经信号记录系统包括植入式神经电极、神经信号放大器、信号采集器、计算机；植入式神经电极经开颅手术植入至灵长类动物大脑皮质中，与神经信号放大器相连，放大器通过模数转换将模拟信号转换为数字信号传输至信号采集器，信号采集器与计算机相连，计算机中装有神经信号同步采集控制软件，用于调节参数，可同步存储多模态神经信号。
运动目标拦截模块(如图2所示)：包括底板1、压力传感器FSR-0 2、发光二极管3、灯带支架4、WS2812B LED灯带5、抓握目标6、压力传感器7以及灯带控制器，15V电源，底板1用于连接与固定整体结构，并通过卡扣与试验台固定，避免实验过程中模块与动物座椅的相对位置发生变化；灯带支架4固定于底板1上，并可调节位置与高度，WS2812B LED灯带5固定于灯带支架4上，可依据实验需求设置不同的形态，以实现不同运动目标的拦截路径。灯带控制器用于控制WS2812B LED灯带5的工作模式，以此实验对拦截目标速度的控制。15V电源用于整体模块的供电；压力传感器7均匀置于抓握目标6上，监测猕猴从不同角度触摸抓握目标，对应事件发生时发送相应的标识信息，并实时对多模态神经信号进行标记。
人-机交互控制模块(如图3所示)包括上位机控制界面与下位机主控制器，下位机主控制器负责控制运动目标拦截模块并与上位机进行通信，可接收压力传感器的压力信息并发送控制信号至灯带控制器；上位机控制界面为控制程序软件，用于调节与控制下位机主控制器的试验参数，上位机控制界面可自定义多种实验模式，并对灯带控制器及压力传感器各种参数进行自制设置，在实验过程中记录实验事件发生的事件并统计实验次数，成功次数及成功率，实验结束后可导出为事件文件便于对猕猴相关神经信号进行分析。
实施例2
一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练方法，如图4所示，按照如下步骤进行：
(1)训练范式启动后，猕猴开始实验过程，初始化随机变量；
(2)位于底板的LED-0点亮，猕猴触摸FSR-0并保持静止；
(3)猕猴触摸FSR-0满足时间要求，三条LED灯带随机之一开始由头至尾逐次亮灭；
(4)LED灯带中的灯珠运动至猕猴可触摸区域时，LED-0熄灭，猕猴对运动灯珠进行拦截，猕猴触摸至目标灯珠即停止运动，猕猴需握住目标并维持一定时间；
(5)若再次过程中猕猴在设定的时间内抓握目标物体并维持足够时间，则系统认为训练成功，并控制给水奖励模块给予猕猴饮水奖励，反之实验失败重新开始新一轮实验；
(6)统计实验数据，包括每一阶段的实验次数、成功次数、成功率，以及实验过程中事件发生的时间，可保存记录为事件文件便于对实验过程的分析。
本发明的装置用连续闪烁LED灯带代表被拦截三维运动目标，被拦截目标的运动方向和速度可根据实验需要进行调整。
本发明的装置可自定义设置运动目标拦截线路，以模拟抛物线运动方向，并可自行调节抛物线的弧度、高度及运动速度，且实验难易程度动态可调。
本发明的装置可自定义动物拦截位置(把手位置)；并根据动物触摸把手的时刻判断动物对目标的拦截是否成功，对应事件发生时发送相应的标识信息，可实时对神经信号进行标记，用于后续多模态神经信息的分析。
多模态电生理信息(包括脑神经信号、肌电信号、眼动信号等)及三维运动轨迹同步记录及与环境自然交互，每一轮实验结束后可自动开始新一轮实验，使动物可在无人工干扰的影响下，实现自动化训练，提高动物三维动作拦截训练有效性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，包括动物座椅、给水奖励模块、多模态生理信息同步采集模块、运动目标拦截模块和人-机交互控制模块。
2.根据权利要求1所述用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，所述动物座椅由主框架和实验框组成，用于固定实验动物。
3.根据权利要求1所述用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，所述给水奖励模块包括水嘴、导管、电磁阀、储水瓶；导管将储水瓶、电磁阀、水嘴按顺序连通。
4.根据权利要求1所述用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，所述多模态生理信息同步采集模块包括：
植入式肌电采集系统：包含肌电放大器、5V直流电源、植入式肌电电极及AI拓展版，肌电信号经由植入式肌电电极采集，由肌电放大器对肌电信号进行放大和滤波，AI拓展板与肌电放大器和生理信息采集器通过BNC同轴电缆传输；
眼动追踪仪：包含红外摄像头、红外补光灯、固定支架、NI采集卡，红外摄像头安装在固定支架上，并通过数据传输线与NI采集卡相连，整个支架安装在实验基础装置上；红外摄像头用于检测动物眼球活动，红外补光灯用于配合红外摄像头进行补光，NI采集卡与电生理信息采集系统BNC同轴电缆传输，输出眼动信号；
三维运动捕捉系统包括：四部支持近红外记录的摄像头，摄像头支架，视频采集卡、荧光追踪标识，视频采集卡安装在计算机中，并通过高清视频数据线与四部摄像头相连，摄像头支架固定于动物座椅上将摄像头置于可观测猕猴手臂运动的区域，可通过荧光追踪标识记录猕猴手部运动三维轨迹；
在体多通道神经信号记录系统：包括植入式神经电极、神经信号放大器、信号采集器、计算机；植入式神经电极经开颅手术植入至灵长类动物大脑皮质中，与神经信号放大器相连，放大器通过模数转换将模拟信号转换为数字信号传输至信号采集器，信号采集器与计算机相连，计算机中装有神经信号同步采集控制软件，用于调节参数，可同步存储多模态神经信号。
5.根据权利要求1所述用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，所述运动目标拦截模块包括底板、灯带支架、LED柔性灯带，压力传感器，抓握目标、灯带控制器，15V电源；底板用于连接与固定整体结构，并通过卡扣与试验台固定；灯带支架固定于底板上，并可调节位置与高度，LED柔性灯带固定于灯带支架上，灯带控制器用于控制灯带的工作模式；15V电源用于整体模块的供电；压力传感器均匀置于抓握目标上，监测猕猴从不同角度触摸抓握目标，对应事件发生时发送相应的标识信息，并实时对多模态神经信号进行标记。
6.根据权利要求1所述用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练装置，其特征在于，所述人-机交互控制模块包括上位机控制界面与下位机主控制器，下位机主控制器负责控制运动目标拦截模块并与上位机进行通信，可接收压力传感器的压力信息并发送控制信号至灯带控制器；上位机控制界面为控制程序软件，用于调节与控制下位机主控制器的试验参数。
7.一种用于灵长类动物三维运动目标拦截的训练方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)训练范式启动后，猕猴开始实验过程，初始化随机变量；
(2)位于底板的LED-0点亮，猕猴触摸FSR-0并保持静止；
(3)猕猴触摸FSR-0满足时间要求，三条LED灯带随机之一开始由头至尾逐次亮灭；
(4)LED灯带中的灯珠运动至猕猴可触摸区域时，LED-0熄灭，猕猴对运动灯珠进行拦截，猕猴触摸至目标灯珠即停止运动，猕猴需握住目标并维持一定时间；
(5)若再次过程中猕猴在设定的时间内抓握目标物体并维持足够时间，则系统认为训练成功，并控制给水奖励模块给予猕猴饮水奖励，反之实验失败重新开始新一轮实验；
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