CN114947824B - 动物步态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种动物步态检测装置及方法，所述动物步态检测装置包括：定位及压力检测单元，并响应于待测动物的四肢的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑；摄像头，用于采集所述亮斑的图像信息；以及处理单元，连接于所述摄像头，用于根据图像信息确认亮斑的尺寸及亮度，并根据所述尺寸及亮度获取待测动物的步态信息。本申请的动物步态检测装置，结构简单，使用方便，可以在测量待测动物足迹尺寸的同时测量着地力，从而可以实现精确评估模型的构建。

Description

动物步态检测装置及方法

技术领域

本申请属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种动物步态检测装置及方法。

背景技术

针对周围神经损伤、神经退化及肌肉萎缩等神经系统常见疾病的治疗和药物研发需要通过动物实验进行有效性评估。其中最有效的评估方法之一为动物步态足迹特征检测，可以通过病理动物同正常动物的步态足迹进行特征提取及比较，从而对神经损伤或病变程度进行评估。当动物周围神经受损或病变后，其四肢着地的姿态和着地力的大小均会有变化。科研人员需要通过测量四肢着地的姿态以及力来进行分析。

现有的步态检测分析系统中，采集步态的方法通常是将实验动物放置于封闭的通道中行走，采集其足迹。一种足迹的采集方法为在动物足底涂抹油墨或染料并通道中铺设白纸，在动物通过通道的过程中在白纸上留下足迹，用于后续的分析，这种方法简单易行，对设备要求低，但是随着轨迹变长，动物足迹逐渐变浅，持续性较差；另一种方法为将动物放置在底部透明的通道中行走，通过安装在通道底部的摄像头对足底轨迹进行拍摄，拍摄后的视频可用于数据分析，这种方法持续性较好，但是设备结构复杂，成本高，且图像识别稳定性低，实际结果有较大偏差。然而，以上两种方法，都仅能采集动物步态的足迹尺寸，无法测量着力肢体同地面的接触力。

综上所述，如何在测量动物足迹尺寸的同时测量着地力，能够构建更加精确的评估模型，是本领域中亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种动物步态检测装置及方法，可以在测量待测动物足迹尺寸的同时测量着地力，从而可以实现精确评估模型的构建。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种动物步态检测装置，包括：

定位及压力检测单元，并响应于待测动物的四肢的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑；

摄像头，用于采集所述亮斑的图像信息；以及

处理单元，连接于所述摄像头，用于根据图像信息确认亮斑的尺寸及亮度，并根据所述尺寸及亮度获取待测动物的步态信息。

在一些可选实施例中，所述定位及压力检测单元包括：

亮斑显示层，用于被光线照射形成亮斑；

光线传输层，设于所述亮斑显示层的上方，沿光线传输层的铺设方向，所述光线传输层内传输有光线，且所述光线传输层的上表面根据待测动物的四肢的足迹大小及着地力形成凹陷，以反射所述光线使其照射至所述亮斑显示层；

光源，设于所述光线传输层一端，用于射出入射光线，所述入射光线射入所述光线传输层并由所述光线传输层传输。

在一些可选实施例中，所述亮斑显示层采用透光材料组成，其内部还设有气泡或反光颗粒，所述气泡或反光颗粒用于使照射至所述亮斑显示层的光线发生散射。

在一些可选实施例中，所述光源为点光源，所述定位及压力检测单元还包括：

第一折射层，设于所述光线传输层的上表面，所述第一折射层的折射率小于所述光线传输层的折射率；

第二折射层，设于所述光线传输层下表面和所述亮斑显示层上表面之间，所述第二折射层的折射率小于所述光线传输层的折射率；

在光线的传输过程中，至少部分所述光线在所述光线传输层与所述第一折射层和所述第二折射层的界面之间发生全反射，并在被凹陷位置反射后减小其射向所述第二折射层的角度，以使至少部分所述光线由所述第二折射层折射至所述亮斑显示层。

在一些可选实施例中，所述第二折射层和所述光线传输层的界面采用夹角为α的折线形界面。

在一些可选实施例中，所述α为所述第二折射层和所述光线传输层的全反射临界角的1-2倍。

在一些可选实施例中，所述第一折射层、光线传输层、第二折射层和亮斑显示层依次堆叠，形成复合膜结构。

在一些可选实施例中，所述动物步态检测装置还包括：

外壳，所述外壳内部设有所述定位及压力检测单元，所述定位及压力检测单元还将所述外壳内部分隔形成上腔体和下腔体，所述摄像头设于所述下腔体内。

在一些可选实施例中，所述动物步态检测装置还包括：

暗箱，设于所述定位及压力检测单元的一端，用于引诱和捕捉待测试动物。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种动物步态检测方法，采用前述任一项实施例所述的动物步态检测装置进行检测。

本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

1、本申请实施例的动物步态检测装置，其定位及压力检测单元可以响应于待测动物的四肢的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑，从而其处理单元能够根据亮斑的尺寸和亮度来同时获取待测动物的足迹尺寸和着地力。

2、本申请实施例的动物步态检测装置，在现有的仅考虑接触面积的模型基础上，增加了对接触力因素的考虑，可以同时测量待测动物行走时四肢接触面积和接触力，从而可以建立更加精细反映动物神经受损程度的评估方法。

3、本申请实施例的动物步态检测装置，不需要提前对足底涂抹显影剂或涂料，可以直接放入所述装置内进行实验，不会因为涂抹动作对动物情绪造成影响，进而减少实验过程中的干扰因素。

附图说明

图1是本申请一示例性实施例中一种动物步态检测装置的结构示意图；

图2是复合膜结构未受压迫时的光路示意图；

图3是复合膜结构受压迫时的光路示意图；

图中，100、定位及压力检测单元；110、复合膜结构；111、亮斑显示层；112、光线传输层；113、第一折射层；114、第二折射层；120、光源；200、摄像头；300、外壳；400、暗箱；500、待测动物的四肢；600、入射光线；700、散射光。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的动物步态检测装置及方法进行详细地说明。

如图1所示，本申请实施例提供一种动物步态检测装置，包括：定位及压力检测单元100，并响应于待测动物的四肢500的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑；摄像头200，用于采集亮斑的图像信息；以及处理单元(图中未画出)，连接于摄像头200，用于根据图像信息确认亮斑的尺寸及亮度，并根据尺寸及亮度获取待测动物的步态信息。

其中，定位及压力检测单元100具有待测动物的踩踏面，踩踏面可以在被待测动物的四肢500的着地力压迫时变形，同时，定位及压力检测单元100可以根据踩踏面的变形面积和变形量的大小分别来响应待测动物的四肢500的足迹尺寸及着地力，并形成具有相应尺寸和亮度的亮斑，从而处理单元可以根据亮斑的尺寸和亮度来确定待测动物的四肢500的足迹尺寸及着地力，以实现待测动物的步态信息的获取。

在一些具体实施方式中，利用光线的反射原理，使光线在被变形后的踩踏面反射后照射在特定的区域，形成亮斑。为此，定位及压力检测单元100包括：亮斑显示层111，用于被光线照射形成亮斑；光线传输层112，设于亮斑显示层111的上方，沿光线传输层112的铺设方向，光线传输层112内传输有光线，且光线传输层112的上表面根据待测动物的四肢500的足迹大小及着地力形成凹陷，以反射光线使其照射至亮斑显示层111；光源120，设于光线传输层一端，用于射出入射光线600，入射光线600射入光线传输层112并由光线传输层112传输。

具体实施时，当待测动物在光线传输层112上行走时，其四肢压迫光线传输层112的上表面使受压区域形成凹陷，该受压区域阻挡光线的传输路线，使入射光线600发生反射，部分入射光线600反射后射向亮斑显示层111，在亮斑显示层111上形成亮斑。同时，随着压力增加，凹陷深度也会相应增加，被反射的光线密度也越大，最终形成在亮斑显示层111上的亮斑的也越来越亮。

其中，凹陷可以是暂时性凹陷，例如，光线传输层112采用弹性材料制作，待测动物经过后，光线传输层112的上表面的凹陷可以复原。

在一些具体实施方式中，亮斑显示层111采用透光材料组成，其内部还设有气泡或反光颗粒，气泡或反光颗粒用于使照射至亮斑显示层111的光线发生散射。

具体实施时，当摄像头200设于亮斑显示层111的下方时，由于气泡或反光颗粒使光线发生散射，经亮斑显示层111射出的光线为散射光700，这种光线对摄像头200没有影响，从而对摄像头200的安装位置没有特殊要求，可以灵活安装。

在一些具体实施方式中，光源120为点光源120，定位及压力检测单元100还包括：第一折射层113，设于光线传输层112的上表面，第一折射层113的折射率小于光线传输层112的折射率；第二折射层114，设于光线传输层112下表面和亮斑显示层111上表面之间，第二折射层114的折射率小于光线传输层112的折射率；在光线的传输过程中，至少部分光线在光线传输层112与第一折射层113和第二折射层114的界面之间发生全反射，并在被凹陷位置反射后减小其射向第二折射层114的角度，以使至少部分光线由第二折射层114折射至亮斑显示层111。

其中，待测动物具体是在第一折射层113上行走，并由第一折射层113和光线传输层112承受待测动物四肢的着地力，使第一折射层113和光线传输层112的界面发生凹陷。

具体实施时，点光源120射出的光线具有发散性，因此，在光线的传输过程中，由点光源120射出并入射到光线传输层112一端的光线，被光线传输层112与第一折射层113、第二折射层114的界面反射，或者，被第一折射层113、第二折射层114折射出去，而由于第一折射层113和第二折射层114的折射率均小于光线传输层112的折射率，至少部分光线会在两个界面之间发生全反射，最终由光线传输层112的另一端射出。而这些发生全反射的光线中，又有一部分会被光线传输层112的上表面的凹陷位置反射，从而减小其入射到第二折射层114的角度，当光线入射到第二折射层114的角度小于临界值时，会由第二折射层114折射至亮斑显示层111上，并在亮斑显示层111上形成光斑。而且上述过程中，光线传输层112的上表面的凹陷程度越大，光线入射到第二折射层114的角度更容易小于临界值，从而更容易发生折射。

在一些具体实施方式中，为了进一步减小光线入射到第二折射层114的角度，使光线更容易从第二折射层114折射出去，第二折射层114和光线传输层112的界面采用夹角为α的折线形界面。

具体实施时，由于第二折射层114和光线传输层112的界面为折线形，则两者的界面的角度发生变化，其中部分界面使得光线的入射角度减小，从而使光线更容易从第二折射层114折射出去，因此，在同样的压力情况下，光线传输层112的上表面的凹陷程度不变，第二折射层114和光线传输层112的折线形界面可以提高亮斑的亮度，相应的，第二折射层114和光线传输层112的界面为折线形时，要保证亮斑的亮度不变，光线传输层112的上表面的凹陷程度可以适当减小，从而可以降低对光线传输层112的材质要求，降低成本。

其中，α为第二折射层114和光线传输层112的全反射临界角的1-2倍。其中，α的可以由第二折射层114和光线传输层112的折射率的差值决定，根据折射定律：

在已知材料折射率的情况下可以得到发生全反射的入射角度为：

θ₁＝asin(n₁₂)

优选地，α的角度为2θ₁。

在一些具体实施方式中，为了进一步减小光线入射到第二折射层114的角度，使光线更容易从第二折射层114折射出去，沿光线传输层112的铺设方向，第二折射层114与光线传输层112的界面高度逐渐增加，形成斜面。

具体实施时，随着第二折射层114与光线传输层112的界面高度沿光线传输方向逐渐增加，光线在传输过程中，其入射角度逐渐减小，光线也越来越密集，从而可以使光线更容易从第二折射层114折射出去。

在一些具体实施方式中，第一折射层113、光线传输层112、第二折射层114和亮斑显示层111依次堆叠，形成复合膜结构110。

在一些具体实施方式中，亮斑显示层111和第二折射层114的界面为平面，且亮斑显示层111的折射率小于第二折射层114的折射率。

在一些具体实施方式中，动物步态检测装置还包括：外壳300，外壳300内部设有定位及压力检测单元100，定位及压力检测单元100还将外壳300内部分隔形成上腔体和下腔体，摄像头200设于下腔体内。

其中，外壳300与复合膜结构110形成通道，通道的高度与宽度根据待测动物的体型进行设计，同时，根据检测要求，通道可以是直线型、S型、L型等。

进一步地，外壳300内还设有透光板，透光板可以作为复合膜结构110的支撑层，与复合膜结构110形成待测动物的跑道，另外，透光板不会遮挡亮斑显示层111，导致摄像头200无法采集亮斑的图像信息。

在一些具体实施方式中，动物步态检测装置还包括：暗箱400，设于定位及压力检测单元100的一端，用于引诱和捕捉待测试动物。暗箱400可以给实验动物提供安全感，有利于引诱动物自主往暗箱400走动，顺利完成实验过程。

根据上述说明，本申请实施例的动物步态检测装置，其定位及压力检测单元100可以响应于待测动物的四肢500的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑，从而其处理单元能够根据亮斑的尺寸和亮度来同时获取待测动物的足迹尺寸和着地力。

本申请实施例的动物步态检测装置，在现有的仅考虑接触面积的模型基础上，增加了对接触力因素的考虑，可以同时测量待测动物行走时四肢接触面积和接触力，从而可以建立更加精细反映动物神经受损程度的评估方法。

本申请实施例的动物步态检测装置，不需要提前对足底涂抹显影剂或涂料，可以直接放入装置内进行实验，不会因为涂抹动作对动物情绪造成影响，进而减少实验过程中的干扰因素。

本申请实施例还提供一种动物步态检测方法，采用前述任一项实施例的动物步态检测装置进行检测。

以坐骨神经损坏的大鼠为待测样本，采用动物步态检测装置对待测样本的后爪的足迹大小和着地力进行检测实验，具体过程为：

1.配置外壳300，外壳300宽度适合成年大鼠通过，优选为8cm，外壳300长度优选为60cm；

2.制备复合膜结构110，包括自上而下依次堆叠的第一折射层113、光线传输层112、第二折射层114和亮斑显示层111；

3.在外壳300内铺平复合膜结构110，并由透光板支撑，在复合膜结构110下方设置摄像头200，在复合膜结构110的一端设置光源120和暗箱400；

3.打开摄像头200及光源120，将实验大鼠放置在复合膜结构110远离暗箱400的一端；

4.刺激或者引诱大鼠行走，以到达复合膜结构110的另一端的暗箱400为一个完整的实验过程；

5.获取实验过程中摄像头200记录下的完整的复合膜结构110上呈现的亮斑图像；

6.在暗箱400处抓获实验大鼠；

7.重复上述步骤3次以上；

8.将实验大鼠放回饲养笼中；

9.利用处理单元对获取的亮斑图像进行分析处理，获取大鼠两只后爪的足迹的长、宽以及亮度。

具体地，实验时，打开光源120和摄像头200，将实验大鼠放置在薄膜的一端；实验大鼠会沿着复合膜结构110往暗箱400的方向行走；当实验大鼠四肢未接触薄膜时，入射光线600在复合膜结构110内部的光线传输层112内部反射，最终从另一侧射出，摄像头200不会捕捉到入射光信号，如图2所示；当实验大鼠四肢在行走过程中压迫复合膜结构110时，在第一折射层113和光线传输层112的界面形成凹陷，改变光线入射角，进而导致光线在光线传输层112和第二折射层114的界面处发生折射，射向亮斑显示层111，形成具有尺寸和亮度的亮斑，被摄像头200采集到，如图3所示；实验最后，通过对摄像头200采集到的图像进行分析，测量光斑的大小以及亮度，可以得到实验大鼠四肢接触复合膜结构110的面积以及接触力的大小，进而评估神经受损程度。

为了提高图像采集质量，优选的可以在外壳300的周围安装挡板，遮挡外部光线进入摄像头200，引起干扰；同时，可以提高光源120的光强，并且使用敏感度更高的摄像头200，来提高图像采集的精度。

上述实验中，由于大鼠坐骨神经损坏会造成运动神经损伤，导致后爪无法完全伸展，因此在行走过程中由于所产生的足迹呈长条形，通过对摄像头200采集的图像中亮斑的长宽比进行测量，可以评估运动神经的损伤程度。坐骨神经受损还会导致后肢无力，根据图像中亮斑的亮度还可以评估后爪的着地力的大小，进而对后肢无力的程度进行评估。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种动物步态检测装置，其特征在于，包括：

定位及压力检测单元，响应于待测动物的四肢的足迹尺寸及着地力，形成具有尺寸和亮度的亮斑；

摄像头，用于采集所述亮斑的图像信息；以及

处理单元，连接于所述摄像头，用于根据图像信息确认亮斑的尺寸及亮度，并根据所述尺寸及亮度获取待测动物的步态信息；

所述定位及压力检测单元包括：

亮斑显示层，用于被光线照射形成亮斑；

光线传输层，设于所述亮斑显示层的上方，所述光线传输层内传输有光线，所述光线传输层的上表面根据待测动物的四肢的足迹大小及着地力形成凹陷，以反射所述光线使其照射至所述亮斑显示层；

第一折射层，设于所述光线传输层的上表面，所述第一折射层的折射率小于所述光线传输层的折射率；

第二折射层，设于所述光线传输层下表面和所述亮斑显示层上表面之间，所述第二折射层的折射率小于所述光线传输层的折射率；

在光线的传输过程中，至少部分所述光线在所述光线传输层与所述第一折射层和所述第二折射层的界面之间发生全反射，并在被凹陷位置反射后减小其射向所述第二折射层的角度，以使至少部分所述光线由所述第二折射层折射至所述亮斑显示层。

2.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述定位及压力检测单元包括：

光源，设于所述光线传输层一端，用于射出入射光线，所述入射光线射入所述光线传输层并由所述光线传输层传输。

3.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述亮斑显示层采用透光材料组成，其内部还设有气泡或反光颗粒，所述气泡或反光颗粒用于使照射至所述亮斑显示层的光线发生散射。

4.根据权利要求2所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述光源为点光源。

5.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述第二折射层和所述光线传输层的界面采用夹角为α的折线形界面。

6.根据权利要求5所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述α为所述第二折射层和所述光线传输层的全反射临界角的1-2倍。

7.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述第一折射层、光线传输层、第二折射层和亮斑显示层依次堆叠，形成复合膜结构。

8.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述动物步态检测装置还包括：

外壳，所述外壳内部设有所述定位及压力检测单元，所述定位及压力检测单元还将所述外壳内部分隔形成上腔体和下腔体，所述摄像头设于所述下腔体内。

9.根据权利要求1所述的动物步态检测装置，其特征在于，所述动物步态检测装置还包括：

暗箱，设于所述定位及压力检测单元的一端，用于引诱和捕捉待测试动物。

10.一种动物步态检测方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的动物步态检测装置进行检测。

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