JP2005196398A - 小動物の行動解析装置、小動物の行動解析方法および行動診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実験用小動物の行動解析において小動物の特定の習性を利用して、比較すべき項目を最小限にし、画像パラメータの比較、判定作業を簡単にする。
【解決手段】ビデオカメラ１７で飼育ケージ内の小動物を所定のフレーム数で撮影した画像信号を二値化回路３２で白黒の二値化信号に変換し、侵食回路３４および拡張回路３５で侵食処理、拡張処理して二値化信号のノイズを除去し、ノイズが除去された信号による白黒画像における黒画像のかたまりをかたまり計数部３６で計数する。かたまり計数部３６で計数された黒画像のかたまりの数は平均化回路３７で所定時間ごとに平均され、グラフ化回路３８で時間変化のグラフが作成される。また、白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数が変化ピクセル計数部３９で計数され、変化ピクセル計数部で計数された変化ピクセルの総数を平均化回路４０で所定時間ごとに平均され、グラフ化回路３８で時間変化のグラフが作成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、医薬品などの薬効や遺伝子操作の効果を評価する動物実験におけるマウスなどの実験用小動物の社会的行動等の行動を解析する行動解析装置、行動解析方法および行動診断方法に関する。

従来より、医薬品などの薬効や遺伝子治療などにおける効果を評価する場合、臨床的に評価する前に動物実験によりその有効性を確認することが行われている。この動物実験においては、飼育ケージなどに飼育されているマウスなどの小動物に医薬品を投与したり、遺伝子操作をした後、当該小動物の行動や生理的な変化を所定期間観察して行われる。このような動物実験における小動物の行動観察方法として、実験動物をビデオカメラで撮影した画像から実験動物の面積、長軸長、重心移動量、直進性、回転性、差分量などの画像パラメータを所定値と比較して実験動物の行動を判定する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許３２７０００５号公報（請求項１、（００１１）など）

しかし、特許文献１における小動物の行動観察方法は、観察者があらかじめ行動判定の基準となる面積、長軸長、重心移動量、直進性、回転性、総差分量、部分差分量の７種類の画像パラメータをコンピュータに格納しておき、ビデオカメラから取り込んだ小動物の画像パラメータをこれらの基準パラメータと個々に比較している。したがって、画像パラメータの比較、判定作業が複雑であり、また、あらかじめコンピュータに格納する基準パラメータの量も多いので、大規模のコンピュータが必要である。さらに、この方法では、複数の小動物個体を対象とするときに、各個体どうしの接触の有無の判定が困難なため、複数個体の社会的行動の測定には適さない。

本発明はこのような課題を解決するもので、比較基準である標準の小動物の特定の習性を利用して、比較すべき項目を最小限にして画像パラメータの比較、判定作業を簡単にするとともに、パソコンなどの小規模のコンピュータで解析が可能な小動物の行動解析装置および行動解析方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の小動物の行動解析装置は、複数の小動物を飼育するケージと、前記ケージの床面全体を所定のフレーム数で撮影するビデオカメラと、前記ビデオカメラで撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換する二値化回路と、前記二値化信号のノイズを除去するノイズ除去回路と、前記ノイズ除去回路でノイズが除去された信号による白黒画像における黒画像のかたまりを計数するかたまり計数部と、前記かたまり計数部で計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均する第１の平均化回路と、前記白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数する変化ピクセル計数部部と、前記変化ピクセル計数部部で計数されたピクセルの総数を所定時間ごとに平均する第２の平均化回路とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の小動物の行動解析装置において、前記ビデオカメラで撮影したケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定する明暗判定部を備え、前記明暗判定部の判定結果に応じて前記二値化回路の閾値を異ならせることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の小動物の行動解析装置において、前記ノイズ除去回路は、前記白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルの白黒比に応じて白または黒に変換する処理を行うことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の小動物の行動解析装置において、前記ケージ内を照明する赤外線照射投光器を有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明の小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の社会的行動等の行動を解析することを特徴とする。
請求項６記載の本発明の小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数し、計数されたピクセルの総数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の行動を解析することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５又は請求項６に記載の小動物の行動解析方法において、ケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定し、その判定結果に応じて画像信号の二値化の閾値を異ならせることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項５又は請求項６に記載の小動物の行動解析方法において、白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルをその白黒比に応じて白または黒に変換してノイズを除去することを特徴とする。
請求項９記載の本発明の小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化と、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化により小動物の社会的行動等についての行動を解析することを特徴とする。
請求項１０記載の本発明の小動物の行動診断方法は、第１のケージ内の複数の標準小動物の組と第２のケージ内の被検体小動物の組とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、撮影した各画像信号を白黒の二値化信号に変換して二値化信号の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均したデータの時間的変化を標準小動物の組と被検体小動物の組で比較することを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項１０に記載の小動物の行動診断方法において、前記標準小動物の組のデータと前記被検体小動物の組のデータを同一画面上に重畳または並べて表示することを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１０に記載の小動物の行動診断方法において、前記標準小動物の組のデータと前記被検体小動物の組のデータの差を統計学的に判定し、前記差の大きさにより前記被検体小動物の社会的行動等の行動を診断することを特徴とする。

本発明によれば、マウスなどの実験用小動物が夜行性であること、ケージ内に複数匹いる場合は、通常互いに接触して１つになっている習性が強いこと、特に夜間の活動時にこの傾向が強いという習性に着目し、この習性を標準の比較基準として使用することにより、比較すべき項目を最小限にすることができる。したがって、画像パラメータの比較、判定作業を簡単にすることにより、行動の長期的な計測ができる。
また、比較すべき項目が少ないので、基準となるデータを少なくすることができる。したがって、基準データを格納するデータベースを小さくすることができるので、パソコンなどの小規模のコンピュータで解析、診断することができる。

本発明の第１の実施の形態による小動物の行動解析装置は、ケージ内の小動物を所定のフレーム数で撮影するビデオカメラと、ビデオカメラで撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換する二値化回路と、二値化信号のノイズを除去するノイズ除去回路と、ノイズ除去回路でノイズが除去された信号による白黒画像における黒画像のかたまりを計数するかたまり計数部と、かたまり計数部で計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均する第１の平均化回路と、白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数する変化ピクセル計数部部と、変化ピクセル計数部部で計数されたピクセルの総数を所定時間ごとに平均する第２の平均化回路とを有するものである。本実施の形態によれば、小動物の行動を所定の期間にわたって観察、解析する装置の信号解析部の構成を簡単にすることができる。したがって、パソコンなどの小規模のコンピュータで小動物の行動を解析することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による小動物の行動解析装置において、ケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定し、この判定結果に応じて二値化回路の閾値を異ならせるものである。本実施の形態によれば、撮影時が昼間であるか、夜間であるかを区別して二値化処理をするので、周囲の明るさの変化に左右されずに画像信号の二値化処理を正確に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による小動物の行動解析装置において、ノイズ除去回路が白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルをその白黒比に応じて白または黒に変換する処理を行うものである。本実施の形態によれば、小動物の画像におけるノイズ、特に、体毛や尾などによる輪郭の不明瞭部分を除去して小動物の輪郭部分を確実に二値化することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による小動物の行動解析装置において、ケージ内を照明する赤外線照射投光器を有するものである。本実施の形態によれば、撮影時が夜間である場合に、赤外線照射投光器で照明することにより、小動物を確実に撮影することができる。
本発明の第５の実施の形態による小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の社会的行動等の行動を解析するものである。本実施の形態によれば、実験用の小動物が通常互いに接触して１つになっている習性が強いことを利用して、その習性の時間変化を観察するので、解析に使用する画像パラメータの項目を最小限にすることができる。したがって、画像パラメータの比較、判定作業を簡単にすることができる。
本発明の第６の実施の形態による小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数し、計数されたピクセルの総数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の行動を解析するものである。本実施の形態によれば、小動物の活動量の時間変化を計測することができ、これにより小動物の行動を解析することができる。また、解析に使用する画像パラメータの項目が少ないので、画像パラメータの比較、判定作業を簡単にすることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第５又は第６の実施の形態による小動物の行動解析方法において、ケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定し、この判定結果に応じて二値化回路の閾値を異ならせるものである。本実施の形態によれば、撮影時が昼間であるか、夜間であるかを区別して二値化処理をするので、周囲の明るさの変化に左右されずに画像信号の二値化処理を正確に行うことができる。
本発明の第８の実施の形態は、第５又は第６の実施の形態による小動物の行動解析方法において、白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルをその白黒比に応じて白または黒に変換してノイズを除去するものである。本実施の形態によれば、小動物の画像におけるノイズ、特に、体毛や尾などによる輪郭の不明瞭部分を除去して小動物の輪郭部分を確実に二値化することができる。
本発明の第９の実施の形態による小動物の行動解析方法は、ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化と、白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化とにより小動物の社会的行動等についての行動を解析するものである。本実施の形態によれば、実験用の小動物の習性の時間変化および活動量の時間変化により小動物の社会的行動等についての行動を解析するので、解析に使用する画像パラメータの項目を最小限にすることができる。したがって、画像パラメータの比較、判定作業を簡単にすることができる。
本発明の第１０の実施の形態による小動物の行動診断方法は、ケージ内の複数の標準小動物の組と被検体小動物の組とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、二値化信号の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化を標準小動物の組と被検体小動物の組で比較するものである。本実施の形態によれば、標準小動物による標準データと被検体小動物によるデータを比較することにより、被検体小動物の行動の正常性、異常性を確実に判定、診断することができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第１０の実施の形態による小動物の行動解析方法において、標準小動物の組のデータと被検体小動物の組のデータを同一画面上に重畳または並べて表示するものである。本実施の形態によれば、標準小動物の組のデータと被検体小動物の組のデータを視覚的に比較できるので、被検体小動物の行動の正常性、異常性を簡単かつ確実に判定、診断することができる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１０の実施の形態による小動物の行動解析方法において、標準小動物の組のデータと被検体小動物の組のデータの差を統計学的に判定し、その差の大きさにより被検体小動物の社会的行動等の行動を診断するものである。本実施の形態によれば、標準小動物の組のデータと被検体小動物の組のデータの差を取り出して直接見ることができるで、被検体小動物の行動の正常性、異常性を簡単かつ確実に判定、診断することができる。

以下に本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明による小動物の行動解析装置の実施例を示す概念図である。飼育ケージ１１は透明ガラスなど外部から観察可能な材料で形成される。飼育ケージ１１の床面には床敷き１２が敷き詰められる。床敷き１２はマウスなどの実験用小動物１３との明度の差が大きい白色の小石などが好ましい。飼育ケージ１１の側壁には、小動物１３を飼育するための餌箱１４および給水ビン１５が設けられる。飼育ケージ１１の蓋１６は、小動物１３が飛び上がっても届かない高さを保つように、底から３０ｃｍ以上の高さに設けられる。
飼育ケージ１１の蓋１６の外側には、小動物の挙動を撮影するビデオカメラ１７および飼育ケージ１１内を照明する赤外線投光器１８が設置される。ビデオカメラ１７は、飼育ケージ１１内部の全体を走査しないでも撮影できる位置に設置されたモノクロＣＣＤカメラであり、赤外線投光器１８は夜間などの暗期にビデオカメラ１７で小動物１３を撮影できるように赤外線を照射するもので、蓋１６の上方や飼育ケージ１１の斜め上方などの位置に１台ないし複数台設置される。ビデオカメラ１７の出力は映像信号コード１９により信号処理装置２０に接続される。信号処理装置２０は、パソコン２１により制御される。

図２は、図１による小動物の行動解析装置の信号処理系の一例を示すブロック図ある。
ビデオカメラ１７で撮影された画像信号は、ビデオテープやビデオディスクなどの画像メモリ２２に記録され、信号処理装置２０に供給される。なお、画像メモリ２２を介さずにビデオカメラ１７で撮影した画像信号を直接信号処理装置２０に供給したり、ビデオカメラ１７で撮影した画像信号を信号処理装置２０に供給すると同時に画像メモリにバックアップ記録するようにしても良い。
ビデオカメラ１７からの画像信号は、ＡＤ変換器３１でたとえば２５６階調などのグレースケールレベルのデジタル信号に変換される。ＡＤ変換器３１でデジタル信号に変換された画像信号は二値化回路３２に供給される。また、ＡＤ変換器３１の出力のうち飼育ケージ１１の特定の位置に対応する信号が抽出され、抽出された信号のグレースケールレベルの大きさを明暗判定部３３により判定して入力された画像信号が昼間に撮影された信号であるか、夜間に撮影された信号であるかを判定し、昼間に撮影された信号である場合は二値化回路３２に対して昼間時の閾値を与え、夜間に撮影された信号である場合は二値化回路３２に対して夜間時の閾値を与える。二値化回路３２は、明暗判定部３３からの閾値に応じて、ＡＤ変換器３１から出力されたデジタル画像信号を白黒二値画像に変換する。
二値化回路３２により白黒二値画像に変換された信号は、侵食回路３４および拡張回路３５によりノイズを除去される。侵食回路３４とは、白黒ニ値画像の黒領域のかたまりを物体、白領域を背景として考えたときに、物体（黒領域）の縁部の１ピクセルを取り除く処理を行う回路をいい、具体的には、特定のピクセルの周辺におけるピクセルの半分以上が白のときにそのピクセルを白に変換する処理を行う。一方、拡張回路３５とは、物体（黒領域）の縁部に１ピクセルを付加する処理を行う回路をいい、具体的には、特定のピクセルの周辺におけるピクセルの半分以上が黒のときにそのピクセルを黒に変換する処理を行う。なお、侵食回路３４および拡張回路３５の順序は逆にしても良い。
拡張回路３５の出力は二分され、一方はかたまり計数部３６に供給される。かたまり計数部３６は画像信号中における黒領域のかたまりを物体（本実施例では小動物）とみなし、その数を計数する。かたまり計数部３６で計数された小動物の数は、平均化回路３７で所定の時間ごとの平均値が演算され、グラフ化回路３８で平均値の時間変化がグラフ化される。
拡張回路３５の他方の出力は変化ピクセル計数部３９に供給される。変化ピクセル計数部３９は、連続する２フレームの画像を比較し、変化したピクセルの総数を計数する回路である。ピクセルは小動物が移動したり動いたりした場合に連続する２フレーム間で変化するので、変化したピクセルの総数は小動物の移動量あるいは運動量に対応する。変化ピクセル計数部３９で計数されたピクセルの総数は、平均化回路４０で所定の時間ごとの平均値が演算され、グラフ化回路４１で平均値の時間変化がグラフ化される。
グラフ化回路３８およびグラフ化回路４１でグラフ化されたデータは、表示装置／メモリ４２の表示装置に表示させたり、メモリに記録する。

つぎに、図１の小動物の行動解析装置および図２の信号処理系ブロック図の動作について、図３のフローチャートにより説明する。
本発明においては、小動物の社会的行動を観察するために、２匹以上の小動物を同一の飼育ケージ内で飼育する。２匹以上の小動物１３は飼育ケージ１１内で飼育されており、餌箱１４および給水ビン１５により常時餌および水が与えられている。飼育ケージ１１内の小動物の行動はビデオカメラ１７で撮影される（ステップ１）。撮影は任意のフレーム速度で撮影され、たとえば、毎秒１フレームで数日間連続して行われ、画像メモリ２２に順次蓄積されていく。撮影時間が昼間の場合は周囲が明るいので特に照明は不要であるが、夜間は赤外線投光器１８により撮影補助光としての赤外線を照射して撮影する。なお、マウスなどの小動物は夜行性であるので、白熱灯や蛍光灯などの照明は昼間と混同するおそれがあるので好ましくない。
ステップ１で撮影された画像信号はＡＤ変換器３１でデジタル信号に変換される（ステップ２）。デジタル化はたとえば２５６階調などの任意のグレースケールレベルで行われる。
ＡＤ変換器３１でデジタル化された画像信号の中から飼育ケージ１１内の小動物１３の運動位置に左右されない特定の位置における信号を抽出し（ステップ３）、抽出した信号のグレースケールレベルの大きさにより入力画像信号が昼間の明期に撮影された信号であるか、夜間の暗期に撮影された信号であるかを明暗判定部３３で判定する（ステップ４）。明暗判定部３３における判定は、撮影された複数フレームの信号に対して前記特定位置のグレースケールレベルの平均値を演算して判定される。明暗判定部３３は、入力画像信号が明期に撮影された信号であると判定した場合は、二値化回路３２に対して明期に対する閾値レベルＬを出力し、暗期に撮影された信号であると判定した場合は、二値化回路３２に対して暗期に対する閾値レベルＤを出力する。
入力画像信号が明期に撮影された信号である場合は、ＡＤ変換器３１からのデジタル画像信号を二値化回路３２において閾値レベルＬと比較し、閾値レベルＬより大きい場合は白、小さい場合は黒のニ値に変換する（ステップ５）。同様に、入力画像信号が暗期に撮影された信号である場合は、ＡＤ変換器３１からのデジタル画像信号を二値化回路３２において閾値レベルＤと比較し、閾値レベルＤより大きい場合は白、小さい場合は黒のニ値に変換する（ステップ６）。こうして白黒二値に変換された画像信号は、黒部分は小動物に対応し、白部分は背景に対応する。

二値化回路３２で白黒二値に変換された画像信号には、小動物の糞など小動物以外の物体による黒成分が背景に混入したり、小動物の毛色の不均一性などにより小動物の黒信号中に白信号が混入したりしてノイズが含まれることが多い。また、小動物の尾によって背景である白領域が分断されることがある。そこで、二値化回路３２の出力はこれらのノイズを除去するために、侵食回路３４で侵食処理し（ステップ７）、拡張回路３５で拡張処理を行う（ステップ８）。前述したとおり、侵食処理は、白黒ニ値画像の黒領域のかたまりを物体、白領域を背景として考えたときに、物体（黒領域）の縁部の１ピクセルを取り除く処理で、具体的には、特定のピクセルの周辺におけるピクセルの半分以上が白のときにそのピクセルを白に変換する処理である。また、拡張処理は、物体（黒領域）の縁部に１ピクセルを付加する処理で、具体的には、特定のピクセルの周辺におけるピクセルの半分以上が黒のときにそのピクセルを黒に変換する処理である。ステップ７の侵食処理およびステップ８の拡張処理は各々１フレームの信号に対して数回繰り返して行われる。
各フレームにおける侵食処理および拡張処理が行われた信号は、かたまり計数部３６で黒信号のかたまりの数が計数され（ステップ９）、平均化回路３７で所定フレーム数あるいは所定時間にわたってかたまりの数の平均値を演算し（ステップ１０）、グラフ化回路３８でかたまり数の当該平均値の時間変化をグラフ化する（ステップ１１）。グラフ化されたかたまり数の平均値の時間変化は表示装置／メモリ４２の表示装置に表示され、あるいは、メモリにデータが記録される（ステップ１２）。
また、各フレームにおける侵食処理および拡張処理が行われた信号は、変化ピクセル計数部３９に供給され、連続した２フレームの画像を比較して変化したピクセルの総数を計数する（ステップ１３）。ステップ１３で計数された変化ピクセルの総数は、平均化回路４０で所定フレーム数あるいは所定時間にわたって平均値が演算され（ステップ１４）、グラフ化回路４１で変化ピクセル総数の平均値の時間変化をグラフ化する（ステップ１５）。グラフ化された変化ピクセル総数の平均値の時間変化は表示装置／メモリ４２の表示装置に表示され、あるいは、メモリにデータが記録される（ステップ１６）。

つぎに、以上説明した小動物の行動解析装置を使用して小動物の行動を解析する方法について説明する。
図１および図２で説明した小動物の行動解析装置を複数個用意し、１つの行動解析装置には、比較の基準となる標準小動物を複数匹飼育する。他の行動解析装置には、被検体小動物を複数匹飼育する。以下の説明では、説明を簡単にするために、標準小動物および被検体小動物として各々２匹のマウスを飼育して行動を解析する場合を例に説明する。ここで、標準小動物とは、遺伝子操作や投薬を行っていない小動物をいい、被検体小動物とは、遺伝子操作を行ったり投薬したりした小動物をいう。なお、以下の説明では被検体小動物としてカルシニューリン遺伝子をなくしたマウスを例に説明する。
標準小動物および被検体小動物の各々について図１ないし図３で説明した方法によりそれぞれの小動物の１時間ごとに平均したかたまりの数の時間変化および１時間ごとに平均した変化ピクセルの総数の時間変化を取得する。

図４（Ａ）は、飼育ケージ１１内の２匹の小動物の行動を３日間ビデオカメラ１７で撮影したときの黒画像のかたまりの数の１時間ごとの平均値の時間変化を示すグラフを示す。
このグラフは、平均化回路３７でステップ１０において１時間ごとの平均を取り、グラフ化回路３８でステップ１１において作成されたグラフに相当する。図４（Ａ）において、曲線５２は２匹の標準小動物による１時間ごとに平均したかたまりの数の時間変化を示し、曲線５３は２匹の被検体小動物による１時間ごとに平均したかたまりの数の時間変化を示す。バー５１の白部分は昼間を、黒部分は夜間を示す。
本実施例においては小動物が２匹であるので、２匹の小動物が離れている場合はかたまりの数は２であり、コンタクトしている場合はかたまりの数は１である。マウスなどの小動物は通常互いにコンタクトして１つにかたまっている習性が強く、特に昼間の睡眠時にこの傾向が強い。また、小動物は夜行性であり、昼間は睡眠し夜間活動する習性がある。これらの点を考慮して標準小動物による曲線５２を見ると、１日目の夜間はかたまりの数が２に近く互いに離れて活動しているが、１日目の昼間にはかたまりの数が１に近くなり互いにコンタクトして一体となって睡眠していることが理解される。２日目以降は活動中の夜間でもかたまりの数は比較的１に近く、昼間の睡眠時には非常に１に近い。
被検体小動物による曲線５３を見ると、３日間を通して活動中の夜間はかたまりの数が２に近く、ほとんど別々に行動していることがわかる。また、睡眠中の昼間は１日目ではかたまりの数が２に近く別々に睡眠していることがわかる。２日目以降は１に近くなるが、標準小動物に比較すると２に近く、睡眠時でも別々に離れている傾向が強い。

図４（Ｂ）は、飼育ケージ１１内の２匹の小動物の行動を３日間ビデオカメラ１７で撮影したときの変化ピクセル総数の１時間ごとの平均値の時間変化を示すグラフを示す。このグラフは、平均化回路４０でステップ１１４において１時間ごとの平均を取り、グラフ化回路４１でステップ１５において作成されたグラフに相当する。図４（Ｂ）において、曲線５４は２匹の標準小動物による１時間ごとに平均した変化ピクセル総数の時間変化を示し、曲線５５は２匹の被検体小動物による１時間ごとに平均した変化ピクセル総数の時間変化を示す。
曲線５４および曲線５５を比較すると、１日目は両者は類似しているが、２日目および３日目の夜間においては、被検体小動物の活動量が明らかに大きくなっている。２日目および３日目の昼間は睡眠中であるので活動量に差はない。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）から、被検体小動物は標準小動物と比較すると、互いにコンタクトして１つにかたまっている習性が弱く、夜間の活動量が多いことがわかる。この傾向は、統合失調症（精神異常性）に特有の傾向であり、カルシニューリン遺伝子をなくすことにより統合失調症を罹患したことが推定される。すなわち、カルシニューリン遺伝子の有無が統合失調症に強く影響していることがわかる。したがって、カルシニューリン遺伝子の操作により統合失調症を治癒させる可能性があることを示唆しているといえる。
なお、以上の説明では、ビデオカメラ１７で撮影した画像信号を信号処理装置２０で信号処理する方法にすいて説明したが、信号処理装置２０の信号処理動作をハードウェアではなくソフトウェアプログラムで行うことも可能である。この場合は、当該ソフトウェアプログラムをパソコン２１にインストールすればよく、信号処理装置２０を省略してハードウェア構成を簡略化することができる。

図５は、本発明による小動物の行動診断装置の一例を示すブロック図ある。データベース６１は、実施例１で説明した小動物の行動解析装置を使用して標準小動物の行動を解析したデータを収納している。すなわち、標準小動物を撮影して図２における表示装置／メモリ４２のメモリ部分に記録したデータを収納しており、このメモリ部分がデータベース６１に対応する。入力データ６２は、被検体小動物の行動を解析したデータであり、被検体小動物を撮影して図２における表示装置／メモリ４２のメモリ部分に記録したデータに対応する。パソコン６３に被検体小動物の入力データ６２を入力し、さらに、データベース６１から標準データを読み込んで両者を表示装置６４上に重畳または並べて表示させると、図４（Ａ）に示した曲線５２および曲線５３が表示されるので、両者を同一画面上で比較することができ、被検体小動物の行動を標準小動物と比較して診断することができる。
なお、被検体小動物の入力データ６２とデータベース６１から標準データを重畳して表示する代わりに、両者の差を統計学的に判定してその差成分を表示装置に表示するようにしても良い。この場合は、差成分の大きさを直接見ることができるで、被検体小動物の行動の正常性、異常性を簡単かつ確実に判定、診断することができる。
また、本実施例においては、小動物として黒色マウスを用い、背景色を白色にした場合で説明したが、白色マウスを用いる場合には背景色を黒色とするなど、小動物を識別するために、背景色は小動物と明度の差の大きな色を用いればよい。

本発明による小動物の行動解析装置、小動物の行動解析方法および行動診断方法は、医薬品などの薬効や遺伝子治療などにおける効果を臨床的に評価する前に行う動物実験において、投薬したり遺伝子を操作した実験用の小動物の行動の変化を観察、解析および診断する装置および解析方法、診断方法として有用である。

本発明による小動物の行動解析装置の実施例を示す概念図 本発明による小動物の行動解析装置の信号処理系の一例を示すブロック図 本発明による小動物の行動解析装置の動作を説明するフローチャート （Ａ）は、本発明による小動物の行動解析装置により撮影した小動物の画像における黒画像のかたまり数の１時間ごとの平均値の時間変化を示すグラフ、（Ｂ）は本発明による小動物の行動解析装置により撮影した小動物の画像における変化ピクセル総数の１時間ごとの平均値の時間変化を示すグラフ 本発明による小動物の行動診断装置の一例を示すブロック図

符号の説明

１１ 飼育ケージ
１２ 床敷き
１３ 小動物
１４ 餌箱
１５ 給水ビン
１６ 蓋
１７ ビデオカメラ
１８ 赤外線投光器
２０ 信号処理装置
２１ パソコン
２２ 画像メモリ
３１ ＡＤ変換器
３２ 二値化回路
３３ 明暗判定部
３４ 侵食回路
３５ 拡張回路
３６ かたまり計数部
３７、４０ 平均化回路
３８、４１ グラフ化回路
３９ 変化ピクセル計数部
４２ 表示装置／メモリ
６１ データベース
６２ 入力データ
６３ パソコン
６４ 表示装置

Claims (12)

1. 複数の小動物を飼育するケージと、前記ケージの床面全体を所定のフレーム数で撮影するビデオカメラと、前記ビデオカメラで撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換する二値化回路と、前記二値化信号のノイズを除去するノイズ除去回路と、前記ノイズ除去回路でノイズが除去された信号による白黒画像における黒画像のかたまりを計数するかたまり計数部と、前記かたまり計数部で計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均する第１の平均化回路と、前記白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数する変化ピクセル計数部と、前記変化ピクセル計数部で計数された変化ピクセルの総数を所定時間ごとに平均する第２の平均化回路とを有することを特徴とする小動物の行動解析装置。
2. 前記ビデオカメラで撮影したケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定する明暗判定部を備え、前記明暗判定部の判定結果に応じて前記二値化回路の閾値を異ならせることを特徴とする請求項１に記載の小動物の行動解析装置。
3. 前記ノイズ除去回路は、前記白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルをその白黒比に応じて白または黒に変換する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の小動物の行動解析装置。
4. 前記ケージ内を照明する赤外線照射投光器を有することを特徴とする請求項１に記載の小動物の行動解析装置。
5. ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の社会的行動等の行動を解析することを特徴とする小動物の行動解析方法。
6. ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を計数し、計数されたピクセルの総数を所定時間ごとに平均し、その数値の時間的変化により小動物の行動を解析することを特徴とする小動物の行動解析方法。
7. ケージ内の所定位置における白黒レベルの平均値により撮影時が明期であるか暗期であるかを判定し、その判定結果に応じて画像信号の二値化の閾値を異ならせることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の小動物の行動解析方法。
8. 白黒二値化信号の黒領域における特定のピクセルの周辺におけるピクセルをその白黒比に応じて白または黒に変換してノイズを除去することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の小動物の行動解析方法。
9. ケージ内の複数の小動物を所定のフレーム数で撮影し、撮影した画像信号を白黒の二値化信号に変換し、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像における黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化と、前記二値化信号のノイズを除去した後の白黒画像の連続する２フレームごとに変化するピクセルの総数を所定時間ごとに平均した数値の時間的変化により小動物の社会的行動等の行動を解析することを特徴とする小動物の行動解析方法。
10. 第１のケージ内の複数の標準小動物の組と第２のケージ内の被検体小動物の組とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、撮影した各画像信号を白黒の二値化信号に変換して二値化信号の白黒画像における黒画像のかたまりを計数し、計数された黒画像のかたまりの数を所定時間ごとに平均したデータの時間的変化を標準小動物の組と被検体小動物の組で比較することを特徴とする小動物の行動診断方法。
11. 前記標準小動物の組のデータと前記被検体小動物の組のデータを同一画面上に重畳または並べて表示することを特徴とする請求項１０に記載の小動物の行動診断方法。
12. 前記標準小動物の組のデータと前記被検体小動物の組のデータの差を統計学的に判定し、前記差の大きさにより前記被検体小動物の社会的行動等の行動を診断することを特徴とする請求項１０に記載の小動物の行動診断方法。
    

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