自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法

專利名稱：自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法
技術領域：
本發明涉及ー種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法，屬于電子技術、動物醫學和行為生態研究領域。
背景技術：
視覺是人和動物感知外部世界的主要感覺通路，人和動物主要依賴視覺信息的加エ和處理來感知和辨識中物體的特征，包括形狀、大小、顔色、以及位置和運動特征等。在常規的視覺研究中，主要采用固定動物頭部，通過視覺呈現特定編碼的刺激，通過光學成像或生物電生理技術記錄生物電活動。如果要研究動物在自然環境中自由活動狀態下的視覺認知機制，傳統的視覺研究方式是無法滿足要求的。例如，動物在自然環境中進行遷徙運動時視覺起到什么樣的導航作用，當其視覺受到干擾后動物又采取什么樣的導航策略，當它改變策略時，其生物電活動，尤其是腦電活動能反映其決策過程。目前，尚無有效地相關試驗裝置和方法，用于完成這ー研究。

發明內容
發明目的:為了克 服現有技術中存在的不足，本發明采用的技術方案為:
ー種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:包括電子眼罩、定位模塊、生物電測量部分和主控部分；
所述電子眼罩，用于調節動物的視覺刺激，產生或消除視覺障礙；
所述定位模塊，用于實現接收來自衛星的定位信號，從而獲知當前的地理坐標信息；所述生物電測量部分包括:生物電采集電極，用于采集動物生物電；生物電信號放大器；低通濾波器；帶阻濾波器；多路開關，用于分時導通，把多路生物電信號送入AD轉換器；AD轉換器，用于把放大濾波后的生物電信號轉換為數字信號，存在存儲器中；
所述主控部分包括:數據記錄模塊:記錄動物的視覺刺激狀態、所處的地理信息和生物電信號；USB接ロ模塊:用于實現把存儲芯片中的數據送入計算機或接收計算機的命令；人機交互模塊:用于接收操作命令和實現信息顯示；控制器模塊:給電子眼罩發送驅動信號使其產生或消除視覺刺激、接收定位模塊的地理信息、接收生物電的數字化信號、接收人機交互模塊的數據、給數據記錄模塊發送命令使其進行數據記錄、通過USB接ロ模塊和計算機進行數據交換；
其中，所述生物電采集電極、生物電信號放大器、低通濾波器、帶阻濾波器、多路開關、AD轉換器依次連接后，連接于控制器模塊；所述電子眼罩、定位模塊、數據記錄模塊、USB接ロ模塊、人機交互模塊分別與控制器模塊連接。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:所述電子眼罩包括左眼単元和右眼単元，左眼単元和右眼單元單獨接受控制器模塊發出的驅動信號，所述電子眼罩通過第一尼龍粘扣固定被監測對象的眼睛，所述第一尼龍粘扣上設有用于露出電子眼罩的眼睛孔，所述電子眼罩采用透明液晶材料制成，當無驅動信號時，完全透光不會對動物產生視覺障礙；當接收驅動信號時，會遮斷光線，對動物產生視覺障礙。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:所述生物電信號放大器、低通濾波器、帶阻濾波器、多路開關、AD轉換器、定位模塊、數據記錄模塊、USB接ロ模塊、人機交互模塊、控制器模塊安裝在一塊電路板上，所述電路板通過第二尼龍粘扣固定于被監測對象的背部；所述生物電采集電極固定于被監測對象的頭部上。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述生物電信號放大器分為信號跟隨部分和信號放大部分；所述信號跟隨部分采用高輸入阻抗運放放大器組成的電壓跟隨器；所述信號放大部分采用兩級放大，包括第一級和第二級，第一級采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路或集成儀用放大電路；第二級采用運算放大器組成比例放大電路；所述第一級和第二級增益均可調。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:所述數據記錄模塊采用EEPROM存儲芯片或SD卡進行數據存儲；和/或，所述定位模塊采用GPS定位接收模塊。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:所述低通濾波器，采用運放組成ニ階有源低通濾波器，截止頻率為500Hz ;和/或，所述帶阻濾波器，采用運放組成雙T型帶阻濾波器。所述的自然環境 下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述AD轉換器，采用12位及12位以上分辨率的轉換芯片，采樣頻率為4KHz ;和/或，所述USB接ロ模塊為串行ロ轉USB接ロ芯片。所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述人機交互模塊包括按鍵和發光二極管；和/或，所述控制器模塊采用單片機。自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的方法，包括以下步驟，
步驟(I):控制器模塊初始化自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置；
步驟(2):開始定時器中斷；
步驟(3):接收并記錄被監測對象當前的地理坐標信息；
步驟(4):定時時間到，接收并記錄生物電信息；
步驟(5):控制器模塊根據生物電信息判斷當前條件是否與產生或撤銷視覺刺激的條件相吻合，如吻合則由控制器模塊發出驅動信號控制電子眼罩；
步驟(6):判斷試驗是否結束，若未結束，則重復步驟(3)至步驟(5);若結束，則進入步驟(7)；
步驟(7 ):從被監測對象上取下裝置，計算機通過USB接ロ模塊獲得數據記錄模塊中的數據，進行分析數據。所述步驟(5)中“產生或撤銷視覺刺激的條件”為:當前地理坐標信息與產生或撤銷視覺刺激的關鍵地理坐標相吻合，或者是當前時間與規定時間相吻合。有益效果:本發明提供的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法，通過此裝置與方法，1、自動工作的電子眼罩，其可以按照人工設置的條件定時或定點調節視覺刺激，從而改變動物視覺條件；可以在動物自由活動狀態下，定時或定點調節視覺刺激，比如施加或消除干擾動物視覺；2、可以記錄自然環境中動物的生物電；3、可以記錄在自然環境中動物運動的軌跡；可以對在自然環境中的動物不做強制性固定的條件下，人為地給動物產生視覺刺激；可以全程記錄動物遷徙運動的路線；可以全程記錄動物在運動遷徙過程中的生物電參數；通過本發明裝置獲取的數據，可以分析出動物下視覺刺激下其生物電與行為響應的關系，為研究動物遷徙規律、遷徙路線、運動導航等科學研究提供支持；本發明裝置開啟或撤銷視覺刺激的方法是給液晶加載驅動信號或撤銷驅動信號；本發明裝置可以分別開啟或撤銷左右眼的視覺刺激，不存在關聯關系。


圖1是本發明的裝置示意 圖2是本發明的方法流程圖。圖中:生物電采集電極1、生物電信號放大器2、低通濾波器3、帶阻濾波器4、多路開關5、AD轉換器6、定位模塊7、數據記錄模塊8、USB接ロ模塊9、人機交互模塊10、控制器模塊11、電池供電模塊12、電子眼罩13。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進ー步的說明。如圖1所示，為ー種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:包括電子眼罩13、定位模塊6、生物電測量部分和主控部分；
所述電子眼罩13，用于調節動物的視覺刺激，產生或消除視覺障礙；
所述定位模塊7，用于實現接收來自衛星的定位信號，從而獲知當前的地理坐標信息；所述生物電測量部分包括:生物電采集電極1，用于采集動物生物電；生物電信號放大器2 ;低通濾波器3 ;帶阻濾波器4 ;多路開關5，用于分時導通，把多路生物電信號送入AD轉換器;AD轉換器6,用于把放大濾波后的生物電信號轉換為數字信號,存在存儲器中； 所述主控部分包括:數據記錄模塊8:記錄動物的視覺刺激狀態、所處的地理信息和生物電信號；USB接ロ模塊9:用于實現把存儲芯片中的數據送入計算機或接收計算機的命令；人機交互模塊10:用于接收操作命令和實現信息顯示；控制器模塊11:給電子眼罩發送驅動信號使其產生或消除視覺刺激、接收定位模塊的地理信息、接收生物電的數字化信號、接收人機交互模塊的數據、給數據記錄模塊發送命令使其進行數據記錄、通過USB接ロ模塊和計算機進行數據交換；
其中，所述生物電采集電極1、生物電信號放大器2、低通濾波器3、帶阻濾波器4、多路開關5、AD轉換器6依次連接后，連接于控制器模塊；所述電子眼罩13、定位模塊7、數據記錄模塊8、USB接ロ模塊9、人機交互模塊10分別與控制器模塊11連接。還包括電池供電模塊12:給上述各模塊提供電源；由鋰電池、DC-DC及穩壓模塊構成。所述電子眼罩13包括左眼單元和右眼單元，左眼單元和右眼單元單獨接受控制器模塊11發出的驅動信號，所述電子眼罩13通過第一尼龍粘扣固定被監測對象的眼睛，所述第一尼龍粘扣上設有用于露出電子眼罩的眼睛孔，所述電子眼罩采用透明液晶材料制成，當無驅動信號時，完全透光不會對動物產生視覺障礙；當接收驅動信號時，會遮斷光線，對動物產生視覺障礙。所述生物電信號放大器2、低通濾波器3、帶阻濾波器4、多路開關5、AD轉換器6、定位模塊7、數據記錄模塊8、USB接ロ模塊9、人機交互模塊10、控制器模塊11安裝在ー塊電路板上，所述電路板通過第二尼龍粘扣固定于被監測對象的背部；所述生物電采集電極I固定于被監測對象的頭部上。所述生物電信號放大器2分為信號跟隨部分和信號放大部分；信號跟隨部分采用高輸入阻抗運放放大器組成的電壓跟隨器；信號放大部分采用兩級放大，第一級采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路或集成儀用放大電路，放大倍數約為10倍；第ニ級采用運算放大器組成比例放大電路，放大倍數約160倍；兩級總放大倍數為1600倍左右；第一級和第二級增益均可調；
所述數據記錄模塊8采用EEPROM存儲芯片或SD卡進行數據存儲；和/或，所述定位模塊采用GPS定位接收模塊。所述低通濾波器3，采用運放組成ニ階有源低通濾波器，截止頻率為500Hz ;和/或，所述帶阻濾波器，采用運放組成雙T型帶阻濾波器。所述AD轉換器6，采用12位及12位以上分辨率的轉換芯片，采樣頻率為4KHz ;和/或，所述USB接ロ模塊為串行ロ轉USB接ロ芯片。所述人機交互模塊10包括按鍵和發光二極管；和/或，所述控制器模塊11采用單片機。如圖2所示，為ー種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的方法，包括以下步驟，
步驟(I):控制器模塊初始化自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置；
步驟(2):開始定時器中斷；
步驟(3):接收并記錄被 監測對象當前的地理坐標信息；
步驟(4):定時時間到，接收并記錄生物電信息；
步驟(5):控制器模塊根據生物電信息判斷當前條件是否與產生或撤銷視覺刺激的條件相吻合，如吻合則由控制器模塊發出驅動信號控制電子眼罩；
步驟(6):判斷試驗是否結束，若未結束，則重復步驟(3)至步驟(5);若結束，則進入步驟(7)；
步驟(7):從被監測對象上取下裝置，計算機通過USB接ロ模塊獲得數據記錄模塊中的數據，進行分析數據。所述步驟(5)中“產生或撤銷視覺刺激的條件”為:當前地理坐標信息與產生或撤銷視覺刺激的關鍵地理坐標相吻合，或者是當前時間與規定時間相吻合。本發明的具體運用如下:
一、裝置安裝方式
把生物電信號放大器2、低通濾波器3、帶阻濾波器4、多路開關5、AD轉換器6、定位模塊7、數據記錄模塊8、USB接ロ模塊9、人機交互模塊10、控制器模塊11、電池供電模塊12組成的裝置用無害強力膠粘貼在尼龍粘扣的刺面上；把尼龍粘扣的毛面用無害強力膠粘貼在動物背部；把尼龍粘扣的毛面和刺面粘合，固定好本發明裝置背部部分。把尼龍粘扣剪洞，留出動物眼睛部分；電子眼罩13用無害強力膠粘貼在尼龍粘扣的刺面上，液晶部分覆蓋留出的洞；把尼龍粘扣的毛面用無害強力膠粘貼在動物眼部，并露出眼睛；把尼龍粘扣的毛面和刺面粘合，固定本裝置的頭部部分。把生物電采集電極固定在動物身體的測試部分。本實施例采用針式電極插入動物頭部的神經核團采集生物電信號，然后用醫用固定劑固定。本實施例的動物采用鴿子。ニ、裝置電路實施方式 電路實施如下:
電子眼罩13采用TN透明液晶，當加驅動信號時會遮斷光線，對動物產生視覺障礙，否則不會產生視覺障礙。本實施例采用單段液晶，其尺寸大小為5mm*5mm，驅動引腳連接至控制器模塊單片機MSP430F427的P16、P17、P23、P24腳，采用動態驅動方式。生物電生物電信號放大器2:本實施例采用運放AD8267及其外圍電路做為電壓跟隨電路；儀用放大電路AD8259及外圍電路作為第一級放大，Rg=4.7K，放大倍數約10倍；運放L324及其外圍電路作為第二級放大，放大倍數約160倍。低通濾波器3:本實施例運放L324及其外圍電路組成ニ階有源濾波器，截止頻率設定在250Hz。帶阻濾波器4:本實施例運放L324及其外圍電路組成帶阻濾波器，陷頻率設定在50Hz。多路開關5:采用控制器模塊單片機MSP430F427內置的多路開關。AD轉換器6:本實施例采用控制器模塊單片機MSP430F427內置的12位AD轉換器 器。生物電采集電極1、生物電生物電信號放大器2、低通濾波器3、帶阻濾波器4、依次連接后，連接于控制器模塊單片機MSP430F427的模擬信號輸入引腳。定位模塊7:接收來自衛星的定位信號，從而獲知當前的地理坐標信息。本實施例采用ST-93 GPS接收模塊。其輸出引腳連接至單片機MSP430F427的串行ロ。數據記錄模塊8:記錄動物所處的地理信息和生物電信號。本實施例采用MX25L3205D EEPROM芯片；其引腳與單片機MSP430F427 SIP串行ロ連接。USB接ロ模塊9:用于和后臺計算機通信，本實施例采用PL2303，連接于單片機MSP430F427 的 Pl.0 和 Pl.1 ロ線。人機交互模塊10接收人的操作命令和顯示信息給人。本實施例采用紅色兩個發光二極管和兩個按鍵，分別連接至單片機的引腳。控制器模塊11:接收定位模塊的地理信息和生物電信號；給數據記錄模塊發送命令使其進行數據記錄；通過USB接ロ模塊和計算機進行數據交換；本實施例采用單片機MSP430F427及其外圍電路。電池供電模塊12:由鋰電池和穩壓模塊構成。本實施例采用標稱3.7VIOOOmah的鋰聚合物電池及XC6206P332組成，給其他模塊提供3.3V的直流電源。本實施例可供本發明裝置工作15小時以上。本實施例的總體工作原理如下:當電池供電模塊12開啟后，控制器模塊11初始化其他模塊和定時器，定時頻率4KHz ;從串ロ每接收到ー個地理信息，即存入數據記錄模塊8 ;當定時時間到后采樣一次生物電信號并記錄；同時控制器模塊11判斷當前是否負荷實施視覺刺激的條件，如果符合，則開啟電子眼罩13，否則關閉電子眼罩13。重復以上三項エ作直至結束。當動物歸巢后取下本發明裝置，通過USB接ロ模塊獲取記錄的數據并進行分析。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范 圍。
權利要求
1.ー種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:包括電子眼罩、定位模塊、生物電測量部分和主控部分； 所述電子眼罩，用于調節動物的視覺刺激，產生或消除視覺障礙； 所述定位模塊，用于實現接收來自衛星的定位信號，從而獲知當前的地理坐標信息； 所述生物電測量部分包括:生物電采集電極，用于采集動物生物電；生物電信號放大器；低通濾波器；帶阻濾波器；多路開關，用于分時導通，把多路生物電信號送入AD轉換器；AD轉換器，用于把放大濾波后的生物電信號轉換為數字信號，存在存儲器中； 所述主控部分包括:數據記錄模塊:記錄動物的視覺刺激狀態、所處的地理信息和生物電信號；USB接ロ模塊:用于實現把存儲芯片中的數據送入計算機或接收計算機的命令；人機交互模塊:用于接收操作命令和實現信息顯示；控制器模塊:給電子眼罩發送驅動信號使其產生或消除視覺刺激、接收定位模塊的地理信息、接收生物電的數字化信號、接收人機交互模塊的數據、給數據記錄模塊發送命令使其進行數據記錄、通過USB接ロ模塊和計算機進行數據交換； 其中，所述生物電采集電極、生物電信號放大器、低通濾波器、帶阻濾波器、多路開關、AD轉換器依次連接后，連接于控制器模塊；所述電子眼罩、定位模塊、數據記錄模塊、USB接ロ模塊、人機交互模塊分別與控制器模塊連接。
2.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在干:所述電子眼罩包括左眼単元和右眼単 元，左眼単元和右眼單元單獨接受控制器模塊發出的驅動信號，所述電子眼罩通過第一尼龍粘扣固定被監測對象的眼睛，所述第一尼龍粘扣上設有用于露出電子眼罩的眼睛孔，所述電子眼罩采用透明液晶材料制成，當無驅動信號時，完全透光不會對動物產生視覺障礙；當接收驅動信號時，會遮斷光線，對動物產生視覺障礙。
3.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述生物電信號放大器、低通濾波器、帶阻濾波器、多路開關、AD轉換器、定位模塊、數據記錄模塊、USB接ロ模塊、人機交互模塊、控制器模塊安裝在一塊電路板上，所述電路板通過第二尼龍粘扣固定于被監測對象的背部；所述生物電采集電極固定于被監測對象的頭部上。
4.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述生物電信號放大器分為信號跟隨部分和信號放大部分；所述信號跟隨部分采用高輸入阻抗運放放大器組成的電壓跟隨器；所述信號放大部分采用兩級放大，包括第一級和第二級，第一級采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路或集成儀用放大電路；第二級采用運算放大器組成比例放大電路；所述第一級和第二級增益均可調。
5.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述數據記錄模塊采用EEPROM存儲芯片或SD卡進行數據存儲；和/或，所述定位模塊采用GPS定位接收模塊。
6.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述低通濾波器，采用運放組成ニ階有源低通濾波器，截止頻率為500Hz ;和/或，所述帶阻濾波器，采用運放組成雙T型帶阻濾波器。
7.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述AD轉換器，采用12位及12位以上分辨率的轉換芯片，采樣頻率為4KHz ;和/或，所述USB接ロ模塊為串行ロ轉USB接ロ芯片。
8.根據權利要求1所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置，其特征在于:所述人機交互模塊包括按鍵和發光二極管；和/或，所述控制器模塊采用單片機。
9.自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的方法，包括以下步驟， 步驟(I):控制器模塊初始化自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置； 步驟(2):開始定時器中斷； 步驟(3):接收并記錄被監測對象當前的地理坐標信息； 步驟(4):定時時間到，接收并記錄生物電信息； 步驟(5):控制器模塊根據生物電信息判斷當前條件是否與產生或撤銷視覺刺激的條件相吻合，如吻合則由控制器模塊發出驅動信號控制電子眼罩； 步驟(6):判斷試驗是否結束，若未結束，則重復步驟(3)至步驟(5);若結束，則進入步驟(7)； 步驟(7):從被監測對象上取下裝置，計算機通過USB接ロ模塊獲得數據記錄模塊中的數據，進行分析數據。
10.根據權利要求9所述的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的方法，其特征在于:所述步驟(5)中“產生或撤銷視覺刺激的條件”為:當前地理坐標信息與產生或撤銷視覺刺激的關鍵地理坐標相 吻合，或者是當前時間與規定時間相吻合。
全文摘要
本發明公開了一種自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法，裝置包括電子眼罩、定位模塊、生物電測量部分和主控部分；所述生物電測量部分包括生物電采集電極；生物電信號放大器；低通濾波器；帶阻濾波器；多路開關；AD轉換器；所述主控部分包括:數據記錄模塊；USB接口模塊；人機交互模塊；控制器模塊。本發明提供的自然環境下視覺調節及生物電與行為記錄的裝置與方法，可以對在自然環境中的動物人為地給動物產生視覺刺激；全程記錄動物遷徙運動的路線；全程記錄動物在運動遷徙過程中的生物電參數；分析出動物下視覺刺激下其生物電與行為響應的關系，為研究動物遷徙規律、遷徙路線、運動導航等科研提供支持。
文檔編號A61B19/00GK103110462SQ201310054530
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月21日 優先權日2013年2月21日
發明者劉玉宏, 劉小峰, 齊本勝, 蔣愛民, 童晶 申請人:河海大學常州校區