一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及技术领域，尤其涉及一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统及方法。

背景技术

在日常生活中，睡眠障碍往往会显著降低生活质量。因此，对于睡眠的研究尤为重要。在睡眠研究中，瞳孔测量被公认为一种无创、敏感、稳健的觉醒水平量化方法，用于清醒状态下影响大脑唤醒过程的内外因素和神经机制研究。研究最常选用的动物为小鼠，但小鼠没有眼白，其毛色和眼睛虹膜、瞳孔同色，给眼动追踪过程中瞳孔分离提取造成困难。目前，瞳孔追踪有两类方法分离瞳孔，一种是暗瞳孔方式，一种是亮瞳孔的方式。

暗瞳孔方式利用大功率光源侧向照明，小鼠的毛发和虹膜反射光线，而透明的瞳孔穿透光线，反向透射出的光线方向与拍摄装置方向不同，无法被拍摄，所以瞳孔呈深色，从而将瞳孔和虹膜区分开来，但发明人在实现本发明的过程中发现，小鼠为夜行追踪对象，在强光下暴躁不安，所以光源采用肉眼不可见的近红外光，又因虹膜颜色深，与瞳孔极为接近，需要的光源功率较大。近红外光的生物热效应显著，小鼠在大功率红外光下易出现眼睛干燥、角膜溃疡，影响实验给予的视觉刺激。

相对的是基于双光子成像的亮瞳孔方式，双光子脑成像需有较强的近红外光激光照射大脑，可沿视神经到眼球，透过瞳孔激射而出，呈现亮瞳孔，而眼球其它部分不透光，则颜色较暗。但是，双光子实验需要小心研磨穿透颅骨，然后用玻片密封，对实验人员技术要求较高，如果通过颅骨上方直接固定LED的方式实现亮瞳孔，为了穿透颅骨、脑内组织和视神经，层层散射光穿透瞳孔被记录到，所需LED功率较大，而大功率LED发热极其强烈，可能对娇弱的脑细胞产生热效应，继而影响实验结果，而且亮瞳孔追踪方式需要在小鼠颅骨上方固定LED和集光器件，占据小鼠大脑较大部分位置，妨碍其它神经实验技术的使用。

发明内容

本发明实施例提供了一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统及方法，以解决相关瞳孔追踪技术中采用的大功率光源影响瞳孔追踪时间以及追踪结果等技术问题，能够实现较长时间的连续瞳孔追踪，而且能够在实现亮瞳孔的前提下，减少光源对瞳孔的损伤，从而保证瞳孔追踪的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统，该系统包括：

透明约束装置，用于约束所述追踪对象的活动区域；

拍摄装置，设置有同轴光源，用于通过所述同轴光源照射所述追踪对象的瞳孔，并拍摄所述追踪对象在睡眠状态下的瞳孔图像；

控制装置，一端与所述拍摄装置连接，用于控制所述拍摄装置的拍摄位置，以使所述拍摄装置对所述追踪对象的瞳孔进行追踪拍摄。

可选地，所述系统还包括：头部固定装置；所述头部固定装置包括头部固定杆和头部固定件，其中，所述固定件固定设置于所述追踪对象的颅骨上，所述头部固定杆与所述头部固定件可拆卸连接，用于当所述追踪对象处于睡眠状态时，通过所述头部固定件将所述追踪对象的头部进行固定。

可选地，所述控制装置包括第一步进电机和第二步进电机，其中，所述第一步进电机用于控制所述拍摄装置相对于所述透明约束装置的拍摄角度，所述第二步进电机用于控制所述拍摄装置相对于所述透明约束装置的拍摄高度。

可选地，所述控制装置包括平行四边形结构的联动杆，所述第一步进电机和所述第二步进电机的一端分别通过所述联动杆与所述拍摄装置进行连接。

可选地，所述系统还包括：遮光装置，设置有遮光层，用于容纳所述透明约束装置、所述拍摄装置和控制装置。

可选地，所述第一步进电机位于所述追踪对象活动区域中心的上方，通过电机固定座固定于所述遮光装置上。

可选地，所述遮光装置内设置有照明装置。

可选地，所述系统，还包括：载台，用于承载所述透明约束装置。

第二方面，本发明实施例还提供了一种睡眠状态下的瞳孔追踪方法，该装置包括：

通过透明约束装置约束所述追踪对象的活动区域；

通过拍摄装置的同轴光源照射所述追踪对象的瞳孔，并拍摄所述追踪对象在睡眠状态下的瞳孔图像；

通过控制装置控制所述拍摄装置的拍摄位置，以使所述拍摄装置对所述追踪对象的瞳孔进行追踪拍摄。

可选地，所述通过控制装置控制所述拍摄装置的拍摄位置，包括：

当所述追踪对象的瞳孔发生移动时，基于所述瞳孔图像确定所述瞳孔的旋转角度；

基于所述瞳孔的旋转角度确定所述控制装置的调整角度；

根据所述调整角度通过所述控制装置调整所述拍摄装置的拍摄位置。

本发明实施例的技术方案，利用同轴光照明替代原有大功率侧向光源或者固定在追踪对象头部的光源，同轴光源与追踪对象保持一定距离，无需接触追踪对象的头部，不会妨碍其它神经实验操作，也不会因光强过大灼伤追踪对象的角膜或使其产生过多分泌物而干扰实验记录。采用本系统可连续进行十小时至数十小时的长时间瞳孔追踪，解决了相关瞳孔追踪技术中由于采用大功率光源而影响瞳孔追踪的时间和结果等技术问题，能够实现较长时间的连续追踪，而且能够在实现亮瞳孔的前提下，减少光源对瞳孔的损伤，从而保证瞳孔追踪的效果。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供的一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统的结构示意；

图2为本发明实施例一所提供的一种基于同轴光源实现亮瞳孔追踪的原理示意图；

图3为本发明实施例一所提供的另一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统的结构示意图；

图4为本发明实施例一所提供的一种第一步进电机与第二步进电机的安装结构示意图；

图5为本发明实施例一所提供的一种基于头部固定装置固定追踪对象的头部的结构示意图；

图6为本发明实施例二所提供的一种睡眠状态下的瞳孔追踪方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一所提供的一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统的结构示意图。如图1所示，本实施例所提供的瞳孔追踪系统包括：透明约束装置11、拍摄装置12和控制装置13。其中，透明约束装置11，用于约束所述追踪对象的活动区域；拍摄装置12，设置有同轴光源，用于通过所述同轴光源照射所述追踪对象的瞳孔，并拍摄所述追踪对象在睡眠状态下的瞳孔图像；控制装置13，一端与拍摄装置12连接，用于控制拍摄装置12的拍摄位置，以使拍摄装置12对所述追踪对象的瞳孔进行追踪拍摄。其中追踪对象可以是用户根据自身需求选定的实验动物，例如可以是小鼠。

图2为本实施例所提供的一种基于同轴光源实现亮瞳孔追踪的原理示意图。拍摄装置可在普通镜头前加载同轴光源模块，也可如图2所示直接采用同轴光镜头。由电池或电源线214供电，所述同轴光源212发出的光经半透半反镜213呈90°反射后与拍摄装置和镜头的中心轴同向，照亮镜头前方物体。照在眼睛上的光穿过瞳孔221中央的孔后到达视网膜222。由于视网膜222反光率较强，可将大部分光反射后穿过瞳孔后到达拍摄装置，所成图像上显示出明亮的瞳孔。而瞳孔221周围的虹膜223中很多肌纤维交杂纵横，粗糙不平，反射光稍弱，颜色较暗，由此可以和明亮的瞳孔区分开来。如果不用同轴光，而用与拍摄装置成一定夹角的光源，则会因瞳孔周围结构的阻挡，视网膜上的强反光反射回光源方向，而不能到达拍摄装置，拍摄的瞳孔只能呈现暗淡的影像。

本发明实施例的技术方案，利用视网膜的高反射率和虹膜的低反射率的差异，获得的亮瞳孔对比度高，与虹膜边界易于分离，测得的结果较暗瞳孔法更为准确。而且，经试验表明，针对同一追踪对象，分别用大功率侧向照明形成的暗瞳孔和本发明实施例所提供的同轴光源照明形成的亮瞳孔，在瞳孔和虹膜的同等对比度下，同轴光功率仅需侧向光的1/2到2/3左右。仅需较小功率的近红外光源，对眼睛的热效应更弱，对实验的干扰更小，可将实验时间从两三小时延长至连续记录十数到数十小时。在同等光照强度下，本发明实施例的技术方案满足更高速度的拍摄装置的要求，能够将追踪对象的瞳孔追踪速度从常见的30-60帧/秒提高到1000帧/秒。

示例性地，在进行拍摄时，可选择适合焦距的镜头和高像素相机作为拍摄装置，使拍摄装置的拍摄范围等同追踪对象活动的透明约束装置的大小，可以拍摄到透明约束装置中任何位置的追踪对象。

在本发明实施例中，透明约束装置可选是通过透明材质制成，用于透过照明光和拍摄。透明约束装置的形状可以是圆柱体、长方体、正方体等规则形状或不规则形状等，具体形状根据实际需求进行设置，在此不做限定。可选地，透明约束装置内部的边缘部分可以设置为光滑结构，以免划伤追踪对象。需要说明的是，透明约束装置为非封闭式装置，例如可以设置为上端开口结构，或者透明约束装置上开设有至少一个通孔，以保证透明约束装置内的空气流通。

考虑到可能需要调整移动透明约束装置的位置，可以为所述移动透明装置设置移动部，所述移动部可以包括至少两个轮子，以便于实现透明约束装置的轻松移动。如果需要控制透明约束装置的移动方向，所述移动部也可以包括滑轮和滑轨等用于控制透明约束装置定向移动的部件。以透明约束装置设置为上端开口的圆柱体结构为例，底部内侧可以用承载追踪对象，底部外侧临近边缘处可以设置有两个或两个以上的轮子，用于滑动所述移动约束装置。

可选地，所述透明约束装置的底部可以安装有固定部件，用于固定所述约束透明装置于承载所述约束透明装置的平台之间的相对位置。

由于自由活动的追踪对象更符合自然状态，为了使得本发明实施例的瞳孔追踪系统能够更好地实现在追踪对象自由活动下保持追踪瞳孔，以实现对活动的追踪对象的睡眠记录，本发明实施例通过透明约束装置来约束所述追踪对象的活动区域，这样，由于追踪对象在透明约束装置内活动，活动范围有限，而拍摄装置的拍摄距离相对拉远，能够有效减少由于追踪对象活动而造成的瞳孔测量误差。

图3为本发明实施例所提供的另一种睡眠状态下的瞳孔追踪系统的结构示意图。考虑到在实际应用中可能存在多个神经实验基于同一追踪对象实现，为了优化实验资源配置，可以将本申请的瞳孔追踪系统与其他实验系统相融合。如图3所示，本发明实施例所提供的瞳孔追踪系统还可以包括：载台14，用于承载透明约束装置11。这样设置的好处在于，可以通过载台14限制透明约束装置11的移动范围，保证的瞳孔追踪不受干扰的同时，为其他实验提供系统搭建空间。

可选地，控制装置包括驱动模块以及联动模块，其中，所述驱动模块发出用于调整所述拍摄装置的拍摄位置的驱动信号，所述连接模块，分别与驱动模块以及拍摄装置连接，用于接收所述驱动模块发出的所述驱动信号，并根据所述驱动信号控制所述控制拍摄装置调整至所述拍摄位置。具体地，驱动模块可以包括至少一个驱动电机。示例性地，驱动电机可以为步进电机。在本发明实施例中，拍摄位置可以包括镜头相对于透明约束装置的拍摄角度以及拍摄高度等。

为了使得控制装置13能够灵活地对拍摄装置12的拍摄位置进行调整。具体地，控制装置13包括第一步进电机131和第二步进电机132，其中，第一步进电机131用于控制拍摄装置12相对于透明约束装置11的拍摄角度。具体地，第一步进电机131可以控制拍摄装置12围绕透明约束装置11旋转。第二步进电机132用于控制拍摄装置12相对于透明约束装置11的拍摄高度。

可选地，所述控制装置包括平行四边形结构的联动杆134，第一步进电机131和第二步进电机132的一端分别通过联动杆134与拍摄装置12进行连接。即可以将追踪瞳孔的拍摄装置固定在平行四边形结构的联动杆上。进而将拍摄装置调整到正对瞳孔的位置，实时采集和分析瞳孔图像。采用平行四边形结构的联动杆134能够使得拍摄装置的拍摄范围相对固定。

在本发明实施例中，所述第一步进电机在所述追踪对象的活动平面上的垂直投影可以与所述追踪对象的活动平面上的垂直投影至少部分交叠，这样设置的好处在于，可以使得拍摄装置的拍摄范围固定于第一步进电机131在所述追踪对象的活动平面上的垂直投影区域，基于相对固定的拍摄范围能够更好地辅助瞳孔追踪的顺利进行。

由于本发明实施例的瞳孔追踪系统用于追踪对象在睡眠状态下的瞳孔追踪，因此为了实现良好的睡眠环境，减少外界环境因素对瞳孔追踪的影响，本发明实施例的瞳孔追踪系统还可以包括：遮光装置15，设置有遮光层，用于容纳透明约束装置11、拍摄装置12和控制装置。这样设置的好处在于，能够使得瞳孔追踪处于稳定的环境中进行，以保证瞳孔追踪的顺利实现。

在此基础上，具体地，第一步进电机131通过电机固定座133固定于遮光装置15上，其中，第一步进电机131在所述追踪对象的活动区域中心的正上方。始终对准第一步进电机131下方区域，囊括透明约束装置区域，以免动物脱离拍摄范围。需要说明的是，第一步进电机131也可固定于其他装置或者设备上，只要能保证对拍摄装置的精准控制即可。

图4为本发明实施例一所提供的一种第一步进电机与第二步进电机的安装结构示意图。如图4所示，可选地，第二步进电机132通过连接固定座135固定于第一步进电机131上，其中，连接固定座135上设置有滑道136，用于供所述第二步进电机在调整拍摄装置12的拍摄高度时进行移动。

考虑到遮光装置15具有遮光作用，可选地，遮光装置15内设置有照明装置16。这样设置的好处在于，当瞳孔追踪的实现过程中或者在其他协同实验的实现过程中需要光照条件时，可以由照明装置16提供光源。

图5为本发明实施例一所提供的一种基于头部固定装置固定追踪对象的头部的结构示意图，如图5所示，为了保证追踪对象处于睡眠状态下的瞳孔追踪的追踪效果，本发明实施例的瞳孔追踪系统还可以包括：头部固定装置17。头部固定装置17包括头部固定杆和头部固定件，其中，所述头部固定件的一端固定设置于所述追踪对象的颅骨上，例如，所述头部固定件的一端可以粘贴在所述追踪对象的颅骨上，所述头部固定杆的一端与所述头部固定件可拆卸连接，用于当所述追踪对象处于睡眠状态时，通过所述头部固定件将所述追踪对象的头部进行固定。需要说明的是，所述头部固定杆的另一端可以固定于遮光装置15上，也可以固定在其他指定的设备或者装置上，可由用户根据实际需求进行设置，在此不做具体限定。

为了保证良好的追踪效果，基于头部固定装置将追踪对象的头部进行固定，然后追踪对象可以选择相对舒适的睡姿入睡。这主要是考虑到部分睡眠实验需结合位置固定的神经技术，如肌电图易受运动干扰，须在固定状态下记录。本发明实施例的头部固定装置的头部固定杆可以采用质轻坚固的碳纤维三段活动杆，进而可以与追踪对象颅骨置入的头部固定件连接，以使得追踪对象只能前后移动和变化姿势，而不能左右倾斜挡住眼睛。示例性地，头部固定杆可以包括至少两个子固定杆，其中，所述每两个子固定杆之间可设置有活动连接部，以通过活动连接部调整头部固定杆的状态和角度。可以理解的是，活动连接部可以被固定或者锁定，以保证头部固定的稳定性。在瞳孔追踪的实现过程中，可以待追踪对象熟睡、一段时间不再动弹后，通过液压自动静息锁定头部固定杆，以使追踪对象在瞳孔追踪的过程中保持同一位置同一姿势，从而达到良好的瞳孔追踪效果。

相比大多数追踪对象瞳孔追踪实验直接固定头部，本发明实施例的技术方案允许追踪对象自行选择较为舒适的睡眠姿态，避免因固定高度和角度不适合，造成追踪对象的姿势僵硬，影响睡眠进程和深度。相比于用X光比对自然和固定追踪对象的脊柱形状，本方法简便易行，无需配备少见的X光机，追踪对象自由选择，更贴近自然状态。

考虑追踪对象睡眠中活动相对较少、范围较小的情况，设置拍摄装置运动机构控制其位置和角度，使其始终正对追踪对象瞳孔，保证光照均匀度和瞳孔高对比度，同时避免追踪对象转动后丢失瞳孔目标。相比于相关技术中通过引诱追踪对象将鼻子伸入侧壁通气小孔、仅在该姿势下眼睛正对拍摄装置可被记录的方法，本发明实施例的技术方案能够真正允许追踪对象自由活动，可追踪任意方位的追踪对象瞳孔。

本发明实施例的技术方案，利用同轴光照明替代原有大功率侧向光源或者固定在追踪对象头部的光源，同轴光源与追踪对象保持一定距离，无需与追踪对象直接接触的瞳孔追踪，也不需要将光源等器件设置在追踪对象的头部附近，因此不会妨碍其它神经实验的实现，而且不会因光源使得追踪对象的角膜热灼伤或产生过多的分泌物而停止记录，采用本系统可长时间连续进行十小时至数十小时的瞳孔追踪，解决了相关瞳孔追踪技术中由于采用大功率光源而影响瞳孔追踪的追踪时间以及追踪结果等技术问题，能够实现对较长时间的瞳孔追踪，而且能够在实现亮瞳孔的前提下，减少光源对瞳孔的损伤，从而保证瞳孔追踪的效果。

实施例二

图6为本实施例所提供的一种睡眠状态下的瞳孔追踪方法的流程示意图。本实施例所提供的睡眠状态下的瞳孔追踪方法可基于本发明实施例一所提供的睡眠状态下的瞳孔追踪系统实现。

如图6所示，本实施例所提供的瞳孔追踪方法具体可包括：

S110、通过透明约束装置约束所述追踪对象的活动区域；

S120、通过拍摄装置的同轴光源照射所述追踪对象的瞳孔，并拍摄所述追踪对象在睡眠状态下的瞳孔图像；

S130、通过控制装置控制所述拍摄装置的拍摄位置，以使所述拍摄装置对所述追踪对象的瞳孔进行追踪拍摄。

具体地，通过控制装置控制所述拍摄装置的拍摄位置，可包括：当所述追踪对象的瞳孔发生移动时，基于所述瞳孔图像确定所述瞳孔的旋转角度；基于所述瞳孔的旋转角度确定所述控制装置的调整角度；根据所述调整角度通过所述控制装置调整所述拍摄装置的拍摄位置。

以追踪对象为小鼠为例，小鼠在睡眠时瞳孔一般保持在中央的休息位，当小鼠转动时，瞳孔随之转向一边，圆形瞳孔变为椭圆形，其旋转角度θ即arccos(短径/长径)，椭圆短径与水平线夹角γ可基于采集的瞳孔图像处理得到。当小鼠身体转动方向过大，瞳孔会变得很扁。如果椭圆形瞳孔的短轴/长轴的比值低于特定阈值时，则可控制第一步进电机旋转角度α，其中，角度α＝arcsin(sinθ*sinγ)；当小鼠沿体轴转动，出现一只眼高另一只眼低的情况时，可控制第二步进电机运行，使得平行四边形形状的联动杆调整角度β，其中，角度β＝arctan(tanθ*cosγ)，以调整摄像机高度和角度，从而保证拍摄装置对准小鼠。

在上述技术方案的基础上，在调整所述拍摄装置的拍摄位置之后，还包括：判断小鼠瞳孔的椭圆短径/长径的比值是否增大且所述比值与1的差值在预设的误差范围内，若是，则停止调整所述拍摄装置的拍摄位置；若否，则基于上述调整角度反向旋转以调整所述拍摄装置的拍摄位置。本发明实施例的技术方案，能够通过分析追踪对象的瞳孔图像，获取瞳孔的转动方向，进而控制拍摄装置随瞳孔运动，使瞳孔始终在拍摄装置的视野内并且正对所述拍摄装置。

当然，如果由于追踪对象转动过快或幅度过大等原因丢失瞳孔目标，还可以通过软件中的手动控制功能手动调整定位拍摄装置的方位。即，本实施例所提供的瞳孔追踪方法还可以包括：接收用户输入的对所述拍摄装置的拍摄位置进行调整的调整参数，基于所述调整参数调整所述拍摄装置的拍摄位置。其中，所述调整参数可以由用户根据实际需求预先设定，例如可以包括拍摄装置的拍摄高度、拍摄角度和/或沿设定方向移动设定距离等等。

在视频采集速度快、图像处理负担大的情况下，还可用陀螺仪或加速度计等采集追踪对象的移动数据，来替代对瞳孔图像进行图像处理的方式来获取追踪对象的瞳孔位置。例如可以在追踪对象的头部固定微型陀螺仪或六轴及以上加速度计，换算得到追踪对象绕重力轴的旋转方向和旋转角度，进而根据所述旋转方向和旋转角度控制第一步进电机，绕水平轴旋转，和/或控制第二步进电机使得拍摄装置绕垂直轴或重力轴旋转。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。