CN114303089A - 用于小型实验动物的虚拟现实模拟器及方法 - Google Patents
用于小型实验动物的虚拟现实模拟器及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114303089A CN114303089A CN202080049536.6A CN202080049536A CN114303089A CN 114303089 A CN114303089 A CN 114303089A CN 202080049536 A CN202080049536 A CN 202080049536A CN 114303089 A CN114303089 A CN 114303089A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- display
- simulator
- animal
- virtual reality
- laboratory animal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000010171 animal model Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims abstract description 107
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 12
- 241000283984 Rodentia Species 0.000 claims abstract description 5
- 210000003128 head Anatomy 0.000 claims description 39
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 29
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 16
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 6
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 6
- 230000004424 eye movement Effects 0.000 claims description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 4
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 claims description 3
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 14
- 230000013016 learning Effects 0.000 description 7
- 230000003542 behavioural effect Effects 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 5
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 4
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 4
- 238000002610 neuroimaging Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 241000699670 Mus sp. Species 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 3
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 3
- 238000007428 craniotomy Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 241000699666 Mus <mouse, genus> Species 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000537 electroencephalography Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 2
- 230000031836 visual learning Effects 0.000 description 2
- 241000282693 Cercopithecidae Species 0.000 description 1
- 241000270322 Lepidosauria Species 0.000 description 1
- 241000283973 Oryctolagus cuniculus Species 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 235000013351 cheese Nutrition 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 241001515942 marmosets Species 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 244000062645 predators Species 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000001720 vestibular Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
- A01K29/00—Other apparatus for animal husbandry
- A01K29/005—Monitoring or measuring activity, e.g. detecting heat or mating
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
- A01K1/00—Housing animals; Equipment therefor
- A01K1/02—Pigsties; Dog-kennels; Rabbit-hutches or the like
- A01K1/03—Housing for domestic or laboratory animals
- A01K1/031—Cages for laboratory animals; Cages for measuring metabolism of animals
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
- A01K15/00—Devices for taming animals, e.g. nose-rings or hobbles; Devices for overturning animals in general; Training or exercising equipment; Covering boxes
- A01K15/02—Training or exercising equipment, e.g. mazes or labyrinths for animals ; Electric shock devices ; Toys specially adapted for animals
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
- A01K15/00—Devices for taming animals, e.g. nose-rings or hobbles; Devices for overturning animals in general; Training or exercising equipment; Covering boxes
- A01K15/02—Training or exercising equipment, e.g. mazes or labyrinths for animals ; Electric shock devices ; Toys specially adapted for animals
- A01K15/027—Exercising equipment, e.g. tread mills, carousels
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
- G06F1/16—Constructional details or arrangements
- G06F1/1613—Constructional details or arrangements for portable computers
- G06F1/163—Wearable computers, e.g. on a belt
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
- G06F3/013—Eye tracking input arrangements
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Animal Husbandry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Human Computer Interaction (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Processing Or Creating Images (AREA)
- Eye Examination Apparatus (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于小型实验动物(100)、尤其是啮齿动物的虚拟现实模拟器(10)，该虚拟现实模拟器(10)包括用于固定实验动物(100)的头部夹持机构(20)和具有两个翼部(30)的虚拟现实眼镜(40)，每个翼部(30)具有显示器(34)和与该显示器间隔开的透镜***(36)，显示器(34)和透镜***(36)由遮光罩(32)连接在一起，并且虚拟现实眼镜(40)配置成允许两个翼部(30)分别与实验动物(100)的每只眼睛(101)对准。本发明还涉及一种应用这样的模拟器(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于小型实验动物、尤其是啮齿动物的虚拟现实模拟器。
本发明还涉及一种为小型实验动物模拟虚拟现实的方法。
背景技术
在神经生物学研究中使用的脑电生理学(EEG、电极)和低分辨率显微测量很容易对***的实验动物(例如小鼠、大鼠)进行。相比之下，诸如双光子显微术等高分辨率体内脑部成像是在头部固定的状态下通过所谓的开颅窗口进行的。但是，这样较难以进行实验来研究动物与其环境的交互以及由此产生的大脑活动。
上述问题的解决方案是产生一个虚拟环境(VR)，这提供了以头部固定的状态进行受控动物实验的机会。目前有多种实现虚拟环境的解决方案。它们的一个共同特征是，在动物周围的房间墙壁上显示虚拟图像内容，例如使用投影仪或屏幕来显示。
等人(Rats Are Able to Navigate in Virtual Reality.J Exp Biol(2005)；208(3):561-569)率先产生了这样的设计，该设计现在仍然是为啮齿动物设计的大多数虚拟环境***的基础。其主要元素是适当设计的视觉刺激显示器和跑步机。在这种解决方案中，动物被140厘米直径、80厘米高的环形圆顶所包围，在该圆顶的内表面上使用投影仪投射虚拟图像内容。动物在圆环内站在50厘米直径的球体上，该球体的运动通过检测被驱动表面的运动的传感器改变动物周围的投射虚拟环境。这种解决方案的优点是，投影图像几乎完全充满动物的视野。进一步的已知发展集中于这种基本设计的关键元素。例如，由Phenosys公司提出的被称为“JetBall-Dome”的解决方案使用球形圆顶而不是环形圆顶，并通过流动的压缩空气使球形跑步机无摩擦地“浮动”。
虽然可通过上述虚拟环境***在体内脑成像期间测量动物与其环境交互的许多行为参数(例如奔跑速度、眼球运动、进食等)，但是没有一种已知的解决方案能够提供关于动物的行为和感觉刺激的充分反馈。这是因为这些实施方式的景深不足，并且用连续表面(仅显示一个二维图像)充满双目视野，因而仍未完全产生一种沉浸式虚拟环境(即，就像动物确实存在于虚拟现实环境中的虚拟环境感知水平)。我们认识到，对于二维视觉内容，即使它基本上充满动物的视野，实验动物也能从其真实环境找到足够的视觉参考点。由于动物的头部是固定的，因此其前庭***感觉不到运动，这一点被其视野中的这些视觉“夹点”所证实。因此，动物不相信自己在运动，而这可能对实验产生不良影响。已知的解决方案的另一个缺点是，它们与多光子(例如双光子)显微镜不兼容或不符合人体工程学，因为覆盖视野需要很大的投影表面，而圆顶会妨碍显微镜物镜的自由移动。
由于上述缺点，现有的解决方案仅在有限的程度上适合于产生用于实验的虚拟环境或者与双光子显微镜结合使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于小型实验动物的虚拟现实模拟器和方法，该模拟器和方法没有现有技术的解决方案的缺点，即，该模拟器和方法提供了一种用于固定的实验动物的沉浸式虚拟环境，并且与双光子显微镜兼容。
人们认识到，行为、视觉和学习实验的主要考虑因素是沉浸感，这可通过深度感知以及视野的完全覆盖来实现。
本发明人认识到，借助于包括具有大视野的紧凑型虚拟现实眼镜和为实验动物开发的双目深度感测技术的虚拟现实模拟器，实验动物(例如老鼠)能够在电生理或大脑成像期间完成真实的行为任务。利用本发明，几乎能够立即形成沉浸感，并且实验动物能够在头部固定的状态下逼真地体验虚拟环境。这种效果在五只动物身上得到了实验证明，在实验期间，能够高度精确地使动物止步在虚拟深渊的边缘，而无需对其进行教导或使其熟悉***。在延长虚拟道路时，动物会继续奔跑。这证明它们停下来是由三维空间感知引起的，而不仅仅是由对比差异引起的。使用常规的监控***时，由于缺乏沉浸感，相同的动物无法确定深渊的位置。
本发明人还认识到，与现有技术***相比，使用本发明的模拟器和方法时，在视觉学习实验中可将学习所需的时间惊人地减少几个数量级(从1-2周减少到几天)。本发明也适合于研究学习过程，因为我们在40分钟内检测到了一个显著的学习过程。本发明的模拟器和方法也适合于进行文献中所述的行为实验。
根据上述认识，利用如权利要求1所述的模拟器以及如权利要求14所述的方法解决了所述任务。
在从属权利要求中限定了本发明的一些优选实施例。
附图说明
下面将参照附图通过示例性实施例更详细地说明本发明，在附图中：
图1a是本发明的模拟器的一个示例性实施例在应用于实验动物的条件下的示意性前透视图；
图1b是图1a所示的模拟器的主要部分的示意性后透视图；
图2是图1a所示的模拟器在不带翼部时的透视图；
图3是本发明的翼部的一个示例性实施例的示意性截面图；
图4是示出本发明的虚拟图像内容的产生方式的示意图。
具体实施方式
图1a示出了本发明的模拟器10的一个示例性实施例的示意性前透视图，其中模拟器10被应用于小型实验动物100。模拟器10用于为小型实验动物100产生虚拟现实。虚拟现实(VR)是由计算设备生成的三维人工环境，在其中完全排除了现实世界的元素。动物100可“游览”该虚拟环境，与其元素交互。因此，虚拟现实是由计算机设备生成的一组视觉(或音频)信息，该信息因动物100与计算机设备之间的交互而影响动物100的感觉(主要是视觉，但也包括听觉)。应理解，在本发明的背景下，小型实验室动物100主要是啮齿动物(例如小鼠、大鼠、兔子)，但是术语“动物”100包括在实验室实验中常用的其它小型动物(例如猴子、蜥蜴等)，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
本发明的模拟器10包括用于固定实验动物100的头部的头部夹持机构20以及带有两个翼部30的虚拟现实眼镜40。头部夹持机构20优选可由金属制成，或者由适合于固定动物100的头部从而将动物100保持就位的具有适当强度的任何材料制成。头部夹持机构20可选地可一体地形成，或者可由多个部分组成，这些部分例如通过螺钉彼此紧固到一起，如图1a和1b所示。在一个特别优选的实施例中，头部夹持机构20包括用于显微镜物镜210的观察开口22，可通过该观察开口22在动物100体内进行本领域技术人员已知的开颅脑部成像。头部夹持机构20部分地限定观察开口22，或者在适当情况下完全限定观察开口22(参见图1a、1b和2)。
每个翼部30具有显示器34和与该显示器隔开的透镜***36，显示器34和透镜***36由遮光罩32连接在一起。显示器34可以是使用已知技术的任何类型的显示器，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管显示器(OLED)等，其分辨率适合于产生虚拟现实体验。如本领域技术人员所知的，显示器34的分辨率优选至少是全高清，更优选至少是2K。在一个示例性实施例中，显示器34是具有1440×1440像素分辨率的市售2.9英寸直径IPS LCD显示器。在一个特别优选的实施例中，显示器34设计为双向显示器34，以监测实验动物100的瞳孔和眼睛的运动。在这种情况下，显示器34还用作CMOS相机传感器，从而除了可以使用显示器34显示图像之外，还可以使用显示器34拍摄数字图像。这种显示器34例如可以是由Fraunhofer FEP生产的0.6英寸直径、2K分辨率的OLED显示器。
在本说明书的语境中，术语“透镜***”36应广义地理解为包括光学元件，该光学元件包括一个透镜元件，或者在适当的情况下包括多个透镜元件。透镜***36的尺寸使其能够将相关的显示器34的显示内容成像到实验动物100的视网膜上。优选透镜***36针对光学像差(例如球面像差、色差)进行了校正，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。应注意，为了减小尺寸，透镜***36可选地可以是单构件非球面透镜或菲涅耳透镜。
图3是翼部30的一个示例性实施例的示意性截面图，示出了通过遮光罩32连接的显示器34和透镜***36的一种可能配置以及翼部30相对于动物100的眼睛101的布置。遮光罩32用于使显示器34和透镜***36相对于彼此固定，并且在显示器34与透镜***36之间限定与外界隔离的内部空间。遮光罩32至少部分地是实心壁的。就材料而言，所述遮光罩可由提供足够的结构强度和遮光能力(即，适合于将显示器34和透镜***36相对于彼此固定并且不允许外部光进入由遮光罩32限定的内部)的材料制成，例如金属、塑料等。在一个优选实施例中，遮光罩32的至少一部分由弹性材料制成，优选是遮光织物。这种材料的功能将在后面详细解释。翼部30的设计使得透镜***36的光轴优选垂直于显示器34的平面。
本发明的虚拟现实眼镜40配置成允许两个翼部30分别与实验动物100的一只或另一只眼睛101对准，并且优选通过紧固件50固定到头部夹持机构20上。在模拟器10安装好时，动物100的一只眼睛101只能看到一个显示器34的图像，而动物100的另一只眼睛101只能看到另一个显示器34的图像。在一个特别优选的实施例中，紧固元件50设计成用于允许各个翼部30围绕任何轴线旋转并沿着至少一个轴线(优选是竖直轴线)移动的机构，例如球窝机构。在此实施例中，翼部30的遮光罩32具有孔38，紧固元件50的球窝接头52可紧固到该孔38中。球窝接头52配有带轴56的球头54，球头54可在球窝接头52内自由旋转。与球头54相对的轴56的端部可释放地固定(例如通过螺钉固定)在形成在头部夹持机构20中的基本上垂直的纵向孔24中，例如如图1b和图2所示。通过这种方式，轴56的端部可沿着纵向孔24固定在期望的位置，从而可调节翼部30相对于头部夹持机构20的高度。球窝机构的优点在于，翼部30可独立地与动物100的眼睛101对准，即，透镜***36的光轴可独立、精确地配装成与眼睛101的眼轴平行。应说明的是，可考虑除了上述方法之外的其它固定方法。
在头部夹持机构20包括开口22的实施例中，翼部30以使观察开口22不受阻挡的方式固定到头部夹持机构20上，例如如图1a所示。在一个特别优选的实施例中，在翼部30安装在头部夹持机构20上时，翼部30配置成允许显微镜的物镜210配装到观察开口22上。这一方面可通过翼部30的适当尺寸来保证，另一个方面可通过遮光罩32的材料的适当选择来保证。例如，在一个可能的实施例中，遮光罩32的靠近透镜的部分由柔性的遮光织物或其它柔性的遮光材料制成，从而可通过使遮光罩32的织物变形而使透镜210更靠近孔口22。
在图1a所示的特别优选的实施例中，翼部30的尺寸使得在使用翼部30时实验动物100的胡须保持自由状态，即，翼部30不与动物100的胡须接触。这可通过根据动物100的种类选择显示器34的适当尺寸来实现。此实施例的优点是，模拟器10不会干扰动物100的触感，从而提高了沉浸感和模拟效率。
在一个特别优选的实施例中，模拟器10包括踏板60，优选该踏板60是布置在头部夹持机构20下方的可由实验动物100移动的跑步机、转盘或球形跑步机的形式，这是本领域技术人员已知的。踏板60布置在头部夹持机构20的下方，从而由头部夹持机构20固定的动物100可站在踏板60上。由头部夹持机构20固定的动物100能够通过移动踏板60来模仿前进运动，与在跑步机上跑步的人类似。在一个优选实施例中，踏板60设有一个或多个位移传感器62，以确定动物100的模拟行进速度或方向。
本发明的模拟器10优选还包括控制单元70，该控制单元70具有至少一个处理器和存储装置，与显示器34和传感器62进行数据通信。术语“控制单元”70应广义地理解为在本文中用于涵盖能够接收、处理、存储数字数据以及以电子方式传输处理过的数字数据的任何硬件装置。在一个特别优选的实施例中，控制单元70配置为个人计算机(例如台式计算机或膝上型计算机)，该个人计算机具有用于存储从传感器62接收的数据以及计算机程序的存储器，并且具有用于处理接收的数据并运行计算机程序的处理器。对于本领域技术人员来说是显而易见的是，除了通常的元件(例如直接存取存储器、网卡等)之外，控制单元70可选地可包括一个或多个输入装置(例如键盘、鼠标等)，或者可包括用作输出和输入装置的接口(例如CD/DVD刻录机/读取器等)。利用控制单元70与显示器34之间的数据传输连接(例如可通过MIPI接口或HDMI实现)，可将由控制单元70处理的数据传输至显示器34。应注意，如本领域技术人员所知的，该数据连接可以是有线的，或者可选地是无线的(例如WiFi、蓝牙等)。
控制单元70配置成通过执行至少一个计算机程序而在显示器34上显示与由实验动物100的眼睛101检测到的视野对应的虚拟图像内容。换句话说，控制单元70向显示器34发送不同的虚拟图像内容，使得动物100的右眼101和左眼101按照立体显示的规则分别看到右图像和不同的左图像，动物100的大脑将这些图像感知为单个三维图像。例如，在图4所示的实施例中，虚拟物体是一片奶酪，其图像按不同的尺寸、角度等显示在显示器34上，这是本领域技术人员已知的。在其它部分中，使由动物100的眼睛101感知的视野重叠会形成双眼视觉(空间感知)和单眼视觉。这大致意味着(例如在鼠类的情况下)40度双眼视野和270度外周视野。如前文所述，在模拟器10安装好时，透镜***36的光轴优选平行于眼睛101的眼轴。如果不可能这样做(例如由于翼部30需要相对于眼轴更好地倾斜以留出用于研究实验动物100的物镜210的空间、或者由于翼部30不能沿任意方向倾斜/旋转)，那么在一个优选实施例中，可按已知的方式使用显示器34为实验动物100显示经过三维透视校正的虚拟图像内容。应说明的是，在计算机程序运行期间由控制单元70生成的虚拟图像内容不仅可包含视觉数据，而且在适当的情况下还可包含音频数据(音轨)，因此图像数据和内容还意味着包含视觉和音频元素的视频数据。在一个示例性实施例中，模拟器10包括由控制单元70控制的用于产生声音的声音产生单元(未示出)，优选是用于发出由控制单元70产生的虚拟图像内容的音轨的声音的扬声器。在另一个可能的实施例中，虚拟图像内容还包括触觉数据，该触觉数据已使用为此目的设计的装置(例如振动电机)传送给动物100，这是本领域技术人员已知的。
在包括踏板60的实施例中，考虑到由一个或多个传感器62测量的位移，控制单元70优选配置成产生虚拟图像内容并将其发送至显示器34。即，例如，若动物100在踏板60上模拟直线行进，则虚拟图像内容会相应地改变，就好像动物100在虚拟空间内直线行进一样。例如，若动物100以像左转一样的方式移动踏板60，则生成的虚拟图像内容也会改变，就像动物100在虚拟空间内左转一样。在一个可能的实施例中，模拟器10包括用于防止踏板60移动的锁定装置(例如制动器)，利用该锁定装置，可在期望的时间停止由动物100移动的踏板60，使得动物100不能进一步移动该踏板。该锁定装置优选设计成由控制单元70操作。因此，若动物100在模拟期间到达虚拟环境中的虚拟物体(例如墙壁)并想要向前移动，则可通过锁定装置立即停止踏板60，使得动物100如同在现实中一样感觉到不能越过该虚拟物体。若动物100沿着绕过虚拟物体的方向移动，则可通过释放锁定装置来解锁踏板60，使得动物100能继续在虚拟环境中漫游。踏板60的锁定可辅有其它效果(例如声音或触觉)，使得虚拟环境的模拟更加真实。
本发明还涉及一种为小型实验动物模拟虚拟现实的方法。下面将结合本发明的方法来说明本发明的模拟器10的操作。
在一个特别优选的实施例中，本发明的方法是通过上述的本发明的模拟器10执行的。在所述方法中，利用头部夹持机构20固定实验动物100的头部。可按任何已知方式固定动物100，例如通过胶粘固定。头部夹持机构20设有两个带有翼部30的虚拟现实眼镜40，每个翼部均设有显示器34和与其间隔开的透镜***36，显示器34和透镜***36由遮光罩32连接在一起。在一个优选实施例中，眼镜40是通过上文所示的球窝机构固定到头部夹持机构20上的，利用该球窝机构将两个翼部30分别调节至实验动物100的一只或另一只眼睛101。在调节翼部30时，必须小心操作，以确保透镜***36的光轴尽可能靠近动物100的眼睛101的眼轴，并且透镜***36与动物100的眼睛101间隔开，以将显示器34的图像投影到动物100的视网膜上。为了产生尽可能好的虚拟体验，翼部30优选设计成还遮蔽眼睛101与透镜***36之间的空间。因此，动物100无法从视觉上感知外界的任何东西。在调节好翼部30时，显示器34显示与实验动物100的视野对应的虚拟图像内容(即，与两只眼睛101的视角略有不同)，动物100的大脑将这些虚拟图像内容感知为单个三维图像。显示在显示器34上的虚拟图像内容(即，运行在控制单元70上的计算机程序)是根据要进行的实验的类型选择的。例如，如果想使用动物100进行学习实验，那么由虚拟视觉内容产生的虚拟现实例如可以是虚拟迷宫等等。在一个特别优选的实施例中，在头部夹持机构20的下方设有踏板60，优选是跑步机、转盘或球形跑步机，实验动物100可在该踏板上进行跑步运动。踏板60的位移由一个或多个传感器62感测，并且显示器34显示与感测到的位移对应的虚拟图像内容。换句话说，虚拟环境是根据传感器62的信号生成的，使得动物100感觉到它在虚拟环境内并且可穿过该虚拟环境。
在一个特别优选的实施例中，在头部夹持机构20上设有用于显微镜物镜210的观察开口22，并且，在模拟虚拟现实的同时，使用显微镜(例如双光子显微镜)通过观察开口22测量实验动物100的大脑活动。在此实施例中，在固定动物100之前，在动物100的颅骨上形成开颅窗口，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。借助于显微镜，可通过开口22研究大脑过程，从而可测量与虚拟环境交互的动物100的多个行为参数。可通过改变虚拟环境来改变实验的类型。
由于显示器34上显示的虚拟图像内容基本上覆盖了动物100的整个视野，因此，为了更准确地确定动物100与虚拟环境的交互，需要确定动物100正在观看虚拟环境的哪个部分。因此，在一个优选实施例中，提供了双向显示器34，该双向显示器适于监测眼睛运动，优选监测实验动物100的瞳孔运动。根据测量的眼睛运动(优选根据瞳孔运动数据)确定视觉方向，利用该视觉方向，可在每个显示器34上识别当前显示的图像部分或者属于动物100在给定时刻关注的图像部分的虚拟物体。例如，在给定的实验中，可确定动物100是否注意到虚拟环境中对实验很重要的虚拟物体(例如食物、捕食者等)。通过这种方式，能更有效地研究动物100与虚拟环境的交互。
借助于模拟器10和本发明的方法，可进行即时效果实验，并且，与以前的方法相比，能实现明显更快的学习。在使用现有技术的方案时，视觉学习过程通常花费1-2周，而本发明的模拟器10和方法可将所需时间减少到几天(例如3-4天)的时间尺度。在本发明的背景下，学习任务指动物100能够以预定的成功率完成任务，例如能够以至少80％的成功率稳定地区分两种类型的样品。在我们的实验中，我们发现，借助于本发明的模拟器10和方法，即使在使用20-40分钟之后，也能达到10-20％的显著成功率。也就是说，借助于模拟器10和所述方法，至少能非常快速地确保对任务的粗浅理解。另一个优点是，与其它虚拟现实解决方案相比，在动物的视野中的虚拟环境之外没有会破坏虚拟现实体验的干扰视觉参考点。因此，与完全没有虚拟现实体验或者需要对动物100进行数周训练的现有技术相比，在放置好眼镜40之后实际上立即就能使动物100产生沉浸感。本发明的眼镜40为动物100提供双眼视觉，从而提供不适合用现有技术***提供的透视和深度。模拟器10的另一个优点是，它能轻松、灵活地适应动物100在显微镜下的期望位置、以及在颅骨上进行的手术的当前位置和动物100的尺寸。模拟器10适用于小型实验室动物100(例如小鼠、大鼠、狨猴)，并且设计成与多光子显微技术和电生理测量程序兼容。
Claims (17)
1.用于小型实验动物(100)、尤其是啮齿动物的虚拟现实模拟器(10)，其特征在于，其包括用于固定实验动物(100)的头部夹持机构(20)和具有两个翼部(30)的虚拟现实眼镜(40)，每个翼部(30)具有显示器(34)和与该显示器间隔开的透镜***(36)，显示器(34)和透镜***(36)由遮光罩(32)连接在一起，并且虚拟现实眼镜(40)配置成允许两个翼部(30)分别与实验动物(100)的每只眼睛(101)对准。
2.如权利要求1所述的模拟器(10)，其特征在于，所述虚拟现实眼镜(40)通过紧固元件(50)固定到头部夹持机构(20)上。
3.如权利要求1或2所述的模拟器(10)，其特征在于，其包括与显示器(34)通信的控制单元(70)，该控制单元(70)具有至少一个处理器和存储装置，其中，一个或多个计算机程序存储在该存储装置上，并且所述控制单元(70)配置成通过执行所述至少一个计算机程序而在显示器(34)上显示与由实验动物(100)的眼睛(101)检测到的视野对应的虚拟图像内容。
4.如权利要求1至3中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述紧固元件(50)被设置为用于允许各个翼部(30)围绕任何轴线旋转并沿着至少一个轴线优选是竖直轴线位移的机构。
5.如权利要求1至4中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述透镜***(36)包括一个或多个透镜元件，并且所述透镜***(36)的尺寸使其能够将相关的显示器(34)的显示图像成像到实验动物(100)的视网膜上。
6.如权利要求1至5中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述显示器(34)是用于监测实验动物(100)的瞳孔和眼睛的运动的双向显示器(34)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述头部夹持机构(20)包括用于显微镜物镜(210)的观察开口(22)，并且所述翼部(30)以不阻挡观察开口(22)的方式固定到头部夹持机构(20)上。
8.如权利要求7所述的模拟器(10)，其特征在于，所述翼部(30)设计成在翼部(30)安装在头部夹持机构(20)上时允许显微镜物镜(210)配装到观察开口(22)上。
9.如权利要求1至8中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述遮光罩(32)的一部分是由柔性材料制成的，优选是由遮光织物制成的。
10.如权利要求7至9中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述头部夹持机构(20)部分地或完全限定观察开口(22)。
11.如权利要求1至10中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，所述翼部(30)的尺寸使得在使用所述翼部(30)时实验动物(100)的胡须保持在自由状态。
12.如权利要求1至11中任一项所述的模拟器(10)，其特征在于，在头部夹持机构(20)的下方设有能够由实验动物(100)移动的踏板(60)，该踏板优选是跑步机、转盘或球形跑步机的形式。
13.如权利要求12所述的模拟器(10)，其特征在于，所述踏板(60)设有位移传感器(62)。
14.一种为小型实验动物(100)模拟虚拟现实的方法，其中，使用头部夹持机构(20)固定实验动物(100)的头部，在头部夹持机构(20)上提供具有两个翼部(30)的虚拟现实眼镜(40)，每个翼部(30)具有显示器(34)和与该显示器间隔开的透镜***(36)，显示器(34)和透镜***(36)由遮光罩(32)连接在一起，将两个翼部(30)分别与实验动物(100)的眼睛(101)对准，并在显示器(34)上显示与实验动物(100)的视野对应的虚拟图像内容。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在头部夹持机构(20)上提供用于显微镜物镜(210)的观察开口(22)，并且，在虚拟现实模拟期间，利用显微镜通过观察开口(22)测量实验动物(100)的大脑活动。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，在头部夹持机构(20)下方提供踏板(60)，该踏板优选是跑步机、转盘或球形跑步机，实验动物(100)能够在踏板(60)上进行跑步运动，通过传感器(62)检测踏板(60)的运动，并在显示器(34)上显示与检测到的运动对应的虚拟图像内容。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，提供适于监测实验动物(100)的眼睛运动优选是瞳孔运动的双向显示器(34)，根据测得的眼睛运动优选是瞳孔运动的数据确定视觉方向，并且，在虚拟现实模拟期间，根据视觉方向识别显示在显示器(34)上的虚拟图像内容中的图像部分。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HUP1900252 | 2019-07-12 | ||
| HUP1900252 | 2019-07-12 | ||
| HUP1900400 | 2019-11-27 | ||
| HU1900400A HUP1900400A1 (hu) | 2019-11-27 | 2019-11-27 | Virtuális valóság szimulátor és eljárás kistestû kísérleti állatok számára |
| PCT/HU2020/050029 WO2021009526A1 (en) | 2019-07-12 | 2020-07-09 | Virtual reality simulator and method for small laboratory animals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114303089A true CN114303089A (zh) | 2022-04-08 |
Family
ID=89708200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080049536.6A Pending CN114303089A (zh) | 2019-07-12 | 2020-07-09 | 用于小型实验动物的虚拟现实模拟器及方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220295743A1 (zh) |
| EP (1) | EP3996498B1 (zh) |
| JP (1) | JP2022541153A (zh) |
| CN (1) | CN114303089A (zh) |
| CA (1) | CA3146981A1 (zh) |
| HU (1) | HUE065371T2 (zh) |
| WO (1) | WO2021009526A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114732975A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-07-12 | 青岛农业大学 | 一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116300649B (zh) * | 2023-04-06 | 2023-08-29 | 重庆市畜牧技术推广总站 | 一种散养猪高效监控***及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105578954A (zh) * | 2013-09-25 | 2016-05-11 | 迈恩德玛泽股份有限公司 | 生理参数测量和反馈*** |
| CN205459186U (zh) * | 2016-01-28 | 2016-08-17 | 千奥星科南京生物科技有限公司 | 动物***实验记录平台 |
| CN106029000A (zh) * | 2014-02-21 | 2016-10-12 | 阿克伦大学 | 用于引导医疗干预的成像和显示*** |
| US20170007182A1 (en) * | 2015-03-16 | 2017-01-12 | Magic Leap, Inc. | Augmented and virtual reality display systems and methods for diagnosing a user using electrical potentials |
| CN108535873A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-14 | 扬州大学 | 一种基于生理与情绪特征的智能vr眼镜 |
| WO2019090052A1 (en) * | 2017-11-03 | 2019-05-09 | Command Sight, Inc. | Animal-wearable first person view system |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4378520A1 (en) * | 2015-12-22 | 2024-06-05 | Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) | System for selective spatiotemporal stimulation of the spinal cord |
| CN109073889B (zh) * | 2016-02-04 | 2021-04-27 | 迪吉伦斯公司 | 全息波导光学*** |
| DE102017105580A1 (de) * | 2016-11-04 | 2018-05-09 | Carl Zeiss Meditec Ag | Operationsmikroskop |
| US10739600B1 (en) * | 2017-05-19 | 2020-08-11 | Facebook Technologies, Llc | Malleable facial interface for head mounted displays |
| US10630873B2 (en) * | 2017-07-27 | 2020-04-21 | Command Sight, Inc. | Animal-wearable first person view system |
| CN208766393U (zh) * | 2018-08-10 | 2019-04-19 | 扬州大学 | 一种用于奶牛的vr眼镜 |
-
2020
- 2020-07-09 JP JP2022501112A patent/JP2022541153A/ja active Pending
- 2020-07-09 US US17/626,700 patent/US20220295743A1/en active Pending
- 2020-07-09 CN CN202080049536.6A patent/CN114303089A/zh active Pending
- 2020-07-09 WO PCT/HU2020/050029 patent/WO2021009526A1/en active Search and Examination
- 2020-07-09 CA CA3146981A patent/CA3146981A1/en active Pending
- 2020-07-09 HU HUE20758317A patent/HUE065371T2/hu unknown
- 2020-07-09 EP EP20758317.0A patent/EP3996498B1/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105578954A (zh) * | 2013-09-25 | 2016-05-11 | 迈恩德玛泽股份有限公司 | 生理参数测量和反馈*** |
| CN106029000A (zh) * | 2014-02-21 | 2016-10-12 | 阿克伦大学 | 用于引导医疗干预的成像和显示*** |
| US20170007182A1 (en) * | 2015-03-16 | 2017-01-12 | Magic Leap, Inc. | Augmented and virtual reality display systems and methods for diagnosing a user using electrical potentials |
| CN205459186U (zh) * | 2016-01-28 | 2016-08-17 | 千奥星科南京生物科技有限公司 | 动物***实验记录平台 |
| WO2019090052A1 (en) * | 2017-11-03 | 2019-05-09 | Command Sight, Inc. | Animal-wearable first person view system |
| CN108535873A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-14 | 扬州大学 | 一种基于生理与情绪特征的智能vr眼镜 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114732975A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-07-12 | 青岛农业大学 | 一种基于机器视觉的智能化动物采血装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3146981A1 (en) | 2021-01-21 |
| US20220295743A1 (en) | 2022-09-22 |
| JP2022541153A (ja) | 2022-09-22 |
| EP3996498B1 (en) | 2023-11-08 |
| EP3996498C0 (en) | 2023-11-08 |
| EP3996498A1 (en) | 2022-05-18 |
| HUE065371T2 (hu) | 2024-05-28 |
| WO2021009526A1 (en) | 2021-01-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pfeiffer | Measuring and visualizing attention in space with 3D attention volumes | |
| CN107209386B (zh) | 增强现实视野对象跟随器 | |
| CN106537261B (zh) | 全息键盘显示 | |
| KR20210060595A (ko) | 사용자 인터랙션들의 고속 및 정확한 추적을 사용하는 인간-컴퓨터 인터페이스 | |
| US20200363867A1 (en) | Blink-based calibration of an optical see-through head-mounted display | |
| CN114402589A (zh) | 用于2d和3d图形用户界面中的元素映射的智能触笔光束和辅助概率输入 | |
| US20200124845A1 (en) | Detecting and mitigating motion sickness in augmented and virtual reality systems | |
| US10819898B1 (en) | Imaging device with field-of-view shift control | |
| CN108292448A (zh) | 信息处理装置、信息处理方法和程序 | |
| US20110091856A1 (en) | Opthalmoscope simulator | |
| CN114303089A (zh) | 用于小型实验动物的虚拟现实模拟器及方法 | |
| Almeida et al. | Interface transparency issues in teleoperation | |
| KR102160669B1 (ko) | 의료 커뮤니케이션 가상 훈련 시뮬레이션 시스템 및 방법 | |
| Volcic et al. | The visibility of contact points influences grasping movements | |
| US11402901B2 (en) | Detecting eye measurements | |
| US20210401287A1 (en) | Evaluation apparatus, evaluation method, and non-transitory storage medium | |
| Herlihey et al. | The role of discrepant retinal motion during walking in the realignment of egocentric space | |
| Kemeny et al. | How to avoid simulation sickness in virtual environments during user displacement | |
| Morgado et al. | How actions constrain the visual perception of space | |
| Batmaz et al. | Effects of image size and structural complexity on time and precision of hand movements in head mounted virtual reality | |
| Albrecht et al. | MoPeDT: A modular head-mounted display toolkit to conduct peripheral vision research | |
| Wahl et al. | Digitalization versus immersion: performance and subjective evaluation of 3D perception with emulated accommodation and parallax in digital microsurgery | |
| Schinko et al. | Building a Driving Simulator with Parallax Barrier Displays. | |
| JP2021108069A (ja) | 情報処理装置、情報処理方法及び情報処理プログラム | |
| Sherstyuk et al. | Predator-prey vision metaphor for multi-tasking virtual environments |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |