JP4598405B2

JP4598405B2 - Behavioral diagnosis method for small animals

Info

Publication number: JP4598405B2
Application number: JP2004001117A
Authority: JP
Inventors: 剛宮川
Original assignee: 小原医科産業株式会社
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: JP2005196398A

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診断方法に関する。 The present invention relates to social behavior behavior diagnosing how to analyze the behavior of such a small laboratory animals such as mice in animal studies to evaluate the effect of drug efficacy and genetic manipulation, such as pharmaceuticals.

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） Conventionally, when evaluating the efficacy of a pharmaceutical or the like or the effect in gene therapy, the effectiveness has been confirmed by animal experiments before clinical evaluation. In this animal experiment, a pharmaceutical product is administered to a small animal such as a mouse kept in a breeding cage or the like, and after genetic manipulation, the behavior and physiological changes of the small animal are observed for a predetermined period. As a method for observing the behavior of small animals in such animal experiments, image parameters such as the area of the experimental animal, the long axis length, the center of gravity movement, the straightness, the rotation, and the difference amount are predetermined from the image obtained by photographing the experimental animal with a video camera. A method for determining the behavior of an experimental animal by comparing with a value has been proposed (for example, see Patent Document 1).
Japanese Patent No. 3270005 (Claim 1, (0011), etc.)

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。 However, in the behavior observation method for small animals in Patent Document 1, there are seven types of observers, which are areas for which an action is determined in advance: area, long axis length, center of gravity movement, straightness, rotation, total difference amount, and partial difference amount. Image parameters are stored in a computer, and small animal image parameters captured from a video camera are individually compared with these reference parameters. Therefore, the comparison and determination of image parameters are complicated, and the amount of reference parameters stored in the computer in advance is large, so a large-scale computer is required. Furthermore, this method is not suitable for measuring the social behavior of a plurality of individuals because it is difficult to determine the presence or absence of contact between individuals when targeting a plurality of small animal individuals.

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診断方法を提供することを目的とする。 The present invention solves such a problem, and makes use of a specific behavior of a standard small animal as a comparison standard to minimize the items to be compared and simplify the comparison and determination of image parameters. Another object of the present invention is to provide a method for diagnosing small animals that can be analyzed by a small computer such as a personal computer.

請求項１記載の本発明の小動物の行動診断方法は、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領域のかたまりを計数し、計数された前記黒領域の前記かたまりの数の時間変化を取得し、前記二値化信号の前記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、計数された前記変化ピクセルの総数を所定時間ごとに平均し、平均された前記変化ピクセルの総数の時間変化を取得する小動物の行動診断方法であって、
前記ケージとして第１のケージと２のケージとを備え、前記第１のケージ内では、前記小動物として標準小動物を複数匹飼育し、前記第２のケージ内では、前記小動物として被検体小動物を複数匹飼育し、前記第１のケージ内の複数の前記標準小動物と、前記第２のケージ内の複数の前記被検体小動物とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、前記標準小動物及び前記被検体小動物の各々について、所定時間毎に平均した前記かたまりの数の時間変化、及び所定時間毎に平均した前記変化ピクセルの総数の時間変化を比較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３記載の本発明は、請求項１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。 Behavior diagnostic method for small animals according to claim 1 the invention described is a plurality of small animals in the cages were taken with a predetermined number of frames, and converts the image signals captured in binarized signal of black and white, pre Symbol binarization counting the pool or black area of that put the monochrome image after removal of the noise signal to obtain the time variation of the number of the mass of counted the black regions, removing the noise of the binary signal After that, the total number of pixels that change every two consecutive frames of the black-and-white image is counted, the total number of the changed pixels counted is averaged every predetermined time, and the time change of the averaged total number of the changed pixels is obtained. A method for diagnosing behavior of small animals,
The cage includes a first cage and a second cage, and a plurality of standard small animals are raised as the small animals in the first cage, and a plurality of small test animals are used as the small animals in the second cage. A plurality of the standard small animals in the first cage and the plurality of subject small animals in the second cage are individually photographed with a predetermined number of frames, and the standard small animals and the subjects are bred. For each sample small animal, the time change of the number of the chunks averaged every predetermined time and the time change of the total number of the change pixels averaged every predetermined time are compared .
According to a second aspect of the present invention, in the method for diagnosing behavior of a small animal according to the first aspect , the data of the set of standard small animals and the data of the set of small test animals are superimposed or displayed on the same screen. Features.
According to a third aspect of the present invention, in the method for diagnosing behavior of a small animal according to the first aspect , the difference between the data of the standard small animal set and the data of the small subject animal is statistically determined, and the difference It is characterized by diagnosing a behavior such as a social behavior of the subject small animal according to the size of the subject.

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。 According to the present invention, small laboratory animals such as mice are nocturnal, and when there are multiple animals in a cage, they usually have a common habit of being in contact with each other, especially during nighttime activities. By paying attention to the habit of having a strong tendency and using this habit as a standard comparison standard, items to be compared can be minimized. Therefore, long-term measurement of behavior can be performed by simplifying comparison and determination of image parameters.
In addition, since there are few items to be compared, reference data can be reduced. Therefore, since the database for storing the reference data can be made small, it can be analyzed and diagnosed by a small computer such as a personal computer.

本発明の第１の実施の形態による小動物の行動診断方法は、ケージとして第１のケージと第２のケージとを備え、第１のケージ内では、小動物として標準小動物を複数匹飼育し、第２のケージ内では、小動物として被検体小動物を複数匹飼育し、第１のケージ内の複数の標準小動物と、第２のケージ内の複数の被検体小動物とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、標準小動物及び被検体小動物の各々について、所定時間毎に平均したかたまりの数の時間変化、及び所定時間毎に平均した変化ピクセルの総数の時間変化を比較するものである。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。また、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。また、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。また、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。 The behavior diagnosis method for a small animal according to the first embodiment of the present invention includes a first cage and a second cage as cages, and a plurality of standard small animals are bred as small animals in the first cage. In the second cage, a plurality of small test animals are bred as small animals, and a plurality of standard small animals in the first cage and a plurality of small test animals in the second cage are each individually provided with a predetermined number of frames. Photographed and compared for each of the standard small animal and the subject small animal, the time change of the number of clusters averaged every predetermined time and the time change of the total number of change pixels averaged every predetermined time are compared . According to the present embodiment, the temporal change of the behavior is observed by utilizing the fact that the experimental small animals are usually in contact with each other and are united into one. Items can be minimized. Therefore, comparison and determination of image parameters can be simplified. In addition, noise in an image of a small animal, in particular, an unclear portion of the contour due to body hair, a tail, or the like can be removed to reliably binarize the contour portion of the small animal. Moreover, the time change of the activity amount of the small animal can be measured, and thereby the behavior of the small animal can be analyzed. Further, since there are few image parameter items used for analysis, image parameter comparison and determination can be simplified. Further, by comparing the standard data from the standard small animal and the data from the small subject animal, it is possible to reliably determine and diagnose the normality and abnormality of the behavior of the small subject animal.
According to the second embodiment of the present invention, in the small animal behavior analysis method according to the first embodiment, the data of the standard small animal set and the data of the subject small animal set are superimposed or arranged on the same screen. It is. According to the present embodiment, since the data of the standard small animal group and the data of the small subject animal can be visually compared, it is possible to easily and reliably determine and diagnose the normality and abnormality of the behavior of the small subject animal. be able to.
According to a third embodiment of the present invention, in the behavior analysis method for a small animal according to the first embodiment, the difference between the data of the standard small animal group and the data of the subject small animal group is statistically determined, The behavior such as social behavior of the small animal subject is diagnosed based on the magnitude of the difference. According to the present embodiment, the difference between the data of the standard small animal set and the data of the subject small animal set can be taken out and directly viewed, so that normality and abnormality of the behavior of the subject small animal can be easily and reliably performed. Judgment and diagnosis can be made.

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。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an embodiment of a small animal behavior analysis apparatus according to the present invention. The breeding cage 11 is formed of a material such as transparent glass that can be observed from the outside. A floor covering 12 is spread on the floor surface of the breeding cage 11. The floor covering 12 is preferably white pebbles or the like having a large lightness difference from the experimental small animals 13 such as mice. On the side wall of the breeding cage 11, a feed box 14 and a water supply bottle 15 for breeding the small animals 13 are provided. The lid 16 of the breeding cage 11 is provided at a height of 30 cm or more from the bottom so as to maintain a height that does not reach even if the small animal 13 jumps up.
Outside the lid 16 of the breeding cage 11, a video camera 17 for photographing the behavior of small animals and an infrared projector 18 for illuminating the inside of the breeding cage 11 are installed. The video camera 17 is a monochrome CCD camera installed at a position where the entire inside of the breeding cage 11 can be photographed without scanning, and the infrared projector 18 is infrared so that the video camera 17 can photograph the small animal 13 in the dark period such as at night. One or more units are installed at positions such as above the lid 16 or obliquely above the breeding cage 11. An output of the video camera 17 is connected to a signal processing device 20 by a video signal code 19. The signal processing device 20 is controlled by the personal computer 21.

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。 FIG. 2 is a block diagram showing an example of a signal processing system of the behavior analysis apparatus for small animals according to FIG.
An image signal photographed by the video camera 17 is recorded in an image memory 22 such as a video tape or a video disk, and is supplied to the signal processing device 20. The image signal captured by the video camera 17 is directly supplied to the signal processing device 20 without going through the image memory 22, or the image signal captured by the video camera 17 is supplied to the signal processing device 20 and simultaneously recorded in the image memory. You may make it do.
The image signal from the video camera 17 is converted by the AD converter 31 into a digital signal of a gray scale level such as 256 gradations. The image signal converted into a digital signal by the AD converter 31 is supplied to the binarization circuit 32. In addition, a signal corresponding to a specific position of the breeding cage 11 is extracted from the output of the AD converter 31, and the image signal inputted by determining the gray scale level of the extracted signal by the light / dark determination unit 33. Is a signal photographed in the daytime or a signal photographed in the nighttime, and if it is a signal photographed in the daytime, a threshold value in the daytime is given to the binarization circuit 32 to In the case of a signal photographed during the night, a threshold value at night is given to the binarization circuit 32. The binarization circuit 32 converts the digital image signal output from the AD converter 31 into a monochrome binary image according to the threshold value from the light / dark determination unit 33.
The signal converted into the monochrome binary image by the binarization circuit 32 is subjected to noise removal by the erosion circuit 34 and the expansion circuit 35. The erosion circuit 34 is a circuit that performs processing for removing one pixel at the edge of an object (black area) when considering a black area block of a black and white binary image as an object and a white area as a background. The process of converting the pixel to white when more than half of the pixels around the specific pixel is white is performed. On the other hand, the expansion circuit 35 is a circuit that performs processing for adding one pixel to the edge of an object (black region). Specifically, when more than half of the pixels around a specific pixel are black, Performs processing to convert pixels to black. Note that the order of the erosion circuit 34 and the expansion circuit 35 may be reversed.
The output of the expansion circuit 35 is divided into two, and one is supplied to the clump counting unit 36. The clump counting unit 36 regards the clumps of black areas in the image signal as objects (small animals in this embodiment) and counts the number thereof. For the number of small animals counted by the clump counting unit 36, an average value for each predetermined time is calculated by an averaging circuit 37, and a change in the average value over time is graphed by a graphing circuit 38.
The other output of the extension circuit 35 is supplied to the change pixel counter 39. The changed pixel counting unit 39 is a circuit that compares two consecutive frames of images and counts the total number of changed pixels. Since the pixel changes between two consecutive frames when the small animal moves or moves, the total number of changed pixels corresponds to the movement amount or the movement amount of the small animal. The total number of pixels counted by the change pixel counting unit 39 is calculated by the averaging circuit 40 for an average value for each predetermined time, and the graphing circuit 41 graphs the change of the average value over time.
The data graphed by the graphing circuit 38 and the graphing circuit 41 is displayed on the display device of the display device / memory 42 or recorded in the memory.

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。 Next, operations of the small animal behavior analysis apparatus of FIG. 1 and the signal processing system block diagram of FIG. 2 will be described with reference to the flowchart of FIG.
In the present invention, in order to observe the social behavior of small animals, two or more small animals are bred in the same breeding cage. Two or more small animals 13 are bred in a breeding cage 11, and are constantly fed with food and water by a feed box 14 and a water supply bottle 15. The behavior of the small animals in the breeding cage 11 is photographed by the video camera 17 (step 1). Shooting is performed at an arbitrary frame speed, for example, continuously performed for several days at one frame per second, and sequentially stored in the image memory 22. When the shooting time is daytime, the surroundings are bright and no special illumination is required. However, at night, the infrared projector 18 irradiates infrared rays as shooting auxiliary light for shooting. Since small animals such as mice are nocturnal, illumination such as incandescent lamps and fluorescent lamps is not preferable because it may be confused with daytime.
The image signal photographed in step 1 is converted into a digital signal by the AD converter 31 (step 2). Digitization is performed at an arbitrary gray scale level such as 256 gray levels.
A signal at a specific position that is not influenced by the movement position of the small animal 13 in the breeding cage 11 is extracted from the image signal digitized by the AD converter 31 (Step 3), and the gray scale level of the extracted signal is extracted. Thus, the light / dark determination unit 33 determines whether the input image signal is a signal photographed in the light period in the daytime or a signal photographed in the dark period at night (step 4). The determination in the light / dark determination unit 33 is performed by calculating an average value of gray scale levels at the specific position with respect to a plurality of frames of captured signals. When the light / dark determination unit 33 determines that the input image signal is a signal photographed in the light period, the light / darkness determination unit 33 outputs a threshold level L for the light period to the binarization circuit 32, and the signal photographed in the dark period When it is determined that the threshold level D is output to the binarization circuit 32, the threshold level D for the dark period is output.
When the input image signal is a signal photographed in the light period, the digital image signal from the AD converter 31 is compared with the threshold level L in the binarization circuit 32. When the input image signal is larger than the threshold level L, it is white. Is converted to a black binary value (step 5). Similarly, when the input image signal is a signal photographed in the dark period, the digital image signal from the AD converter 31 is compared with the threshold level D in the binarization circuit 32. If it is smaller, it is converted to a black binary value (step 6). In the image signal thus converted into black and white binary, the black portion corresponds to a small animal and the white portion corresponds to a background.

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）。 In the image signal converted into the black-and-white binary by the binarization circuit 32, a black component caused by an object other than the small animal such as small animal feces is mixed in the background or the small animal's hair color is not uniform. In many cases, white signals are mixed in and noise is included. In addition, the white region that is the background may be divided by the tail of the small animal. Therefore, in order to remove these noises, the output of the binarization circuit 32 is eroded by the erosion circuit 34 (step 7) and extended by the expansion circuit 35 (step 8). As described above, the erosion process is a process of removing one pixel at the edge of an object (black area) when considering a black area block of a black and white binary image as an object and a white area as a background. This is a process of converting a pixel to white when more than half of the pixels around the specific pixel are white. The expansion process is a process of adding one pixel to the edge of the object (black area). Specifically, when more than half of the pixels around a specific pixel are black, the pixel is converted to black. It is processing. Each of the erosion process in step 7 and the expansion process in step 8 is repeated several times for each frame signal.
The signal subjected to the erosion processing and the expansion processing in each frame is counted by the clump counting unit 36 (step 9), and the averaging circuit 37 counts the number of clumps over a predetermined number of frames or a predetermined time. The average value is calculated (step 10), and the graphing circuit 38 graphs the change over time of the average value of the number of lumps (step 11). The change over time of the average value of the number of clustered graphs is displayed on the display device of the display device / memory 42, or data is recorded in the memory (step 12).
The signal subjected to the erosion process and the expansion process in each frame is supplied to the changed pixel counting unit 39, and the total number of changed pixels is counted by comparing the images of two consecutive frames (step 13). The average value of the total number of change pixels counted in step 13 is calculated by the averaging circuit 40 over a predetermined number of frames or for a predetermined time (step 14), and the graph circuit 41 shows the change over time of the average value of the total number of change pixels. (Step 15). The time change of the average value of the total number of change pixels graphed is displayed on the display device of the display device / memory 42, or data is recorded in the memory (step 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。 Next, a method for analyzing the behavior of a small animal using the behavior analysis apparatus for a small animal described above will be described.
A plurality of small animal behavior analysis devices described with reference to FIGS. 1 and 2 are prepared, and a plurality of standard small animals serving as a reference for comparison are bred in one behavior analysis device. In another behavior analysis apparatus, a plurality of small test animals are bred. In the following description, in order to simplify the description, an example will be described in which behavior is analyzed by raising two mice each as a standard small animal and a small subject animal. Here, the standard small animal refers to a small animal that has not been genetically manipulated or dosed, and the subject small animal refers to a small animal that has been genetically manipulated or dosed. In the following description, a mouse from which the calcineurin gene has been eliminated will be described as an example of a small subject animal.
With respect to each of the standard small animal and the subject small animal, the time change of the number of lumps averaged for each hour of each small animal and the time change of the total number of change pixels averaged for each hour by the method described in FIGS. get.

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領域のかたまりの数の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。 FIG. 4 (A) shows a graph showing the time change of the average value of the number of clusters in the black area every hour when the behavior of two small animals in the breeding cage 11 is photographed with the video camera 17 for 3 days. .
This graph corresponds to the graph created by the averaging circuit 37 in step 10 in step 10 and by the graphing circuit 38 in step 11. In FIG. 4 (A), curve 52 shows the temporal change in the number of lumps averaged per hour by two standard small animals, and curve 53 shows the number of lumps averaged per hour by two small test animals. The time change of is shown. The white portion of the bar 51 indicates daytime, and the black portion indicates nighttime.
Since there are two small animals in this example, the number of clusters is 2 when the two small animals are separated from each other, and the number of clusters is 1 when the small animals are in contact. Small animals such as mice usually have a habit of being in contact with each other and gathering together, especially during daytime sleep. Small animals are nocturnal and have the habit of sleeping during the day and working at night. Taking these points into consideration, looking at the curve 52 for a standard small animal, the number of lumps is very close to 2 during the night of the first day, and the number of lumps is 1 during the day of the first day. It is understood that they are close to each other and contact each other and sleep together. From the second day onwards, the number of lumps is relatively close to 1 even during the active night, and very close to 1 during daytime sleep.
Looking at the curve 53 of the small subject animal, it can be seen that the number of lumps is close to 2 during the three days of activity and is acting almost separately. It can also be seen that during the daytime during sleep, the number of clumps is close to 2 and sleeps separately on the first day. Although it is close to 1 after the 2nd day, it is close to 2 compared to standard small animals, and it tends to be separated even during sleep.

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。 FIG. 4B shows a graph showing the temporal change of the average value of the total number of changed pixels every hour when the behavior of two small animals in the breeding cage 11 is photographed with the video camera 17 for 3 days. This graph corresponds to the graph created by the averaging circuit 40 in step 114 in step 114 and the graphing circuit 41 in step 15. In FIG. 4 (B), curve 54 shows the time change of the total number of change pixels averaged by two standard small animals every hour, and curve 55 shows the total number of change pixels averaged by two subject small animals every hour. The time change of is shown.
Comparing the curve 54 and the curve 55, both are similar on the first day, but the amount of activity of the subject small animal is clearly increased on the second and third nights. There is no difference in the amount of activity because it is sleeping during the daytime on the second and third days.

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。 From FIG. 4A and FIG. 4B, it can be seen that the subject small animals have weak habits that are in contact with each other and gather together, and the amount of activity at night is large compared to the standard small animals. This tendency is a tendency peculiar to schizophrenia (psychotic disorder), and it is estimated that schizophrenia was suffered by eliminating the calcineurin gene. That is, it can be seen that the presence or absence of the calcineurin gene strongly affects schizophrenia. Therefore, it can be said that manipulation of the calcineurin gene may cure schizophrenia.
In the above description, the method of processing the image signal captured by the video camera 17 by the signal processing device 20 has been described. However, the signal processing operation of the signal processing device 20 is performed by a software program instead of hardware. Is also possible. In this case, the software program may be installed in the personal computer 21, and the signal processing device 20 can be omitted to simplify the hardware configuration.

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。 FIG. 5 is a block diagram showing an example of a small animal behavior diagnosis apparatus according to the present invention. The database 61 stores data obtained by analyzing the behavior of standard small animals using the small animal behavior analysis apparatus described in the first embodiment. That is, data obtained by photographing a standard small animal and recorded in the memory portion of the display device / memory 42 in FIG. 2 is stored, and this memory portion corresponds to the database 61. The input data 62 is data obtained by analyzing the behavior of the subject small animal, and corresponds to data recorded in the memory portion of the display device / memory 42 in FIG. 2 by photographing the subject small animal. When the input data 62 of the small animal to be examined is input to the personal computer 63 and the standard data is read from the database 61 and both are superimposed or displayed on the display device 64, the curve 52 and the curve shown in FIG. Since 53 is displayed, both can be compared on the same screen, and the behavior of the subject small animal can be diagnosed by comparing with the standard small animal.
Instead of superimposing and displaying standard data from the input data 62 of the subject small animal and the database 61, the difference between the two may be determined statistically and the difference component displayed on the display device. In this case, the magnitude of the difference component can be directly seen, and the normality and abnormality of the behavior of the subject small animal can be easily and reliably determined and diagnosed.
Further, in this embodiment, the case where a black mouse is used as a small animal and the background color is white has been described. However, when a white mouse is used, the background color is black. A color that has a large difference in brightness from a small animal may be used.

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。 The apparatus for analyzing behavior of small animals, the method for analyzing behavior of small animals, and the method for diagnosing small animals according to the present invention were administered or manipulated in a gene in an animal experiment performed before clinical evaluation of drug efficacy or gene therapy effects. It is useful as an apparatus, analysis method, and diagnosis method for observing, analyzing, and diagnosing behavioral changes in small animals for experiments.

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The conceptual diagram which shows the Example of the behavior analysis apparatus of the small animal by this invention 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The block diagram which shows an example of the signal processing system of the behavior analysis apparatus of the small animal by this invention 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The flowchart explaining operation | movement of the behavior analysis apparatus of the small animal by this invention （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領域のかたまり数の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(A) is a graph showing the temporal change of the average value of the number of black areas in the small animal image taken by the small animal behavior analysis apparatus according to the present invention for every hour, and (B) is the behavior analysis of the small animal according to the present invention. The graph which shows the time change of the average value for every hour of the change pixel total number in the image of the small animal image | photographed with the apparatus. 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1 is a block diagram showing an example of a small animal behavior diagnosis apparatus according to the present invention.

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
３１ＡＤ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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Breeding cage 12 Floor covering 13 Small animal 14 Feeding box 15 Water supply bottle 16 Lid 17 Video camera 18 Infrared projector 20 Signal processing device 21 Personal computer 22 Image memory 31 AD converter 32 Binary circuit 33 Light / dark judgment part 34 Erosion circuit 35 Expansion circuit 36 Mass counting unit 37, 40 Averaging circuit 38, 41 Graphing circuit 39 Changed pixel counting unit 42 Display device / memory 61 Database 62 Input data 63 Personal computer 64 Display device

Claims

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領域のかたまりを計数し、計数された前記黒領域の前記かたまりの数を所定時間ごとに平均し、平均された前記かたまりの数の時間変化を取得し、
前記二値化信号の前記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、計数された前記変化ピクセルの総数を所定時間ごとに平均し、平均された前記変化ピクセルの総数の時間変化を取得する小動物の行動診断方法であって、
前記ケージとして第１のケージと第２のケージとを備え、前記第１のケージ内では、前記小動物として標準小動物を複数匹飼育し、前記第２のケージ内では、前記小動物として被検体小動物を複数匹飼育し、
前記第１のケージ内の複数の前記標準小動物と、前記第２のケージ内の複数の前記被検体小動物とを各々個別に所定のフレーム数で撮影し、前記標準小動物及び前記被検体小動物の各々について、所定時間毎に平均した前記かたまりの数の時間変化、及び所定時間毎に平均した前記変化ピクセルの総数の時間変化を比較することを特徴とする小動物の行動診断方法。 A plurality of small animals in the cage are photographed with a predetermined number of frames, the photographed image signal is converted into a black and white binary signal ,
Counting the pool or black area of that put before Symbol binarized signal noise monochrome image after removal of the averages of the number of the mass of counted the black regions at predetermined time intervals, averaged the Get the time variation of the number of chunks ,
The total number of pixels that change every two consecutive frames of the black-and-white image after removing the noise of the binarized signal is counted, and the total number of changed pixels counted is averaged every predetermined time and averaged A method for diagnosing behavior of a small animal that obtains a temporal change in the total number of the change pixels,
The cage includes a first cage and a second cage. Within the first cage, a plurality of standard small animals are bred as the small animals, and within the second cage, small test animals are used as the small animals. Breed several animals,
The plurality of standard small animals in the first cage and the plurality of subject small animals in the second cage are individually photographed with a predetermined number of frames, and each of the standard small animals and the subject small animals A method for diagnosing a behavior of a small animal, comprising: comparing a temporal change in the number of the clusters averaged every predetermined time and a temporal change in the total number of the changed pixels averaged every predetermined time .

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１に記載の小動物の行動診断方法。 The method for diagnosing behavior of a small animal according to claim 1 , wherein the data of the set of standard small animals and the data of the set of small animals of the subject are superimposed or arranged on the same screen.

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１に記載の小動物の行動診断方法。 Statistically determining the difference between the data of the set of standard small animals and the data of the set of small animals of the subject, and diagnosing behavior such as social behavior of the small animals of the subject according to the magnitude of the difference The behavior diagnosis method for a small animal according to claim 1 .