基于姿态关键点的小鼠运动行为量化分析方法研究

基于姿态关键点的小鼠运动行为量化分析方法研究

【摘要】： 啮齿类动物是实验室动物行为学研究中典型的动物模型,啮齿类动物行为的自动识别和精确量化分析在脑神经科学和药理及毒理研究中扮演着重要的角色。尽管利用计算机和视觉图像技术对动物行为进行量化分析的方法缓解了人工成本问题,但这些传统行为测量方法在实际实验应用中仍存在限制:(1)传统行为识别方法大多将小鼠看作一个质点进行运动跟踪,无法捕捉肢体和体态姿势的运动变化。(2)现有的行为分析方法通过传统图像处理技术提取的小鼠轮廓作为体态特征描述,无法精确描述小鼠的身体姿势变化。(3)现有的行为分析系统往往受实验场景或者行为参数设置的限制仅支持单个场景行为分析,可拓展性能较差。针对啮齿类动物行为量化分析方法的不足,本文以25只BALB/c实验小鼠为研究对象,提出了一种基于结合运动和体态姿势特征的小鼠行为量化视频分析方法,并设计了旷场扫描行为和新物体识别行为学实验用于验证该方法的可靠性。本文主要工作如下:(1)研究面向小鼠的姿态关键点跟踪算法。本文采用基于堆叠沙漏的姿态估计网络对小鼠进行姿态关键点检测,提出了一个基于堆叠块间跳过连接的新网络结构增强小目标检测能力,并使用扩张卷积设计了一个新的深度可分离残差块减少模型参数量,实验结果表明优化后的模型在自制数据集上经过120000次迭代训练,模型参数减少到了3.6M,平均每帧运行时间84ms,关键点预测误差平均RMSE为7.2个像素。(2)研究基于姿态关键点的小鼠行为量化分析方法。首先,构建了小鼠姿态行为模型包括建立了13个关键点的语义姿态骨架模型、根据行为特征定义了6种典型行为类别和自制了小鼠样本数据集,样本标签数据总共13250张,其中新物体实验4325张,旷场行为实验8925张。其次,利用了姿态关键点检测技术提取小鼠体态姿势特征,提出了结合运动和体态姿势特征的小鼠行为量化分析方法,计算了移动速度、头部转向、路程、距离、体长等行为评估参数。最后,应用所提方法在六种小鼠典型行为识别任务中进行评估,实验结果表明该方法在饮水、进食、梳洗、站立、扫描和行走的准确率分别为99%、94%、98%、83%、70%和92%。(3)设计了旷场扫描行为和新物体识别经典行为学实验,开展结合体态和运动特征行为量化方法的应用研究。新物体识别实验结果表明,本文方法提供的嗅探潜伏期和探索时间等行为评估参数与人类专家评估结果相关性分别达到0.78和0.72,能够提供可靠的速度、距离、路程和轨迹信息。小鼠扫描行为实验结果表明,该方法能够捕获扫描行为在食物诱导条件下的细微异常,并印证了先前食物梯度对小鼠扫描行为影响的研究结论,进一步确定了食物梯度在扫描时间和扫描幅度等参数上的差异。

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2022

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