[发明专利]基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法及系统

权利要求书

1.一种基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，包括：

步骤S1：通过在大脑皮层或深部核团，注射钙离子指示剂或者指示蛋白在体病毒，使指示剂或者指示蛋白在胞内表达；

步骤S2：在指示媒介进入细胞后，在实验动物目标脑区植入脑部接口，通过在体微型荧光显微镜进行记录，记录结果经过信号采集主机，传输至信号处理主机；

步骤S3：数据结果经过传入后，进入解码算法进行模式规律识别，并经指令输出接口输出至控制端；

步骤S4：控制端接收装置接收信号后，对信号再编码最终实现对外部设备进行编码控制，形成脑机交互。

2.根据权利要求1所述的基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，所述指示剂中荧光指示信号表达后，影像数据经采集端传入信号处理端进行信号处理，具体包括：实验动物大脑活动荧光原始信号经过采集设备采集后，传输至信号处理主机进行在线处理；原始数据需要经过算法进行神经元活动提取和识别，主要包括降噪校正和细胞标记。

3.根据权利要求2所述的基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，所述降噪校正是降低运动导致的信号噪音干扰，并对相同神经元不同时间点的位置进行实时校正，通过在原始图像帧上应用异性扩散去噪操作实现；

对于每一帧图像，I∈R^HxW，对于给定的扩散时间τ，演化遵循等式：

其中，div是散度算子，和Δ分别是梯度和拉普拉斯算子，C是取决于像素和τ的扩散系数矩阵；

I表示当前帧；R^HxW表示帧集合；H表示帧画面高度；W表示帧画面宽度；

随后，在不同帧之间使用KTL跟踪器来估计两个相邻帧之间潜在角状特征的位移；基于KTL跟踪器配准后，使用diffeomorphic Log-Demons进行进一步单位配准；

最后采集到的影像数据将是运动噪音最小化，进而进行后续分析处理。

4.根据权利要求3所述的基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，所述细胞标记包括：经过图像平滑处理后，需要对潜在的细胞轮廓影像进行细胞标记：

首先，随机选择一部分帧：

其中，a是随机轮廓集的帧编号；s表示轮廓投影；T表示最大帧编号；

然后计算所选帧的最大投影图：

并检测该图上所有局部最大点为S_α，多次重复上述过程，其中任意两个自己不包含相同的帧；

最终采集全部最大投影图的S_α和有完整轮廓数据集计算最大投影图S的整合，作为最终的神经元轮廓种子集合。

5.根据权利要求4所述的基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，获得神经元轮廓之后，系统将对相应神经元进行荧光活动监测和模式学习和分类，具体地：

首先，需要对影像数据的荧光亮度归一化，用目标细胞轮廓的平均亮度F_t减去平局的背景荧光亮度F₀再除以除以背景荧光亮度值F₀，计算公式如下，其中ΔF_t/F₀简写为ΔF/F：

其次，还需要利用指数加权移动平均方法对记录到的钙信号进行去噪平滑；

再次，在获得平滑后的荧光强度变化数值后，在线侦测荧光活动事件；

最后，同步采集实验动物行为，并对动物行为和实时荧光成像结果进行配对，进行模式学习，并基于PCA和SVM算法进行特征提取和模式分类，对存在的荧光活动模式进行分类学习；

在经过模式学习和分类后，根据分类模式对输出指令进行对应编码，执行工作时在线对荧光活动模式进行判断，并输出对应指令，控制外部设备。

6.根据权利要求4所述的基于在体荧光信号的动物脑机接口实现方法，其特征在于，获得神经元轮廓之后，选用整体荧光观察方法，对核团活性进行指征，获得神经元轮廓后，计算整幅帧图像的平均灰度值，其步骤在于统计整幅图像的所有像素点，累加求取所有像素点的灰度值总和，平均灰度值为灰度值总和与像素点个数之商。