一种电生理全自动精准视觉刺激系统
阅读说明：本技术 一种电生理全自动精准视觉刺激系统 (Full-automatic accurate visual stimulation system of electricity physiology ) 是由 刘峰 刘胜 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电生理全自动精准视觉刺激系统,包括系统控制模块、XYZ位移模块、视觉光源模块、信号发生模块、测光仪、光电感受器；所述的系统控制模块,用于生成多种视觉刺激信号、执行视觉刺激编码策略,并将视觉刺激信号、视觉刺激编码策略发送至信号发生模块；所述的信号发生模块,用于根据接收到的视觉刺激信号、视觉刺激编码策略,输出视觉TTL信号；所述的由XYZ位移模块由系统控制模块控制X、Y、Z轴同步或者异步的移动；所述的视觉光源模块搭载在XYZ位移模块上,所述的视觉光源模块根据视觉TTL信号输出视觉刺激图像,并将视觉刺激图像投射至待检测的组织表面；所述的测光仪用于测量待检测组织表面的光强,并将视觉信号信息反馈至系统控制模块；所述的光电感受器检测视觉刺激投射至组织表面与视觉信号采集之间的延迟时间,并反馈至系统控制模块。(The invention discloses an electrophysiological full-automatic accurate visual stimulation system, which comprises a system control module, an XYZ displacement module, a visual light source module, a signal generation module, a light measuring instrument and a photoelectric receptor, wherein the XYZ displacement module is used for measuring the displacement of a visual light source; the system control module is used for generating various visual stimulation signals, executing a visual stimulation coding strategy and sending the visual stimulation signals and the visual stimulation coding strategy to the signal generation module; the signal generation module is used for outputting a visual TTL signal according to the received visual stimulus signal and the visual stimulus coding strategy; the XYZ displacement module controls X, Y, Z axes to move synchronously or asynchronously by the system control module; the visual light source module is arranged on the XYZ displacement module and outputs a visual stimulus image according to the visual TTL signal and projects the visual stimulus image to the surface of the tissue to be detected; the photometer is used for measuring the light intensity of the surface of the tissue to be detected and feeding back visual signal information to the system control module; the photoelectric sensor detects the delay time between the projection of the visual stimulation to the tissue surface and the acquisition of the visual signal and feeds the delay time back to the system control module.)
技术领域
本发明涉及视觉神经科学技术领域，更具体的，涉及一种电生理全自动精准视觉刺激系统。
背景技术
视觉可使人类辨别不同外界环境进而分辨多彩的世界，是人类认识客观世界的开端，也是意识形成和发展的基础。作为视觉信息的初级处理中心，视网膜神经环路中的神经元可完成视觉信号的加工、传递、整合等进程，进而实现了视觉信息的初步编码，接着经视神经传递至高级视觉中枢，完成视觉信息的完整解析。基于此，视觉环路中每个神经元功能的解析，均需要高精确度、高分辨率、高稳定性、智能化等优点的视觉刺激。
目前，尚未拥有商业化的产品能够实现视觉刺激的全自动化智能控制，仅有部分科研机构粗糙搭建的且刺激种类匮乏的固定系统，无法满足视觉研究科学领域内的高端需求。
现有的视觉刺激装置存在以下缺点：
(1)目前绝大多数科研机构所使用的视觉刺激装置，均为无法移动的固定装置，无法实现各种视觉刺激类型或光源的随意、精准切换。
(2)目前常规刺激信号的时间控制精确度为毫秒级别，其时间精确度与电脑性能相关且每次TTL持续时间均不一致，该不稳定的持续时间常超过视觉刺激每帧画面的持续时间以及神经元反应时间，进而带来一定的干扰和误判。
(3)目前大部分科研机构所使用的视觉刺激种类不足，无法达到神经元视觉编码的精确解析；而其视觉刺激投射面积大且分辨率不足，无法实现一位数微米乃至纳米级别的分辨率，将致使神经元产生错误的伪迹反应；此外，匹配各个刺激的软件无法独立在各个电脑里使用，限制性较大。
(4)目前多数复杂的视觉刺激通过投影仪输出，但绝大部分科研机构使用的投影仪所投射的红橙黄绿青蓝紫光谱不正确；未校准伽马值的显示器输出刺激，与其所诱发的神经元刺激存在极大的不匹配性；颜色刺激所结合的投影仪与带宽滤波片，无法精准至具体波长刺激；而且投影仪刺激图像的输出均不是水平成像，其最终投射至神经元表面的图像并不是最初设计图像，并致使神经元产生错误的响应。
发明内容
本发明为了解决以上现有技术中存在视觉刺激种类的不齐全及其控制方式的不精准性的问题，提供了一种电生理全自动精准视觉刺激系统，其可实现科学研究中多种视觉刺激的高智能性、高精准性、全自动性的输出。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：
一种电生理全自动精准视觉刺激系统，所述的系统包括系统控制模块、XYZ位移模块、视觉光源模块、信号发生模块、测光仪、光电感受器；
所述的系统控制模块，用于生成多种视觉刺激信号、执行视觉刺激编码策略，并将视觉刺激信号、视觉刺激编码策略发送至信号发生模块；
所述的信号发生模块，用于根据接收到的视觉刺激信号、视觉刺激编码策略，输出视觉TTL信号；
所述的由XYZ位移模块由系统控制模块控制X、Y、Z轴同步或者异步的移动；
所述的视觉光源模块搭载在XYZ位移模块上，所述的视觉光源模块根据视觉TTL信号输出视觉刺激图像，将视觉刺激图像投射至待检测的组织表面；
所述的测光仪用于测量待检测的组织表面的光强，并将视觉信号信息反馈至系统控制模块。
所述的光电感受器检测视觉刺激投射至组织表面与视觉信号采集之间的延迟时间，并反馈至系统控制模块加以校准。
优选地，所述的信号发生模块设有4个数字输出端口和4个模拟输出端口；4个数字输出端口均可同步或者异步输出4个不同TTL信号；4个模拟输出端口均可同步或者异步输出4个不同强度的TTL信号；所述的数字输出端口和模拟输出端口用来控制不同的视觉光源以及不同的视觉刺激编码策略；其中，4个模拟输出端口可通过输出不同电压强度来控制视觉光源模块，从而实现不同光强大小或不同类型刺激的输出。
优选地，信号发生模块采用内部采样时钟模式来控制视觉刺激TTL信号的输出。
优选地，所述的视觉光源模块包括图像刺激产生器、光谱产生器；
所述的图像刺激产生器包括伽马值矫正后的显示器屏幕、物镜，所述的显示器屏幕的中心与投射图像按照校准的中心光路传递并通过4X或者6x物镜实现刺激图像的聚焦与缩小，通过微调物镜与显示器屏幕的距离，实现不同分辨率视觉刺激图像的输出；
所述的光谱产生器包括光谱刺激驱动器、多个光谱LED；所述的视觉TTL信号控制并驱动光谱刺激驱动器与控制光源LED的输出光强大小。
优选地，所述的图像刺激产生器还包括若干个中性滤光片；所述的中性滤光片位于显示器屏幕与物镜之间。
优选地，所述的视觉光源模块共设有1个伽马值矫正后的图像刺激产生器、6个光谱产生器。
优选地，所述的XYZ位移模块包括XYZ三维移动轴及其控制器；所述的控制器设有串口通讯，实现与系统控制模块进行通讯，并由系统控制模块控制X、Y、Z轴同步或者异步的移动。
优选地，每次开机时通过系统控制模块寻找内置的激光传感器，自动校准“0”点位置。
优选地，所述的视觉刺激信号的种类包括常规视觉刺激的白光频闪刺激信号、用于评估颜色选择倾向性的颜色频闪刺激信号、用于评估神经元在正弦变化的频率和对比度方向刺激的刺激信号、8个不同方向且呈45度改变的移动光栅刺激的刺激信号、用于解析神经元感受野大小和时空特性的白噪音刺激信号、用于评估神经元敏感度的变化的白光光强梯度刺激信号、用于神经元在红橙黄绿青蓝紫光谱特性方面的解析的颜色光谱刺激信号、用于神经元在不同颜色饱和度方面的解析的颜色饱和度刺激信号、用于辨别视网膜自主感光型节细胞光反应特性的光谱视觉刺激信号、用于神经元对不同光斑大小反应特性差异解析的光斑刺激信号。
优选地，所述的系统控制模块建立视觉刺激编码策略，具体如下：通过Matlab软件提取所有TTL原始信号，设置1V检测阈值，获取所有TTL最高点的位置；相邻的两个数据点相减，若差值>1，则认为新的TTL数据，否则累加该TTL方波持续时间；
首先解析10种刺激类型，即：寻找方波时间为1ms的TTL_Type信号类型，判断其连续循环数目来解析刺激类型；
接着在各个视觉刺激类型信号时间段内寻找方波时间为0.5ms的TTL_DS信号类型，通过其连续循环数目来解析包括XYZ位移平台定位、暗适应结束时间点、视觉刺激开始与结束时间点、WhiteNoise每帧刺激开始时间点、Bars运行方向；
然后寻找方波时间为1.5ms的TTL_ColorMark信号类型，解析不同颜色与不同梯度视觉刺激的开始与结束时间段；
随后，再根据刺激面板内持续时间参数来寻找TTL_LEDControl信号类型，解析给光与撤光刺激的开始与结束时间点；
最终根据视觉刺激种类整理上述刺激开始与结束时间点，建立视觉刺激信号种类所对应的时间数据库，从而建立视觉刺激编码策略。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的视觉刺激系统具有刺激信号种类多、全自动化精准控制、视觉刺激分辨率高及其时间精确度高等优点。其中，采用全自动化的XYZ位移模块进行自动精准定位；采用信号发生模块通过TTL编码策略精准控制各种类型视觉刺激的输出及其顺序；同时各种刺激可根据需求按照一定的顺序与时间逐步精准的运行；视觉刺激分辨率高为视觉刺激大小可精确至微米甚至纳米级别；时间精确度高为各个类型刺激时间的开始、结束及其持续时间，精确至纳秒级别。
附图说明
图1是实施例1所述的视觉刺激系统的原理框图。
图2是实施例1所述的视觉光源模块的组成示意图。
图3是实施例1所述的系统控制模块的控制示意图。
图4是实施例1所述的Visual Stimulus LF软件的控制面板。
图5是实施例1通过本视觉刺激系统解析视网膜节细胞电生理特性差异的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，所述的系统包括系统控制模块、XYZ位移模块、视觉光源模块、信号发生模块、测光仪、光电感受器；所述的系统控制模块包括电脑等智能终端。
所述的系统控制模块，用于生成多种视觉刺激信号、执行视觉刺激编码策略，并将视觉刺激信号、视觉刺激编码策略发送至信号发生模块；
所述的信号发生模块，用于根据接收到的视觉刺激信号、视觉刺激编码策略，输出特定的视觉TTL信号；
所述的由XYZ位移模块由系统控制模块控制X、Y、Z轴同步或者异步的移动；
所述的视觉光源模块搭载在XYZ位移模块上，所述的视觉光源模块根据视觉TTL信号输出视觉刺激图像，将视觉刺激图像投射至待检测的组织表面；
所述的测光仪用于测量待检测的组织表面的光强，并将视觉信号信息反馈至系统控制模块；
所述的光电感受器检测视觉刺激投射至组织表面与视觉信号采集之间的延迟时间，并反馈至系统控制模块加以校准。
在一个具体的实施例中，所述的XYZ位移模块包括XYZ三维移动轴及其控制器；所述的XYZ位移模块主要负责视觉光源模块的移动及其精准定位，所述的XYZ三维移动轴的量程可根据光源数量及其所配套设备的空间大小来调整，各轴移动速度、加速度等参数均可控，其精确度达到微米级别。所述的控制器设有串口通讯，实现与系统控制模块进行通讯，并由系统控制模块控制X、Y、Z轴同步或者异步的移动。每次开机时通过系统控制模块寻找内置的激光传感器，自动校准“0”点位置，实现视觉光源模块位置的精准性。
本实施例所述的XYZ位移模块的量程可以设置如下：X轴为300mm，Y轴400mm，Z轴200mm，其XYZ轴位移速度由控制器设置所决定。本实施例采用5mm/s,控制XYZ轴自动按照设定速度移动至目标位置，保证了视觉刺激定位的精准性与全自动性；设置XYZ轴运动起始与终止时的加速度为0.1mm/s2,保证了位移平台运动的平稳性，并避免了位移平台移动时所带来的噪音干扰。
在一个具体的实施例中，所述的视觉光源模块，主要负责各种视觉刺激的输出，其包括图像刺激产生器、特定的光谱产生器。所述的图像刺激产生器为伽马值矫正后的小尺寸显示器屏幕(1x2cm)，其中心校准的光路与投射图像可通过4X或者6x显微镜的物镜镜头来进行聚焦与缩小，将其水平投射的面积大小可缩小至毫米或微米级别，具体可根据需求进行微调物镜镜头与显示器屏幕的距离，实现了视觉刺激的高分辨率输出。刺激图像投射至组织表面(如离体视网膜组织)的光强大小范围可在光路中添加多个中性滤光片，即将所述的中性滤光片设置在显示器屏幕与物镜之间，从而使输出刺激图像的光强大小满足视觉刺激的实际需求。例如：使用4X尼康显微镜的物镜镜头，并在物镜前添加ND20A+ND10A中性滤光片，将投射至检测平面的光强范围校准为4.25～7.02log10 photons/μm2/s，该光强范围处于视网膜神经元视觉刺激研究的最佳范围，避免了神经元的光毒性。
所述的光谱产生器则根据科研需求及目标神经元研究设置多个特定波长数值的光源LED，所述的视觉TTL信号控制并驱动光谱刺激驱动器与控制光源LED的输出光强大小。例如：使用编码颜色视觉的光源LED为430nm(M430L4，诱发视网膜S型视锥细胞)、490nm(M490L4，诱发视网膜视杆细胞)、530nm(M530L3，诱发视网膜M型视锥细胞)、565nm(M565L3，诱发视网膜L型视锥细胞)以及470nm(M470L3，诱发自主感光型节细胞)。
本实施例所述的视觉光源模块由1个伽马值矫正后的图像刺激产生器与6个特定光谱产生器的光源LED阵列组成；所述的图像刺激产生器解决了常规投影仪输出图像的不水平性、分辨率不高、亮度不足等问题。而且在光路中又使用4X尼康物镜、中性滤光片组成的新光路系统，两者结合使用，可使刺激图像水平或者垂直缩小至所需求的分辨率。如本系统所使用的投射面积大小为5.94mm，图像分辨率为5.5μm/pixel，满足棋盘白噪音等刺激的高分辨率需求；其投射出光强范围为4.25～7.02log10 photons/μm2/s，匹配视网膜最佳的光强刺激范围。特定光谱产生器阵列由中性白光(MWWHL4)、430nm(M430L4)、490nm(M490L4)、530nm(M530L3)、565nm(M565L3)以及470nm(M470L3)组成，满足视网膜各种特异类型神经元的激发，同时也可以继续添加其他类型光源。
在一个具体的实施例中，所述的信号发生模块主要负责视觉TTL信号的输出，其设有4个数字输出端口和4个模拟输出端口。4个数字输出端口均可同步或者异步输出4个不同TTL信号；4个模拟输出端口均可同步或者异步输出4个不同强度的TTL信号。所述的数字输出端口和模拟输出端口用来控制不同的视觉光源以及不同的视觉刺激编码策略；其中，4个模拟输出端口可通过输出不同电压强度来控制光谱刺激驱动器，从而实现不同光强大小或不同类型刺激的输出。所述的信号发生模块采用内部采样时钟模式来控制TTL输出的精准性，其精确度高达纳秒级别，从而避免了输出信号的时间不稳定性。例如：常规采取电脑时钟时，时间为1.5ms的TTL运行时间在5-10ms内随机波动，具体持续时间与电脑性能有关。
本实施例所述的信号发生模块作为各个模块沟通的桥梁，通过输出不同类型的TTL信号，进而实现刺激开始、持续与结束时刻、位移平台的移动、刺激类型的精准判断等信号的精准控制。例如：输出不同时间的TTL信号可控制不同刺激类型，如2.5ms对应颜色刺激，3.5ms则为各个光谱刺激或者光强梯度刺激；输出不同数量的TTL信号控制视觉刺激的种类序列，如1个2.5msTTL信号代表白光(White light)刺激，2个则代表颜色刺激(ColorFlash)；各个TTL时间的精准性可达到纳秒级别，其精确度高解决了刺激类型的误判，如White Noise刺激中每帧刺激的间隔时间为33ms或者12.5ms。若使用时间精度不高的信号来控制的话，其每次TTL持续时间随电脑性能而随机变化，不稳定的信号会超过刺激间隔进而导致多个刺激发生时间的误判与重叠。
在一个具体的实施例中，所述的系统控制模块用于生成多种视觉刺激信号、生成并执行视觉刺激编码策略，并将视觉刺激信号、视觉刺激编码策略发送至信号发生模块。本实施例采用的视觉刺激软件为Visual Stimulus LF，并基于Matlab平台编程并生成独立的EXE安装包，实现了在多台电脑上视觉刺激的输出。本系统具有10个不同类型的视觉刺激，其刺激参数均可在刺激面板上进行调整。
本实施例所述的视觉刺激信号种类具有包括：(1)White light(白光频闪刺激，常规主要视觉刺激)、(2)Color Flash(颜色频闪刺激，评估颜色选择倾向性)、(3)Chirp(评估神经元在正弦变化的频率和对比度方向刺激的解析)、(4)Bars(8个不同方向且呈45度改变的移动光栅刺激，评估方向选择性和指向性神经元功能编码特性，其刺激方向的数目可根据需求进行增加或减少)、(5)White Noise(白噪音刺激，解析神经元感受野大小和时空特性)、(6)Luminance Gradient(白光光强梯度刺激，评估神经元敏感度的变化)、(7)ColorSpectrum(颜色光谱刺激，神经元在红橙黄绿青蓝紫光谱特性方面的解析)、(8)ColorSaturability(颜色饱和度刺激，神经元在不同颜色饱和度方面的解析)、(9)ipRGCs(自主感光型节细胞视觉刺激，主要辨别自主感光型节细胞在最佳敏感波长490nm光谱的光反应特性)、(10)Spot(光斑大小刺激，神经元对不同光斑大小反应特性差异的解析)，可根据需求进行再次添加。其中，所述的视觉刺激信号(1)、(2)、(6)、(9)由光谱产生器产生，而其他六种则由图像刺激产生器生成。
本实施例所述的视觉刺激信号的时间精准性由不同的刺激编码策略来决定，如图3所示，具体如下：(1)各种刺激信号种类的标记由不同数量的TTL_Type(其TTL持续时间为2.5ms，1ms方波时间)决定；(2)刺激开始与中止、运动方向(Bars)、白噪音(White Noise)每帧开始信号均由TTL_DS(其TTL持续时间为1.5ms，1ms方波时间)决定；(3)颜色刺激中各光谱刺激、不同强度梯度刺激和不同尺寸光斑刺激的标记由TTL_ColorMark(其TTL持续时间为3.5ms，1ms方波时间)的数目决定，其持续时间则由TTL_LEDControl(其TTL持续时间为面板设定)决定。
上述视觉光源模块投射至检测区域内的光强大小均由测光仪多次测量所得，检测结果反馈至系统控制模块，经过校准后再由视网膜电生理功能评估所得。而视觉刺激延迟时间，即视觉刺激信号投射至神经元表面的时刻与其信号采集时间的偏移，将光电感受器放置在神经元表面位置进行校准，实现了视觉刺激的发生与神经元信号产生的同步收集，即：光刺激到达检测区域时由光信号转换为电信号，然后与信号发生模块的信号刺激一起评估两者时间的差异，并将此偏差时间输入至系统控制模块进行处理。
所述的系统控制模块将XYZ位移模块、视觉光源模块、信号发生模块进行交互联通，实现了三者的互通，可通过Visual Stimulus LF软件进行控制单个刺激信号种类或者多个刺激信号种类按照一定的顺序输出，每个刺激运行前均根据输入的XYZ轴位置、运动速度等参数将各个目标光源的位置精准定位至组织上方最佳投射距离，当到达目标光源到达后停止运行并给予所选择的视觉刺激，每种刺激运行的开始时间、持续时间、运行百分比等信息均会输出至面板，实现了视觉刺激的智能化，而无需人为等待与手动控制。此外，该视觉刺激参数、延迟时间、光强大小等视觉相关信号均同步储存与视觉信号储存中心，以便后续视觉信息的比对与校准。
所述的系统控制模块提取视觉信号处理中心的原始视觉信号数据，通过解析获取各个视觉刺激开始与结束时间点等参数，建立包含各个刺激信号的相应数据库，实现建立视觉刺激编码策略。具体如下：
通过Matlab软件提取所有TTL原始信号，设置1V检测阈值，获取所有TTL最高点的位置，相邻两个数据点相减，若差值>1则认为新的TTL数据，否则累加该TTL方波持续时间；
首先解析10种刺激类型，即：寻找方波时间为1ms的TTL_Type信号类型，判断其连续循环数目来解析刺激类型；
接着在各个刺激类型时间段内寻找方波时间为0.5ms的TTL_DS信号类型，通过其连续循环数目来解析XYZ位移平台定位、暗适应结束时间点、视觉刺激开始与结束时间点、WhiteNoise每帧刺激开始时间点、Bars运行方向等；
然后寻找方波时间为1.5ms的TTL_ColorMark信号类型，解析不同颜色与不同梯度视觉刺激的开始与结束时间段；
随后，再根据刺激面板内时间持续时间来寻找TTL_LEDControl信号类型，解析视觉给光与撤光刺激的开始时间点；
最终根据视觉刺激类型整理上述刺激时间点，建立视觉类型对应的时间数据库，由此建立视觉刺激编码策略。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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