Ett system för automatisk skattning av hand-pose i neurovetenskaplig
forskning
Tobias Palmér
Neurofysiologi är ett område inom experimentell medicinsk vetenskap som innefattar studier av
kopplingen mellan beteende och hjärnaktivitet. Detta kan göras i en mängd olika
experimentuppställningar framtagna för att påtvinga ett eller flera specifika beteenden, och vanligen
på försöksdjur med elektroder inopererade i deras hjärnor. I detta examensarbete analyserades det
så kallade skilled reaching-beteendet i råttor med mikroelektroder implanterade i väl valda delar av
strukturer som hanterar motorbeteende.
Målet med examensarbetet var att förbereda en försöksuppställning med kameror för att filma
försöken och att skriva mjukvara för att automatiskt extrahera kinematiska parametrar från de
genererade filmerna. Dessa parametervärden matchas senare till neuraldata och ska användas för
att ge detaljerad information om hur rörelser hos råttans framtassar moduleras dels av enstaka
nervceller men även av populationer av nervceller i specifika delar av hjärnan. I synnerhet selektion,
initiering och kontroll av motorprogram avses undersökas i de närmaste försöksserierna. Senare finns
möjlighet för en mängd andra undersökningar, t.ex. effekter av inlärning, droger och DBS (Deep Brain
Stimulation).
Försöksuppställningen består av två kameror och tre speglar (vilket ger sex distinkta vyer) för
automatisk analys av tass-rörelserna samt en kamera som filmar hela buren från sidan med syftet att
hitta tiden för avtramp vid varje reaching-försök. Programvaran kan delas in i två större
komponenter: en del som bl.a. lokaliserar var i filmerna som analys ska göras och en del som gör den
detaljerade tass-trackingen. Några manuella steg är oundvikliga i den första delen – användaren
måste bl.a. markera några väl valda punkter i filmerna för att programmet ska kunna beräkna hur 3Dpunkter projiceras på kamerornas bildplan (kamerakalibrering), samt markera vilka områden som
motsvarar en vy. På så sätt delas filmerna från de två kamerorna in i en film för varje vy samtidigt
som överflödiga områden bortses från.
För att ge mått på hur tassen rör sig så skapades en 3D-modell av tassen med frihetsgrader som
efterliknar hur en verklig tass kan röra sig. Handledens position och rotation anges i ett globalt
koordinatsystem, medan övriga parametrar anges i relativa koordinatsystem. Varje finger har 4
frihetsgrader: adduktion/abduktion vid första leden samt flexion/extension vid varje led. Detta
innebär att tass-modellen har 4+4+4+4+6 = 20 frihetsgrader, och det är dessa värden som skattas för
varje bildruta.
Skattning av hand-pose görs genom att på ett effektivt sätt gissa parametrar för en 3D-modell av en
tass, utvärdera hur väl den stämmer ihop med bilden för varje vy och slutgiltligen välja de parametrar
som ger bäst resultat. För att utvärdera hur väl en hypotes passar en bildruta i en vy beräknas
likheten hos kant-bilden och silhuett-bilden genererade från hypotes-parametrarna med de
beräknade från vy-filmen, som illustreras av figuren till höger. Detta ger totalt 12 värden för varje
hypotes och dessa kombineras till matchingskvaliteten för hypotesen.
