用于跟踪被圈养动物的活动的方法、设备和标签

用于跟踪被圈养动物的活动的方法、设备和标签
1.本发明的一个主题是用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的方法，以及用于安装到圈养在受限条件下的动物的标签。
2.在各种情况下，无论是在手术前、手术后、临床或实验室环境中，跟踪圈养在受限条件下的动物的活动都需要有能力的人员进行日常观察。
3.因此，最好使用无需人工干预的自动监视系统来采集和分析动物的生命体征，因为这些系统不会打扰动物，不会对其造成任何伤害，并且不会提高其焦虑水平。
4.监视技术还可以获得更准确的结果，因为它们避免了“白衣综合症”。因此，已经表明，通过人类参与者接近动物读取由侵入性植入物提供的诸如温度、葡萄糖水平和其他生理数据之类的重要数据实际上会受到干扰。
5.更具体地，已经确定的是，动物对人类的接近系统地做出消极或积极的反应，并且试图获得侵入性植入物提供的数据的读数的行为本身也会影响数据。
6.与这一观察结果相关联的是，动物福利以及用于科学目的的动物可能会感到的疼痛和痛苦，长期以来一直是公众和研究界所关注的问题。
7.事实上，欧洲议会和理事会于2010年9月22日发布了一项关于保护用于科学目的动物的指令2010/63/eu，该指令在2013年2月1日的2013
‑
118号法令中被转化为法国法律，用于科学目的动物的保护。
8.正是这些担忧，再加上在基础研究和应用研究中越来越多地使用动物，促使w.m.s.russell和r.l.burch研究在使用动物的问题上应该如何做出决定。
9.在1959年第一版的《the principles of humane experimental technique》(伦理实验技术原理)一书中，作者russell和burch提出要实施“三r”原则，即提倡替换、减少和细化。四十多年来，在科学利用动物的背景下，这一三r原则已被广泛认为是一项既定的伦理原则。
10.已经进行了一些与研制用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的设备有关的研究。
11.因此，文献us 2017/111128 a1和us 2018/253517 a1涉及用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的方法和设备，该设备由笼子、设置在笼子下方的多个天线、与多个天线相连接的rfid读取器、能够控制读取器进行发送和接收的计算机化装置和用于安装到笼子中的圈养在受限条件下的动物的rfid标签。
12.然而，为了提高所收集数据的准确性，已经证明有必要改进用于安装到动物的rfid标签。
13.为此，本发明提出了一种用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的设备，该设备包括至少一个笼子、设置在至少一个笼子下方的多个天线、与多个天线连接的读取器、能够控制读取器进行发送和接收的计算机化装置，以及用于安装到笼子中的圈养在受限条件下的动物的标签，该标签包括天线和芯片，该天线和芯片两者都封装在由生物相容性材料制成的胶囊中，天线在展开模式下具有纵向延伸的并由具有两个弯头短截线的开环围绕的中心板。
14.本发明的可选特征，可以是附加的或替代的特征，在下文公开。
15.根据某些可选特征，笼子的表面积小于1米，笼子的宽度为10至30cm，长度为25至75cm。
16.根据其他可选特征，在笼子下方分布至少四个天线，优选为六至八个天线。
17.优选地，读取器是rfid读取器。
18.优选地，标签是配备有天线的无源rfid标签，该天线固定在与标识符相关联的芯片上。
19.优选地，天线和芯片封装在由生物相容性材料制成的胶囊中，使得标签能够通过皮下途径注入。
20.本发明的另一个目的是一种用于安装到在根据本发明的实施例的设备中的圈养在受限条件下的动物的标签，该标签包括天线和芯片，该天线和芯片两者都封装在由生物相容性材料制成的胶囊中，天线在展开模式下具有纵向延伸的并由具有两个弯头短截线的开环围绕的中心板。
21.本发明的可选特征，可以是附加的或替代的特征，在下文公开。
22.根据某些可选特征，环的长度lloop小于20mm，优选地基本上为约17.4mm，环的宽度wloop小于2mm，优选地基本上为约1.4mm，中心板的长度lp小于20mm，优选地基本上为约16.6mm，中心板的宽度wp小于1mm，优选地基本上为约0.45mm，弯头短截线的长度lstub小于1mm，优选地基本上为约0.9mm。
23.优选地，天线由导电材料构成，优选为铜，而芯片由复合材料构成，优选为ptfe强化玻璃。
24.本发明的另一目的是一种用于跟踪在设备中的圈养在受限条件下的动物活动的方法，该设备包括至少一个笼子、设置在至少一个笼子下方的多个天线、与多个天线连接的rfid读取器、能够控制rfid读取器进行发送和接收的计算机化装置和用于安装到笼子中的圈养在受限条件下的动物的rfid标签，该标签包括天线和芯片，该天线和芯片两者都封装在由生物相容性材料制成的胶囊中，天线在展开模式下具有纵向延伸的并由具有两个弯头短截线的开环围绕的中心板，其特征在于执行以下步骤：
25.‑
为动物安装标签，
26.‑
rfid读取器在多个天线处产生电磁波传输，
27.‑
rfid读取器识别已经接收到由rfid标签发送的响应的多个天线中的一个或更多个，
28.以根据已经接收到由rfid标签发送的响应的一个或更多个天线确动物的位置。
29.本发明的可选特征，可以是附加的或替代的特征，在下文公开。
30.根据某些可选特征，计算机化装置分析在给定的时间段内哪些天线已经接收到由rfid标签发送的信号，从而确定动物的连续位置。
31.根据其他可选特征，计算机化装置借助于基于三角测量方法的算法或借助于基于指纹识别的定位算法来确定动物的位置。
32.根据其他可选特征，笼子的表面积小于1米，笼子的宽度为10至30cm，长度为25至75cm。
33.根据其他可选特征，在笼子下方分布至少四个天线，优选为六至八个天线。
34.根据其他可选特征，通过皮下注入标签将标签安装到动物，所述标签包括封装在由生物相容性材料制成的胶囊中的天线和芯片。
35.根据其他可选特征，环的长度lloop小于20mm，优选地基本上为约17.4mm，环的宽度wloop小于2mm，优选地基本上为约1.4mm，中心板的长度lp小于20mm，优选地基本上为约16.6mm，中心板的宽度wp小于1mm，优选地基本上为约0.45mm，弯头短截线的长度lstub小于1mm，优选地基本上为约0.9mm。
36.根据其他可选特征，天线由导电材料构成，优选为铜，而芯片由复合材料构成，优选为ptfe强化玻璃。
37.根据其他可选特征，rfid标签发送传递关于动物的生理状态的信息项的信号。
38.通过阅读实施方式和实施例的详细描述，并通过以下附图，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，这些实施方式和实施例绝不是限制性的，在附图中：
39.图1是根据本发明的实施例的用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的设备的示意图。
40.图2是构成根据本发明的实施例的用于安装到圈养在受限条件下的动物的标签的元件的俯视图。
41.图3是根据本发明的实施例的用于安装到圈养在受限条件下的动物的标签的横截面图。
42.出于清楚和简洁的原因，图中的附图标记对应相同的元件。
43.由于下文描述的实施例绝不是限制性的，因此可以认为本发明的变型仅包括所描述的特征的一种选择，与所描述的其他特征隔离，(即使该选择被隔离在包括这些其他特征的短语内)，如果这种特征选择足以赋予技术优势或使发明与现有技术的状态区别开来。
44.该选择包括至少一个，优选功能性的、没有结构细节的特征，或者仅具有一部分结构细节的特征，如果仅该部分就足以赋予技术优势或将发明与现有技术的状态区分开来。
45.图1描述了根据本发明实施例的用于跟踪圈养在受限条件下的动物的活动的设备。
46.该设备包括表面积小于1平方米的笼子1，即用于诸如啮齿动物之类的小动物的笼子。
47.优选地，笼子的宽度为10至30cm，长度为25至75cm。
48.多个天线2a、2b、2c设置在笼子下方，优选地设置有四至八个天线。
49.多个天线2a、2b、2c连接到读取器3，读取器3由计算机化装置4控制以进行发送和接收。
50.当然，该设备可以包括多个笼子，每个笼子配备有设置在笼子下方的一组天线。
51.多组天线可以作为一个整体连接到同一个读取器，该读取器由中央计算机化装置控制以进行发送和接收。
52.该设备还包括用于安装到笼子中的圈养在封闭条件下的动物的标签5。
53.当该标签位于其各自的场内时，该标签能够接收由设置在笼子下方的天线发送的信号。
54.该标签还能够接收由设置在笼子下方的天线发送的信号的强度(称为信号的rssi水平)。
55.该标签还能够发送信号作为响应，该信号又被发送天线接收并被发送给读取器。
56.因此，读取器向计算机化装置发送一系列信息项，这些信息项指示通过标签的接近度已经轮询了哪些天线。
57.然后就可以大致确定带有标签的动物的连续位置。
58.优选地，读取器3是与标签5相关联的rfid读取器，其也使用rfid技术。
59.优选地，标签5是配备有天线51的无源rfid标签，该天线固定在与标识符相关联的芯片52上。
60.优选地，天线51和芯片52被封装在由生物相容性材料制成的胶囊中，使得标签可以通过皮下途径注入。
61.事实上，为了在小型实验动物中植入标签，优选使用适合的注射器(或(皮下)注射器)，因为它们可以避免进行外科手术，并且可以由未经外科手术授权的动物技术人员使用.
62.应注意的是，除了小天线之外，胶囊还可以包含其他组件，例如传感器、电子芯片，或者甚至是附加的相机或电池。
63.标签5可以基于intellibio公司的芯片的格式。该标签具有尺寸为1.4x8mm的胶囊的形式，该胶囊由生物相容性玻璃制成并涂覆有聚对二甲苯以避免迁移。
64.它提供了比小型实验动物更长的寿命，并具有良好的读取性能。它的存储器是可编程的，可写入96个字母数字字符。
65.因此，标签可以包含大量关于动物生理状态的信息项。
66.现在将更详细地描述构成本发明主题之一的标签5。
67.首先，回顾在实验室测试和对小动物行为进行远程分析的背景下，低成本和实时跟踪小动物一直是众多研究的主题。
68.一个主要问题在于植入微型无线传感器的难度，这需要高技术组件，最困难的是天线。
69.事实上，尽管存在体积限制和周围生物组织的较大影响，用于生物植入式通信设备的天线的设计的主要困难在于提供有效的辐射结构。
70.尽管许多研究都涉及在医疗植入通信服务(mics)频段(402至405mhz)中使用植入天线，但应该注意的是，在这些频率处，在小动物的情况下，天线的尺寸可能才是真正的缺点，因此寻求小型化。
71.另一替选方案包括在860至960mhz的uhf频段中使用射频识别(rfid)技术。
72.事实上，它有两个主要优点：它有助于标签的植入，并且不需要附加电池来为植入的外围设备供电。
73.在进行链路预算分析后，可以计算出为实现可靠和高效通信而设计的植入天线的最低性能，然后通过不同技术优化3d无源rfid标签，以实现可以在老鼠背部植入或注入的最终结构。
74.这种3d无源rfid标签具有以下规格：
75.‑
欧洲rfid频段：865至868mhz
76.‑
最大允许尺寸：20x 2x 1mm377.‑
最小范围：5.8cm
78.‑
所使用芯片的阻抗：impinj monza r6 13
‑
j126欧姆
79.‑
建议的天线的阻抗：13+j126欧姆
80.如图3所示，标签包括天线51和芯片52，所述天线和芯片均封装在胶囊53中。
81.芯片52是由复合材料制成的基板，在这种情况下是ptfe强化玻璃，例如rt5880 duroid，其相对介电常数为约2.2，损耗因子为约0.0009，并且厚度为约0.127mm。
82.由于胶囊必须是生物相容性的，因此可以使用预应力硼硅酸盐玻璃管制成，这种玻璃管有利地具有很高的抗冲击和抗划伤能力。
83.该材料具有约4.6的相对介电常数、约0.0037的损耗因子、约0.1mm的厚度和约1.6mm的直径。
84.硼硅酸盐玻璃层具有防止植入物可能被动物身体排斥的功能，也有利于辐射波在植入天线与动物组织之间的传递。
85.如图2所示，天线51由铜板制成。
86.在展开模式下，天线51具有由开环511围绕的中心板510，该开环设有两个弯头短截线512。
87.环511的长度lloop小于20mm，优选地基本上为约17.4mm。
88.环的宽度wloop小于2mm，优选地基本上为约1.4mm。
89.中心板510的长度lp小于20mm，优选地基本上为约16.6mm。
90.中心板的宽度wp小于1mm，优选地基本上为约0.45mm。
91.弯头短截线的长度lstub小于1mm，优选地基本上为约0.9mm。
92.这种几何结构对应于非常低的天线总体积(大约36.2mm3)，因此可以获得13.4+j126,3欧姆的阻抗，总增益为
‑
23.4dbi，效率为0.2％。
93.相对于体积更大并在这些频率下操作的常规天线而言，这些值是非常能够接受的。
94.现在将描述用于跟踪在诸如上述设备中的圈养在受限条件下的动物的活动的方法，应理解至少有一只小动物被限制在表面积小于1平方米的笼子1中，多个天线2a、2b、2c设置在笼子下方并连接到rfid读取器3，计算机化装置4能够控制rfid读取器进行发送和接收。
95.根据前一步骤，需要为动物安装标签5。
96.然后，rfid读取器3在多个天线2a、2b、2c处产生电磁波的发射。
97.然后，rfid读取器3识别多个天线中的哪一个或哪些天线已经接收到由rfid标签发送的响应，从而根据已经接收到由rfid标签发送的响应的一个或多个天线确定动物的位置。
98.然后，计算机化装置4能够分析在给定的时间段内哪些天线已经接收到由rfid标签发送的信号，从而确定动物的连续位置。
99.然后，计算机化装置4可以借助于基于三角测量方法的算法或借助于基于指纹识别的定位算法或借助于wlan室内定位算法来确定动物的位置。
100.这些算法使用接收的信号强度指示(rssi)，该接收的信号强度指示是对接收器天线接收到的电磁波功率水平(测量信号的强度)进行量化的值。距离源越近，无线电信号越强，rssi水平越高。
101.根据所使用的电信技术，对rssi进行不同的估计。例如，对于4g移动网络，rssi仅在分配的载波上进行测量，而对于wi
‑
fi或3g网络，则需要仅在频段上进行测量。
102.对于rfid技术，rssi值是在其整个分配频带上进行测量。
103.然后，可以利用本地计算机上的软件程序获得这些值。
104.当从标签接收到的值大于读取器的灵敏度时，可以得出系统正确操作的结论。
105.现在来看算法，指纹识别类型的算法和wlan室内定位算法类型的算法尤其适用于在受限空间中室内地理定位困难的情况。
106.指纹识别信号的方法包括两个步骤：校准和定位。
107.校准阶段包括在预定义点获取源自固定发送器(信标)的信号的特征(通常为强度，称为rssi)，所述预定义点用于构建对应于将所收集的值(数字指纹)与对应的站点的数据库。
108.在定位阶段，移动设备获取信号的指纹，定位系统使用校准数据，结合适当的算法，以确定指纹最可能所属站点的最佳对应。
109.利用wlan(无线局域网)定位算法的方法使用非常广泛的通信系统(更广为人知的“wi
‑
fi网络”)。
110.该算法由“离线测量”和“在线测量”两个阶段构成，其中还结合了nn(最近邻(nearest neighbours))或knn(k
‑
最近邻(k
‑
nearest neighbours))类型的不同定位算法。
111.因此，根据本发明的设备和方法允许准确地记录圈养在受限条件下的实验动物的运动。
112.由该设备收集的数据也可以用于人工智能技术。
113.因此，通过使用深度学习来分析小实验动物的行为和运动成为可能。
114.这是一种人工智能技术，旨在基于一定数量的信息项来预测特定行为。
115.这些数据可以证明例如这些动物的行为规癖，行为规癖通常被定义为没有明显的目标或功能的重复的、不变的行为。
116.基于这些数据，例如可以确定动物的活动是反应性、病理性、行为性或器质性表现。
117.应当注意，本发明的不同特征、形式、变型和实施例能够以各种组合组合在一起，只要它们不互不相容或相互排斥。