基于树莓派的RFID小鼠识别

原创于 2025-10-26 12:56:12 发布 · 716 阅读

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#RFID # 小鼠 # 开源 # 树莓派 # 自动化

成本效益高的基于树莓派的射频识别小鼠标记方法，适用于自动化体内成像

摘要

背景：动物实验的自动化可提高一致性，减少潜在错误，同时降低动物应激并提升其福利。射频识别（RFID）标记可用于在群养环境中识别个体小鼠，从而实现对生理参数的个体化追踪。

新方法 ：我们描述了一种简单的射频识别（RFID）标签标记和检测小鼠的方案。在短暂的异氟烷麻醉后，将RFID标签皮下注射，无需缝合或切口等手术步骤。我们采用玻璃封装125 kHz标签，可在距离天线30.2±2.4 mm范围内读取。通过使用树莓派单板计算机和标签读取器，可实现自动记录，并可通过Python实现跨平台支持。

结果：我们提供了用Python编写的示例软件，以提供一种灵活且成本效益高的系统，用于记录多只小鼠的体重及其与预设目标的关系。

与现有方法的比较 ：该样本软件可作为任何需要识别和跟踪特定动物的行为或生理任务的基础。最近，我们已将此标记系统应用于家笼内的自动化小鼠脑成像。

结论：我们提供了一种成本效益高的解决方案，利用开源软件促进其在自动化成像或在使用食物或水限制作为特定行为动机的任务中追踪个体动物体重等应用中的采用。

关键词 ：自动化；射频识别；开源；小鼠；行为

1. 引言

动物识别是任何基础或应用研究的关键部分，但正确的动物识别容易受到人为错误的影响。在使用啮齿类动物的研究中，可以通过剪耳标记、剪趾标记或尾巴标记来识别个体动物。在这些方法中，耳标从福利角度来看问题最少，但标记可能随着时间推移变得模糊，导致识别错误。此外，在存在笼具合并的情况下，可能出现重复编号，需要额外进行耳标操作，这可能对成年动物造成应激。

我们提出了一种利用射频识别技术来识别小鼠的低成本系统。基于USB的射频识别读取器与植入小鼠体内的射频识别标签进行交互。该射频识别读取器可兼容任何支持USB的计算机，尽管树莓派可能是最具成本效益的选择。之前的一种方法使用了光激活微型应答器；然而，这种方法的一个缺点是需要通过抓颈固定动物，而这在我们先前描述的自主行为测试中是不可行的。

目前已有商业可获得的动物射频识别标签和读取器，例如FriendChip以及Kent Scientific的产品，但这些方案成本较高，并且由于其专有性，难以轻松集成到定制应用中。我们所采用的系统可在所有主流操作系统上部署，并能方便地整合到更复杂的行为任务中。尽管已有其他基于研究的动物射频识别标记系统被描述，我们的方法旨在提供一种采用开源软件的成本效益高解决方案，以促进该技术在科研社区中的应用，例如在自动化成像或追踪动物体重等场景中，尤其是在涉及食物或水限制作为特定行为任务动机的任务中。

2. 方法

2.1 硬件概述

该系统使用惰性玻璃封装标签（长度为12.25毫米）（图1A），将其皮下植入小鼠颈背部。通过连接至3D打印支架的USB RFID读取器（图1B）对唯一的标签进行识别和记录。这种识别系统的优势在于可以消除重复，并显著减少人为错误。可使用一款价格低廉的35美元树莓派单板计算机（图1C）与读取器连接，借助所提供的灵活Python开源软件实现数据收集。

2.2 标签植入

所有实验程序均经不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会批准，并符合加拿大动物护理与使用委员会的指南。实验使用了一笼五只Thy1-GCaMP6小鼠（C57BL/6J-Tg(Thy1-GCaMP6f)GP5.5Dkim/J，来自杰克逊实验室）以演示该操作流程。

通过放置无菌手术单创建无菌区域。小鼠在诱导室内用2%异氟烷短暂麻醉。将失去意识的小鼠放置在无菌手术单上，并以1.5%异氟烷维持麻醉（图2B）。使用无菌注射针和注射器（阿里巴巴 https://www.alibaba.com/product-detail/RFID-Syringe-embedded-12mm-microchip_1620554840.html)（图2A；所有部件见表1）装载灭菌的射频识别标签（浸泡于70%乙醇溶液中）。注意，我们将注射器附带的标签替换为Sparkfun提供的型号（125kHz玻璃RFID标签 SEN-09416）。使用镊子拨开躯干胸部区域的毛发，并用聚维酮碘对该区域进行消毒，露出一小块皮肤（图2C），作为注射针头的目标位置。使用注射针头在暴露的皮肤上做切口，并注意确保穿透真皮层，而非下方的肌肉。将针头向前推进并与脊髓平行，直至到达颈背部（图2D）。我们选择颈背部是因为小鼠较难抓挠切口位置，从而降低标签脱落和感染的概率。在插入过程中，使用注射器活塞将标签推出，然后撤回针头，使标签保留在原位。给予小鼠丁丙诺啡（2mg/ml），并在其家居笼中恢复至少三天后，再进行任何行为训练。或者，也可给予小鼠5mg/kg的卡洛芬口服片剂（Kendall 等，2014），并在其家居笼中恢复至少三天后，再进行任何行为训练。

2.3 电子设备

射频识别标签的玻璃圆柱体（直径为1.93毫米，长度为12.25毫米）购自Sparkfun（SEN-09416）。这些标签的工作频率为125千赫，并编码一个32位不可重新编程的唯一ID。

RFID标签使用基于USB的射频识别读取器（型号ID-20LA SparkFun）进行读取。选择 SEN-09416标签是因为它与同样来自Sparkfun的ID Innovations公司生产的标签读取器兼容。我们预计，从阿里巴巴.com等网站购买的其他125千赫玻璃胶囊，只要其编码类型和频率响应与SEN-09416相匹配，也将适用。

数据的收集和整理使用树莓派Model 2B计算机，并通过使用Python编写的定制软件完成（参见补充材料中的代码）。该软件记录小鼠ID，并将精确的时间戳和特定事件与小鼠ID结合。尽管我们使用了树莓派，但通过安装Python（3.4或更高版本）并使用Sparkfun基于USB的标签读取器，该系统也可在任何PC上运行。

3. 结果

3.1 称重协议

最近，一些研究采用限水方案对小鼠进行处理，以激励它们执行特定行为任务。在这些研究中，追踪动物的体重至关重要，以确保它们处于健康状态，特别是当实验需要慢性限水时。我们提供了示例软件，利用植入式RFID标签进行识别，以追踪小鼠的体重。该软件（参见补充材料中的带注释的Python代码）运行后，将小鼠放置在距离标签读取器25 mm范围内，直到程序提示识别成功（参见补充材料中称重台的3D示意图）。小鼠的体重通过天平测量，并在程序提示时输入。程序将数据记录到依赖于小鼠ID的文本文件中，新数据被追加到文件末尾，并且可以使用Syncthing等自建云服务轻松实现自动备份。该软件使用Python编写，代码为开源，遵循MIT许可证。

该软件采用模块化格式编写。例如，标签读取器类可以导入到更复杂的复杂行为和/或成像程序中。要运行该软件，必须安装Python 3.4+以及pyserial库。必须指定Windows系统的COM端口或Linux系统的/dev/ttyUSBx端口，然后使用该端口作为参数创建TagReader对象。此时调用read_tag()函数，当检测到标签时将返回表示标签ID的整数。该函数可用于更复杂的行为任务中，并可在根据小鼠的ID初始化特定的任务参数之前等待检测到小鼠。

示意图0

示意图1

表1：部署RFID系统的部件清单

Part	供应商	目录号
RFID玻璃胶囊（125 kHz）	Sparkfun	SEN-09416
RFID读取器ID-20LA（125 kHz）	Sparkfun	SEN-11828
Sparkfun RFID USB读取器	Sparkfun	SEN-09963
RFID注射器 12毫米芯片	阿里巴巴	射频识别-注射器嵌入式-12毫米-microchip_1620554840.html
## 4. 讨论

基于射频识别的动物记录系统相较于传统识别方法具有多项优势。由于该系统完全基于计算机，可消除大多数人为错误；由于每只动物植入的标签都是唯一的，因此只需确保最初选择的是正确的小鼠即可。该系统能够减少研究人员接触和操作动物的次数，从而降低动物应激及相关干扰因素。甚至可以通过构建射频识别标签耦合门来实现动物的自动分拣。我们所描述的系统成本效益高，包含五个标签的完整单元成本约为85美元。单个射频识别读取器系统可以读取任意数量的不同标签。使用者只需具备容纳多只动物的基础设施，以及为每只动物配备一个售价5美元的标签。此外，还可以将多个笼子连接在一起，使动物通过一个小型腔室，从而高效读取其标签信息。

玻璃封装标签在小鼠皮肤下保持完整，无感染不适或标签降解的迹象。这些标签可回收，并在灭菌后于小鼠达到实验终点时用于未来的实验中。在一项自动化成像实验中，16只小鼠研究显示，标签在三个多月内保持完整，且无任何故障。

尽管我们描述了用于称重的开源软件，但该代码也可用作复杂行为、成像或光遗传学任务的基础。最近，我们使用类似的标签读取器和标签，在自动头部固定的小鼠中触发脑成像。我们的标记软件和硬件也可作为更复杂任务的基础，例如利用射频识别标签读取器网格来追踪社会互动，或将动物在其家园笼内的特定任务区域进行分类。对小鼠社会互动的评估是神经科学的一个令人兴奋的前沿领域，已通过使用微软公司的Kinect传感器获取的深度传感器数据进行分析来实现。

以及创见科技有限公司的Senz3D深度和手势传感器。在本研究中，我们通过对比毛色来区分个体小鼠。笼子内的射频识别标签读取器网格有助于监测社交互动，避免了基于视频分析毛色标签（如染料或漂白剂）或其他策略在多于两只小鼠时可能产生的遮挡和混淆问题。RFID标签还可用于分配水，如在我们的自动固定头部成像任务中，或扩展用于分配针对动物个体的药物剂量，而无需反复抓取带来的应激。目前，Sparkfun读取器可在30.2±2.4毫米（n=10）的距离内读取传感器附近的标签，这些距离可以通过使用屏蔽罩降低效率，或通过更强的外部天线实现更远距离的读取。由于小鼠经过标签读取器时可能移动迅速，我们估计使用标准天线时标签仍能被读取的最小速度为0.47米/秒。鉴于该速度低于C57BL/6小鼠的最高速度（Billat, 2005），可以采取一些措施，例如增加障碍物、屏障或死胡同腔室，以提高读取准确性（Murphy等，2016年）。ID创新数据手册（https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/ID/ID-2LA,%20ID-12LA,%20ID-20LA2013-4-10.pdf）中描述了另一种增强信号的方法。该数据手册指出，根据所使用的电源，可以添加低通滤波器，以确保输出电压纹波不会影响天线上的交流频率。该数据手册还提到使用更大尺寸的自制天线，这也将增加读取距离。然而，我们指出更长的读取距离并不总是有利的，因为这可能会增加动物之间的串扰。

在其他应用中，射频识别标签与构成网格的多个标签读取器结合使用，可在笼内定位单个动物。多个标签读取器的一个潜在问题是天线之间的干扰。然而，商业系统中已实施的一种简单解决方案是间歇性地脉冲激励天线，以便快速但顺序地进行读取（Phenosys Social Video 系统）。