CN106248901A - 一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用鱼类生物电信号频谱变化来监测水质的方法，通过对采集的鱼类两种活动电信号进行分析，以鱼类呼吸运动和游泳运动所占的功率在总运动功率中的比例变化作为判定依据，识别有毒物质对水体的危害程度。利用本发明，可以在提高系统对毒物敏感性的同时，有效消除了由鱼的个体差异等所带来的测量误差，并且无需外加设备，进一步提高了系统的精度。

Description

一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法

技术领域

本发明属于环境保护中水质监测的技术领域，特别涉及一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法。

背景技术

鱼类作为水生食物链的顶层生物，它的生命行为是水质毒性监测的重要指标。鱼类对水环境的变化十分敏感，当水体中的有毒物质达到一定浓度时就会引起一系列中毒反应，这些反应可以监测水体是否受到有毒物质污染的判定依据。

在[1]中，鱼的活动电位(电压值)变化是监测系统判定水体中有有毒物质的判定依据。由于系统对生物电信号提取的精度等问题，该系统只能采用鲫鱼或锦鲤等体长特定的鱼类。体长小于3cm的鱼类由于所得电位小，体长大于15cm的鱼由于电位大，不能使用在该系统中。斑马鱼，青鳉鱼等国际通用的毒性实验标准用鱼具有与人类极为相似的毒性反应，这种鱼的体长均小于3cm，可见在发明[1]中，由于系统的精度以及判定依据的问题，发明的实用性值得商榷。

在[2]中，科学工作者利用德国的DFB多物种净水监测仪对有毒物质进行了监测，DFB系统也提出了将鱼类的运动按照频率不同加以区分，在判定水体是否受到有毒物质污染时，也采用的是监测生物行为强度的变化作为判定依据。在该方法中为了提高灵敏度，对观测电极要加外加电场，类似于AM调制，对监测结果有一定的影响。同时生物个体差异，数量差异以及与电极位置关系等带来的对监测数据的影响并不能消除。

在[3]中，杭州电子科技大学的工作者通过对鱼类的运动图像进行监测，并通过对运动情况的变化进行水质监测。鱼的运动要产生显著的变化(翻转，撞击水槽，规避毒物)必然需要毒物浓度提高，这对系统的精度是个限制。

[1]邹一平，王磊，洪鼎宙，“利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法”，200510019149.5.

[2]赵晓艳，刘丽君，聂湘平，何秀婷，程章，“利用多物种净水监测仪在线监测水体抗生素药物及有机磷农药”，环境科学学报，第30卷第1期，180-185,2010.

[3]胡江龙，方景龙，王大全，“多目标跟踪算法在水质监测中的应用”，机电工程，第29卷第5期,2012.

发明内容

本发明的目的是提出一种利用鱼类生物电信号频谱变化来监测水质的方法，通过对采集的鱼类活动电信号进行分析能够帮助识别有毒物质对水体的危害程度。以鱼类呼吸运动和游泳运动所占的功率在总运动功率中的比例变化作为判定依据，在提高系统对毒物敏感性的同时，有效消除了由鱼的个体差异等所带来的误差，进一步提高了系统的精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：提出一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，包括以下几个监测步骤：

步骤(A)，对水中鱼类活动电信号f(t)进行测量，鱼类的活动按照频率分为呼吸运动以及游泳运动，设置游泳运动信号频率f₁范围为[x₀，x₁]，呼吸运动信号频率f₂范围为[x₂，x₃]，游泳运动效率恒定比为a，呼吸运动效率恒定比为b，毒素报警范围值为θ，x₀，x₁，x₂，x₃为常数；

其中，鱼类活动电信号f(t)的信号周期为T；从f(t)中截取的一段，得到一个截短函数f_T(t)，对这个时间信号进行傅里叶变换可以得到F_T(jω)；当T→∞时，定义为f(t)的功率谱密度；

步骤(B)，对功率频谱密度在不同运动频率段进行积分计算得到对应运动的的生物电信号功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应游泳运动的生物电信号功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应呼吸运动的生物电信号功率P2；

其中，在频域下进行计算，为f(t)的功率频谱密度，对功率频谱密度进行积分得到生物电信号功率，如式(1)所示：

$P=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_0}^{{\mathrm{\ω}}_1}\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{|F_T\left(j\mathrm{\ω}\right){|}^2}{T}d\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

式中，角频率ω₀和ω₁可由频率计算得到，计算公式为ω＝2πf；游泳运动时角频率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸运动时角频率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步骤(C)，对所得的游泳运动和呼吸运动的生物电信号功率求和得到总功率PT，PT＝P1+P2；

步骤(D)，对所得实时效率P1/PT和P2/PT进行对比测量，当或时，报警器发出信号警示，否则，跳转到步骤(A)进行下一轮测量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将鱼类活动电位按照频率分为呼吸运动和游泳运动，从而能在两种数值的变化中监测水质，提高了系统对水中毒物敏感度；

2、以呼吸运动和游泳运动所占的功率在总运动功率中的比例变化作为判定依据，在提高系统对毒物敏感性的同时，有效消除了由于鱼类的个体差异问题等带来的监测误差，进一步提高了系统的精度；

3、由于测量值为电位信号频率，无需限定鱼类大小或种群，可采用斑马鱼、青鳉鱼等国际通用的毒性实验标准用鱼，其具有与人类极为相似的毒性反应，有效监测饮用水源的安全；

4、无需加外加电场或AM调制，避免因为生物个体、数量差异以及与电极位置关系等带来的对监测数据的影响，提高监测的准确性。

附图说明

图1是本发明的监测方法流程图；

图2是本发明具体实施例中，所述毒物进入水体前两种运动的功率比例变化示意图；

图3是本发明具体实施例中，所述毒物进入水体后两种运动的功率比例变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，包括以下几个监测步骤：

步骤(A)，对水中鱼类活动电信号f(t)进行测量，鱼类的活动按照频率分为呼吸运动以及游泳运动，设置游泳运动信号频率f₁范围为[x₀，x₁]，呼吸运动信号频率f₂范围为[x₂，x₃]，游泳运动效率恒定比为a，呼吸运动效率恒定比为b，毒素报警范围值为θ，x₀，x₁，x₂，x₃为常数；

其中，鱼类活动电信号f(t)的信号周期为T；从f(t)中截取的一段，得到一个截短函数f_T(t)，对这个时间信号进行傅里叶变换可以得到F_T(jω)；当T→∞时，定义为f(t)的功率谱密度；

步骤(B)，对功率频谱密度在不同运动频率段进行积分计算得到对应运动的的生物电信号功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应游泳运动的生物电信号功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应呼吸运动的生物电信号功率P2；

其中，在频域下进行计算，为f(t)的功率频谱密度，对功率频谱密度进行积分得到生物电信号功率，如式(1)所示：

$P=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_0}^{{\mathrm{\ω}}_1}\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{|F_T\left(j\mathrm{\ω}\right){|}^2}{T}d\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

式中，角频率ω₀和ω₁可由频率计算得到，计算公式为ω＝2πf；游泳运动时角频率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸运动时角频率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步骤(C)，对所得的游泳运动和呼吸运动的生物电信号功率求和得到总功率PT，PT＝P1+P2；

步骤(D)，对所得实时效率P1/PT和P2/PT进行对比测量，当或时，报警器发出信号警示，否则，跳转到步骤(A)进行下一轮测量。

前述游泳运动效率恒定比a，呼吸运动效率恒定比b的计算步骤为：

步骤(E)，在国际标准的安全水质情况下，对所测得的水中鱼类的信号频率f进行判断：在f₁∈[x₀，x₁]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应游泳运动的生物电信号功率P1a，在f₂∈[x₂，x₃]的情况下，对所测得的功率对应的频谱密度进行积分可以求得对应呼吸运动的生物电信号功率P2b；

步骤(F)，对所得的游泳运动和呼吸运动的生物电信号功率求和得到总功率PT'，PT'＝P1a+P2b；

步骤(G)，计算a＝P1a/PT'，b＝P2b/PT'。

前述鱼类为斑马鱼或青鳉鱼。

前述步骤(A)中所述游泳运动信号频率f₁范围为[0,2Hz]。

前步骤(A)中所述呼吸运动信号频率f₂范围为[4Hz,10Hz]。

前步骤(A)中所述毒素报警值为20％。

如下给出该方法的一个具体实施例。

f(t)就是测得的鱼类活动电信号所代表的函数，这是个未知方程，可以通过实测数据进行拟合。在本发明中，直接对时域信号进行了傅里叶变换，后续数据处理都是在频域进行的。信号可以采用金属电极(如铜片，不锈钢铁片等制成)，电极接上处理电路。时域信号做傅里叶变换即变为频域信号，然后根据频率区分生物电信号到底是哪部分运动产生的。测量值是频谱密度，但是首先要明确测量信号的频率，这才能求解频谱密度积分的频率范围。

如图2所示，在未投入有毒物质时，所测游泳运动效率恒定比a为P1`/PT＝54.3％，呼吸运动效率恒定比b为P2`/PT＝45.7％。如图所示各种运动在总功率中所占比例基本恒定，从而消除了鱼个体、数目、疲劳程度等带来的对监测水质的影响。

如图3所示，在水中投入有毒物质后，所测P1/PT＝34.3％，P2/PT＝74.3％分别与前测a＝54.3％和b＝45.7％进行比较，均大于20％的毒素报警范围值，则系统发出警报。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：包括以下几个监测步骤：

步骤(A)，对水中鱼类活动电信号f(t)进行测量，鱼类的活动按照频率分为呼吸运动以及游泳运动，设置游泳运动信号频率f₁范围为[x₀，x₁]，呼吸运动信号频率f₂范围为[x₂，x₃]，游泳运动效率恒定比为a，呼吸运动效率恒定比为b，毒素报警范围值为θ，x₀，x₁，x₂，x₃为常数，t为时间系数；

其中，鱼类活动电信号f(t)的信号周期为T；从f(t)中截取的一段，得到一个截短函数f_T(t)，对这个时间信号进行傅里叶变换可以得到F_T(jω)；当T→∞时，定义为f(t)的功率谱密度；

步骤(B)，对功率频谱密度在不同运动频率段进行积分计算得到对应运动的的生物电信号功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应游泳运动的生物电信号功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应呼吸运动的生物电信号功率P2；

其中，在频域下进行计算，为f(t)的功率频谱密度，对功率频谱密度进行积分得到生物电信号功率，如式(1)所示：

$P=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\ω}}_0}^{{\mathrm{\ω}}_1}\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{|F_T\left(j\mathrm{\ω}\right){|}^2}{T}d\mathrm{\ω}---\left(1\right)$

式中，角频率ω₀和ω₁可由频率计算得到，计算公式为ω＝2πf；游泳运动时角频率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸运动时角频率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步骤(C)，对所得的游泳运动和呼吸运动的生物电信号功率求和得到总功率PT，PT＝P1+P2；

步骤(D)，对所得实时效率P1/PT和P2/PT进行对比测量，当或时，报警器发出信号警示，否则，跳转到步骤(A)进行下一轮测量。

2.根据权利要求1所述的一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：所述游泳运动效率恒定比a，呼吸运动效率恒定比b的计算步骤为：

步骤(E)，在国际标准的安全水质情况下，对所测得的水中鱼类的信号频率f进行判断：在f₁∈[x₀，x₁]的情况下，对所测得的功率频谱密度进行积分可以求得对应游泳运动的生物电信号功率P1a，在f₂∈[x₂，x₃]的情况下，对所测得的功率对应的频谱密度进行积分可以求得对应呼吸运动的生物电信号功率P2b；

步骤(F)，对所得的游泳运动和呼吸运动的生物电信号功率求和得到总功率PT'，PT'＝P1a+P2b；

步骤(G)，计算：a＝P1a/PT'，b＝P2b/PT'。

3.根据权利要求1所述的一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：所述鱼类为斑马鱼或青鳉鱼。

4.根据权利要求1所述的一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：步骤(A)中所述游泳运动信号频率f₁范围为[0,2Hz]。

5.根据权利要求1所述的一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：步骤(A)中所述呼吸运动信号频率f₂范围为[4Hz,10Hz]。

6.根据权利要求1所述的一种利用鱼类活动电位功率变化监测水中有毒物质的方法，其特征在于：步骤(A)中所述毒素报警值为20％。