CN109222959B - 一种鱼类心电实时采集系统及水环境监测方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鱼类心电实时采集系统及水环境监测方法、系统，该系统包括：鱼类心电实时采集装置和红外信号接收装置；所述鱼类心电实时采集装置通过契合鱼类外形的载体安装于鱼体上，所述载体实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态；所述鱼类心电实时采集装置包括防水外壳，所述防水外壳内固定放置微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置和电池，所述微型心电信号处理装置通过导线连接电极，电极刺入鱼体围心腔内采集原始心电信号；红外信号发射装置分别与电池和微型心电信号处理装置连接，发射处理后的心电信号至与其配合的红外信号接收装置，完成鱼类实时心电信号采集。

Description

一种鱼类心电实时采集系统及水环境监测方法、系统

技术领域

本公开属于水生生物心电信号采集的技术领域，涉及一种鱼类心电实时采集系统及水环境监测方法、系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在水生生物生理特征的提取方向，普遍要求采集水生生物的心电，以了解心率、心律，以及可能存在有关波形的变化，而水生生物通常选取鱼类为水体环境的指示生物。但是我国对鱼类心电采集技术的研究比较少，对水中正常游动的鱼的心电采集技术的研究更少，而且各类采集技术大多应用于生理学，很少应用于水环境监测。

为了能够准确监测水环境的水质状况，越来越多的研究者利用生物来评价和监测水质环境，那么生物水质监测的方法与评价指标也有很多种，但是利用心电参数来评价水质是很少能够实现的。

在采集鱼类的心电信号的过程中必须保证鱼体不乱挣扎摆动，从而避免出现由于鱼的游动而导致的电极错位甚至滑落的情况；目前采集鱼类的心电信号普遍采用将鱼类麻醉后平放于实验台，将电极一端埋入鱼体腹部靠近胸鳍部位的围心腔内，将电极另一端通过导线与心电采集分析仪器连接。现有的采集鱼类的心电信号的方法存在以下不足。

第一，目前采集鱼类心电都需要将采集电极与心电采集分析仪器连接，以确保采集到的心电信号能够正常的记录与输出，并通过人工得以保存，这样对于空间上就不能保证鱼的正常状态，由于导线的有限以及电路在水中不能工作，鱼体表比较滑且容易挣扎摆动，所以不能将采集仪器放在鱼体身上或水中，很难像人类便携式心电测量仪那样去采集心电信号，不能避免空间上的限制。

第二，实验前的麻醉对于鱼类的生理、病理特征带来一定影响，对心率测量有一定干扰，在麻醉状态下采集的心电难以反映其正常的生理特征；另外，离水的操作很易导致实验鱼类因缺水而死亡，而水平放置于实验台无法使鱼类保持在水中的正常状态从而导致心电信号测量的不准确。

第三，目前现有的鱼类心电采集方法采集时间较短，由于鱼体离水后正常生命活动维持较短，因此不能进行长时间的实时在线采集，不能得到连续的心电信号，无法读取与分析心电的准确时间的变化。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，解决在保证被测鱼在水中自由游动的正常状态下如何长时间连续实时在线采集鱼类心电信号以及如何监测水环境的问题，本公开的一个或多个实施例提供了一种鱼类心电实时采集系统及水环境监测方法、系统，实现在鱼类心电采集过程中保持被测鱼在水中正常游动的状态，并能够进行连续实时在线采集，有效保证采集到的心电信号的实时性、有效性及准确性。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种鱼类心电实时采集系统。

一种鱼类心电实时采集系统，该系统包括：鱼类心电实时采集装置和红外信号接收装置；

所述鱼类心电实时采集装置通过契合鱼类外形的载体安装于鱼体上，所述载体实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态；

所述鱼类心电实时采集装置包括防水外壳，所述防水外壳内固定放置微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置和电池，所述微型心电信号处理装置通过导线连接电极，所述防水外壳底端设置引出电极的电极引出口，电极刺入鱼体围心腔内采集原始心电信号，并将心电信号通过导线传输至所述微型心电信号处理装置进行处理；所述防水外壳侧面设置用于放置红外信号发射装置的通孔，所述红外信号发射装置发射端由所述防水外壳主体内穿过通孔且与通孔密封连接，所述红外信号发射装置分别与电池和微型心电信号处理装置连接，发射处理后的心电信号至与其配合的红外信号接收装置，完成鱼类实时心电信号采集；

所述红外信号接收装置安装于水槽侧壁，用于接收处理后的心电信号。

进一步地，所述载体采用低密度材质实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态。

进一步地，所述防水外壳包括防水外壳主体和与其密封连接防水盖。

进一步地，所述防水盖为可拆卸防水盖，与所述防水外壳主体螺纹连接。

进一步地，所述微型心电信号处理装置包括依次连接的心电采集电路、心电带通放大电路和低功耗处理器；所述心电采集电路用于将电极采集的原始心电信号转化为心电模拟信号输出，所述心电带通放大电路用于将心电模拟信号进行带通滤波和信号放大，所述低功耗处理器用于将滤波放大后的心电信号进行小波分解并利用小波分解结构重构滤波后的信号系数，获得去噪后的心电信号。

进一步地，该装置还包括电源管理电路，所述电池与电源管理电路连接，通过电源管理电路分别与微型心电信号处理装置、存储装置连接。

进一步地，所述微型心电信号处理装置、存储装置、电源管理电路和电池均安装于所述电路板，所述防水外壳主体内设置对称的两个电路板定位槽安装电路板，所述电路板宽度等于两个电路板定位槽的间距。

进一步地，所述导线数量为三根，三根导线末端分别连接一根电极。

进一步地，所述导线为铜丝制作而成，铜丝外包裹外皮，所述外皮为TPE热塑型橡胶。

进一步地，所述电极采用银质细针制备，所述银质细针直径为0.25mm，并带有针尖。

进一步地，所述红外信号接收装置包括第一红外信号接收装置、第二红外信号接收装置和第三红外信号接收装置，均匀分布于水槽侧壁。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种水环境监测方法。

一种水环境监测方法，基于所述一种鱼类心电实时采集系统，该方法包括接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种水环境监测系统。

一种水环境监测系统，包括一种鱼类心电实时采集系统和计算机，所述计算机接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

本公开的有益效果：

1、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置小巧轻便，方便鱼携带在鱼体身上；载体可以将防水外壳所包裹的微型心电信号处理装置和电池承载起来，载体的浮力与该装置的重力相同，这样对于鱼体不会造成任何外力，不会使鱼负重，鱼能够在水中正常自然状态游动；

2、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置中防水外壳将微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置、红外信号发射装置和电池密封包裹起来，使整个装置能够在水中滞留，并且能够用在水中进行心电信号的采集；

3、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置中红外信号发射装置作为信号发射器能够发射心电信号，使得信号能够经由水相到气相进行传输，并由信号接收器进行接收；

4、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置能够连续实时的采集鱼类的心电信号，能够将所采集的心电信号进行滤波除噪，并且能够将所采集的心电信号进行存储；

5、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置，由于该装置可以在水中滞留并且采集心电信号，因此此技术可以长时间的连续在水中采集鱼类的心电，其采集条件需满足电池电量可用状态。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是根据一个或多个实施例的一种鱼类心电实时采集系统结构示意图；

图2是根据一个或多个实施例的红外信号接收装置安装示意图；

图3是根据一个或多个实施例的鱼类心电实时采集装置示意图；

图4是根据一个或多个实施例的防水外壳示意图；

图5是根据一个或多个实施例的防水外壳内部结构示意图；

图6是根据一个或多个实施例的一种鱼类心电实时采集装置原理示意图；

图7是根据一个或多个实施例的一种水环境监测系统示意图；

其中，1是防水外壳，2是电池，3是红外信号发射装置，4是微型心电信号处理装置，5是导线，6是电极，7是载体，8是鱼体，9是水槽，10是红外信号接收装置，11是计算机。

具体实施方式：

下面将结合本公开的一个或多个实施例中的附图，对本公开的一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

针对现有技术中存在的不足，解决在保证被测鱼在水中自由游动的正常状态下如何长时间连续实时在线采集鱼类心电信号的问题，本公开的一个或多个实施例提供了一种鱼类心电实时采集方法及装置、系统，实现心电采集装置的微型化可佩带在被测鱼体上，在鱼类心电采集过程中保持被测鱼在水中正常游动的状态，并能够进行连续实时在线采集，有效保证采集到的心电信号的实时性、有效性及准确性。

图1是适用于本实施例的种鱼类心电实时采集系统结构示意图，如图1所示，

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种鱼类心电实时采集装置，

一种鱼类心电实时采集系统，该系统包括：鱼类心电实时采集装置4和红外信号接收装置10；

所述鱼类心电实时采集装置4通过契合鱼类外形的载体7安装于鱼体8上，所述载体实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态；所述载体采用低密度材质实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态。本实施例采用鞍状载体，鞍状载体选用低密度材质，根据装置外形经人工手工制作而成，与装置契合后放在水里能够不至于下沉，也不会上浮，达到刚好其重力与浮力相等的状态，避免给鱼体造成负重，影响鱼的正常游动。将鱼类心电实时采集装置4固定在鱼体背部，使鱼能够背着鱼类心电实时采集装置4在水中处于正常状态自由的游动，无负重现象。

所述鱼类心电实时采集装置包括防水外壳2，所述防水外壳2内固定放置微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置和电池1，所述微型心电信号处理装置4通过导线5连接电极6，所述防水外壳底端设置引出电极的电极引出口，电极6刺入鱼体围心腔内采集原始心电信号，并将心电信号通过导线传输至所述微型心电信号处理装置4进行处理；

所述防水外壳侧面设置用于放置红外信号发射装置的通孔，所述红外信号发射装置发射端由所述防水外壳主体内穿过通孔且与通孔密封连接，所述红外信号发射装置分别与电池和微型心电信号处理装置连接，发射处理后的心电信号至与其配合的红外信号接收装置，完成鱼类实时心电信号采集。红外信号发射装置采集到的心电信号发射出去，并且能够穿过水相与气相发射到红外信号接收装置。红外信号发射装置具有与电池接触的金属对应接口，以便于连接电池，供应微型心电信号处理装置和与其连接的存储装置通电。

所述红外信号接收装置安装于水槽侧壁，用于接收处理后的心电信号。如图2所示，所述红外信号接收装置包括第一红外信号接收装置、第二红外信号接收装置和第三红外信号接收装置，分别分布于水槽的三个侧壁。

导线与微型心电信号处理装置相连接，主要用来传输信号，从防水外壳的一端发出，所述导线数量为三根，三根导线末端分别连接一根电极。所述导线为铜丝制作而成，铜丝外包裹外皮，所述外皮为TPE热塑型橡胶。所述电极采用银质细针制备，所述银质细针直径为0.25mm，并带有针尖，以便刺入鱼体围心腔内。

如图3所示为与实物2:1的防水外壳示意图，所述防水盖为可拆卸防水盖，与所述防水外壳主体螺纹连接。

图4为与实物1:1的防水外壳内部结构示意图，如图4所示，所述微型心电信号处理装置包括依次连接的心电采集电路、心电带通放大电路和低功耗处理器；所述心电采集电路用于将电极采集的原始心电信号转化为心电模拟信号输出，如图5所示的根据一个或多个实施例的心电采集电路原理图，采用AD8233芯片，完全集成的单导联心电图(ECG)前端，将心电电极采集的原始心电信号转化为心电模拟信号输出所述心电带通放大电路用于将心电模拟信号进行带通滤波和信号放大，所述低功耗处理器用于将滤波放大后的心电信号进行小波分解并利用小波分解结构重构滤波后的信号系数，获得去噪后的心电信号；所述低功耗处理器采用STM32L4低功耗处理器。

所述微型心电信号处理装置采集鱼体的心电信号，通过滤波技术把干扰信号过滤掉，并通过存储装置将过滤后的信号长期存储起来，存储时间可达30天以上，该装置具有采集功能、滤波功能与存储信号功能。滤波功能的主要技术是，先使用零相位数字滤波器，然后通过使用coif5小波执行10级一维小波分析来获得小波分解。利用小波分解结构和coif5小波，进一步重构了滤波后的信号系数。根据Stein无偏风险，软阈值，电平噪声水平相关估计以及10级coif5小波的原理，最终从上述重构小波分解结构中获得去噪信号。

图6是根据一个或多个实施例的一种鱼类心电实时采集装置原理示意图。

该装置还包括电源管理电路，所述电池与电源管理电路连接，通过电源管理电路分别与微型心电信号处理装置、存储装置连接。

所述微型心电信号处理装置、存储装置、电源管理电路和电池均安装于所述电路板，所述防水外壳主体内设置对称的两个电路板定位槽安装电路板，所述电路板宽度等于两个电路板定位槽的间距。

防水外壳是由金属合金制成，将微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置、红外信号发射装置和电池密封包裹起来，密封处是设计为螺纹连接结构，方便拆卸以更换电池等。

本公开装置微型化装置小巧轻便，方便鱼携带在鱼体身上；将该装置固定在鱼体背部，使鱼能够背着该装置在水中处于正常状态自由的游动，并且能够采集、存储并发射正常状态的心电信号。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种水环境监测方法。

一种水环境监测方法，基于所述一种鱼类心电实时采集系统，该方法包括接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种水环境监测系统。如图7所示，

一种水环境监测系统，包括一种鱼类心电实时采集系统和计算机11，所述计算机接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

本公开的有益效果：

1、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置小巧轻便，方便鱼携带在鱼体身上；载体可以将防水外壳所包裹的微型心电信号处理装置和电池承载起来，载体的浮力与该装置的重力相同，这样对于鱼体不会造成任何外力，不会使鱼负重，鱼能够在水中正常自然状态游动；

2、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置中防水外壳将微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置、红外信号发射装置和电池密封包裹起来，使整个装置能够在水中滞留，并且能够用在水中进行心电信号的采集；

3、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置中红外信号发射装置作为信号发射器能够发射心电信号，使得信号能够经由水相到气相进行传输，并由信号接收器进行接收；

4、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置能够连续实时的采集鱼类的心电信号，能够将所采集的心电信号进行滤波除噪，并且能够将所采集的心电信号进行存储；

5、本公开所述的一种鱼类心电实时采集装置，由于该装置可以在水中滞留并且采集心电信号，因此此技术可以长时间的连续在水中采集鱼类的心电，其采集条件需满足电池电量可用状态。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，该系统包括：鱼类心电实时采集装置和红外信号接收装置；

所述鱼类心电实时采集装置通过契合鱼类外形的载体安装于鱼体上，所述载体实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态；

所述鱼类心电实时采集装置包括防水外壳，所述防水外壳内固定放置微型心电信号处理装置、与其连接的存储装置和电池，所述微型心电信号处理装置通过导线连接电极，所述防水外壳底端设置引出电极的电极引出口，电极刺入鱼体围心腔内采集原始心电信号，并将心电信号通过导线传输至所述微型心电信号处理装置进行处理；所述防水外壳侧面设置用于放置红外信号发射装置的通孔，所述红外信号发射装置发射端由所述防水外壳主体内穿过通孔且与通孔密封连接，所述红外信号发射装置分别与电池和微型心电信号处理装置连接，发射处理后的心电信号至与其配合的红外信号接收装置，完成鱼类实时心电信号采集；

所述微型心电信号处理装置包括依次连接的心电采集电路、心电带通放大电路和低功耗处理器；所述心电采集电路用于将电极采集的原始心电信号转化为心电模拟信号输出，所述心电带通放大电路用于将心电模拟信号进行带通滤波和信号放大，所述低功耗处理器用于将滤波放大后的心电信号进行小波分解并利用小波分解结构重构滤波后的信号系数，获得去噪后的心电信号；

所述红外信号接收装置安装于水槽侧壁，用于接收处理后的心电信号。

2.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，所述载体采用低密度材质实现载体与鱼类心电实时采集装置的重力与浮力相等状态。

3.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，所述防水外壳包括防水外壳主体和与其密封连接防水盖；

所述防水盖为可拆卸防水盖，与所述防水外壳主体螺纹连接。

4.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，该装置还包括电源管理电路，所述电池与电源管理电路连接，通过电源管理电路分别与微型心电信号处理装置、存储装置连接；

所述微型心电信号处理装置、存储装置、电源管理电路和电池均安装于所述电路板，所述防水外壳主体内设置对称的两个电路板定位槽安装电路板，所述电路板宽度等于两个电路板定位槽的间距。

5.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，所述导线数量为三根，三根导线末端分别连接一根电极；

所述导线为铜丝制作而成，铜丝外包裹外皮，所述外皮为TPE热塑型橡胶。

6.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，所述电极采用银质细针制备，所述银质细针直径为0.25mm，并带有针尖。

7.如权利要求1所述的一种鱼类心电实时采集系统，其特征在于，所述红外信号接收装置包括第一红外信号接收装置、第二红外信号接收装置和第三红外信号接收装置，均匀分布于水槽侧壁。

8.一种水环境监测方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任一项所述的一种鱼类心电实时采集系统，该方法包括接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

9.一种水环境监测系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的一种鱼类心电实时采集系统和计算机，所述计算机接收一定时期内的一种鱼类心电实时采集系统采集的鱼类实时心电信号监测水环境。

Images