本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)中水質(zhì)監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用魚(yú)類活動(dòng)電位功率變化監(jiān)測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法。

背景技術(shù)：

魚(yú)類作為水生食物鏈的頂層生物，它的生命行為是水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)。魚(yú)類對(duì)水環(huán)境的變化十分敏感，當(dāng)水體中的有毒物質(zhì)達(dá)到一定濃度時(shí)就會(huì)引起一系列中毒反應(yīng)，這些反應(yīng)可以監(jiān)測(cè)水體是否受到有毒物質(zhì)污染的判定依據(jù)。

在[1]中，魚(yú)的活動(dòng)電位(電壓值)變化是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判定水體中有有毒物質(zhì)的判定依據(jù)。由于系統(tǒng)對(duì)生物電信號(hào)提取的精度等問(wèn)題，該系統(tǒng)只能采用鯽魚(yú)或錦鯉等體長(zhǎng)特定的魚(yú)類。體長(zhǎng)小于3cm的魚(yú)類由于所得電位小，體長(zhǎng)大于15cm的魚(yú)由于電位大，不能使用在該系統(tǒng)中。斑馬魚(yú)，青鳉魚(yú)等國(guó)際通用的毒性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用魚(yú)具有與人類極為相似的毒性反應(yīng)，這種魚(yú)的體長(zhǎng)均小于3cm，可見(jiàn)在發(fā)明[1]中，由于系統(tǒng)的精度以及判定依據(jù)的問(wèn)題，發(fā)明的實(shí)用性值得商榷。

在[2]中，科學(xué)工作者利用德國(guó)的DFB多物種凈水監(jiān)測(cè)儀對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，DFB系統(tǒng)也提出了將魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)按照頻率不同加以區(qū)分，在判定水體是否受到有毒物質(zhì)污染時(shí)，也采用的是監(jiān)測(cè)生物行為強(qiáng)度的變化作為判定依據(jù)。在該方法中為了提高靈敏度，對(duì)觀測(cè)電極要加外加電場(chǎng)，類似于AM調(diào)制，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的影響。同時(shí)生物個(gè)體差異，數(shù)量差異以及與電極位置關(guān)系等帶來(lái)的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響并不能消除。

在[3]中，杭州電子科技大學(xué)的工作者通過(guò)對(duì)魚(yú)類的運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)情況的變化進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。魚(yú)的運(yùn)動(dòng)要產(chǎn)生顯著的變化(翻轉(zhuǎn)，撞擊水槽，規(guī)避毒物)必然需要毒物濃度提高，這對(duì)系統(tǒng)的精度是個(gè)限制。

[1]鄒一平，王磊，洪鼎宙，“利用魚(yú)的活動(dòng)電位變化監(jiān)測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法”，200510019149.5.

[2]趙曉艷，劉麗君，聶湘平，何秀婷，程章，“利用多物種凈水監(jiān)測(cè)儀在線監(jiān)測(cè)水體抗生素藥物及有機(jī)磷農(nóng)藥”，環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，第30卷第1期，180-185,2010.

[3]胡江龍，方景龍，王大全，“多目標(biāo)跟蹤算法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用”，機(jī)電工程，第29卷第5期,2012.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種利用魚(yú)類生物電信號(hào)頻譜變化來(lái)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的方法，通過(guò)對(duì)采集的魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)進(jìn)行分析能夠幫助識(shí)別有毒物質(zhì)對(duì)水體的危害程度。以魚(yú)類呼吸運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)所占的功率在總運(yùn)動(dòng)功率中的比例變化作為判定依據(jù)，在提高系統(tǒng)對(duì)毒物敏感性的同時(shí)，有效消除了由魚(yú)的個(gè)體差異等所帶來(lái)的誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：提出一種利用魚(yú)類活動(dòng)電位功率變化監(jiān)測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法，包括以下幾個(gè)監(jiān)測(cè)步驟：

步驟(A)，對(duì)水中魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)f(t)進(jìn)行測(cè)量，魚(yú)類的活動(dòng)按照頻率分為呼吸運(yùn)動(dòng)以及游泳運(yùn)動(dòng)，設(shè)置游泳運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₁范圍為[x₀，x₁]，呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₂范圍為[x₂，x₃]，游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比為a，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比為b，毒素報(bào)警范圍值為θ，x₀，x₁，x₂，x₃為常數(shù)；

其中，魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)f(t)的信號(hào)周期為T(mén)；從f(t)中截取的一段，得到一個(gè)截短函數(shù)f_T(t)，對(duì)這個(gè)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換可以得到F_T(jω)；當(dāng)T→∞時(shí)，定義為f(t)的功率譜密度；

步驟(B)，對(duì)功率頻譜密度在不同運(yùn)動(dòng)頻率段進(jìn)行積分計(jì)算得到對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的的生物電信號(hào)功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)游泳運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P2；

其中，在頻域下進(jìn)行計(jì)算，為f(t)的功率頻譜密度，對(duì)功率頻譜密度進(jìn)行積分得到生物電信號(hào)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，角頻率ω₀和ω₁可由頻率計(jì)算得到，計(jì)算公式為ω＝2πf；游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步驟(C)，對(duì)所得的游泳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率求和得到總功率PT，PT＝P1+P2；

步驟(D)，對(duì)所得實(shí)時(shí)效率P1/PT和P2/PT進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，當(dāng)或時(shí)，報(bào)警器發(fā)出信號(hào)警示，否則，跳轉(zhuǎn)到步驟(A)進(jìn)行下一輪測(cè)量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、將魚(yú)類活動(dòng)電位按照頻率分為呼吸運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)，從而能在兩種數(shù)值的變化中監(jiān)測(cè)水質(zhì)，提高了系統(tǒng)對(duì)水中毒物敏感度；

2、以呼吸運(yùn)動(dòng)和游泳運(yùn)動(dòng)所占的功率在總運(yùn)動(dòng)功率中的比例變化作為判定依據(jù)，在提高系統(tǒng)對(duì)毒物敏感性的同時(shí)，有效消除了由于魚(yú)類的個(gè)體差異問(wèn)題等帶來(lái)的監(jiān)測(cè)誤差，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的精度；

3、由于測(cè)量值為電位信號(hào)頻率，無(wú)需限定魚(yú)類大小或種群，可采用斑馬魚(yú)、青鳉魚(yú)等國(guó)際通用的毒性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用魚(yú)，其具有與人類極為相似的毒性反應(yīng)，有效監(jiān)測(cè)飲用水源的安全；

4、無(wú)需加外加電場(chǎng)或AM調(diào)制，避免因?yàn)樯飩€(gè)體、數(shù)量差異以及與電極位置關(guān)系等帶來(lái)的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的監(jiān)測(cè)方法流程圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中，所述毒物進(jìn)入水體前兩種運(yùn)動(dòng)的功率比例變化示意圖；

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中，所述毒物進(jìn)入水體后兩種運(yùn)動(dòng)的功率比例變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種利用魚(yú)類活動(dòng)電位功率變化監(jiān)測(cè)水中有毒物質(zhì)的方法，包括以下幾個(gè)監(jiān)測(cè)步驟：

步驟(A)，對(duì)水中魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)f(t)進(jìn)行測(cè)量，魚(yú)類的活動(dòng)按照頻率分為呼吸運(yùn)動(dòng)以及游泳運(yùn)動(dòng)，設(shè)置游泳運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₁范圍為[x₀，x₁]，呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₂范圍為[x₂，x₃]，游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比為a，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比為b，毒素報(bào)警范圍值為θ，x₀，x₁，x₂，x₃為常數(shù)；

其中，魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)f(t)的信號(hào)周期為T(mén)；從f(t)中截取的一段，得到一個(gè)截短函數(shù)f_T(t)，對(duì)這個(gè)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換可以得到F_T(jω)；當(dāng)T→∞時(shí)，定義為f(t)的功率譜密度；

步驟(B)，對(duì)功率頻譜密度在不同運(yùn)動(dòng)頻率段進(jìn)行積分計(jì)算得到對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的的生物電信號(hào)功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)游泳運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P2；

其中，在頻域下進(jìn)行計(jì)算，為f(t)的功率頻譜密度，對(duì)功率頻譜密度進(jìn)行積分得到生物電信號(hào)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，角頻率ω₀和ω₁可由頻率計(jì)算得到，計(jì)算公式為ω＝2πf；游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)角頻率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步驟(C)，對(duì)所得的游泳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率求和得到總功率PT，PT＝P1+P2；

步驟(D)，對(duì)所得實(shí)時(shí)效率P1/PT和P2/PT進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，當(dāng)或時(shí)，報(bào)警器發(fā)出信號(hào)警示，否則，跳轉(zhuǎn)到步驟(A)進(jìn)行下一輪測(cè)量。

前述游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比a，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比b的計(jì)算步驟為：

步驟(E)，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的安全水質(zhì)情況下，對(duì)所測(cè)得的水中魚(yú)類的信號(hào)頻率f進(jìn)行判斷：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)游泳運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P1a，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對(duì)所測(cè)得的功率對(duì)應(yīng)的頻譜密度進(jìn)行積分可以求得對(duì)應(yīng)呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率P2b；

步驟(F)，對(duì)所得的游泳運(yùn)動(dòng)和呼吸運(yùn)動(dòng)的生物電信號(hào)功率求和得到總功率PT'，PT'＝P1a+P2b；

步驟(G)，計(jì)算a＝P1a/PT'，b＝P2b/PT'。

前述魚(yú)類為斑馬魚(yú)或青鳉魚(yú)。

前述步驟(A)中所述游泳運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₁范圍為[0,2Hz]。

前步驟(A)中所述呼吸運(yùn)動(dòng)信號(hào)頻率f₂范圍為[4Hz,10Hz]。

前步驟(A)中所述毒素報(bào)警值為20％。

如下給出該方法的一個(gè)具體實(shí)施例。

f(t)就是測(cè)得的魚(yú)類活動(dòng)電信號(hào)所代表的函數(shù)，這是個(gè)未知方程，可以通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。在本發(fā)明中，直接對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行了傅里葉變換，后續(xù)數(shù)據(jù)處理都是在頻域進(jìn)行的。信號(hào)可以采用金屬電極(如銅片，不銹鋼鐵片等制成)，電極接上處理電路。時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換即變?yōu)轭l域信號(hào)，然后根據(jù)頻率區(qū)分生物電信號(hào)到底是哪部分運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。測(cè)量值是頻譜密度，但是首先要明確測(cè)量信號(hào)的頻率，這才能求解頻譜密度積分的頻率范圍。

如圖2所示，在未投入有毒物質(zhì)時(shí)，所測(cè)游泳運(yùn)動(dòng)效率恒定比a為P1`/PT＝54.3％，呼吸運(yùn)動(dòng)效率恒定比b為P2`/PT＝45.7％。如圖所示各種運(yùn)動(dòng)在總功率中所占比例基本恒定，從而消除了魚(yú)個(gè)體、數(shù)目、疲勞程度等帶來(lái)的對(duì)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的影響。

如圖3所示，在水中投入有毒物質(zhì)后，所測(cè)P1/PT＝34.3％，P2/PT＝74.3％分別與前測(cè)a＝54.3％和b＝45.7％進(jìn)行比較，均大于20％的毒素報(bào)警范圍值，則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。