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

背景技術(shù)：

魚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)測的重要指標。魚類對水環(huán)境的變化十分敏感，當水體中的有毒物質(zhì)達到一定濃度時就會引起一系列中毒反應(yīng)，這些反應(yīng)可以監(jiān)測水體是否受到有毒物質(zhì)污染的判定依據(jù)。

在[1]中，魚的活動電位(電壓值)變化是監(jiān)測系統(tǒng)判定水體中有有毒物質(zhì)的判定依據(jù)。由于系統(tǒng)對生物電信號提取的精度等問題，該系統(tǒng)只能采用鯽魚或錦鯉等體長特定的魚類。體長小于3cm的魚類由于所得電位小，體長大于15cm的魚由于電位大，不能使用在該系統(tǒng)中。斑馬魚，青鳉魚等國際通用的毒性實驗標準用魚具有與人類極為相似的毒性反應(yīng)，這種魚的體長均小于3cm，可見在發(fā)明[1]中，由于系統(tǒng)的精度以及判定依據(jù)的問題，發(fā)明的實用性值得商榷。

在[2]中，科學(xué)工作者利用德國的DFB多物種凈水監(jiān)測儀對有毒物質(zhì)進行了監(jiān)測，DFB系統(tǒng)也提出了將魚類的運動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，也采用的是監(jiān)測生物行為強度的變化作為判定依據(jù)。在該方法中為了提高靈敏度，對觀測電極要加外加電場，類似于AM調(diào)制，對監(jiān)測結(jié)果有一定的影響。同時生物個體差異，數(shù)量差異以及與電極位置關(guān)系等帶來的對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響并不能消除。

在[3]中，杭州電子科技大學(xué)的工作者通過對魚類的運動圖像進行監(jiān)測，并通過對運動情況的變化進行水質(zhì)監(jiān)測。魚的運動要產(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，這對系統(tǒng)的精度是個限制。

[1]鄒一平，王磊，洪鼎宙，“利用魚的活動電位變化監(jiān)測水中有毒物質(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)測儀在線監(jiān)測水體抗生素藥物及有機磷農(nóng)藥”，環(huán)境科學(xué)學(xué)報，第30卷第1期，180-185,2010.

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種利用魚類生物電信號頻譜變化來監(jiān)測水質(zhì)的方法，通過對采集的魚類活動電信號進行分析能夠幫助識別有毒物質(zhì)對水體的危害程度。以魚類呼吸運動和游泳運動所占的功率在總運動功率中的比例變化作為判定依據(jù)，在提高系統(tǒng)對毒物敏感性的同時，有效消除了由魚的個體差異等所帶來的誤差，進一步提高了系統(tǒng)的精度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：提出一種利用魚類活動電位功率變化監(jiān)測水中有毒物質(zhì)的方法，包括以下幾個監(jiān)測步驟：

步驟(A)，對水中魚類活動電信號f(t)進行測量，魚類的活動按照頻率分為呼吸運動以及游泳運動，設(shè)置游泳運動信號頻率f₁范圍為[x₀，x₁]，呼吸運動信號頻率f₂范圍為[x₂，x₃]，游泳運動效率恒定比為a，呼吸運動效率恒定比為b，毒素報警范圍值為θ，x₀，x₁，x₂，x₃為常數(shù)；

其中，魚類活動電信號f(t)的信號周期為T；從f(t)中截取的一段，得到一個截短函數(shù)f_T(t)，對這個時間信號進行傅里葉變換可以得到F_T(jω)；當T→∞時，定義為f(t)的功率譜密度；

步驟(B)，對功率頻譜密度在不同運動頻率段進行積分計算得到對應(yīng)運動的的生物電信號功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對所測得的功率頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)游泳運動的生物電信號功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對所測得的功率頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)呼吸運動的生物電信號功率P2；

其中，在頻域下進行計算，為f(t)的功率頻譜密度，對功率頻譜密度進行積分得到生物電信號功率，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可由頻率計算得到，計算公式為ω＝2πf；游泳運動時角頻率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸運動時角頻率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步驟(C)，對所得的游泳運動和呼吸運動的生物電信號功率求和得到總功率PT，PT＝P1+P2；

步驟(D)，對所得實時效率P1/PT和P2/PT進行對比測量，當或時，報警器發(fā)出信號警示，否則，跳轉(zhuǎn)到步驟(A)進行下一輪測量。

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

1、將魚類活動電位按照頻率分為呼吸運動和游泳運動，從而能在兩種數(shù)值的變化中監(jiān)測水質(zhì)，提高了系統(tǒng)對水中毒物敏感度；

2、以呼吸運動和游泳運動所占的功率在總運動功率中的比例變化作為判定依據(jù)，在提高系統(tǒng)對毒物敏感性的同時，有效消除了由于魚類的個體差異問題等帶來的監(jiān)測誤差，進一步提高了系統(tǒng)的精度；

3、由于測量值為電位信號頻率，無需限定魚類大小或種群，可采用斑馬魚、青鳉魚等國際通用的毒性實驗標準用魚，其具有與人類極為相似的毒性反應(yīng)，有效監(jiān)測飲用水源的安全；

4、無需加外加電場或AM調(diào)制，避免因為生物個體、數(shù)量差異以及與電極位置關(guān)系等帶來的對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，提高監(jiān)測的準確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的監(jiān)測方法流程圖；

圖2是本發(fā)明具體實施例中，所述毒物進入水體前兩種運動的功率比例變化示意圖；

圖3是本發(fā)明具體實施例中，所述毒物進入水體后兩種運動的功率比例變化示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示，一種利用魚類活動電位功率變化監(jiān)測水中有毒物質(zhì)的方法，包括以下幾個監(jiān)測步驟：

步驟(A)，對水中魚類活動電信號f(t)進行測量，魚類的活動按照頻率分為呼吸運動以及游泳運動，設(shè)置游泳運動信號頻率f₁范圍為[x₀，x₁]，呼吸運動信號頻率f₂范圍為[x₂，x₃]，游泳運動效率恒定比為a，呼吸運動效率恒定比為b，毒素報警范圍值為θ，x₀，x₁，x₂，x₃為常數(shù)；

其中，魚類活動電信號f(t)的信號周期為T；從f(t)中截取的一段，得到一個截短函數(shù)f_T(t)，對這個時間信號進行傅里葉變換可以得到F_T(jω)；當T→∞時，定義為f(t)的功率譜密度；

步驟(B)，對功率頻譜密度在不同運動頻率段進行積分計算得到對應(yīng)運動的的生物電信號功率P：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對所測得的功率頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)游泳運動的生物電信號功率P1，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對所測得的功率頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)呼吸運動的生物電信號功率P2；

其中，在頻域下進行計算，為f(t)的功率頻譜密度，對功率頻譜密度進行積分得到生物電信號功率，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可由頻率計算得到，計算公式為ω＝2πf；游泳運動時角頻率ω₀＝2πx₀、ω₁＝2πx₁，呼吸運動時角頻率ω₀＝2πx₂、ω₁＝2πx₃；

步驟(C)，對所得的游泳運動和呼吸運動的生物電信號功率求和得到總功率PT，PT＝P1+P2；

步驟(D)，對所得實時效率P1/PT和P2/PT進行對比測量，當或時，報警器發(fā)出信號警示，否則，跳轉(zhuǎn)到步驟(A)進行下一輪測量。

前述游泳運動效率恒定比a，呼吸運動效率恒定比b的計算步驟為：

步驟(E)，在國際標準的安全水質(zhì)情況下，對所測得的水中魚類的信號頻率f進行判斷：在f₁∈[x₀，x₁]的情況下，對所測得的功率頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)游泳運動的生物電信號功率P1a，在f₂∈[x₂，x₃]的情況下，對所測得的功率對應(yīng)的頻譜密度進行積分可以求得對應(yīng)呼吸運動的生物電信號功率P2b；

步驟(F)，對所得的游泳運動和呼吸運動的生物電信號功率求和得到總功率PT'，PT'＝P1a+P2b；

步驟(G)，計算a＝P1a/PT'，b＝P2b/PT'。

前述魚類為斑馬魚或青鳉魚。

前述步驟(A)中所述游泳運動信號頻率f₁范圍為[0,2Hz]。

前步驟(A)中所述呼吸運動信號頻率f₂范圍為[4Hz,10Hz]。

前步驟(A)中所述毒素報警值為20％。

如下給出該方法的一個具體實施例。

f(t)就是測得的魚類活動電信號所代表的函數(shù)，這是個未知方程，可以通過實測數(shù)據(jù)進行擬合。在本發(fā)明中，直接對時域信號進行了傅里葉變換，后續(xù)數(shù)據(jù)處理都是在頻域進行的。信號可以采用金屬電極(如銅片，不銹鋼鐵片等制成)，電極接上處理電路。時域信號做傅里葉變換即變?yōu)轭l域信號，然后根據(jù)頻率區(qū)分生物電信號到底是哪部分運動產(chǎn)生的。測量值是頻譜密度，但是首先要明確測量信號的頻率，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，所測游泳運動效率恒定比a為P1`/PT＝54.3％，呼吸運動效率恒定比b為P2`/PT＝45.7％。如圖所示各種運動在總功率中所占比例基本恒定，從而消除了魚個體、數(shù)目、疲勞程度等帶來的對監(jiān)測水質(zhì)的影響。

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

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。