一种鱼类心电采集和示踪系统及鱼类心电采集和示踪方法

摘要

本发明涉及水生生物生理信号采集传输技术领域，具体为一种鱼类心电采集和示踪系统及鱼类心电采集和示踪方法，心电采集和示踪系统包括框架；水箱，用于养殖鱼体；心电采集及示踪装置，其用于佩戴在鱼体上、采集鱼类的实时心电信息及实时位置信息；信号接收矩阵，用于接收心电采集及示踪装置发出的实时心电信息和实时位置信息；信号处理及显示终端，其设置在框架上、且用于接收、处理并显示信号接收矩阵发出的实时心电信息和实时位置信息。将行为轨迹与心电实时监测技术相融合，在进行心电实时监测的基础上实现了生物体二维运动轨迹采集，可以实现更为精准的监测鱼类在环境压力下的心电变化和行为运动轨迹、偏好。

说明书

技术领域

本发明涉及水生生物生理信号采集传输技术领域，具体为一种鱼类心电采集和示踪系统及鱼类心电采集和示踪方法。

背景技术

目前，水质监测技术的核心是系统中各式各样的传感器。因此，越来越多的研究人员去开发多种多样的传感器，包括一众生物传感器，并且传感器的灵敏度也随着技术的更进而不断提高。目前，在水环境生态系统的监测中，世界上大多数国家都使用以物理化学指标为基础的水质实时监测系统来检测水中的污染因素，例如：PH值、溶解氧及生化需氧量等，另外现场取样法也往往被用来评价水环境的状况。然而，物化监测系统无法检测到多种化合物对水生生物产生的毒性效应。此外，物理化学传感器需要昂贵的维护成本，并且仅反映水生生态系统中的局部和短期变化。而且，这些传感器不能用于检测和估量水环境中的化学混合物之间的协同或拮抗毒性效应，也不能提供有关水生生物体生存条件的信息。

随着科技的发展，也出现了一些通过检测水生生物生理信号而监测水体污染情况的技术，但现有的监测技术还不够完善，获取的指标较少，水环境状态和水体污染程度的指示还不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提出一种鱼类心电采集和示踪系统及鱼类心电采集和示踪方法，旨在解决现有技术中监测技术还不够完善，获取的指标较少技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种鱼类心电采集和示踪系统，包括：

框架，

水箱，其设置在所述框架内，用于养殖鱼体；

心电采集及示踪装置，其用于佩戴在所述水箱内的鱼体上，所述心电采集及示踪装置用于采集鱼类的实时心电信息及实时位置信息；

信号接收矩阵，其设置在所述框架上、且位于所述水箱的正上方，所述信号接收矩阵用于接收所述心电采集及示踪装置发出的实时心电信息和实时位置信息；

信号处理及显示终端，其设置在所述框架上、且用于接收、处理并显示所述信号接收矩阵发出的实时心电信息和实时位置信息。

更优地，所述心电采集及示踪装置包括防水外壳、佩戴结构、心电采集控制板、红外发射器、心电信号发射器、弹性电极、电极接触点以及银针；所述防水外壳安装在所述佩戴结构上，所述佩戴结构用于固定在鱼体上；所述心电采集控制板设置在所述防水外壳内，所述弹性电极设置在所述防水外壳的下端，所述红外发射器和所述心电信号发射器均安装在所述防水外壳的顶部；所述银针设置在所述佩戴结构上、且用于插入鱼体的心脏内，银针通过导线与电极接触点电连接，所述电极接触点与所述弹性电极电连接，所述弹性电极与所述心电采集控制板电连接，所述心电采集控制板与所述心电信号发射器电连接。

更优地，所述佩戴结构包括鞍状载体、U型锁扣和基座，所述鞍状载体安装在所述U型锁扣结构上、且所述鞍状载体与所述U型锁扣连接后围设形成的空间用于固定鱼体；所述基座安装在所述U型锁扣上，所述银针安装在所述基座上。

更优地，所述防水外壳内设有电池，所述电池用于给所述心电采集控制板、所述红外发射器以及所述心电信号发射器供电。

更优地，所述防水外壳内设有储存器，所述储存器与所述心电采集控制板电连接。

更优地，所述信号接收矩阵包括多个集中供电板，所述集中供电板上挂载有多个信号接收单元，所述信号接收单元用于接收实时心电信息和实时位置信息。

更优地，还包括干燥装置，所述干燥装置包括干燥室和干燥管，所述干燥室设置在所述框架上、且位于所述信号接收矩阵的上方，所述干燥管设置在所述干燥室内。

更优地，所述干燥管内设有干燥包，所述干燥包内装载有变色硅胶球，所述干燥管的管壁上开设有多个孔洞。

更优地，所述干燥管包括管体和端盖，所述管体内部中空且两端开口，所述管体的两端均安装有所述端盖，所述端盖上设有凸起；所述干燥室的底面开设有两个凹槽，两个凸起分别插设在所述凹槽内。

更优地，所述水箱与所述信号接收矩阵之间设有第一隔板。

更优地，所述信号处理及显示终端与所述信号接收矩阵之间设有第二隔板。

本发明还提出一种鱼类心电采集和示踪方法，包括以下步骤：

S1，在水箱中装入水；

S2，将心电采集及示踪装置佩戴在鱼体上，并开启心电采集及示踪装置、信号接收矩阵、信号处理及显示终端；

S3，将鱼体放入水箱中；

S4，信号处理及显示终端采集鱼体的实时心电信息及实时位置信息。

更优地，步骤S2包括：

S2-1：准备两个箱子，分别为一号箱和二号箱，在一号箱和二号箱内均装入曝气水；

S2-2，将鱼体放入以一号箱子内，并往一号箱内滴加麻醉剂，以对鱼体进行麻醉；

S2-3，将麻醉后的鱼体转入二号箱内，再将心电采集及示踪装置佩戴在鱼体上，开启心电采集及示踪装置、信号接收矩阵、信号处理及显示终端，通过信号处理及显示终端查看佩戴过程中鱼体的心电图指标是否正常标准，若非正常标准，则调整心电采集及示踪装置，以使鱼体的心电图指标达到正常标准；

S2-4，待鱼体解除麻醉、恢复至正常生命状态后，少量多次更换二号箱中的曝气水，以将水中麻醉剂的浓度控制在对鱼体无影响范围内。

本发明一种鱼类心电采集和示踪系统及鱼类心电采集和示踪方法，至少具有以下有益效果：将行为轨迹与心电实时监测技术相融合，在进行心电实时监测的基础上实现了生物体二维运动轨迹采集，可以实现更为精准的监测鱼类在环境压力下的心电变化和行为运动轨迹、偏好。后续将两个指标综合分析后可以得出更为精准的数据结果，为企业、科研院所、城镇水源地、水库等多地提供污水预警、处理、净化的有力参考依据，增强目前污水生物监测、应急处理的有效和可信程度，保障居民用水安全，防止水源污染进一步扩散化、严重化，为提高我国居民的生活幸福指数做出一份切实的贡献。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明鱼类心电采集和示踪系统的结构示意图；

图2为本发明鱼类心电采集和示踪系统的爆炸结构示意图；

图3为本发明心电采集及示踪装置的结构示意图；

图4为本发明鱼类心电采集和示踪系统的信号连接示意图；

图5为本发明信号接收矩阵的结构示意图；

图6为本发明干燥管的结构示意图。

附图中：1-框架、2-水箱、3-心电采集及示踪装置、31-防水外壳、32-佩戴结构、321-鞍状载体、322-U型锁扣、323-基座、33-心电采集控制板、34-红外发射器、35-心电信号发射器、36-弹性电极、37-电极接触点、38-银针、39-储存器、4-信息接收矩阵、41-集中供电板、42-信号接收单元、5-信号处理及显示终端、6-干燥装置、61-干燥室、62-干燥管、621-管体、622-端盖、623-凸起、624-孔洞、7-第一隔板、8-第二隔板。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1至图6，一种鱼类心电采集和示踪系统，包括框架1、水箱2、心电采集及示踪装置3、信号接收矩阵4和信号处理及显示终端5。

框架1为中空的架子结构，内部中空位置主要用于放置水箱2，同时可以用于承载信号接收矩阵4、信号处理及显示终端5。

水箱2设置在框架1内，水箱2内部装水、用于养殖鱼体。水箱2具体可采用玻璃材质或其他透明材质制成，且框架1至少有一个侧面是无遮挡的，因此可以透过水箱2直观地看到水箱2内的鱼体，方便观察。

心电采集及示踪装置3用于佩戴在水箱2内的鱼体上，心电采集及示踪装置3用于采集鱼类的实时心电信息及实时位置信息。

信号接收矩阵4设置在框架1上、且位于水箱2的正上方，信号接收矩阵4用于接收心电采集及示踪装置3发出的实时心电信息和实时位置信息。

信号处理及显示终端5设置在框架1上、且用于接收、处理并显示信号接收矩阵4发出的实时心电信息和实时位置信息。

因水生生物鱼类是属于实时生活在水环境中的生物，所以对水环境的细微变化都会产生较为敏感的反应。由于水体污染物对鱼类的心电具有直接的作用效果和影响，并且可能会引起心律失常，心肌缺血、心肌损伤等症状，因此通过采集水生生物的生理信号可对水环境进行动态监测。水质环境的变化可以影响鱼类的心电与行为，因此鱼类的心电变化与行为特征可以间接作为反映水质变化的指标。在心电采集技术的基础上，进一步融合行为示踪技术，提高所采集的指标数量，完善心电采集技术在水体监测方面的应用，构建鱼类心电指标、行为指标与环境污染相关性模型，并探讨水环境中不同污染物对锦鲤心电和行为参数的影响，使心电(示踪)参数成为评估水环境中不同类污染物的指标，进而实现通过生物体进行监测水质的重大作用价值。

请参阅图3至图4，心电采集及示踪装置3包括防水外壳31、佩戴结构32、心电采集控制板33、红外发射器34、心电信号发射器35、弹性电极36、电极接触点37以及银针38；防水外壳31安装在佩戴结构32上，佩戴结构32用于固定在鱼体上；心电采集控制板33设置在防水外壳31内，弹性电极36设置在防水外壳31的下端，红外发射器34和心电信号发射器35均安装在防水外壳31的顶部；银针38设置在佩戴结构32上、且用于插入鱼体的心脏内，银针38通过导线与电极接触点37电连接，电极接触点37与弹性电极36电连接，弹性电极36与心电采集控制板33电连接，心电采集控制板33与心电信号发射器35电连接。

心电采集及示踪装置3进行微型化设计，装置小巧轻便，方便携带在鱼体身上；实现在鱼类心电采集以及示踪过程中保持鱼在水中正常游动的状态，并能够进行连续实时在线采集，保证采集到的心电和踪迹实时、有效及准确。心电信号发射器35能够发射心电信号，使得心电信号能够经由水相到气相进行传输，并由信号接收矩阵4进行接收。红外发射器34能够发出红外信号，信号接收矩阵4可接收红外信号，以此获得鱼的实时踪迹。

请参阅图3至图4，佩戴结构32包括鞍状载体321、U型锁扣322和基座323，鞍状载体321安装在U型锁扣322结构上、且鞍状载体321与U型锁扣322连接后围设形成的空间用于固定鱼体；基座323安装在U型锁扣322上，银针38安装在基座323上。鞍状载体321与防水外壳31是可以通过人力滑动更换，因此在心电采集和踪迹采集过程中，如果电池没有电量只需要更换防水外壳31即可，保证在心电采集和踪迹采集过程中只需要一次扎针，保证可以实时在线连续采集，延长使用周期。鞍状载体321可以将防水壳体所包裹的零件承载起来，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。U型锁扣322是硅胶带凹槽的外观，可以方便地根据鱼体大小调整心电采集及示踪装置3与鱼体的契合度，保证不同大小不同尺寸的鱼体都能便携佩戴心电采集及示踪装置3。基座323是硅胶材质，柔韧性较好，银针38是固定在基座323上，也保证了银针38在鱼体内部的位置固定，不会因为鱼游动过程中滑落或者更改位置从而导致测得的心电信号不准。

进一步地，防水外壳31内设有电池(图中未示出)，电池用于给心电采集控制板33、红外发射器34以及心电信号发射器35供电。

进一步地，防水外壳31内设有储存器39，储存器39与心电采集控制板33电连接。心电采集及示踪装置3能够连续实时的采集鱼类的心电信号，并且能够将所采集的心电信号通过储存器39进行存储。

防水壳体将储存器39、信号发射器与电池密封包裹起来，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。

请参阅图5，，信号接收矩阵4包括多个集中供电板41，集中供电板41上挂载有多个信号接收单元42，信号接收单元42用于接收实时心电信息和实时位置信息。信号接收矩阵4对水箱2的上部实现重叠交叉覆盖，保证心电采集及示踪装置3(具体为红外发射器34)发出的红外信号都有效的被信号接收矩阵4所接收并通过质心算法计算出鱼的精确位置点。本实施方式中，信号接收矩阵4上每25个信号接收单元42挂载在一片供电板上，三行四列共十二块供电板组成信号接收矩阵4，同时通过二进制算法确定每一片供电板的信号传输位序并最终形成整体有序的信号接收矩阵4。通过信号处理模块将心电采集及示踪装置3采集到的实时心电信息和实时位置信息传输给信号处理及显示终端5中进行转换、处理，最终在通过显示模块实时显示心电信号与二维运动轨迹。

请参阅图2，还包括干燥装置6，干燥装置6包括干燥室61和干燥管62，干燥室61设置在框架1上、且位于信号接收矩阵4的上方，干燥管62设置在干燥室61内。

请参阅图6，干燥管62内设有干燥包(图中未示出)，干燥包内装载有变色硅胶球，干燥管62的管壁上开设有多个孔洞624。干燥管62包括管体621和端盖622，管体621内部中空且两端开口，管体621的两端均安装有端盖622，端盖622上设有凸起623；干燥室61的底面开设有两个凹槽，两个凸起623分别插设在凹槽内。

干燥室61为半开放式，通过室门可开启或关闭干燥室61；室门材质可选用半透黑色亚克力板。干燥管62为孔洞624式半隐形金属干燥管62，干燥管62壁每隔5mm钻孔一个，孔洞624大小：直径0.5cm。干燥管62两端采用304不锈钢材质，管体621两端设有螺纹，左右两端有带有侧螺纹口的端盖622。变色硅胶球选用二氧化硅材质的硅胶颗粒，颜色随湿度不同而变化，未受潮时为橙色，受潮后渐变为绿色/墨绿色，变色硅胶球具有不含氯化钴，无毒、无害的特性。通过干燥装置6的设计，可降低信号处理及显示终端5下方的空气湿度，避免空气湿度过高，损坏信号处理及显示终端5。

请参阅图2，水箱2与信号接收矩阵4之间设有第一隔板7。信号接收矩阵4和第一隔板7可集成布置，即直接在第一隔板7上设置信号接收矩阵4，提高结构紧凑性，且第一隔板7可间隔开水箱2和信号接收矩阵4，防止水分影响信号接收矩阵4。

请参阅图2，信号处理及显示终端5与信号接收矩阵4之间设有第二隔板8。第二隔板8可间隔开信号处理及显示终端5与信号接收矩阵4，防止相互干扰，且可承载信号处理及显示终端5。

一种鱼类心电采集和示踪方法，包括以下步骤：

S1，在水箱2中装入水；

S2，将心电采集及示踪装置3佩戴在鱼体上，并开启心电采集及示踪装置3、信号接收矩阵4、信号处理及显示终端5；

S3，将鱼体放入水箱2中；

S4，信号处理及显示终端5采集鱼体的实时心电信息及实时位置信息。

具体地，步骤S2包括：

S2-1：准备两个箱子，分别为一号箱和二号箱，在一号箱和二号箱内均装入曝气水；

S2-2，将鱼体放入以一号箱子内，并往一号箱内滴加麻醉剂，以对鱼体进行麻醉；

S2-3，将麻醉后的鱼体转入二号箱内，再将心电采集及示踪装置3佩戴在鱼体上，开启心电采集及示踪装置3、信号接收矩阵4、信号处理及显示终端5，通过信号处理及显示终端5查看佩戴过程中鱼体的心电图指标是否正常标准，若非正常标准，则调整心电采集及示踪装置3，以使鱼体的心电图指标达到正常标准；

S2-4，待鱼体解除麻醉、恢复至正常生命状态后，少量多次更换二号箱中的曝气水，以将水中麻醉剂的浓度控制在对鱼体无影响范围内。

前期以大量的实验室条件空白状态下获得的心电监测数据作为对照基础，统计空白状态下心电图各指标的波动区间，并综合大量空白状态下的实验基础绘制一条48小时内标准心电图，以供后续监测参考。

正式监测前准备工作：监测前进行预备测试，检测仪器是否正常运转，检查每个心电图参数是否符合正常指标。仔细检查仪器软件各部分参数设定，保证信号能正常采集、传输、显示。

监测前两天，从待监测地取得充分曝气的待测水样，并装入专用水箱2以备监测使用，专用水箱2内放有温度监测仪，调整周边智能恒温装置，保证专用水箱2的水温控制在26±2℃。

监测正式开始前24小时，随机选取养殖室的成年锦鲤一条，单独养殖，不进行喂食，以备第二天监测所用。

监测开始时的相关工作：准备三个10升容量的监测水箱2，两个装满曝气水(一号箱和二号箱)，一个做备用。按照所选用麻醉剂的使用说明，向一号箱中滴加麻醉剂对锦鲤进行麻醉，锦鲤在接触麻醉剂之后，神经肌肉兴奋度降低，锦鲤由正常形态变为腹部向上转的倾向，用手轻轻地按压锦锦鲤尾，无明显应激反应即为进入麻醉状态。由于不同体态的成年锦鲤对麻醉剂的敏感度不一致，大约三分钟后锦鲤被麻醉，将锦鲤移到二号箱中，将鱼类心电采集和示踪系统固定到锦鲤背上，然后进行扎针操作，同时利用信号接收矩阵接受锦鲤的心电信号，通过观察信号处理及显示终端中锦鲤心电图的指标是否符合正常标准，及时微调银针的位置与深度，保证扎针效果的最优化。然后等锦鲤恢复正常生命状态，此时少量不间断地更换箱中的曝气水，将水中麻醉剂的浓度控制在对锦鲤无影响范围内。其后再将锦鲤轻轻移入水箱中，不要添加过多的外力，以免引起锦鲤的应激反应，从而影响心电采集及示踪装置在锦鲤体表位置的偏移或影响扎针位置的变化。检查水环境温度、仪器运作状态，保证监测环境的安静，确认无误后离开监测区域，避免人为干扰。

在设定的监测周期完成后，将锦鲤取出，取下心电采集及示踪装置3，单独放入隔离、无污染、定时充氧的水箱内进行机体恢复(恢复周期约为10-15天)，等待下一步处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。