基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器及監測方法
2023-09-23 12:02:40
專利名稱：基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器及監測方法
技術領域：
本發明屬於環境監測技術領域，涉及一種針對生物行為變化並進行監測的生物傳感器，具體地說是一種基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器及監測方法。
背景技術：
生物的內穩態(Homeostasis)機制能夠使生物通過調節,控制自身體內環境，並使其保持相對穩定，減少對外界環境條件依賴性。生物為了保持內穩態，發展了很多複雜的形態和生理適應，其中最簡單、最普通的方法是藉助於行為的適應，例如動物藉助於行為迴避不利的環境條件。生物行為變化與周圍環境存在一定關係。生物可以通過行為機制的調節在很大程度上將體內環境控制在一個適宜的水平上，大大增加生物活動時間、空間，減少對體外環境 的依賴性。因此，隨著環境內某些影響因子變化或影響力的升高，水生動物通過自身行為機制調節，短期內維持體內環境穩定，並逐步適應環境，在很大程度上避免遭受汙染的水環境對自身造成急性損傷。目前，針對水生生物，譬如魚類，水生枝角類生物的行為變化，已經有採用電場變化的方式採集行為信號，並在線分析的生物傳感器。其中包括電場或磁場(E/M FieldsBiosensor)、攝像(Digital Image Recording System)等生物行為信號採集傳感器。其中，電場或磁場生物行為傳感器只能通過對一定範圍內的磁場或電場信號幹擾程度對生物行為信號進行分析，很難實現譬如迴避行為、遊動速率、「C」型運動等的信號採集和分析。攝像傳感器雖然能夠通過在線記錄生物位置，判斷生物的生存狀態，但很難量化生物行為變化與環境脅迫之間的關係。因此，要實現對一定環境內，包括正常環境和汙染環境，水生生物的行為變化在線監測與分析，必須構建一種全新的生物傳感器，不僅能夠在線分析行為強度與環境之間關係，又能夠通過示蹤分析，研究不同行為模式與環境之間關係，最終實現生物行為響應與環境變化之間的關係分析。
發明內容
本發明的目的在於，針對分析生物行為響應與環境變化之間關係的生物行為傳感器的需求，提供一種基於四極阻抗及三維示蹤技術的水生生物行為傳感器，解決目前幾種生物行為傳感器存在的問題，實現對水生生物行為變化的在線信號採集與分析。本發明目的是通過如下技術方案實現的
一種基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器，特點是，它包括流水系統、四極阻抗行為採集系統、三維示蹤行為採集系統以及數據處理中心，其中，
流水系統包括生物行為監測區域，生物行為監測區域的兩端分別設有底蓋和頂蓋，在底蓋上設有進水口，頂蓋上設有傳感器敞開口，傳感器敞開口的側面設有傳感器溢流口，在生物行為監測區域與底蓋之間、生物行為監測區域與頂蓋之間分別設有帶孔矽膠墊；四極阻抗行為採集系統包括電極，電極設在生物行為監測區域內，電極上設有電極接點，電極接點通過信號線連接專用信號識別軟體；
三維示蹤行為採集系統包括攝像頭，攝像頭設在生物行為監測區域內，攝像頭上連接視頻信號線，視頻信號線連接視頻信號解析軟體；
四極阻抗行為採集系統和三維示蹤行為採集系統中採集的虛擬信號分別轉化為數位訊號，輸送至數據處理中心。一種利用上述生物行為傳感器的監測方法，包括下列步驟
a)指示生物的培養及選擇；
b)將指示生物放入流水系統中； c)利用四極阻抗行為採集系統採集信號傳輸至專用信號識別軟體進行分析處理；
利用三維示蹤行為採集系統採集信號傳輸至視頻信號解析軟體進行分析處理；
d)將上述c步驟中的處理信號傳送至數據處理中心，進行分析判斷。本發明技術構建了一套全新的生物傳感器系統，它通過四極阻抗行為採集技術和三維示蹤行為採集技術採集生物行為信號，並經過兼容性處理，實現兩種行為信號的實時分析和統一，不僅能夠在線分析生物行為強度與環境之間的關係，又能夠通過示蹤分析，研究不同行為模式與環境之間的關係，最終實現對一定環境內，包括正常環境和汙染環境，生物行為響應與環境變化之間的在線監測與分析。本發明與已有技術相比，具有十分顯著地進步和實質性特點。下面結合附圖及實施例對本發明做詳細地解釋說明。
圖I是本發明的結構示意 圖2是本發明生物行為傳感器的四極阻抗行為採集系統採集的日本青鏘行為變化；圖中橫坐標為時間，縱坐標為日本鯖鏘的行為強度變化；
圖3是本發明生物行為傳感器的三維示蹤行為採集系統採集的日本青鏘行為變化；
圖4是基於日本青鏘行為變化綜合分析結果的生物行為模型。
具體實施例方式參見圖1，
本發明所示生物傳感器，包括流水系統、四極阻抗行為採集系統、三維示蹤行為採集系統以及數據處理中心等四部分。其中，
流水系統包括生物行為監測區域2，生物行為監測區域2可以製作成一個透明圓柱管，透明圓柱管的兩端分別有底蓋3和頂蓋4，在底蓋3上設有進水口 1，頂蓋4上設有傳感器敞開口 5，傳感器敞開口 5的側面設有傳感器溢流口 6，在透明圓柱管與底蓋3之間、透明圓柱管與頂蓋4之間分別加墊帶孔矽膠墊9和帶孔矽膠墊10，矽膠墊孔徑由受試生物決定。四極阻抗行為採集系統主要由2組不鏽鋼電極11組成，電極11安裝在透明圓柱管內壁上，每組電極由相對設置的兩對電極組成，其中一對為發射信號電極，另一對為接收信號電極，每組電極的結構一致，電極11上設有多個電極接點7，電極接點7通過信號線12連接專用信號識別軟體18。
三維示蹤行為採集系統主要基於雙目視覺技術，在透明圓柱管上設置兩個平行攝像頭8，攝像頭8通過視頻信號線13連接視頻信號解析軟體17。四極阻抗行為採集系統和三維示蹤行為採集系統中採集的虛擬信號分別轉化為數位訊號19，輸送至數據處理中心20 (計算機)。在上述的技術方案中，所述的進水口 I與外部水管連接，外部水管的進水管上可以安裝有流量計，以便通過流量計控制進水和出水。在上述的技術方案中，所述的生物行為監測區域2的管材，可以根據被監測水體的性質進行選擇，例如可以為玻璃材料、PVC材料或ABS材料等。 在上述的技術方案中，所述的電極為不鏽鋼材料製成，其大小根據受試生物個體大小及生物行為監測區域2大小決定。在上述的技術方案中，所述的傳感器溢流口 6與排水管相連，將監測水體導出。工作原理簡述
上述傳感器的四極阻抗行為採集系統中，發射信號電極連續發射低壓正弦高頻信號，在傳感器內形成一個低壓正弦高頻信號電場，當受試生物在傳感器的運動導致電場發生變化以後，接收信號電極能夠感應電場的變化，接收傳感器內由發射信號電極形成的電信號變化，然後通過不同電極接點7由信號線12傳至專用信號識別軟體18，對生物行為進行解析，並實現生物行為信號的採集，並將採集的虛擬信號轉化為數位訊號19，輸送到生物行為數據處理中心20。信號發射電極和信號接收電極由信號12決定。上述傳感器的三維示蹤行為採集系統中，基於雙目視覺技術的兩個平行攝像頭8最終形成三維監測技術對一定區域內的生物行為進行示蹤。由兩個平行攝像頭8在線採集視頻信號以後，通過視頻信號線13傳輸到視頻信號解析軟體17進行解析。在視頻信號解析軟體17中，首先通過本底信號14的背景值濾除，形成只有受試生物的信號源15，通過示蹤分析16，對生物行為進行示蹤分析。同時，視頻信號解析軟體17將採集的虛擬信號轉化為數位訊號19，輸送到數據處理中心20。基於四極阻抗生物行為信號採集及三維示蹤行為採集以後，將行為數位訊號由數據處理中心20進行同步分析，實現生物行為變化的在線分析。所述的生物行為傳感器監測區域可以根據受試生物個體大小進行選擇，並保持生物行為傳感器內受試生物的數量為5 10隻。在每個生物行為傳感器內裝入的受試生物為出生後24 72小時(優選48小時)的被監測水源原生種的水生生物幼體，在實驗室內使用常規的標準水培養進化至少三代以上，作為受試生物使用；或是出生後24 72小時(優選48小時)的被監測水源標準模式生物的水生生物幼體，直接作為受試生物使用；
所述的被監測水源原生種包括水生無脊椎動物和脊椎動物，其中無脊椎動物主要選擇節肢動物，如蝦、蚤類等，脊椎動物主要選擇成體體長為4釐米左右的魚類；
所述的被監測水源標準模式生物包括無脊椎動物的日本沼蝦、大型蚤以及脊椎動物的日本青鏘、稀有鉤鯽和斑馬魚等。本發明提供的用於監測水生生物行為變化的生物行為傳感器，是預選具有運動行為多樣性的水生生物為指示物種，通過一點或多點監測，受試生物在一種或幾種水體內不同位置的運動行為變化，對生物行為進行評估。
實驗例
下面以監測日本青鏘的生物行為為例具體說明。參考圖1，製作一用於監測日本青鏘的生物行為傳感器，該生物行為傳感器由有機玻璃製作的監測區域2，該監測區域2的大小為內徑小4cmX外徑5cm。在監測區域2內壁上安裝由2對不鏽鋼片製作的電極，電極選擇為2. 4X5cm，兩對電極通過不鏽鋼螺絲與信號處理中心連接，其中一對為信號發射電極，另一對為信號接收電極；監測區域2兩端各固定一圓蓋，底部圓蓋中心連接為進水口 1，連接外部給水管，上蓋中心為開放式溢流口 6，圓蓋與監測區域2之間通過與受試生物相適應的帶孔矽膠墊封住。將一對能夠進行雙目視覺的攝像頭8鑲嵌於生物行為監測區域頂蓋的合適位置，對區域內日本青鏘行為進行三維示蹤監測。利用本實施例製作的生物行為傳感器，進行監測日本鯖鏘在正常水體內的行為周期性變化，具體監測試驗如下 試驗進行的溫度控制在20±2°C，光照周期為16H:8D。流水暴露試驗維持4天。在試驗過程中，流水速率控制在I升/小時，食物通過流水系統投喂。利用生物行為傳感器監測日本鯖鏘在正常水體內的行為周期性變化。圖2所示為基於四極阻抗行為採集系統採集的日本青鏘行為變化；圖中橫坐標為時間，縱坐標為日本鯖鏘的行為強度變化。在4天流水試驗過程中，日本鯖鏘的行為變化處於正常範圍之內。圖3所示為基於三維示蹤行為採集系統採集的日本青鏘行為變化。其中包括日本青鏘行為蹤跡、速度、角度、位置等的分析。由此判斷日本青鏘的行為變化。對四極阻抗信號和三維視頻信號進行識別以後，對生物行為進行解析，並實現生物行為信號的採集，並將採集的虛擬信號轉化為數位訊號，輸送到生物行為數據處理中心。結合圖4所示的生物行為的環境逐級壓力閾模型(Stepwise Behavioral Response Model,SBRM)，對相關信號進行比對，分析生物行為變化，由此推斷水質狀況變化。
權利要求
1.一種基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器，其特徵是，它包括流水系統、四極阻抗行為採集系統、三維示蹤行為採集系統以及數據處理中心，其中， 流水系統包括生物行為監測區域，生物行為監測區域的兩端分別設有底蓋和頂蓋，在底蓋上設有進水口，頂蓋上設有傳感器敞開口，傳感器敞開口的側面設有傳感器溢流口，在生物行為監測區域與底蓋之間、生物行為監測區域與頂蓋之間分別設有帶孔矽膠墊； 四極阻抗行為採集系統包括電極，電極設在生物行為監測區域內，電極上設有電極接點，電極接點通過信號線連接專用信號識別軟體； 三維示蹤行為採集系統包括攝像頭，攝像頭設在生物行為監測區域內，攝像頭上連接視頻信號線，視頻信號線連接視頻信號解析軟體； 四極阻抗行為採集系統和三維示蹤行為採集系統通過數位訊號與數據處理中心連接。
2.利用權利要求I所述基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器的監測方法，包括下列步驟 a)指示生物的培養及選擇； b)將指示生物放入流水系統中； c)利用四極阻抗行為採集系統採集信號傳輸至專用信號識別軟體進行分析處理； 利用三維示蹤行為採集系統採集信號傳輸至視頻信號解析軟體進行分析處理； d)將上述c步驟中的處理信號傳送至數據處理中心，進行分析判斷。
全文摘要
本發明公開了一種基於四極阻抗及三維示蹤的生物行為傳感器及監測方法，特點是，它包括流水系統、四極阻抗行為採集系統、三維示蹤行為採集系統以及數據處理中心，它通過四極阻抗行為採集技術和三維示蹤行為採集技術採集生物行為信號，並經過兼容性處理，實現兩種行為信號的實時分析和統一，不僅能夠在線分析生物行為強度與環境之間的關係，又能夠通過示蹤分析，研究不同行為模式與環境之間的關係，最終實現對一定環境內的生物行為響應與環境變化之間的在線監測與分析。
文檔編號G01D21/02GK102749100SQ201210215259
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者李紅敏, 邵澤舫 申請人:煙臺凱思環境技術有限公司