专利名称：基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器及监测方法
技术领域：
本发明属于环境监测技术领域，涉及一种针对生物行为变化并进行监测的生物传感器，具体地说是一种基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器及监测方法。
背景技术：
生物的内稳态(Homeostasis)机制能够使生物通过调节,控制自身体内环境，并使其保持相对稳定，减少对外界环境条件依赖性。生物为了保持内稳态，发展了很多复杂的形态和生理适应，其中最简单、最普通的方法是借助于行为的适应，例如动物借助于行为回避不利的环境条件。生物行为变化与周围环境存在一定关系。生物可以通过行为机制的调节在很大程度上将体内环境控制在一个适宜的水平上，大大增加生物活动时间、空间，减少对体外环境 的依赖性。因此，随着环境内某些影响因子变化或影响力的升高，水生动物通过自身行为机制调节，短期内维持体内环境稳定，并逐步适应环境，在很大程度上避免遭受污染的水环境对自身造成急性损伤。目前，针对水生生物，譬如鱼类，水生枝角类生物的行为变化，已经有采用电场变化的方式采集行为信号，并在线分析的生物传感器。其中包括电场或磁场(E/M FieldsBiosensor)、摄像(Digital Image Recording System)等生物行为信号采集传感器。其中，电场或磁场生物行为传感器只能通过对一定范围内的磁场或电场信号干扰程度对生物行为信号进行分析，很难实现譬如回避行为、游动速率、“C”型运动等的信号采集和分析。摄像传感器虽然能够通过在线记录生物位置，判断生物的生存状态，但很难量化生物行为变化与环境胁迫之间的关系。因此，要实现对一定环境内，包括正常环境和污染环境，水生生物的行为变化在线监测与分析，必须构建一种全新的生物传感器，不仅能够在线分析行为强度与环境之间关系，又能够通过示踪分析，研究不同行为模式与环境之间关系，最终实现生物行为响应与环境变化之间的关系分析。

发明内容
本发明的目的在于，针对分析生物行为响应与环境变化之间关系的生物行为传感器的需求，提供一种基于四极阻抗及三维示踪技术的水生生物行为传感器，解决目前几种生物行为传感器存在的问题，实现对水生生物行为变化的在线信号采集与分析。本发明目的是通过如下技术方案实现的
一种基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器，特点是，它包括流水系统、四极阻抗行为采集系统、三维示踪行为采集系统以及数据处理中心，其中，
流水系统包括生物行为监测区域，生物行为监测区域的两端分别设有底盖和顶盖，在底盖上设有进水口，顶盖上设有传感器敞开口，传感器敞开口的侧面设有传感器溢流口，在生物行为监测区域与底盖之间、生物行为监测区域与顶盖之间分别设有带孔硅胶垫；四极阻抗行为采集系统包括电极，电极设在生物行为监测区域内，电极上设有电极接点，电极接点通过信号线连接专用信号识别软件；
三维示踪行为采集系统包括摄像头，摄像头设在生物行为监测区域内，摄像头上连接视频信号线，视频信号线连接视频信号解析软件；
四极阻抗行为采集系统和三维示踪行为采集系统中采集的虚拟信号分别转化为数字信号，输送至数据处理中心。一种利用上述生物行为传感器的监测方法，包括下列步骤
a)指示生物的培养及选择；
b)将指示生物放入流水系统中； c)利用四极阻抗行为采集系统采集信号传输至专用信号识别软件进行分析处理；
利用三维示踪行为采集系统采集信号传输至视频信号解析软件进行分析处理；
d)将上述c步骤中的处理信号传送至数据处理中心，进行分析判断。本发明技术构建了一套全新的生物传感器系统，它通过四极阻抗行为采集技术和三维示踪行为采集技术采集生物行为信号，并经过兼容性处理，实现两种行为信号的实时分析和统一，不仅能够在线分析生物行为强度与环境之间的关系，又能够通过示踪分析，研究不同行为模式与环境之间的关系，最终实现对一定环境内，包括正常环境和污染环境，生物行为响应与环境变化之间的在线监测与分析。本发明与已有技术相比，具有十分显著地进步和实质性特点。下面结合附图及实施例对本发明做详细地解释说明。


图I是本发明的结构示意 图2是本发明生物行为传感器的四极阻抗行为采集系统采集的日本青鏘行为变化；图中横坐标为时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化；
图3是本发明生物行为传感器的三维示踪行为采集系统采集的日本青鏘行为变化；
图4是基于日本青鏘行为变化综合分析结果的生物行为模型。
具体实施例方式参见图1，
本发明所示生物传感器，包括流水系统、四极阻抗行为采集系统、三维示踪行为采集系统以及数据处理中心等四部分。其中，
流水系统包括生物行为监测区域2，生物行为监测区域2可以制作成一个透明圆柱管，透明圆柱管的两端分别有底盖3和顶盖4，在底盖3上设有进水口 1，顶盖4上设有传感器敞开口 5，传感器敞开口 5的侧面设有传感器溢流口 6，在透明圆柱管与底盖3之间、透明圆柱管与顶盖4之间分别加垫带孔硅胶垫9和带孔硅胶垫10，硅胶垫孔径由受试生物决定。四极阻抗行为采集系统主要由2组不锈钢电极11组成，电极11安装在透明圆柱管内壁上，每组电极由相对设置的两对电极组成，其中一对为发射信号电极，另一对为接收信号电极，每组电极的结构一致，电极11上设有多个电极接点7，电极接点7通过信号线12连接专用信号识别软件18。
三维示踪行为采集系统主要基于双目视觉技术，在透明圆柱管上设置两个平行摄像头8，摄像头8通过视频信号线13连接视频信号解析软件17。四极阻抗行为采集系统和三维示踪行为采集系统中采集的虚拟信号分别转化为数字信号19，输送至数据处理中心20 (计算机)。在上述的技术方案中，所述的进水口 I与外部水管连接，外部水管的进水管上可以安装有流量计，以便通过流量计控制进水和出水。在上述的技术方案中，所述的生物行为监测区域2的管材，可以根据被监测水体的性质进行选择，例如可以为玻璃材料、PVC材料或ABS材料等。 在上述的技术方案中，所述的电极为不锈钢材料制成，其大小根据受试生物个体大小及生物行为监测区域2大小决定。在上述的技术方案中，所述的传感器溢流口 6与排水管相连，将监测水体导出。工作原理简述
上述传感器的四极阻抗行为采集系统中，发射信号电极连续发射低压正弦高频信号，在传感器内形成一个低压正弦高频信号电场，当受试生物在传感器的运动导致电场发生变化以后，接收信号电极能够感应电场的变化，接收传感器内由发射信号电极形成的电信号变化，然后通过不同电极接点7由信号线12传至专用信号识别软件18，对生物行为进行解析，并实现生物行为信号的采集，并将采集的虚拟信号转化为数字信号19，输送到生物行为数据处理中心20。信号发射电极和信号接收电极由信号12决定。上述传感器的三维示踪行为采集系统中，基于双目视觉技术的两个平行摄像头8最终形成三维监测技术对一定区域内的生物行为进行示踪。由两个平行摄像头8在线采集视频信号以后，通过视频信号线13传输到视频信号解析软件17进行解析。在视频信号解析软件17中，首先通过本底信号14的背景值滤除，形成只有受试生物的信号源15，通过示踪分析16，对生物行为进行示踪分析。同时，视频信号解析软件17将采集的虚拟信号转化为数字信号19，输送到数据处理中心20。基于四极阻抗生物行为信号采集及三维示踪行为采集以后，将行为数字信号由数据处理中心20进行同步分析，实现生物行为变化的在线分析。所述的生物行为传感器监测区域可以根据受试生物个体大小进行选择，并保持生物行为传感器内受试生物的数量为5 10只。在每个生物行为传感器内装入的受试生物为出生后24 72小时(优选48小时)的被监测水源原生种的水生生物幼体，在实验室内使用常规的标准水培养进化至少三代以上，作为受试生物使用；或是出生后24 72小时(优选48小时)的被监测水源标准模式生物的水生生物幼体，直接作为受试生物使用；
所述的被监测水源原生种包括水生无脊椎动物和脊椎动物，其中无脊椎动物主要选择节肢动物，如虾、蚤类等，脊椎动物主要选择成体体长为4厘米左右的鱼类；
所述的被监测水源标准模式生物包括无脊椎动物的日本沼虾、大型蚤以及脊椎动物的日本青鏘、稀有鉤鲫和斑马鱼等。本发明提供的用于监测水生生物行为变化的生物行为传感器，是预选具有运动行为多样性的水生生物为指示物种，通过一点或多点监测，受试生物在一种或几种水体内不同位置的运动行为变化，对生物行为进行评估。
实验例
下面以监测日本青鏘的生物行为为例具体说明。参考图1，制作一用于监测日本青鏘的生物行为传感器，该生物行为传感器由有机玻璃制作的监测区域2，该监测区域2的大小为内径小4cmX外径5cm。在监测区域2内壁上安装由2对不锈钢片制作的电极，电极选择为2. 4X5cm，两对电极通过不锈钢螺丝与信号处理中心连接，其中一对为信号发射电极，另一对为信号接收电极；监测区域2两端各固定一圆盖，底部圆盖中心连接为进水口 1，连接外部给水管，上盖中心为开放式溢流口 6，圆盖与监测区域2之间通过与受试生物相适应的带孔硅胶垫封住。将一对能够进行双目视觉的摄像头8镶嵌于生物行为监测区域顶盖的合适位置，对区域内日本青鏘行为进行三维示踪监测。利用本实施例制作的生物行为传感器，进行监测日本鲭鏘在正常水体内的行为周期性变化，具体监测试验如下 试验进行的温度控制在20±2°C，光照周期为16H:8D。流水暴露试验维持4天。在试验过程中，流水速率控制在I升/小时，食物通过流水系统投喂。利用生物行为传感器监测日本鲭鏘在正常水体内的行为周期性变化。图2所示为基于四极阻抗行为采集系统采集的日本青鏘行为变化；图中横坐标为时间，纵坐标为日本鲭鏘的行为强度变化。在4天流水试验过程中，日本鲭鏘的行为变化处于正常范围之内。图3所示为基于三维示踪行为采集系统采集的日本青鏘行为变化。其中包括日本青鏘行为踪迹、速度、角度、位置等的分析。由此判断日本青鏘的行为变化。对四极阻抗信号和三维视频信号进行识别以后，对生物行为进行解析，并实现生物行为信号的采集，并将采集的虚拟信号转化为数字信号，输送到生物行为数据处理中心。结合图4所示的生物行为的环境逐级压力阈模型(Stepwise Behavioral Response Model,SBRM)，对相关信号进行比对，分析生物行为变化，由此推断水质状况变化。
权利要求
1.一种基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器，其特征是，它包括流水系统、四极阻抗行为采集系统、三维示踪行为采集系统以及数据处理中心，其中， 流水系统包括生物行为监测区域，生物行为监测区域的两端分别设有底盖和顶盖，在底盖上设有进水口，顶盖上设有传感器敞开口，传感器敞开口的侧面设有传感器溢流口，在生物行为监测区域与底盖之间、生物行为监测区域与顶盖之间分别设有带孔硅胶垫； 四极阻抗行为采集系统包括电极，电极设在生物行为监测区域内，电极上设有电极接点，电极接点通过信号线连接专用信号识别软件； 三维示踪行为采集系统包括摄像头，摄像头设在生物行为监测区域内，摄像头上连接视频信号线，视频信号线连接视频信号解析软件； 四极阻抗行为采集系统和三维示踪行为采集系统通过数字信号与数据处理中心连接。
2.利用权利要求I所述基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器的监测方法，包括下列步骤 a)指示生物的培养及选择； b)将指示生物放入流水系统中； c)利用四极阻抗行为采集系统采集信号传输至专用信号识别软件进行分析处理； 利用三维示踪行为采集系统采集信号传输至视频信号解析软件进行分析处理； d)将上述c步骤中的处理信号传送至数据处理中心，进行分析判断。
全文摘要
本发明公开了一种基于四极阻抗及三维示踪的生物行为传感器及监测方法，特点是，它包括流水系统、四极阻抗行为采集系统、三维示踪行为采集系统以及数据处理中心，它通过四极阻抗行为采集技术和三维示踪行为采集技术采集生物行为信号，并经过兼容性处理，实现两种行为信号的实时分析和统一，不仅能够在线分析生物行为强度与环境之间的关系，又能够通过示踪分析，研究不同行为模式与环境之间的关系，最终实现对一定环境内的生物行为响应与环境变化之间的在线监测与分析。
文档编号G01D21/02GK102749100SQ201210215259
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者李红敏, 邵泽舫 申请人:烟台凯思环境技术有限公司