一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置和方法
技术领域
1.本发明属于生物测量技术领域，具体是涉及一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置和方法。
背景技术：2.水产养殖是粮食生产的重要组成部分，提供优质的蛋白质和营养，而鱼类在水产养殖中占据重要地位，对鱼类的生物学研究为养殖生产实践提供理论依据和指导，有助于提高养殖产量。在众多生物学特征中，心率是一种重要的生理指标，鱼类的心率与其代谢状态相关，并且不同环境因子的变化(高温、缺氧、酸化等)，会引起其心率的改变，因此可通过测量鱼类的心率来评估其生理状态，为鱼类的养殖生产提供理论依据和指导，也可丰富鱼类的基础生物学研究，研制适宜的心率测量装置和方法可促进鱼类的心率研究。
3.鱼类心率的测量方法中，若按测量原理基本分成四类：心电图法(electrocardiogram，ecg)、光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，ppg)、视频像素变化法和超声波法，其中超声波法和视频像素变化法对测量环境和测量条件要求较高，因此应用场景有限，所以目前应用得最为广泛的是ecg和ppg，ecg的原理是记录心脏跳动产生的电流，ppg的原理是利用光电检测器在活体组织中检测血液容积变化。若按测量方式可分成两类，即侵入式和非侵入式，侵入式的测量方式需要将测量电极插入到鱼的心包外膜附近，或者将测量装置植入心脏附近的位置，对鱼造成一定的损伤，而非侵入式的测量方式几乎不会对鱼造成损伤。目前很多研究都采用非侵入式ecg的方法监测鱼的心率，但是该方法也有一定的缺点，例如：心电的信号较小、容易受到肌电信号的影响、设备配件多、生物电放大器的价格较昂贵等；而非侵入式ppg的方法可获得很强的信号，并且配件少，红外放大器的价格便宜很多，采用该方法可同时进行大批量测量，提高通量，以应用于鱼类心率的遗传学研究。
4.非侵入式ppg的测量方法按照光源和光电探测器的相对位置又可分成两类，即透射型和反射型。透射型指的是光源位于光电探测器的对面，光源发出的光透射过生物体后被光电探测器接收；反射型指的是光源和光电探测器位于同一侧，光源发出的光经生物体反射后被光电探测器接收。透射型ppg对被测生物体的要求较高，要求被测生物体具高透光性，因此透射型ppg常应用于规格较小的生物；而反射型ppg则无须要求被测生物具高透光性，所以反射型ppg应用较广，也更为便捷，生活中常用的智能手表或智能手环所具备的心率测量功能的原理大多数为反射型ppg。
5.鱼类心率的研究中，非侵入式ppg的应用相对较少，采用透射型非侵入式ppg进行心率测量，当实验鱼的规格较小时，能够获得较好的心率信号，但当实验鱼的规格较大时，其心率信号的质量较差。并且由于透射型非侵入式ppg装置的光源和光电探测器必须分开，无法集成为一个探头，所以在便捷性和稳定性上仍有所欠缺。
技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置和方法，能够在不侵入鱼体的前提下高效、稳定地测量鱼类心率。
7.为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，包括：平台、固定槽、线槽、三轴微调滑台、红外传感器、信号放大器、数据采集设备、计算机；所述固定槽置于平台上；红外传感器通过线槽固定于三轴微调滑台；三轴微调滑台安装于平台上；红外传感器、信号放大器、数据采集设备、计算机依次连接；计算机内装有分析软件，分析软件用于对来自信号放大器的电信号进行可视化和进一步的数据分析；所述平台用于放置固定槽和安装三轴微调滑台；固定槽用于固定被测鱼；线槽用于包藏红外传感器的连接线部分；三轴微调滑台用于操控红外传感器；红外传感器用于发射红外光和探测红外光的强度变化；信号放大器用于放大来自红外传感器的电信号；数据采集设备用于记录和分析来自信号放大器的电信号；计算机用于储存数据和运行分析软件。
9.优选的，所述固定槽用海绵包被，海绵可吸水，用于保护和保湿鱼体；固定槽的大小可调，以适用于不同规格的鱼。
10.优选的，所述线槽采用耐腐蚀的硬材质，不易被腐蚀，能够包藏红外传感器的连接线，使红外传感器的连接线部分硬质化以易于精细操作。
11.优选的，所述红外传感器包括红外发射器和红外光电探测器，可发射红外光和探测红外光的强度变化，并将光信号转化成电信号，以检测血液容积变化。
12.优选的，所述三轴微调滑台可进行水平方向操控和垂直方向操控，操控的最小距离单位为微米，通过三轴微调滑台的操控，可将红外传感器的红外发射器和红外光电探测器精准对准鱼的心脏或血管位置。
13.一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量方法，具体步骤如下：
14.1)将被测鱼用含麻醉剂的水体进行麻醉，麻醉至鳃盖缓慢开合，在该麻醉状态下对鱼进行操作时，对鱼的影响较小；
15.2)将麻醉后的被测鱼固定，以方便进一步操作；
16.3)用红外发射器照射鱼腹面的心脏或血管部位，再利用红外光电探测器接收鱼腹面的心脏或血管反射回的红外信号，以检测被测鱼腹面的心脏和血管的血液容积变化；
17.4)用相关仪器将红外光电探测器接收的信号转化为心率信号。
18.通过所述技术方案，本发明提供的装置和方法可通过探测经鱼类心脏和血管反射回的红外信号，从而达到用反射型非侵入式ppg测量鱼类心率目的。
19.本发明提供一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置和方法，与现有的鱼类心率测量技术相比，本发明至少有以下优点和技术效果：
20.1)本发明测量心率时，无需侵入鱼体，不会对鱼造成损伤。
21.2)本发明使用反射型ppg的方法，无需要求鱼体具备高透光性，因此适用性广。相比ccd采集信号测量鱼心率等方法，本发明可以用红外发射器照射鱼腹面的心脏或血管部位，再利用红外光电探测器接收鱼腹面的心脏或血管反射回的红外信号，准确性和稳定性更高。
22.3)本发明可准确测量相同状态下鱼类的心率，通过差异对比等，可用于评估鱼类
生理状态，为鱼类的养殖生产提供理论依据和指导；给鱼类心率研究领域带来极大的便利，亦可促进水产养殖研究领域的发展。
附图说明
23.图1为本发明提供的反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置的结构示意图；
24.图2为大黄鱼腹面心脏部位的心率信号图；
25.图3为大黄鱼腹面血管部位的心率信号图。
26.图标：1-平台；2-固定槽；3-线槽；4-三轴微调滑台；5-红外传感器；6-信号放大器；7-数据采集分析设备；8-计算机；9-分析软件；10-被测鱼。
具体实施方式
27.为了使本发明的技术方案更加清楚，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做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。
28.实施例1：一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置
29.参见图1，本实施例提供一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，包括：平台1、固定槽2、线槽3、三轴微调滑台4、红外传感器5、信号放大器6、数据采集设备7、计算机8、分析软件9。其中，红外传感器5通过线槽3固定于三轴微调滑台4。红外传感器5、信号放大器6、数据采集分析设备7、计算机8依次连接。
30.平台1用于放置固定槽2和安装三轴微调滑台4；
31.固定槽2用于固定麻醉后的被测鱼10，使鱼体腹面正朝上，本实施例中所用的固定槽2，宽度可调，可固定不同规格的鱼，固定槽2用海绵包被，可保护和保湿鱼体。
32.线槽3用于包藏红外传感器5的连接线部分，使红外传感器5的连接线部分硬质化以易于精细操作，本实施例中线槽3的材质为pvc。
33.三轴微调滑台4用于操控红外传感器5，三轴微调滑台4可进行水平方向和垂直方向的操控和微调，本实施例所采用的三轴微调滑台4为手动的微米级滑台。
34.红外传感器5用于发射红外光和探测红外光的强度变化，以检测鱼心脏和血管的血液容积变化。本实施例中所采用的红外传感器5集成红外发射器和红外光电探测器。本实施例中所采用的红外传感器5的品牌为；newshift，型号为：cny70。需要说明的是，采用集成红外发射器和红外光电探测器的红外传感器，以及采用品牌为：newshift，型号为：cny70的红外传感器，只是本实施例的一种优选的实施方式，本发明并不仅限于此，在其他实施例中也可将红外发射器和红外光电探测器分开，以及在其他实施例中也可采用其他品牌和型号的集成式红外传感器。
35.信号放大器6用于放大来自于红外传感器5的电信号，本实施例中所采用的信号放大器6的品牌为：newshift，型号为：amp03。需要说明的是，采用品牌为：newshift，型号为：amp03的信号放大器，只是本实施例的一种优选的实施方式，本发明并不仅限于此，在其他实施例中也可采用其他品牌和型号的信号放大器。
36.数据采集设备7用于记录和分析来自于信号放大器6的电信号，本实施例中所采用
的数据采集设备7的品牌为：adinstruments，型号为：powerlab 4/35。需要说明的是，采用品牌为：adinstruments，型号为：powerlab 4/35的数据采集设备只是本实施例的一种优选的实施方式，本发明并不仅限于此，在其他实施例中也可采用其他品牌和型号的数据采集分析设备。
37.计算机8及分析软件9用于可视化和分析来自数据采集分析设备7的数据，本实施采用windows系统的计算机8，采用的软件9的品牌为：adinstruments，软件名为：labchart 8。需要说明的是，采用windows系统的计算机和品牌为：adinstruments，软件名为：labchart8的软件，只是本实施例的一种优选的实施方式，本发明并不仅限于此，在其他实施例中也可采用其他系统的计算机以及其他公司的软件。
38.实施例2：一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量方法
39.本实施例提供一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量方法，其中具体步骤如下：
40.1)配置用于麻醉被测鱼的水体：在水体中加入ms-222或丁香酚，具体的浓度视鱼种和规格而定；测量水体的ph值，若水体呈酸性，则加入适量的nahco3调节至中性。
41.2)将被测鱼放入步骤2)中配置的含麻醉剂的水体，麻醉至鳃盖缓慢开合；
42.3)将麻醉后的被测鱼固定，保持鱼体腹面正朝上；
43.4)将红外发射器和红外光电探测器对准被测鱼腹面的心脏部位，通过信号放大器对红外光电探测器接收到的信号进行放大，再用示波器(或者用数据采集设备结合计算机及分析软件)读取被测鱼心脏的ppg信号；
44.5)将红外发射器和红外光电探测器对准被测鱼腹面的血管部位，通过信号放大器对红外光电探测器接收到的信号进行放大，再用示波器(或者用数据采集设备结合计算机及分析软件)读取被测鱼血管的ppg信号。
45.通过所述实施例1和2，本发明提供的装置和方法可通过探测经鱼类心脏和血管反射回的红外信号，从而达到用反射型非侵入式ppg测量鱼类心率目的。
46.此外，下面将结合实施例1提供的装置和实施例2提供的方法，给出具体实施例，该具体实施例亦详细说明实施例1提供的装置的操作过程。
47.本具体实施例所使用的鱼类为大黄鱼(pseudosciaenacrocea)，大黄鱼的养殖产量位列我国海水鱼类养殖产业之首，是重要的水产养殖物种，因此采用大黄鱼作为测量示范。
48.1)将实施例1提供的一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置的各设备按要求连接和通电，开启各设备和软件，并通过分析软件9(labchart8，adinstruments)将信号过滤参数设置为：交流耦合、低通5hz，确保一切就绪；
49.2)选取一尾健康的大黄鱼，体重为：44.4g，体长为：18.1cm；
50.3)配置麻醉水体：在2l的海水加入ms-222，使浓度为：160ppm，再加入适量的nahc03调节至中性；
51.4)将大黄鱼放入步骤2)中配置的含麻醉剂的水体，麻醉至身体不运动但鳃盖缓慢开合；
52.5)将麻醉后的大黄鱼放于固定槽2，保持鱼体腹面正朝上；
53.6)通过三轴微调滑台4将红外传感器5(cny70，newshift)的红外发射器和红外光电探测器对准被测大黄鱼腹面的心脏部位，通过计算机8及分析软件9(labchart8，
adinstruments)读取被测大黄鱼心脏的ppg信号，参见图2，一个完整的波形代表一次心跳周期，计算单位时间的心跳次数即可得出心率；
54.7)通过三轴微调滑台4将红外传感器5(cny70，newshift)的红外发射器和红外光电探测器对准被测大黄鱼腹面的血管部位，通过计算机8及分析软件9(labchart8，adinstruments)读取被测大黄鱼血管的ppg信号，参见图3，一个完整的波形代表一次心跳周期，计算单位时间的心跳次数即可得出心率。
55.本发明先用红外发射器照射鱼腹面的心脏或血管部位，再用红外光电探测器接收反射回的红外信号，最后用相关仪器将红外光电探测器接收的信号转化为心率信号。本发明测量方法得出的心率准确率高，在相同状态下，鱼类心率的差异可以评估鱼类生理状态的不同，本发明无须侵入鱼体，不会对鱼造成损伤，无须要求鱼体具备高透光性，适用性广。
技术特征：1.一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，其特征在于包括：平台、固定槽、线槽、三轴微调滑台、红外传感器、信号放大器、数据采集设备、计算机；所述固定槽置于平台上；红外传感器通过线槽固定于三轴微调滑台；三轴微调滑台安装于平台上；红外传感器、信号放大器、数据采集设备、计算机依次连接；计算机内装有分析软件，分析软件用于对来自信号放大器的电信号进行可视化和进一步的数据分析；所述平台用于放置固定槽和安装三轴微调滑台；固定槽用于固定被测鱼；线槽用于包藏红外传感器的连接线部分；三轴微调滑台用于操控红外传感器；红外传感器用于发射红外光和探测红外光的强度变化；信号放大器用于放大来自红外传感器的电信号；数据采集设备用于记录和分析来自信号放大器的电信号；计算机用于储存数据和运行分析软件。2.根据权利要求1所述的一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，其特征在于：所述固定槽用海绵包被，固定槽的大小可调。3.根据权利要求1所述的一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，其特征在于：所述线槽为耐腐蚀的硬材质。4.根据权利要求1所述的一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，其特征在于：所述三轴微调滑台用于进行水平方向操控和垂直方向操控，三轴微调滑台的最小操控单位为微米。5.根据权利要求1所述的一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量装置，其特征在于：所述红外传感器包括红外发射器和红外光电探测器，红外传感器用于可发射红外光和探测红外光的强度变化，并将光信号转化成电信号，以检测血液容积变化。6.一种反射型非侵入式ppg的鱼类心率测量方法，其特征在于具体步骤如下：1)将被测鱼用含麻醉剂的水体进行麻醉，麻醉至鳃盖缓慢开合；2)将麻醉后的被测鱼固定；3)用红外发射器照射鱼腹面的心脏或血管部位，再利用红外光电探测器接收鱼腹面的心脏或血管反射回的红外信号，以检测被测鱼腹面的心脏和血管的血液容积变化；4)用相关仪器将红外光电探测器接收的信号转化为心率信号。
技术总结一种反射型非侵入式PPG的鱼类心率测量装置和方法，属于生物测量技术领域。装置包括：平台、固定槽、线槽、三轴微调滑台、红外传感器、信号放大器、数据采集设备、计算机、分析软件。固定槽置于平台上，用于固定鱼；线槽和三轴微调滑台安装于平台上，用于固定和操控红外传感器；红外传感器、信号放大器和数据采集设备用于探测和记录心率信号；计算机和分析软件用于储存数据和数据分析。方法为：先用红外发射器照射鱼腹面的心脏或血管部位，再用红外光电探测器接收反射回的红外信号，最后用相关仪器将红外光电探测器接收的信号转化为心率信号。无须侵入鱼体，不会对鱼造成损伤，无须要求鱼体具备高透光性，适用性广。适用性广。适用性广。
技术研发人员：徐鹏 邓雅程 柯巧珍 王家迎 曾俊嘉 濮菲
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
