DE69825873T2

DE69825873T2 - Verfahren zur automatischen biologischen überwachung der wasserqualität

Info

Publication number: DE69825873T2
Application number: DE69825873T
Authority: DE
Inventors: R. Tommy SHED; D. Jeffrey LEACH; C. Robert BISHOFF; W. Mark WIDDER; H. William VAN DER SCHALIE
Original assignee: United States Department of the Army; US Army Research Institute of Environmental Medicine
Current assignee: United States Department of the Army; US Army Research Institute of Environmental Medicine
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: EP0968419A1; DE69825873D1; WO1998041862A1; US6058763A; AU6760198A; CA2283846C; EP0968419B1; CA2283846A1; ATE274696T1

Description

Die US-Regierung hat eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und das Recht, in begrenzten Umständen von dem Patentinhaber zu verlangen, anderen auf Grund von vernünftigen Gründen eine Lizenz zu erteilen, wofür gesorgt ist während der Laufzeit des Vertrags Nr. DAMD17-93-C-3006, zuerkannt von der US-Armee.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen von Wasserqualität gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen von Wasserqualität unter Verwendung des Atmungsverhaltens und der Körperbewegung von Wasser-Organismen.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Atmungsreaktionen sind oft einige der ersten dem Tod vorangehende Symptome, die von Tieren bei Stress in der Umgebung vorgebracht werden. Fortgesetztes, anormales Atmungsverhalten, wie beispielsweise schnelles, flaches oder fehlerhaftes Atmen kann physiologische Schädigung anzeigen, die irreversibel sein kann. Veränderungen in dem Atmungsverhalten von Fischen haben sich als ein verlässlicher Indikator von unerwünschten Stürzen oder „Slugs" von Verschmutzungen in Abwasser- und Trinkwassersystemen erwiesen.
Folglich können Atmungs-Bioüberwachungssysteme als ein Frühindikator von drohendem Schaden für Wasser-Ökosysteme und mögliche Schädigungen für Menschen dienen.
Die technologischen Mittel zum Aufzeichnen und Anzeigen von Atmungssignalen für eine nachfolgende Analyse sind schon verfügbar. Folglich gibt es eine beträchtliche Anzahl von Studien, die das Atmungsverhalten von Fischen und anderen Wasser-Organismen untersucht haben. Es hat sich bei einer großen Anzahl von Substanzen bei tödlichen Levels gezeigt, dass Atmungsreaktionen relativ schnell herausbekommen werden können. Für viele Verschmutzungen wurde eine signifikante Reaktion oft in weniger als einer Stunde des Aussetzens in Konzentrationen erzeugt, welche die 96-Stunden-LC50 annähern (die Konzentration, bei welcher fünfzig Prozent der Organismen innerhalb von 96 Stunden des Ausgesetztseins sterben). Studien, die unter Verwendung von subakuten toxischen Proben von Abflüssen oder individuellen Verschmutzungen durchgeführt worden sind (Konzentrationen gut unterhalb der berichteten LC50 Konzentration) dokumentierten oft Reaktionen innerhalb von einer bis zehn Stunden des Ausgesetztseins.
Obwohl eine Vielzahl von Organismen für diesen Zweck untersucht worden sind, aufweisend Krebse, Wasser-Insektenlarven und Muscheln, haben die meisten Untersuchungen von Wasser-Atmungsverhalten Frischwasserfischspezien verwendet. Dies beruht weitgehend darauf, dass Fische im allgemeinen in ihrer Wichtigkeit in Wasser-Systemen ökologisch "sichtbar" sind und viele Spezien (insbesondere Salmoiden und Centrarchiden) große operculare Klappen haben, die relativ klare Atmungssignale zum Messen und Abschätzen ergeben.
Die Atmungsparametern in Fischen, für die sich gezeigt hat, dass sie durch Toxizität beeinflusst werden, enthalten die Atmungsrate (operculare Bewegung über die Zeit), die Atmungstiefe (Amplitude), das Husten oder die Kiemenreinigungsrate, und fehlerhafte Frequenzfolgen aufgrund plötzlicher Bewegung des Organismus. Am üblichsten sind Veränderungen in der bloßen Atmungsrate, im Gegensatz zu den anderen gerade angesprochenen Parametern, als ein Bioindikator von toxischen Bedingungen verwendet worden. Von der Atmungsrate und der Kiemenreinigungs- oder Hustenrate ist jedoch berichtet worden, dass sie für einige Verbindungen sensitivere Indikatoren von Toxizität sind.
Änderungen in der Atmungsrate werden oft mittels manuellen Untersuchens der Peaks pro Einheitsbereich auf einer Registierstreifen-Aufnahme ermittelt. Die Atmungstiefe oder Signalamplitude wird in ähnlicher Weise von oben bis unten der Wellenform auf dem Registrierstreifen gemessen. Die Hustenrate ist schwieriger zu bestimmen gewesen, sogar mit einer manuellen Untersuchung eines Registrierstreifens, da verschiedene unterschiedliche Typen von Hustern vorliegen können, mit ihren eigenen charakteristischen Wellenformmustern. Auch ohne die Verwendung von simultanen Videotechniken ist das tatsächliche Auftreten eines Hustens nicht immer klar.
US-A-5,469,144 betrifft ein Verfahren zum Auswählen und Implementieren von Wellenformverarbeitungstechniken für eine Vorrichtung, die zum Überwachen von Wasserqualität unter Verwendung eines Fisches als biologischer Sensor verwendet wird.
WO-A-9514925 betrifft ein Verfahren zum Echtzeit-Bioüberwachen von physikalischen und chemischen Parametern in Wasser-Medien unter Verwendung von Hochfrequenz-Undulating-Signalen oder Pulssignalen, die von Wasser-Testtieren erzeugt sind.
US-A-5,140,855 betrifft einen Überwachungstank für Fische, verwendet als biologischer Sensor, wobei hinsichtlich seiner Qualität zu überwachendes Wasser kontinuierlich durch den Überwachungstank fließt.
Nelms et al. ("BERM. Bioelectric Response Monitor", Proceedings of the Southeast Conference (Southeastcon), Birmingham, Alabama, 12. bis 15. April 1992, Band 1, 12. April 1992, Institute of electrical and electronics engineers, Seiten 91 bis 94) offenbart Überwachungsverfahren für Wasserressourcen unter Verwendung von Fischen als überwachte Tiere.
GB-A-2,195,543 stellt ein Verfahren zum Abschätzen von Wasserqualität gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereit. GB-A-2,195,543 betrifft eine Multikammervorrichtung zum Überwachen einer Reinheit einer Zuführung von Wasser mittels Abfühlens der elektrischen Potentiale, die mittels der Atmung oder des Herzschlags von Fischen erzeugt sind, wobei das Wasser mittels Aufteilens der Zuführung in eine Mehrzahl von parallele Ströme kontinuierlich überwacht wird.
DE-A-2906884 betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen von Wasserqualität unter Verwendung von elektrischen Fischen, wobei ein einzelner Fisch in einem Wassercontainer angeordnet ist, wobei eine Elektrode zum Empfangen elektrischer Entladung des Fisches bereitgestellt ist, und wobei das elektrische Signal unter Verwendung eines elektronischen Schaltkreises verstärkt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abschätzen von Wasserqualität des eingangs angesprochenen Typs bereitzustellen, mittels welchem Wasserqualität in einer verglichen mit dem Stand der Technik verbesserten Weise abgeschätzt werden kann.
Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens zum Abschätzen von Wasserqualität gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum automatisierten Bioüberwachen von Wasserqualität bereit.
Ferner bezieht die vorliegende Erfindung Verhaltensparameter wie zum Beispiel die Atmungstiefe, Hustenrate und Gesamtkörperbewegung eines Wasser-Organismus zusätzlich zu Atmungsfrequenzdaten in das automatisierte Bioüberwachen von Wasserqualität mit ein.
Darüber hinaus bezieht die vorliegende Erfindung Wasserqualitätscharakteristika wie zum Beispiel gelöster Sauerstoff, pH, Temperatur und Leitfähigkeit in das Bioüberwachen von Wasserqualität mit ein.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung verbessertes Wellenformverarbeiten von Datensignalen von Wasser-Organismen zum Reduzieren falscher Datensignale bereit.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Array von Bioüberwachungs-Aussetzungskammern mit einer integralen Wasserlieferung und einem Abflusssystem für verbesserte Atmungssignal-Datensammlung und Bioüberwachungs-Betrieb bereit.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine programmierbare Alarmreaktion bereit, die automatisiertes Wasser-Sampling und optional heilende Aktionen wie zum Beispiel das Isolieren der Wasserverschmutzungsquelle enthält.
Diese und andere Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung offensichtlich werden.
Gemäß einem Aspekt der bevorzugten Erfindung weist eine Vorrichtung zum Überwachen und Abschätzen von Wasserqualität eine Aussetzungskammer zum Unterbringen eines Wasser-Organismus auf und enthält zu überwachendes Wasser, und Elektroden zum Abfühlen von elektrischen Signalen, die von dem Organismus während Atmungsverhalten und Körperbewegung in dem zu überwachenden Wasser erzeugt werden. Elektrische Signale, die mittels der Elektroden aufgenommen sind, werden einer automatischen Steuerung zugeführt, welche basierend auf den Signalen von den Elektroden eine Mehrzahl von Atmungs- und Körperbewegungsparametern bestimmt. Die Steuerung vergleicht die Parameter mit entsprechenden Schwellwerten zum Bestimmen, wenn das Wasser, welchem der Organismus ausgesetzt ist, bei dem Organismus physiologischen Stress erzeugt hat.
Die Steuerung kann eine große Vielfalt von Atmungs- und Körperbewegungsparametern bestimmen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestimmt die Steuerung zumindest die Atmungsfrequenz, die mittlere Atmungstiefe und die Hustenrate des Organismus.
Das System kann ferner verschiedene Vorrichtungen aufweisen, die in Reaktion auf das Bestimmen eines Wasserqualitätsproblems mittels der Steuerung betrieben werden. Beispielsweise kann es einen Alarmmechanismus enthalten, der einen Alarm erzeugt, eine Sample-Vorrichtung, die Proben des zu überwachendes Wassers für eine nachfolgende Analyse sammelt, oder einen Umleitmechanismus zum Umleiten des zu untersuchenden Wassers zu einem Speichertank und zum Verhindern, dass das Wasser in die Umgebung abgelassen wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Überwachen von Wasserqualität das Messen von elektrischen Signalen, die von einem Wasser-Organismus erzeugt werden, der in zu überwachendem Wasser angeordnet ist, Bestimmen einer Mehrzahl von Atmungs- und Körperbewegungsparametern des Organismus basierend auf den Signalen, und Vergleichen der Parameter mit entsprechenden Schwellwerten zum Bestimmen, wenn das Wasser, welchem der Organismus ausgesetzt ist, bei dem Organismus physiologischen Stress erzeugt hat.
Das Überwachen und Bestimmen von Atmungs- und Körperbewegungsparametern eines Wasser-Organismus mittels einer automatisierenden Steuerung, wie in der vorliegenden Erfindung gelehrt, ermöglicht ein kontinuierliches, um-die-Uhr Überwachen von Wasserqualität mit schnellem Signalverarbeiten und guter Reproduzierbarkeit von Ergebnissen, welche ansonsten mit manuellen Verfahren des Bioüberwachens nicht möglich sind. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Mehrzahl von Atmungs- und Körperbewegungsparametern zum Bereitstellen einer größeren Detektionssensitivität und Genauigkeit gegenüber Systemen unter Verwendung einer Ein-Parameter-Analyse, und die vorliegende Erfindung ist fertig integriert mit Ablass-Steuerungssystemen für Abwasserbehandlungsbetriebe, Fabriken und andere mögliche Quellen von Verschmutzungen. Die Erfindung kann auch zum Überwachen und Abschätzen der Qualität eines Wasserkörpers wie zum Beispiel ein Sees oder Strom, oder dem Einlass in eine Trinkwasserbehandlungseinrichtung verwendet werden, stellt eine Detektionsfähigkeit von nicht erwünschter oder beabsichtigter toxischer Kontamination der Wasserquelle bereit. Solche Kontamination könnte sonst ohne die vorliegende Erfindung undetektiert bleiben, bis menschliche Gesundheit beeinflusst und mit der Quelle von kontaminiertem Trinkwasser identifiziert ist. Zusätzlich stellt die Aussetzungskammer der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Bioüberwachen von Wasser-Organismen mit einer Oberseite-Unterseite-Elektroden-Anordnung bereit, einheitliches Mischen des Wassers vor der Aussetzung des Organismus, und verringerte Wasserschichtung innerhalb der Kammer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines automatisierten Bioüberwachungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine repräsentative Signalprobe und stellt Atmungssignalanalyse gemäß dieser Erfindung dar.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Unterscheiden zwischen Hustern, Ganzkörperbewegung, Veränderungen in der Atmungsrate und anderem Verhalten darstellt, zum Bestimmen, wenn ein Alarmzustand auftritt.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Aussetzungstanks, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
5 ist eine schematische Ansicht eines internen Trägerboards, welches in der vorliegenden Erfindung zur Integration mit einem Standard-Mikroprozessor verwendet werden kann.
6 ist eine schematische Ansicht eines Termination-Paneels, das als eine Schnittstelle zwischen einem Mikroprozessor und anderen Komponenten der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines automatisierten Bioüberwachungssystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Ein Einlassstrom von Probewasser fließt von Quelle 12 zu Wassermeter 14, wo der Einlasswasserstrom in drei Ausgangsströme 16 – 18 aufgeteilt wird. Das mittels der vorliegenden Erfindung zu überwachende und zu analysierende Quelle-Wasser 12 kann eine beliebige Quelle von Wasser sein. Zu überwachendes Wasser enthält, aber ist nicht beschränkt auf, natürlich auftretende Wasserquellen wie beispielsweise Seen, Flüsse, Ströme und Häfen, und andere natürliche Wasserkörper. Die Wasserquelle 12, die zu überwachen ist, kann auch von einer Trinkwasserquelle kommen, wie sie dem Einlass einer Trinkwasserbehandlungseinrichtung zugeführt wird, oder Quelle 12 kann von einem möglichen Verschmutzungsquelle genommen werden, wie sie beispielsweise von einer Einrichtung zum Behandeln von Abwasser oder Grundwasser abgelassen wird, bevor das Wasser von der Behandlungseinrichtung abgelassen wird. Wie in der folgender Diskussion beschrieben, stellt System 10 ein Allzweck automatisiertes Bioüberwachungssystem zur Verwendung bei der Überwachung der Wasserqualität von einer beliebigen Quelle von Wasser bereit, und ist fertig integriert mit anderen Steuersystemen oder Datenüberwachungsvorrichtungen.
Zurückkommend auf 1 fließt Wasser von Quelle 12 über Strom 16 zu einer oder mehreren Aussetzungskammern 20, von denen jede einen oder mehrere Fische 22 aufweist. Fischphysiologische Signale werden mittels Elektroden 24 – 25 aufgenommen und Verstärker 26 übermittelt, wo die elektrischen Signale gefiltert und verstärkt werden. Obwohl hier nur ein Kanal entsprechend eines Fisches dargestellt ist, kann das System eine beliebige Anzahl von Kanälen aufweisen. Beispielsweise enthält die bevorzugte Ausführungsform vier Aussetzungskammern, von denen jede acht Fisch-Kompartimente hat, und einen 32-Kanal Verstärker für das simultane Überwachen von bis zu zweiunddreißig Fischen. Auf diese Weise kann eine Gruppe von Fischen der Wasserprobe-Quelle 12 ausgesetzt werden, wohingegen eine andere Fischgruppe Kontrollwasser 27 ausgesetzt wird.
Wasser, wie zum Beispiel ein Kloakebehandlungsbetrieb, ein industrieller Betrieb oder eine Fabrik, kann zum Bereitstellen desselben Typs von automatischem Frühwarnen und korrigierenden Aktionen verwendet werden, wie oben beschreiben. Die vorliegende Erfindung kann auch zum Überwachen eines Wasserkörpers verwendet werden, wie zum Beispiel ein See, eine Bucht, ein Fluss oder Strom, aufweisend eine Quelle von Trinkwasser, für Änderungen in der Wasserqualität. Wenn es zum Beispiel zum Überwachen des Einlasses zu einer Trinkwasserbehandlungseinrichtung verwendet wird, stellt System 10 ein automatisiertes Frühwarnen einer unerwünschten oder beabsichtigten Kontamination der Trinkwasserversorgung bereit, die ansonsten unbeobachtet vorangehen könnte, bis menschliche Gesundheitseffekte detektiert werden und mit der Quelle des kontaminierten Trinkwassers in Zusammenhang gebracht werden. Diese Anwendung würde dieselbe grundsätzliche Anpassung, Grundlinie und Überwachungsverfahren verwenden wie in dem obigen Beispiel mit denselben grundsätzlichen Systemkomponenten beschrieben. Ein Alarmsignal in Reaktion auf eine Identifikation von kontaminiertem Wasser mittels Steuerung 30 kann den zuständigen Gesundheitsämtern unmittelbar bei Detektion einer möglichen Gefahr bereitgestellt werden.
Nachdem eine allgemeine Beschreibung von Komponenten und Betrieb der vorliegenden Erfindung bereitgestellt worden ist, wird die Aufmerksamkeit nun auf eine detaillierte Beschreibung der Signalverarbeitungsschritte gerichtet, die mittels des Systems 10 zum Messen und Analysieren von Reaktionen eines Wasser-Organismus durchgeführt werden. Wie oben angesprochen, sind die Schlüsselindikatoren für physiologischen Stress, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, Atmungsrate 32, Hustenrate 34, mittlere Tiefe 36 und Prozent-Gesamtkörperbewegung 38. Die folgende Diskussion definiert die Begriffe und mathematischen Operationen, die in dieser Analyse verwendet werden.
Wendet man sich 2 und 3 zu, sind zum Beschreiben der Atmungssignalanalyse, die mittels der Steuerung 30 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, eine repräsentative Signalprobe und ein Flussdiagramm dargestellt. In dem folgenden Beispiel wird ein Zwölf-Bit Analog-zu-Digital-Wandler zum Umwandeln des analogen Minus-Zehn bis Plus-Zehn Volt Signals von Verstärker 26 in einen digitalen 0 bis 4095 ganzzahligen Wert verwendet. Die Anzahl von Bits, analoge Skala und verwendete digitale Skala kann jedoch wie gewünscht verändert werden, wohingegen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die folgende Analyse noch durchgeführt werden kann.
Wie in 2 dargestellt, enthält ein Atmungssignal eine Serie von Peaks 101 – 107 und Mulden 108 – 109. Die Zeit ist von links nach rechts dargestellt, wobei das zuletzt auftretende Signal an der äußeren rechten Seite von 2 nahe Mulde 109 auftritt. Peak-Parameter, die in dieser Stufe eins Analyse verwendet werden, enthalten die gesamte Dauer, Rück-Dauer, Peak-zu-Peak Dauer, Scheitelpunkt, Rück-Höhe, minimale Höhe und maximale Höhe. Ein Peak ist definiert als Signalmaximumpunkt (Scheitelpunkt), wo der Unterschied zwischen dem Wert des Signals bei dem Peak und dem Wert des Signals an der unmittelbar vorangehenden oder nachfolgenden Mulde größer als ein spezifischer Schwellwert 110 ist. Schritt S301 in 3A beginnt das Signalüberwachen für den nächsten Peak. Der Peakaufnahme-Schwellwert 110 ist im Allgemeinen nie kleiner als zehn, gemessen auf der 0 bis 4095 ganzzahligen Skala, aber kann nach oben hin basierend auf der mittleren maximalen Peakhöhe x_bar für das vorherige Druckintervall justiert werden, wie unten beschrieben. Schritt S302 bestimmt, ob die maximale Höhe größer oder gleich 10 ist, und Schritt S304 bestimmt, ob derselbe Wert größer oder gleich zehn Prozent von x_bar ist. Falls beide Bedingungen S302 und S304 erfüllt sind, wird der Wert als ein Peak identifiziert. Falls eine von diesen beiden Bedingungen nicht erfüllt ist, oder falls beide Bedingungen nicht erfüllt sind, wird das Überwachen für den nächsten Peak in Schritt S303 fortgesetzt. Auf diese Weise werden niedrige Amplitute-Signale 111, welche nicht den minimalen Schwellwert 110 überschreiten, nicht als Peaks gelabelt.
Die mittlere maximale Höhe, die in Schritt S304 verwendet wird, basiert auf Daten, die in dem vorherigen Druckintervall erhalten worden sind. Ein Druckintervall ist definiert als eine bestimmte Anzahl von benachbarten Probeblöcken, die in der vorliegenden Erfindung analysiert und zusammen präsentiert werden, wohingegen ein Probeblock definiert ist als das Atmungssignal gegen die Zeit, wie in 2 dargestellt, über eine bestimmte Dauer. Das Druckintervall wird normalerweise auf fünfzehn Minuten eingestellt, bei einer Probeblockdauer von fünfzehn Sekunden, aber es können basierend auf der Präferenz des Benutzers andere Werte ausgewählt werden. Die mittlere maximale Höhe für den Probeblock wird in einigen Fällen verwendet, wohingegen die mittlere maximale Höhe für das Druckintervall in anderen verwendet wird. Die folgende Diskussion spezifiziert, welcher Wert von x_bar für einen bestimmten Schritt in dem Verfahren von 3 verwendet wird.
Zurückkommend auf 2 werden Mulden, wie zum Beispiel 108 und 109, als ein Punkt eines Signalminimums zwischen Peaks definiert. Gesamtdauer 112 ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Mulden, wohingegen Rück-Dauer 113 die Zeit zwischen einem Peak und der vorangehenden Mulde ist. Rück-Höhe 114 ist die Differenz in dem absoluten Wert der Amplitude zwischen Peak-Wert und dem vorangehenden Mulden-Wert. Vorwärts-Höhe 115 ist die Differenz zwischen Peak-Wert und dem nachfolgenden Mulden-Wert. Die minimale Peak-Höhe ist definiert als der geringere Wert von Rück-Höhe- und Vorwärts-Höhe-Werten, wohingegen die maximale Peak-Höhe definiert ist als der größere der beiden Werte.
Schritt S305 bestimmt, ob die Anzahl von Peak in einem Probeblock größer als ein bestimmter Gesamtkörperbewegungs-Schwellwert ist, im Allgemeinen angenommen als achtundvierzig Peaks. Wieder kann ein anderer Wert für den Gesamtkörperbewegungs-Schwellwert basierend auf Benutzer-Präferenzen gewählt werden. Falls die Bedingung von Schritt S 305 wahr ist, dann klassifiziert Schritt S306 den gesamten Probeblock als Gesamtkörperbewegung, im Gegensatz zu Atmungsverhalten. Falls die Anzahl von Peaks in einem Probeblock weniger als der Gesamtkörperbewegungs-Schwellwert ist, dann fährt die Prozessierung in Schritt S307 fort. An diesem Punkt der Signalanalyse könnte die Atmungsfrequenz als die Anzahl von opercularen Peaks, die als solche in Schritten S304 und 305 identifiziert wurden, dividiert durch die Druckintervallzeit in Minuten, berechnet werden. Die vorliegende Erfindung geht jedoch über diese erste Stufe Analyse hinaus, zum Analysieren von Hochfrequenzhustern und Spikehustern. Wie in den unten beschriebenen Schritten diskutiert, wird das Signal nach dem Identifizieren von Hochfrequenzhustern und vor dem Bestimmen der Atmungsfrequenz geglättet. Dies stellt eine verbesserte Datenanalyse beim Bestimmen von Atmungsparametern bereit. Zusätzlich werden die Stellen der Hochfrequenzhust-Peaks markiert, um diese HFC(high frequency cough)-identifizierten Peaks nicht als Spikehuster doppelt zu zählen.
Schritt S307 identifiziert Hochfrequenzhuster in einer Stufe zwei Analyse wie folgt. Falls entweder die gesamte Dauer oder die Peak-zu-Peak Dauer geringer als das Hochfrequenzhustdauer-Limit ist, dann wird der Peak als ein Hochfrequenzhuster identifiziert, vorausgesetzt dass die Peaks in einer Peak-zu-Peak Abschätzung oder die Mulden in einer Mulden-zu-Mulden Abschätzung außerhalb der Rauschband-Limits sind. Schritt S 307 bestimmt dann, ob die Anzahl von Hochfrequenzhustern größer oder gleich dem Schwellwert für Gesamtkörperbewegung ist. Falls dies so ist, wird der gesamte Probenblock als Gesamtkörperbewegung angesehen, im Gegensatz zu Hochfrequenzhustern oder anderem Atmungsverhalten. Eine Zeit von 0.193 Sekunden ist als das Hochfrequenzhustdauer-Limit in Schritt S307 verwendet worden. Ganzzahlige Werte von 2108 für Peaks und 1988 für Mulden sind als die anfänglichen Rauschband-Limits verwendet worden. Nach dem ersten Druckintervall wird die mittlere maximale Höhe für das Duckintervall x_bar berechnet, und das Rauschband wird mittels Einstellens des oberen Limits gleich dem korrespondierenden ganzzahligen Äquivalent von x_bar multipliziert mit 0.15, und des unteren Limits gleich dem korrespondierenden ganzzahligen Äquivalent von x_bar multipliziert mit –0.15 justiert. Diese neuen Rausch-Limits werden in Analysen von Hochfrequenzhustern verwendet, die Schritt S307 nachfolgen. Wieder können die anfänglichen und justierten Rausch-Level Bänder auf andere Weise bestimmt werden, basierend auf der Benutzer-Präferenz.
Schritt S308 glättet die Signalprobe zum Entfernen der Hochfrequenzhuster von den Daten für nachfolgende Analyse und markiert die Stellen der Hochfrequenzhusten-Peaks, so dass diese HFC-Peaks nicht doppelt als Spikehuster gezählt werden. Die Glättungsfunktion wird unter Verwendung eines Standard-Kurvenglättungs-Algorithmus durchgeführt, wie beispielsweise ein Tiefpassdigitalfilter, wohingegen das Markieren mit einem einfachen Binär-Array von wahr/falsch Daten durchgeführt wird.
Der Algorithmus, der für die Glättungsfunktion ausgewählt wird, sollte die Hochfrequenzhuster entfernen, wohingegen er die verbleibenden Atmungsdaten für eine weitere Analyse erhält. Schritt S308 stellt verbesserte Datenanalyse in Schritten S309 – S311 bereit, mittels Entfernens der Hochfrequenzhuster von den Probedaten, die schon nach Hochfrequenzhustern in Schritt S307 analysiert worden sind. Die resultierenden Daten sind mehr verantwortlich für operculare Bewegungsanalyse und Spikehusten-Bestimmung, da die HFC-Peaks entfernt sind.
Schritt S309 führt eine operculare Bewegungsanalyse wie folgt durch. Das Verhältnis der Standardabweichung von allen maximalen Höhen zu der mittleren maximalen Höhe des Probeblocks x_bar wird berechnet und mit dem opercularen Peak-Schwellwert verglichen, welcher im Allgemeinen als 0.15 angenommen wird. Falls sie geringer ist als der Schwellwert, dann werden alle nicht-HFC-Peaks in dem Probeblock als operculare Bewegungen angesehen. Falls das Verhältnis größer oder gleich dem Schwellwert ist, dann wird die Anzahl von Peaks mit einer gesamten Dauer von weniger als dem Gesamtkörperbewegungs-Limit von 0.36 Sekunden bestimmt. Falls diese Anzahl von Peaks größer als der Gesamtkörperbewegungs-Schwellwert von sechs Peaks ist, dann wird der Probeblock als Gesamtkörperbewegung angesehen. Falls nicht, dann ist die Anzahl von Peaks mit einer maximalen Höhe von größer oder gleich fünfzig Prozent der Probeblock-mittlere-Maximalhöhe x_bar die Anzahl von opercularen Bewegungen. Noch einmal, andere Werte für Peak-Schwellwerte, Gesamtkörperdauer und ähnliches können zur Verwendung in Schritt S309 abhängig von der Benutzer-Präferenz bestimmt werden.
Schritt S310 führt eine Spikehusten-Analyse an den nicht-HFC-Peaks wie folgt durch. Ein gegebener Peak wird als ein Spikehuster angesehen, wenn die folgenden vier Bedingungen erfüllt sind. Erstens ist die Anzahl von opercularen Peaks in dem Probeblock größer oder gleich dem Spikehusten-Schwellwert, der im Allgemeinen als sieben Peaks angenommen wird. Zweitens ist der Peak-Wert größer als 1.3 mal die mittlere maximale Höhe x_bar für den Probeblock. Drittens ist der Peak-Wert größer als 1.3 mal der vorherige Peak. Viertens ist der Peak-Wert größer als 1.25 mal der erste oder zweite folgende Peak. Wieder können diese Schwellwertfaktoren von den obigen Werten abhängig von Benutzer-Präferenzen geändert werden.
Wenn die höhere Stufe Analyse von Schritten S307 – S310 durchgeführt worden ist, können Atmungsparameter wie folgt berechnet werden. Schritt S311 berechnet die Atmungsrate, Hustenrate, mittlere Tiefe und Prozent Gesamtkörperbewegung. Atmungsrate (VR) wird in Schritt S311 als die Anzahl von opercularen Peaks während eines gegebenen Druckintervalls berechnet, dividiert durch die Zeit in Minuten des Druckintervalls. Die Hustenrate (CR) wird berechnet als die Summe der Hochfrequenzhuster und Spikehuster, dividiert durch die Druckintervall-Zeit in Minuten. Die mittlere Tiefe (AD) wird berechnet als die mittlere maximale Höhe von allen opercularen Bewegungs-Peaks während eines Druckintervalls. Dies ist derselbe Wert wie die mittlere maximale Höhe des Druckintervalls x_bar, verwendet in der obigen Analyse. Prozent Gesamtkörperbewegung (PM) ist die Anzahl von Probeblöcken in dem Druckintervall weniger der Anzahl von nicht opercularen Bewegungsblöcken in dem Druckintervall, dividiert durch die gesamte Anzahl von Probeblöcken in dem Druckintervall. Dieser Wert kann mit 100 multipliziert werden und als ein Prozentsatz ausgedrückt werden. Schritt S312 nimmt die Werte von VR, CR, AD und PM auf, wie in Schritt S311 für nachfolgende Verwendung berechnet, wohingegen Schritt S313 das Überwachen des Atmungssignals fortsetzt.
Wendet man sich 3B zu, so werden weitere Signalverarbeitungsschritte und Funktionen dargestellt, die mittels Systems 10 durchgeführt werden. Schritt S314 berechnet Grundlinie Statistiken zur Verwendung beim Bestimmen, wenn eine außer-Kontrolle-Situation aufgetreten ist und wenn eine Alarmreaktion von dem System zu initiieren ist. Der mittlere Wert und die Standardabweichung für jeden der Parameter VR, CR und AD werden berechnet und in diesem Schritt gespeichert, und eine Chi-Quadrat-Analyse wird an der Prozent Gesamtkörperbewegung durchgeführt. Eine optionale Regressionsanpassung, wie unten beschrieben, kann in Schritt 314 durchgeführt werden, genauso zum Justieren von Atmungsparametern nach Veränderungen in gelöster-Sauerstoff-Level und Wassertemperatur.
Schritt S314 kann über ein ausgedehntes Zeitintervall durchgeführt werden, in welchem die Fische 22 nur Kontrollwasser 27 ausgesetzt sind, in der Abwesenheit von irgendwelchen Kontaminationen oder Unreinheiten, die in dem Quell-Wasser 12 vorhanden sein können, das zu überwachen ist. Auf diese Weise kann das Fischverhalten unter "Sauberwasser" Bedingungen charakterisiert werden, zur Verwendung bei nachfolgenden Vergleichen mit dem Verhalten desselben Fisches unter Aussetzungs-Bedingungen. Schritt S314 kann auch verwendet werden zum Berechnen bewegender Mittelwerte für VR, CR und AD. Diese Daten können verwendet werden zum Charakterisieren von Veränderungen in dem Atmungsverhalten für entweder Aussetzungs- oder Kontroll-Fische, oder beide, über die Zeit.
Gesamtkörperbewegung (PM) wird anders behandelt als die Atmungsparameter VR, CR und AD, wie folgt. Wenn das Level von Gesamtkörperbewegung PM größer oder gleich einem Wert von zwanzig für mindestens fünfzig Prozent des Druckintervalls ist, wird der entsprechende Fisch von dem System entfernt und die Daten von diesem besonderen Fisch werden beim Bestimmen der Grundlinie Statistiken nicht verwendet. Der Grund für diese Aktion ist, dass signifikante Mengen von Atmungsdaten verloren gehen, wenn Gesamtkörperbewegung so extensiv ist, was zu einer schlechten Atmungsparameter-Bestimmung führen kann, falls die begrenzten Daten in der nachfolgenden Analyse verwendet würden.
Schritt S314 führt auch eine optionale Regressionsjustierung an Umgebungsvariablen wie folgt durch. Seien als Ti, Di die Wassertemperatur bzw, die gelösten Sauerstoff-Levels bezeichnet, bei der Zeit i während des Grundliniestudiums. Seien als Tm, Dm die Grundlinie Mittellevels von diesen Variablen bezeichnet. Falls die Regressionsoption durchgeführt wird, wird das Regressionsmodel: Xi = B0 + B1 Ti + B2 Di für i=1, 2, ...N
mittels normaler Least Squares angepasst, wobei B0, B1 und B2 die abgeschätzten Regressionskoeffizienten sind, verwendet zum Justieren der Testperiodereaktionen auf die Levels Tm, Dm; und Xi ist der gemessene Atmungsparameter bei der Zeit i mit entsprechender Wassertemperatur Ti und gelöstem Sauerstofflevel Di. Die resultierenden Regressionskoeffizienten sind nützlich in Anwendungen von System 10, wo es signifikante Änderungen in dem gelösten Sauerstofflevel oder Temperatur des zu überwachenden Wassers gibt. Dieselbe Regressionsjustierung, wie hier beschrieben, könnte unter Verwendung anderer Umgebungsvariablen durchgeführt werden, wie zum Beispiel pH und Leitfähigkeit.
Schritt S315 führt Signalüberwachen und Verarbeiten wie in Schritten S301 bis S313 von 3A beschrieben durch, in welchen Atmungsparameter charakterisiert und quantifiziert werden. Schritt S316 bestimmt, wenn ein individueller Fisch außer Kontrolle ist oder außerhalb eines vorbestimmten Schwellwertverhalten-Limits ist. Falls entweder VR oder AR oder CR außerhalb einer bestimmten Anzahl von Standardabweichungen von den Grundlinie Daten ist, bereitgestellt mittels Schritt S314, dann wird das Fischverhalten als außer Kontrolle klassifiziert. Der Schwellwert, der in Schritt S316 verwendet wird, kann basierend auf Echtzeit-Kontrollfischverhalten bestimmt werden, genauso wie Grundlinie-Statistiken. Auf diese Weise können die Atmungsparameter verglichen werden mit entweder zuvor aufgenommenen Daten von der Grundlinienstudie von denselben Fischen, die nun dem zu überwachenden Wasser ausgesetzt sind, oder mit simultanen Daten von Kontrollfischen, die nicht der Probewasserquelle ausgesetzt sind, oder sowohl Grundliniedaten als auch Kontrollfischdaten.
Schritt S317 bestimmt, ob es eine Gruppenantwort gibt. Falls die Anzahl von Fischen, die in Schritt S316 als außer Kontrolle charakterisiert worden sind, größer oder gleich einem bestimmten Schwellwert sind, dann wird eine Gruppenantwort identifiziert, und die Verarbeitung wird in S319 fortgesetzt. Falls nicht, dann wird das Überwachen in Schritt S318 fortgesetzt. Der Fisch-außer-Kontrolle-Schwellwert, der in Schritt S317 verwendet wird, wie die Anzahl von in Schritt S314 verwendeten Standardabweichungen, wird gemäß der Benutzer-Präferenz variieren, gemäß dem Level von Sensitivität, das für eine bestimmte Anwendung der Erfindung gewünscht wird. Ein Schwellwert von fünf Standardabweichungen und siebzig Prozent der Fisch-außer-Kontrolle sind bei der oben beschriebenen Grundwasserablassbehandlungseinrichtungsanwendung mit erfolgreichen Ergebnissen verwendet wurden. Bestimmte Werte für eine gegebene Anwendung können jedoch nach dem Beobachten von Fischverhalten während des Akklimatisierens und der Grundliniestudien gewählt werden. Geeignete Werte werden variieren mit lokalen Wasserbedingungen, der Sensitivität der Organismen, die zum Bioüberwachen verwendet werden, und der gewünschten Sensitivität des Systems. Wenn zum Beispiel System 10 zum Überwachen des Status eines normalen reinen Wasserreservoirs verwendet wird, wäre die gewünschte Sensitivität hinsichtlich Veränderungen in den Fischatmungsparametern hoch. Man kann unter solchen Umständen einen Schwellwert von einer Standardabweichung von den mittleren Atmungsparametern auswählen und eine Fisch-außer-Kontrolle-Einstellung von fünfundzwanzig Prozent als die gewünschten Schwellwerte einstellen, die für diese spezielle Anwendung von System 10 verwendet werden. Falls zum Beispiel zwei von acht Fischen außer Kontrolle sind, würde das System 10 eine Alarmreaktion initiieren.
In Schritt 319 ist eine Gruppenantwort identifiziert worden, und es wird eine Alarmreaktion, Schritt S320, initiiert. Schritt S320 kann ein einfacher hörbarer oder visueller Alarm sein oder eine verfeinertere automatisierte Antwortfunktion. Zum Beispiel kann Schritt S320 zum Warnen von Personal bei einer Behandlungseinrichtung oder Fabrik verwendet werden, von welcher das Probewasser abgezogen wird, vor einem möglichen Problem in der Wasserqualität. Auch das Ablassen von Wasser kann mittels Schritt S320 automatisch gestoppt werden oder das Wasser in Haltetanks umgeleitet werden, in Reaktion auf eine Gruppenantwort-Bestimmung im Schritt S319, bis zu einer weiteren Analyse, korrigierenden Aktion, oder es können beide genommen werden.
Schritt S321 bestimmt, ob Kontroll-Fische außer Kontrolle sind, unter Verwendung derselben Kriterien, wie sie in den Schritten S316 – S317 für die Aussetzungs-Fische verwendet wurden. Falls diese Kontroll-Fische auch eine Gruppenantwort anzeigen, wird das Überwachen in Schritt S322 fortgesetzt. Schritt S323 nimmt und speichert eine Wasserprobe von der selben Wasserquelle wie jene, welche die Gruppenreaktion bewirkt hat. Dieser Schritt kann auch zum Initiieren weiterer Heil-Aktionen verwendet werden, die in Schritt S320 nicht ergriffen worden sind. Schritt S324 fährt dann mit dem Überwachen von Fisch-Atmungsverhalten fort.
Nachdem eine ausführliche Beschreibung der von der vorliegenden Erfindung durchgeführten Signalverarbeitung bereitgestellt worden ist, wird die Aufmerksamkeit nun auf die verschiedenen Hardwarekomponenten gerichtet.
Das oben beschrieben Verfahren von Schritten S301 bis S324 kann auf verschiedenen Typen von Steuerungen 30 durchgeführt werden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet einen Standard Personalcomputer (Mikroprozessor) zum Durchführen dieser Funktion zur Vereinfachung der Programmierung, Vielseitigkeit und gesamtfreundliche Benutzerschnittstelle. Beispielsweise können die oben diskutierten, von einem Benutzer ausgewählten Parameter (Gruppenantwort-Schwellwert, Gesamtkörperbewegungs-Schwellwert, Probeintervalldauer und ähnliches) bequem in einem Bildschirmmenü mit einem Standard PC dargestellt werden, dessen Betrieb allgemein gut bekannt ist, ohne spezielles Training, wie die Steuerung zu benutzen ist. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel wird ein 120 MHZ Personalcomputer mit 16MB RAM verwendet, sowohl für die Steuerung 30 als auch für den entfernten Host 44. Die Schnittstelle zwischen Steuerung 30 und den anderen Systemkomponenten wird unten bezugnehmend auf 5 beschrieben.
Verstärker 26 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die zum Verstärken der Signale von den Elektroden 24 – 25 fähig ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist er ein Mehrfachkanalverstärker mit einem Tiefpassanalogfilter. Er empfängt die unbearbeiteten Eingabesignale von Elektroden 24 – 25 von Aussetzungskammer 40, verstärkt die Signale, filtert Hochfrequenzsignale jenseits einer bestimmten Frequenz heraus, übermittelt dann die gefilterten und verstärkten Analogsignale über Signalkabel 28 – 29 an Steuerung 30. In diesem bestimmten Ausführungsbeispiel wird ein 32-Kanal, Rack-montiertes Verstärkungssystem von Dataforth, Inc. für diese Funktion ausgewählt. Es stellt Verstärkung um ein Faktor von 1000 bereit und filtert Hochfrequenzsignale jenseits von 50Hz heraus, um so Rauschen zu entfernen, das von der 60Hz Energieversorgung erzeugt wird. Der kommerziell erhältliche Verstärker 26 wurde mit dem Zusatz von zwei 470-Mikrofarad Elektrolyt-Kapazitäten modifiziert, zu dem Frontende des Verstärkungssystems, zum Eliminieren eines Gleichstrom-Offsets, der von der Aussetzungskammer 20 erzeugt wird.
Wendet man sich 4 zu, ist eine perspektivische Ansicht von Aussetzungskammer 20 zum Unterbringen der Fische 22 dargestellt. Die Aussetzungskammer 20 stellt ein kompaktes und bequemes Array von acht individuellen Fischkammern 66 bereit, jede mit Oberseite-Elektrode 24, Unterseite-Elektrode 25, Wassereingangs-Vorkammer 64 und Abfluss-Nachkammer 68. Elektronen 24 – 25 und Verdrahtungsverbindungen sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material wie zum Beispiel 316 rostfreiem Stahl hergestellt. Aussetzungskammer-Oberseite 62 enthält den wasserdichten elektrischen Anschluss 72, der an jede der Oberseite-Elektroden 24 angeschlossen ist. Wenn sie an der Oberseite von Basis 60 angeordnet ist, bedeckt Oberseite 62 Fischkammer 66 und Abfluss-Nachkammer 68, wobei Wassereingangs-Vorkammer 64 zum Empfangen einer Wassereinlassversorgung offengelassen wird. Die Wände von Fischkammer 66 reduzieren oder vermeiden vorzugsweise visuellen Kontakt zwischen benachbarten Kammern. Zum Beispiel können die Wände mattiertes oder undurchsichtiges Plastik sein, im Gegensatz zu klarem Plastik, das für den Rest von Basis 60 und Oberseite 62 verwendet wird. Dies hilft bei dem Reduzieren von Fisch-Stimuli, die ansonsten bei einem visuellen Kontakt zwischen Fischen in angrenzenden Kompartimenten auftreten würden. Klares Plastik wird für die Oberseite und die Unterseite bevorzugt, um zu ermöglichen, dass der Inhalt der Kammer von oben oder unten betrachtet werden kann.
Basis 60 enthält einen wasserdichten elektrischen Anschluss 74, der an jede der Unterseite-Elektroden 25 elektrisch angeschlossen ist. Basis 60 enthält ferner Füße 70 und Abfluss 76. In Benutzung mit der vorliegenden Erfindung fließt Wasser in Aussetzungskammer 20 durch Wassereinlasskammern 64, wo es in Fischkammern 66 durch Löcher 80 eintritt. Wasser fließt aus den Fischkammern 66 mittels Fließens über Überfluss-Teiler 78, und in Abflusskammer 68. Dieser Flusspfad von dem niedrigen Einlass zu dem hohen Auslass erlaubt verbessertes Wassermischen und verringerte Schichtung innerhalb von Fischkammer 66 zum Sicherstellen, dass alle Fische 22 denselben Wasserbedingungen und derselben Wasserqualität ausgesetzt sind. Nach dem Verlassen der Fischkammer 66 fließt Wasser in Abfluss-Nachkammer 68, die als ein gemeinsames Reservoir für Abflusswasser von allen acht Fischkammern 66 dient. Wasser fließt aus der Nachkammer 58 über Abfluss 76.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Einlasswasser-Mischen und reduzierter Schichtung innerhalb Fischkammer 66 stellt Aussetzungskammer 20 eine kompakte und bequeme Anordnung von acht Fischkammern dar, die mit minimalem Aufwand installiert, entfernt und inspiziert werden kann. Die Oberseite-Unterseite-Elektroden-Anordnung von Kammer 20 erlaubt eine verbesserte Detektion von Atmungsantworten, verglichen mit einer Vorderseite-Hinterseite-Anordnung. Normalerweise wird ein Fisch in solch einem Tank seinen Kopf stromaufwärts in Richtung des Frontpaneels des Tanks orientieren, aber wird bei Gelegenheit seine Position und Orientierung in dem Tank verändern. Eine Vorderseite-Hinterseite-Elektroden-Anordnung kann Signalveränderung aufgrund von Veränderungen in Fischposition und Orientierung relativ zu den Elektroden bewirken, aber eine Oberseite-Unterseite-Anordnung ist viel weniger von solchen Veränderungen beeinflusst.
Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aussetzungskammer 20 beschrieben und dargestellt worden ist, sind verschiedene Modifikationen und Veränderungen möglich. Zum Beispiel kann die Anzahl von individuellen Fischkammern 66 pro Aussetzungskammer 62 variieren, und die Vorkammer 64 und Nachkammer 68 könnten modifiziert werden, wobei sie immer noch gleichmäßiges Mischen des Wassers vor dem Aussetzen der Organismen bereitstellen würden, und verringerte Wasserschichtung innerhalb der Kammern, wie oben gelehrt.
Wendet man sich 5 zu, ist dort eine schematische Ansicht eines internen Trägerboards 200 dargestellt, zum Integrieren der vorliegenden Erfindung mit einem Standard PC als Steuerung 30. Trägerboard 200 ist ein Datenaufnahmeboard, das direkt mit dem internen Bus von ISA und EISA Computern eine Schnittstelle bildet und kann direkt an ein PC Motherboard angeschlossen werden, zum Bereitstellen von Integration von Steuerung 30 mit anderen Komponenten von System 10. Trägerboard 200 enthält Expander/Sequenzermodul 200, Ausgabemodul 203 und Eingabemodul 204.
Die Atmungssignale von Verstärker 26 werden als analoge Eingabedaten über Signalkabel 28 – 29 Modul 202 zugeführt. Diese analogen Atmungssignale werden Eingabemodul 204 über ein Daisychain (interner Bus) zwischen Modulen 202 und 204 zugeführt. Eingabemodul 204 empfängt analoge Atmungssignale von Modul 202, verstärkt die Signale um einen Faktor von zehn und führt eine Analog-Digital-Wandlung der Datensignale durch, welche dann mittels Steuerung 30 gelesen und wie oben beschrieben analysiert werden. Diese Atmungs-Datensignale werden auch mittels Steuerung 30 zu Ausgabemodul 203 geschrieben, welches eine Digital-Analog-Wandlung durchführt und die resultierenden Atmungssignale über Kabel 214 an Termination-Paneel 48 übermittelt. Die analogen Atmungs-Datensignale an Terminal-Paneel 48 können an Oszilloskop 56 angesehen werden, welches über Kabel 216 an Termination-Paneel 48 angeschlossen ist.
Modul 204 kann auch analoge Eingabesignale von Termination-Paneel 48 über Kabel 212 empfangen. Dieses Merkmal wird zum Versorgen von Steuerung 30 mit Information von einer externen Quelle, wie zum Beispiel einer Wasserbehandlungseinrichtung, verwendet. Wenn die Einrichtung zum Beispiel Abflusswasser ablässt, kann ein Signal von dem Behandlungseinrichtungs-Steuerraum an System 10 gesendet werden, das anzeigt, dass ein Ablassen aufgetreten ist. Diese Information würde Steuerung 30 über Termination-Paneel 48, Kabel 212 und Eingabemodul 204 bereitgestellt. Die Analogsignale, die von Eingabemodul 204 empfangen werden, werden in digitale Form umgewandelt und an Steuerung 30 transferiert.
Der interne Träger 200 enthält ferner einen digitalen Ausgabeport 205 zum Senden digitaler Steuersignale an Termination-Paneel 48 über Kabel 217. Der digitale Ausgangsport 205 wird in diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel zum Steuern von Magnetventil 52, Wassersampler 54 und Steuersignal 58 verwendet, wie unten bezugnehmend auf 6 beschrieben.
Das interne Trägerboard 200 kann selbst sein, oder kann aufgebaut sein, aus serienmäßig produzierten Komponenten. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist das interne Trägerboard 200 ein Modell PCI-20041C-2A. Modul 202 ist ein Analogexpander/Sequenzer-Ausgabemodul, Modell PCI-200031M-1.
Ausgabemodul 203 ist ein 12-Bit Analog-Ausgabemodul, Modell PCI-20003M-2. Und Eingabemodul 204 ist ein 12-Bit Analog-Eingabemodul, Modell PCI-20002M-1, welche alle von Intelligent Instrumentation, Inc. kommerziell erhältlich sind.
Wenden wir uns 6 zu, so ist dort eine schematische Ansicht eines Termination-Paneels 48 dargestellt. Termination-Paneel 48 enthält Signalmodul 210 und Steuermodul 220. Signalmodul 210 empfängt analoge Eingaben von Modul 203 des internen Trägers 200 über Kabel 214. Modul 210 enthält analoge Eingabeterminalstreifen 213 und analoge Ausgabeterminalstreifen 215. Kanäle 0 und 1 von Ausgabeterminal 214 werden in dieser Darstellung zum Bereitstellen eines analogen Spannungssignals an Oszilloskop 56 über Kabel 216 verwendet. Kanal 0 von Eingabeterminal 213 empfängt Signal 218 von einer externen Quelle, das zum Beispiel anzeigt, dass eine Abwasser oder Abflussablassung stattfindet. Zusätzliche Anschlüsse für weitere Eingabedaten und Ausgabefunktionen werden als Erweiterung bereitgestellt, wie sie für eine bestimmte Anwendung der Erfindung wünschenswert sein kann. Mehr Information von einer Wasserbehandlungseinrichtung kann zum Beispiel mittels Steuerung 30 über die nicht verwendeten Kanäle, die an Eingabeterminal 213 verfügbar sind, bereitgestellt werden und analysiert werden. In ähnlicher Weise kann zusätzliche Ausgabeinformation an entfernte Stellen bereitgestellt werden, Überwachungsstationen und ähnliches, unter Verwendung der nicht verwendeten Kanäle von Ausgabeterminal 215.
Die Funktion von Terminal-Paneel 48 kann unter einer Anzahl von separaten Vorrichtungen aufgeteilt werden, vielleicht sogar unter Eliminierung des Erfordernisses für diese besondere Komponente von System 10. Das wird in diesem Ausführungsbeispiel zum Separieren von Energieversorgung 222 und anderen Komponenten-Verdrahtungen von Steuerung 30 und Verstärker 26 verwendet, dadurch wird mögliches Signalrauschen vermieden, das aus einem Clustern von Komponenten resultieren könnte.
Termination-Paneel 48 enthält auch Steuermodul 220 zum Steuern bestimmter Komponentenfunktionen basierend auf einem Digitalsignal von Steuerung 30. Steuersignale werden von der Steuerung 30 über das digitale Ausgabemodul 205 und Kabel 217 empfangen. Eine 120-Volt Wechselstrom-Energieversorgung 222 ist an Modul 220 bereitgestellt, zur Verwendung zum Öffnen oder Schließen von Wassersteuerventilen, Geräuschalarmen und ähnlichen Funktionen. In diesem Ausführungsbeispiel stellt Modul 220 die Ausgabesteuerung einer Magnetventilsteuerung 52, Wassersampler 54 und Steuersignal 58 bereit. Magnetventilsteuerung 52, in Reaktion auf ein Signal von Steuerung 10 über Termination-Paneel 48, stellt Sensor 40 Wasser zum Abfühlen der Wassercharakteristik entweder von Quelle 12 über Strom 17 oder von Kontrollwasserquelle 27 bereit. Auf diese Weise kann Sensor 40 mittels Steuerung 30 unter Verwendung der bekannten Wassercharakteristiken von Kontrollwasserquelle 27 automatisch kalibriert werden. Sensor 40 ist eine kommerziell erhältliche Wasserqualitätsanalysiereinrichtung, wie zum Beispiel die H2O Multiprobe, die von Hydrolab, Inc. verfügbar ist.
Steuersignal 58 kann zum Auslösen eines einfachen hörbaren Alarms und einer Lampe zum Warnen vor einem Wasserqualitätsproblem verwendet werden, oder es kann eine zuvor eingerichtete Reaktionsprozedur zum automatischen Isolieren oder Korrigieren der Ursache des Problems sein. Das letztere wird für eine gegebene Anwendung der Erfindung mit der Assistenz von lokalen Einrichtungsingenieuren unter Verwendung von Standardausrüstung und Prozeduren durchgeführt. Zum Beispiel kann eine korrigierende Aktion bei einer bestimmten Wasserbehandlungseinrichtung zusätzliche Haltezeit in einer Reaktionskammer, Luft-Teich oder ähnlichem anfordern, bevor das Wasser in die Umgebung abgeleitet wird. In dem Fall, dass System 10 zum Überwachen einer Quelle 12 von Trinkwasser verwendet wird, bevor es in ein Trinkwassersystem eintritt, kann automatisierte korrigierende Aktion die sofortige Isolation von Wasserquelle 12 anfordern, um zu verhindern, dass es in das Trinkwassersystem eintritt, bis das Wasserqualitätsproblem gelöst worden ist. Wie in der obigen Diskussion dargestellt, stellt System 10 ein Allzweck automatisiertes Bioüberwachungssystem zur Verwendung im überwachen der Wasserqualität von einer beliebigen Quelle von Wasser bereit, und ist fertig integriert mit anderen Steuersystemen oder Datenüberwachungsvorrichtungen.

Claims

Ein Verfahren zum Abschätzen von Wasserqualität, wobei das Verfahren aufweist: Messen von elektrischen Signalen, die von einem ersten Wasser-Organismus erzeugt sind, der in Wasser angeordnet ist, das abgeschätzt werden soll und in eine Umgebung abgeleitet werden soll; Bestimmen einer Mehrzahl von Atmungsparametern des ersten Wasser-Organismus basierend auf den elektrischen Signalen; Überwachen von Änderungen in den Atmungsparametern von dem ersten Wasser-Organismus über die Zeit, dadurch gekennzeichnet dass das Bestimmen einer Mehrzahl von Atmungsparametern das Bestimmen einer Atmungsfrequenz, einer mittleren Atmungstiefe und der Hustenrate des ersten Wasser-Organismus aufweist, wobei die Hustenrate als die Summe von Hochfrequenzhustern und Spikehustern pro Zeit bestimmt wird, mittels 1) Analysierens der elektrischen Signale nach Peaks, aufweisend Identifizieren eines Peaks, falls die Differenz zwischen dem Wert des Signals bei dem Peak und dem Wert des Signals bei der unmittelbar vorangehenden und nachfolgenden Mulde größer ist als ein bestimmter Schwellwert, 2) Analysierens der elektrischen Signale nach Hochfrequenzhustern, aufweisend Identifizieren eines Hochfrequenzhusters, falls entweder die Dauer zwischen aufeinanderfolgenden Mulden oder zwischen aufeinanderfolgenden Peaks in den elektrischen Signalen geringer ist als ein vorbestimmtes Hochfrequenzhustendauer-Limit und falls eine Peak-zu-Peak Abschätzung oder eine Mulde-zu-Mulde Abschätzung außerhalb von vorbestimmten Rauschband-Limits ist, 3) Glättens der elektrischen Signale zum Entfernen der Hochfrequenzhuster zur nachfolgenden Analyse nach dem Analysieren nach Hochfrequenzhustern, 4) Analysierens der geglätteten elektrischen Signale nach Spikehustern, 5) Bestimmens der Atmungsfrequenz, der mittleren Atmungstiefe und der Hustenrate des ersten Wasser-Organismus nach dem Analysieren nach Spikehustern; und Leiten des Wassers in einen Haltetank, wenn bestimmt ist, dass einer oder mehrere der Atmungsparameter einen Schwellwert überschreitet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schritt des Bestimmens von einer Mehrzahl von Atmungsparametern von einem zweiten Wasser-Organismus, der in Kontrollwasser angeordnet ist, wohingegen der erste Wasser-Organismus in den abzuschätzenden Wasser angeordnet ist; und Vergleichen der Atmungsparameter des ersten Wasser-Organismus mit entsprechenden Atmungsparametern des zweiten Wasser-Organismus.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schritt des Erzeugens eines Alarms, wenn einer oder mehrere der Atmungsparameter einen entsprechenden Schwellwert überstreitet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend die Schritte des Platzierens des ersten Wasser-Organismus in Kontrollwasser; Berechnen von Grundlinie-Atmungsparametern des ersten Wasser-Organismus; dann Platzieren des ersten Wasser-Organismus in dem abzuschätzenden Wasser.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Schritt des Probierens des abzuschätzenden Wassers, wenn ein Alarm erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Mehrzahl von Atmungsparametern das Identifizieren von Gesamtkörperbewegung aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Mehrzahl von Atmungsparametern ferner das Bestimmen von Prozent-Gesamtkörperbewegung aufweist.