通用人體呼吸氣體檢測(cè)電子鼻儀器設(shè)計(jì)

　　引言

　　通過(guò)人體的體液檢測(cè)健康狀況，這在臨床應(yīng)用中已非常成熟，也確實(shí)為診斷過(guò)程提供了十分寶貴的信息，然而體液檢測(cè)一方面需要依賴于檢測(cè)試劑，成本較高，另一方面大部分檢測(cè)手段基于“有創(chuàng)”過(guò)程，均不適合進(jìn)行較高頻率的檢測(cè)。作為身體健康狀況的另一條反映途徑，人體的呼吸氣體(肺呼吸氣體與消化道揮發(fā)氣體)也能反映一些重要的生理過(guò)程與代謝信息，且檢測(cè)的方法可以在一定程度上彌補(bǔ)前者的不足。

　　本設(shè)計(jì)的目的是利用以ARM7TDMI-S為核心的LPC2478處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)電子鼻儀器系統(tǒng)的控制、對(duì)氣體檢測(cè)信號(hào)的分析與判別，以及實(shí)現(xiàn)在脫離PC機(jī)的情況下，提供友好的圖形用戶交互接口(GUI)，使用戶通過(guò)自己的操作就能掌握并記錄自己的身體健康狀況。

　　本設(shè)計(jì)初衷在于能將本系統(tǒng)應(yīng)用于家庭成員人體健康體征的監(jiān)測(cè)，并主要著眼于檢測(cè)人體呼吸氣體中的乙醇、芳香烴類氣體化合物和由人體消化道揮發(fā)出的氣體硫化物、胺化物等的含量，從而為酗酒、吸煙人群以及呼吸道、胃腸道不適人群的健康狀況作直觀和方便的檢查。系統(tǒng)在線實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體檢測(cè)信號(hào)的主成份分析(PCA)，而由于需要大量的樣本訓(xùn)練過(guò)程，故系統(tǒng)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)對(duì)氣體進(jìn)一步分析的原始數(shù)據(jù)通過(guò)USB Host寫(xiě)入U(xiǎn)盤中，以便于數(shù)據(jù)的移植，而將數(shù)據(jù)拷貝至SD存儲(chǔ)卡中，則便于將用戶長(zhǎng)期觀察的結(jié)果存檔。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)對(duì)人體呼吸氣體的檢測(cè)主要是通過(guò)高效的氣路及其控制得以實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于進(jìn)樣的氣體，系統(tǒng)有兩種不同的檢測(cè)手段：對(duì)于較高濃度的氣體，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)六通閥，切換至“直接進(jìn)樣”狀態(tài)，即氣體由進(jìn)樣口進(jìn)入氣室，在氣室中與處于加熱狀態(tài)的金屬氧化物氣體傳感器陣列(Gas Sensor Array)接觸;而對(duì)于較低濃度的氣體，六通閥將切換至“吸附進(jìn)樣”狀態(tài)，即氣體從進(jìn)樣口進(jìn)入氣路之后，在吸附解吸附單元(EDU)中進(jìn)行富集(常溫)，并在富集程序完畢之后，載氣由載氣口進(jìn)入，將標(biāo)志物氣體從PID控溫狀態(tài)下的EDU中帶出，并進(jìn)入氣室，這是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)功能基本的檢測(cè)原理與流程。在這個(gè)過(guò)程中需要LPC2478對(duì)氣路狀態(tài)(六通閥切換、EDU控溫、真空泵抽氣速率與氣體傳感器陣列信號(hào)采樣等)進(jìn)行全程監(jiān)控與測(cè)量，并通過(guò)TFT液晶、鍵盤陣列與用戶實(shí)現(xiàn)友好的交互。

　　在檢測(cè)得到氣體信號(hào)之后，需要LPC2478對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成份分析(PCA)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法，本設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)PCA分析的算法，并將數(shù)據(jù)變換為在兩維主成份坐標(biāo)系中的“點(diǎn)群”，利用這些點(diǎn)群，對(duì)樣本氣體中的主成份進(jìn)行聚類判斷。

　　在氣體檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程中，均需要為氣體在氣路中的流動(dòng)提供動(dòng)力，本系統(tǒng)利用LPC2478的10位DAC對(duì)真空泵的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，在實(shí)現(xiàn)對(duì)真空泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的同時(shí)，對(duì)氣路中氣體的流動(dòng)速度進(jìn)行較為精確的控制，一方面適應(yīng)“吸附進(jìn)樣”過(guò)程中氣體吸附的速率，另一方面又能兼顧氣體與傳感器充分接觸時(shí)傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

　　硬件平臺(tái)

　　該呼吸氣體檢測(cè)電子鼻實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用了廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的SmartARM2400開(kāi)發(fā)板和項(xiàng)目小組自制的擴(kuò)展板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路硬件模塊的控制和模擬信號(hào)的前置處理等功能。氣路硬件模塊包括吸附解吸附單元、真空泵、六通閥、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)、氣室(TGS系列金屬氧化物氣體傳感器陣列)以及氣體采樣袋等。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。