通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設計

—— Design of General Human Breath Detection Instrument Based on Electronic Nose Technology

　　引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/109042.htm

　　通過人體的體液檢測健康狀況，這在臨床應用中已非常成熟，也確實為診斷過程提供了十分寶貴的信息，然而體液檢測一方面需要依賴於檢測試劑，成本較高，另一方面大部分檢測手段基於「有創」過程，均不適合進行較高頻率的檢測。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氣體)也能反映一些重要的生理過程與代謝信息，且檢測的方法可以在一定程度上彌補前者的不足。

　　本設計的目的是利用以ARM7TDMI-S為核心的LPC2478處理器實現對電子鼻儀器系統的控制、對氣體檢測信號的分析與判別，以及實現在脫離PC機的情況下，提供友好的圖形用戶交互接口(GUI)，使用戶通過自己的操作就能掌握並記錄自己的身體健康狀況。

　　本設計初衷在於能將本系統應用於家庭成員人體健康體徵的監測，並主要著眼於檢測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出的氣體硫化物、胺化物等的含量，從而為酗酒、吸菸人群以及呼吸道、胃腸道不適人群的健康狀況作直觀和方便的檢查。系統在線實現對氣體檢測信號的主成份分析(PCA)，而由於需要大量的樣本訓練過程，故系統將人工神經網絡(ANN)對氣體進一步分析的原始數據通過USB Host寫入U盤中，以便於數據的移植，而將數據拷貝至SD存儲卡中，則便於將用戶長期觀察的結果存檔。

　　系統實現

　　系統對人體呼吸氣體的檢測主要是通過高效的氣路及其控制得以實現的。對於進樣的氣體，系統有兩種不同的檢測手段：對於較高濃度的氣體，步進電機驅動六通閥，切換至「直接進樣」狀態，即氣體由進樣口進入氣室，在氣室中與處於加熱狀態的金屬氧化物氣體傳感器陣列(Gas Sensor Array)接觸;而對於較低濃度的氣體，六通閥將切換至「吸附進樣」狀態，即氣體從進樣口進入氣路之後，在吸附解吸附單元(EDU)中進行富集(常溫)，並在富集程序完畢之後，載氣由載氣口進入，將標誌物氣體從PID控溫狀態下的EDU中帶出，並進入氣室，這是本系統實現氣體檢測功能基本的檢測原理與流程。在這個過程中需要LPC2478對氣路狀態(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採樣等)進行全程監控與測量，並通過TFT液晶、鍵盤陣列與用戶實現友好的交互。

　　在檢測得到氣體信號之後，需要LPC2478對數據進行主成份分析(PCA)，通過數學建模的方法，本設計改進了傳統PCA分析的算法，並將數據變換為在兩維主成份坐標系中的「點群」，利用這些點群，對樣本氣體中的主成份進行聚類判斷。

　　在氣體檢測的整個過程中，均需要為氣體在氣路中的流動提供動力，本系統利用LPC2478的10位DAC對真空泵的驅動電路進行控制，在實現對真空泵轉速調節的同時，對氣路中氣體的流動速度進行較為精確的控制，一方面適應「吸附進樣」過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傳感器的響應時間。

　　硬體平臺

　　該呼吸氣體檢測電子鼻實驗樣機採用了廣州致遠電子有限公司生產的SmartARM2400開發板和項目小組自製的擴展板，以實現對氣路硬體模塊的控制和模擬信號的前置處理等功能。氣路硬體模塊包括吸附解吸附單元、真空泵、六通閥、電磁閥、步進電機、氣室(TGS系列金屬氧化物氣體傳感器陣列)以及氣體採樣袋等。系統的硬體設計框圖如圖1所示。