通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設計

　　引言

　　通過(guò)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(shí)為診斷過(guò)程提供了十分寶貴的信息，然而體液檢測一方面需要依賴(lài)于檢測試劑，成本較高，另一方面大部分檢測手段基于“有創(chuàng )”過(guò)程，均不適合進(jìn)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(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(shí)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(shí)現在脫離PC機的情況下，提供友好的圖形用戶(hù)交互接口(GUI)，使用戶(hù)通過(guò)自己的操作就能掌握并記錄自己的身體健康狀況。

　　本設計初衷在于能將本系統應用于家庭成員人體健康體征的監測，并主要著(zhù)眼于檢測人體呼吸氣體中的乙醇、芳香烴類(lèi)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(guān)和方便的檢查。系統在線(xiàn)實(shí)現對氣體檢測信號的主成份分析(PCA)，而由于需要大量的樣本訓練過(guò)程，故系統將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(ANN)對氣體進(jìn)一步分析的原始數據通過(guò)USB Host寫(xiě)入U盤(pán)中，以便于數據的移植，而將數據拷貝至SD存儲卡中，則便于將用戶(hù)長(cháng)期觀(guān)察的結果存檔。

　　系統實(shí)現

　　系統對人體呼吸氣體的檢測主要是通過(guò)高效的氣路及其控制得以實(shí)現的。對于進(jìn)樣的氣體，系統有兩種不同的檢測手段：對于較高濃度的氣體，步進(jìn)電機驅動(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，這是本系統實(shí)現氣體檢測功能基本的檢測原理與流程。在這個(gè)過(guò)程中需要LPC2478對氣路狀態(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采樣等)進(jìn)行全程監控與測量，并通過(guò)TFT液晶、鍵盤(pán)陣列與用戶(hù)實(shí)現友好的交互。

　　在檢測得到氣體信號之后，需要LPC2478對數據進(jìn)行主成份分析(PCA)，通過(guò)數學(xué)建模的方法，本設計改進(jìn)了傳統PCA分析的算法，并將數據變換為在兩維主成份坐標系中的“點(diǎn)群”，利用這些點(diǎn)群，對樣本氣體中的主成份進(jìn)行聚類(lèi)判斷。

　　在氣體檢測的整個(gè)過(guò)程中，均需要為氣體在氣路中的流動(dòng)提供動(dòng)力，本系統利用LPC2478的10位DAC對真空泵的驅動(dòng)電路進(jìn)行控制，在實(shí)現對真空泵轉速調節的同時(shí)，對氣路中氣體的流動(dòng)速度進(jìn)行較為精確的控制，一方面適應“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)傳感器的響應時(shí)間。

　　硬件平臺

　　該呼吸氣體檢測電子鼻實(shí)驗樣機采用了廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的SmartARM2400開(kāi)發(fā)板和項目小組自制的擴展板，以實(shí)現對氣路硬件模塊的控制和模擬信號的前置處理等功能。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、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。系統的硬件設計框圖如圖1所示。