通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設(shè)計

　　引言

　　通過人體的體液檢測健康狀況，這在臨床應(yīng)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程與代謝信息，且檢測的方法可以在一定程度上彌補(bǔ)前者的不足。

　　本設(shè)計的目的是利用以ARM7TDMI-S為核心的LPC2478處理器實現(xiàn)對電子鼻儀器系統(tǒng)的控制、對氣體檢測信號的分析與判別，以及實現(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，并主要著眼于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(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)在線實現(xiàn)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(xùn)練過程，故系統(tǒng)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)對氣體進(jìn)一步分析的原始數(shù)據(jù)通過USB Host寫入U盤中，以便于數(shù)據(jù)的移植，而將數(shù)據(jù)拷貝至SD存儲卡中，則便于將用戶長期觀察的結(jié)果存檔。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)

　　系統(tǒng)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(xiàn)的。對于進(jìn)樣的氣體，系統(tǒng)有兩種不同的檢測手段：對于較高濃度的氣體，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動六通閥，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(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)實現(xiàn)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(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(jiān)控與測量，并通過TFT液晶、鍵盤陣列與用戶實現(xiàn)友好的交互。

　　在檢測得到氣體信號之后，需要LPC2478對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成份分析(PCA)，通過數(shù)學(xué)建模的方法，本設(shè)計改進(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“點群”，利用這些點群，對樣本氣體中的主成份進(jìn)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(tǒng)利用LPC2478的10位DAC對真空泵的驅(qū)動電路進(jìn)行控制，在實現(xiàn)對真空泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的同時，對氣路中氣體的流動速度進(jìn)行較為精確的控制，一方面適應(yīng)“吸附進(jìn)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(yīng)時間。

　　硬件平臺

　　該呼吸氣體檢測電子鼻實驗樣機(jī)采用了廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的SmartARM2400開發(fā)板和項目小組自制的擴(kuò)展板，以實現(xiàn)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(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)計框圖如圖1所示。