通用人體呼吸氣體檢測(cè)電子鼻儀器設(shè)計(jì)

引言

通過人體的體液檢測(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USB Host寫入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。

該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲(chǔ)器，98KB片內(nèi)SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進(jìn)的向量中斷控制器(VIC)，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷，優(yōu)秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2個(gè)SSP和4路UART控制器等在內(nèi)的串行接口，以及3個(gè)I2C總線接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲(chǔ)卡接口、10位ADC、10位DAC、2個(gè)PWM模塊、帶有獨(dú)立電源的RTC、4個(gè)通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳?？梢哉f(shuō)，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設(shè)計(jì)為其在醫(yī)療儀器與檢測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用到LPC2478功能模塊有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。將LPC2478的控制、輸入模塊與擴(kuò)展板上的氣體、溫度信號(hào)采樣電路、D/A控制真空泵驅(qū)動(dòng)模塊、PWM步進(jìn)電機(jī)控制模塊、鍵盤陣列模塊、EDU與氣體傳感器加熱控制模塊以及電磁閥控制模塊相互連接，從而構(gòu)成整臺(tái)電子鼻檢測(cè)儀器的硬件基礎(chǔ)。整臺(tái)儀器是由220V的開關(guān)電源供電。

在對(duì)呼吸氣體檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，表1列出的是樣機(jī)設(shè)計(jì)階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應(yīng)的氣體濃度檢測(cè)范圍。

在實(shí)際的人體呼吸氣體中，標(biāo)志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠顯著地降低儀器對(duì)標(biāo)志氣體的檢測(cè)下限，約為0.1～0.5ppm。在單個(gè)傳感器無(wú)法完成對(duì)低濃度氣體的檢測(cè)時(shí)，傳感器陣列檢測(cè)技術(shù)、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動(dòng)速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對(duì)呼吸氣體檢測(cè)的任務(wù)。

軟件模塊

儀器軟件設(shè)計(jì)部分主要包括氣體進(jìn)樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數(shù)據(jù)傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

在氣體進(jìn)樣控制流程中包括直接進(jìn)樣流程與吸附進(jìn)樣流程，兩個(gè)流程的切換是基于對(duì)氣體濃度的定性判斷。同時(shí)，氣路切換是由LPC2478控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)六通閥實(shí)現(xiàn)的。

吸附進(jìn)樣相比于直接進(jìn)樣增加了對(duì)EDU的溫控流程，并分階段實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度樣本氣體的檢測(cè)。而在進(jìn)樣過程結(jié)束之后，系統(tǒng)均會(huì)程序化執(zhí)行“降溫延時(shí)”與“沖洗氣路”流程，為下一次進(jìn)樣做好準(zhǔn)備。

進(jìn)樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應(yīng)值實(shí)時(shí)描繪在TFT液晶屏的T(時(shí)間)-C(濃度)坐標(biāo)系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時(shí)產(chǎn)生中斷實(shí)現(xiàn)的。傳感器響應(yīng)曲線將在“數(shù)據(jù)分析”的第一頁(yè)重現(xiàn)，并對(duì)一次采樣結(jié)束之后的數(shù)據(jù)作主成份分析，在標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。

該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲(chǔ)器，98KB片內(nèi)SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進(jìn)的向量中斷控制器(VIC)，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷，優(yōu)秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2個(gè)SSP和4路UART控制器等在內(nèi)的串行接口，以及3個(gè)I2C總線接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲(chǔ)卡接口、10位ADC、10位DAC、2個(gè)PWM模塊、帶有獨(dú)立電源的RTC、4個(gè)通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳。可以說(shuō)，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設(shè)計(jì)為其在醫(yī)療儀器與檢測(cè)設(shè)備中的應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用到LPC2478功能模塊有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。將LPC2478的控制、輸入模塊與擴(kuò)展板上的氣體、溫度信號(hào)采樣電路、D/A控制真空泵驅(qū)動(dòng)模塊、PWM步進(jìn)電機(jī)控制模塊、鍵盤陣列模塊、EDU與氣體傳感器加熱控制模塊以及電磁閥控制模塊相互連接，從而構(gòu)成整臺(tái)電子鼻檢測(cè)儀器的硬件基礎(chǔ)。整臺(tái)儀器是由220V的開關(guān)電源供電。

在對(duì)呼吸氣體檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，表1列出的是樣機(jī)設(shè)計(jì)階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應(yīng)的氣體濃度檢測(cè)范圍。

在實(shí)際的人體呼吸氣體中，標(biāo)志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠顯著地降低儀器對(duì)標(biāo)志氣體的檢測(cè)下限，約為0.1～0.5ppm。在單個(gè)傳感器無(wú)法完成對(duì)低濃度氣體的檢測(cè)時(shí)，傳感器陣列檢測(cè)技術(shù)、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動(dòng)速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對(duì)呼吸氣體檢測(cè)的任務(wù)。

軟件模塊

儀器軟件設(shè)計(jì)部分主要包括氣體進(jìn)樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數(shù)據(jù)傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

在氣體進(jìn)樣控制流程中包括直接進(jìn)樣流程與吸附進(jìn)樣流程，兩個(gè)流程的切換是基于對(duì)氣體濃度的定性判斷。同時(shí)，氣路切換是由LPC2478控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)六通閥實(shí)現(xiàn)的。

吸附進(jìn)樣相比于直接進(jìn)樣增加了對(duì)EDU的溫控流程，并分階段實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度樣本氣體的檢測(cè)。而在進(jìn)樣過程結(jié)束之后，系統(tǒng)均會(huì)程序化執(zhí)行“降溫延時(shí)”與“沖洗氣路”流程，為下一次進(jìn)樣做好準(zhǔn)備。

進(jìn)樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應(yīng)值實(shí)時(shí)描繪在TFT液晶屏的T(時(shí)間)-C(濃度)坐標(biāo)系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時(shí)產(chǎn)生中斷實(shí)現(xiàn)的。傳感器響應(yīng)曲線將在“數(shù)據(jù)分析”的第一頁(yè)重現(xiàn)，并對(duì)一次采樣結(jié)束之后的數(shù)據(jù)作主成份分析，在標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。

通過“數(shù)據(jù)傳輸”功能，可以把傳感器陣列對(duì)樣本氣體的響應(yīng)值記錄下來(lái)，在USB HOST控制器的管理下，將需要記錄的數(shù)據(jù)值寫入U(xiǎn)SB設(shè)備中，這些數(shù)據(jù)可以作為PC人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)分析的原始數(shù)據(jù)，在提供訓(xùn)練案例的前提下，也希望PC通過ANN分析能給出更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。系統(tǒng)也可以對(duì)SD卡讀寫數(shù)據(jù)，其中記錄了每一次樣本氣體分析的數(shù)據(jù)和PCA分析的結(jié)果，這有利于為用戶形成長(zhǎng)期觀察的病歷記錄。通過UART，系統(tǒng)與PC相連接，在PC上利用自己開發(fā)編寫的串口通訊軟件對(duì)電子鼻儀器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

以上過程在涉及到具體操作時(shí)，系統(tǒng)都將利用LPC2478強(qiáng)大的彩色液晶控制器與用戶實(shí)現(xiàn)交互，使整個(gè)呼吸氣體檢測(cè)的過程透明化，用戶可以通過系統(tǒng)的提示，經(jīng)過簡(jiǎn)單的操作完成對(duì)身體健康狀況的監(jiān)測(cè)。如圖3所示為液晶顯示的主要操作界面。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的通用人體呼吸氣體檢測(cè)電子鼻儀器是定位于家庭使用，為那些長(zhǎng)期酗酒、吸煙和因此導(dǎo)致呼吸道、胃腸道不適的人群以及其他生理性、病理性胃腸道不適或炎癥的用戶群體設(shè)計(jì)，儀器采用了NXP最新研發(fā)的LPC2478微處理器，充分利用其彩色液晶控制器、內(nèi)部ADC、DAC、PWM、Timer等功能模塊，完成對(duì)呼吸氣體的檢測(cè)和基于PCA的診斷分析，并結(jié)合USB HOST與SD讀寫控制器完成數(shù)據(jù)的移植與傳輸，使整個(gè)電子鼻檢測(cè)儀器的功能得到完善。圖4為呼吸氣體檢測(cè)電子鼻儀器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

用戶在使用該儀器對(duì)自己的呼吸氣體進(jìn)行檢測(cè)之前，只需要用氣袋收集空腹時(shí)的“吹氣”，然后按照系統(tǒng)操作的提示完成進(jìn)樣與檢測(cè)，易于使用，并通過無(wú)創(chuàng)和低成本的操作過程完成對(duì)自身健康狀況的檢測(cè)與記錄。