一种医用电子鼻气体浓缩系统及方法与流程

文档序号:11131241阅读:595来源:国知局
一种医用电子鼻气体浓缩系统及方法与制造工艺
本发明属于电子鼻
技术领域
,尤其涉及一种医用电子鼻气体浓缩系统及方法。
背景技术
:嗅觉是生物嗅觉系统对某种气体或挥发性物质的分子产生的一种生理反应。嗅细胞感受气味分子刺激而产生的微弱信号经嗅神经传递至嗅小球、僧帽细胞、粒状细胞层,最后传到大脑中枢。生物嗅觉系统是人工嗅觉系统的生物学基础。模仿人和哺乳动物的嗅觉系统,人工嗅觉系统(电子鼻)由以下几个部分构成:传感器阵列、信号预处理、模式识别算法,另外还有气体采集装置和相应的接口电路等。从功能上讲,气体传感器阵列相当于人的嗅觉系统中的嗅觉感受细胞,信号预处理和模式识别算法相当于人的大脑,其余部分相当于嗅觉神经信号传递系统。目前传统的气体或气味检测方法包括气相色谱/质谱仪(GC/MS)和感官评定两种方式,GC/MS价格昂贵、检测耗时、需要专业人员操作,并且只能获得定量信息,难以得到定性信息和主观评价。感官评定方法受人的生理、经验、情绪、环境等主客观因素的影响,难以做到科学与客观的评定,同时人的感官容易疲劳,而人工嗅觉模拟系统(即电子鼻)检测气体或气味既可以提供定量分析又可以提供定性分析,设备操作简单。1994年,学术界给人工嗅觉系统(即电子鼻)下了如下的定义:电子鼻是一个由具有部分专一性的传感器阵列,结合相应的模式识别算法构成的系统,用于识别单一成分或复杂成分的气体或气味(Anelectronicnoseisaninstrument,whichcomprisesanarrayofelectronicchemicalsensorswithpartialspecificityandanappropriaterecognitionsystem,capableofrecognizingsimpleorcomplexodours)。由上述定义可见,人工嗅觉系统至少应包含以下部分:气体传感器阵列,信号预处理单元,模式识别算法。1982年,Persuad和Dodd用3个商品化的SnO2气敏传感器(TGS813、812、711)模拟生物嗅觉感受器细胞对乙醇、乙醚、戊酸等有机挥发气进行了类别分析,开嗅觉模拟研究之先河。从那时起,人们不断探索用嗅觉模拟装置测定简单气体的类别和浓度;确定酒、卷烟、咖啡的类别和产地;判断肉鱼类制品的新鲜程度;确定香料的香型;监测环境空气质量;诊断疾病等等。英国华威大学J.W.Gardner教授领头的实验室(SensorsResearchLaboratory,SRL)从上世纪90年代初就开始从事电子鼻的研究,并于90年代末将其应用于监测呼吸系统感染的情况。英国克兰菲尔德大学正在研制一种可检测尿道感染的新型电子鼻,初步测试显示,新型电子鼻能成功识别80%以上的尿道感染病例。不过目前该电子鼻的体积与电脑显示器相当,过于臃肿。美国宾西法尼亚大学医学中心,加州Cyrano科学公司制造的电子鼻Cyranose320能分析患者呼出气体的成分,识别肺炎和鼻窦炎的准确率分别为92%和82%;意大利罗马大学试验医学学院研究的电子鼻对于肺癌的检测准确率达到了90.3%,但对于肿瘤各个阶段的发展的电子鼻监测则没有进展。国内对电子鼻的研究起步较晚,尤其是用于临床诊断的人工嗅觉系统,虽然取得了一些成果,但与发达国家相比尚有较大差距。台北一所生物医学工程中心研究出的电子鼻对于慢性肾亏损和慢性肾衰竭(CRI/CRF)的检测准确率达到90.16%,对尿毒症的检测准确率达到79.52%;台湾工研院生医中心与内地医药学院进行合作研究,已发展出一套电子鼻诊断系统,经由呼出的气体可检测尿毒症及肝硬化,其准确率约有85%及94%。上述研究目前均局限于实验室研究阶段,由于参与试验的样本较少,所以对电子鼻的性能还有待进一步测试和改进;由于对电子鼻系统的可重复性和稳健性缺乏研究,还无法形成批量化的商用产品。技术实现要素:本发明的目的在于提供一种医用电子鼻气体浓缩系统及方法,旨在解决目前气体传感器检测能力不够从而电子鼻无法直接用于呼吸气体疾病诊断的问题。本发明是这样实现的,一种医用电子鼻气体浓缩系统,所述医用电子鼻气体浓缩系统包括:流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成。流量控制单元,采用稳压阀、稳流阀、针阀和转子流量计相结合实现较为精确的流量控制;稳压阀保证输出压力的稳定,稳流阀用以稳定载气或待测气体的流速。样本气体或高纯氮气首先经过稳压阀,以保证当样本气体或高纯氮气压力变化时,提供到后级稳流阀的压力保持不变;稳流阀抑制了当气路内温度变化造成气阻变化从而引起流量变化的趋势,最后通过带刻度盘的针阀来精密调节流量。为保证气密性,系统气路采用3毫米不锈钢管,系统气路与管件之间采用卡套连接。温度控制单元,采用石英管作为加热器,半导体铂耳帖器件作为制冷器,采用模糊PID温度控制,实现吸附与解析等各环节的精确温度控制。加热箱容积2000ml,采用石英灯管加热,加热功率600瓦,加热器采用铂电阻测温,模糊PID温度控制,控温精度为0.1℃。利用半导体铂耳帖器件实现吸附时的制冷,制冷功率60瓦,制冷器采用铜电阻测温,控温精度0.1℃。填装混合吸附剂的吸附管,在流量控制单元对样本气体流量和温度控制单元对吸附管的温度的精确控制下实现气体的吸附与解析;温度控制单元的石英管加热器和铂耳贴制冷器均包裹在吸附管上。进一步,所述吸附剂为:根据气体的吸附能力选择吸附剂:CarbopackTMB和TenaxGR,采用OD1/4inch,7inchLength标准吸附管,装填120-150mm混合吸附剂。进一步,所述吸附剂采用一级铂耳帖制冷系统。本发明的另一目的在于提供一种所述医用电子鼻气体浓缩系统的医用电子鼻气体浓缩方法,所述医用电子鼻气体浓缩方法包括:第一阶段,低温吸附,采集袋中的样本气体在稳压阀、稳流阀和针阀的控制下,以100mL/min的稳定流速被真空泵驱动通过填装混合吸附剂的吸附管,此时吸附管被铂耳帖制冷器控制在20℃的恒定温度,样本气体中的目标成分被保留在吸附剂中;第二阶段,密闭恢复,吸附管移开铂耳帖制冷器,六孔二相阀切换到位置2,关闭流量计和电子鼻出气口,使吸附管在静止状态恢复至室温;第三阶段,密闭升温,吸附管装入石英加热器,被急速升温至200℃,吸附管吸附的目标成分被热解吸;第四阶段,导入电子鼻测试,开启流量计和电子鼻出气口,高纯氮气在稳压阀、稳流阀和针阀的控制下以50mL/min的稳定流速通过吸附管到达电子鼻,吸附管中的目标成分被导入电子鼻与气体传感器阵列响应;第五阶段,电子鼻吹扫恢复,通过针阀调节高纯氮气流速为100mL/min,对电子鼻吹扫10min,使气体传感器恢复至基线状态。所述医用电子鼻气体浓缩方法进一步包括:主成分分析方法;通过降维,用较少的互不相关的变量表达原变量所包含的信息;对原始特征进行了PCA:X=(X1,X2,...,Xm)T为一个m维随机变量,其中E(Xi)=0,(i=1,2,...,m),考虑其协方差矩阵:其中aij=E(XiXj)为Xi与Xj的协方差;A为一个半正定对称矩阵,λ1≥λ2≥…≥λm≥0为A的m个特征值,则有正交矩阵P使得:PTAP=Λ,其中Λ=diag(λ1,λ2,…λm)为对角阵;令:Y=PTX,则有:E[YYT]=E[PTXXTP]=PTE[XXT]P=Λ;即表明Yi与Yj是不相关的;λi=E(Yi2),由于E(Yi)=0,故D(Yi)=E(Yi2)-E2(Yi)=λi,由于相似矩阵的迹相等,故有:λ1+λ2+…+λm=a11+a22+…+amm;即:等价于:式表明λ1+λ2+…+λm为X的平均能量:α∈(0,1),令:选取整数s使得:β1+β2+…+βs≥α;表明Y1,Y2,…,Ys所携带的能量占总能量的比重已超过α;称Y1,Y2,…,Ys为(Y1,Y2,…,Ym)的显著性水平为α的s个主成分,每个主成分集中了随机变量X各分量不同的共有特征。本发明提供的医用电子鼻气体浓缩系统及方法,结合气体浓缩系统的医用电子鼻检测能力,抗干扰能力均得以提高,解决了由于目前气体传感器检测能力不够从而电子鼻无法直接用于呼吸气体疾病诊断的问题。随着我国生产和生活水平的提高,无创诊断技术将会有越来越广泛的需求,开展医用电子鼻的研究,对推动我国嗅觉模拟技术的发展,缩小与国际先进水平的差距,实现疾病的早期诊断,具有重要的现实意义。系统由流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成;结合气体浓缩的医用电子鼻系统大大延伸了现有气体传感器的检测浓度区域,初步解决了在医用电子鼻利用呼出气体进行疾病诊断的研究中,由于人体呼出气体中病理特征气体浓度太低现有气体传感器无法直接检测的问题。讨论了结合气体浓缩的医用电子鼻系统的关键参数,验证了该系统的优越性。试验结果表明:该系统具有较高的操作参数控制精度,保证了结合气体浓缩的医用电子鼻系统的可重复性;提出并实现了一种快速的伤口病原菌检测新方法。基于电子鼻的伤口病原菌检测新方法具有无创性、实时性、便捷高效等特点;设计并实现了适用于医用电子鼻的气体浓缩系统。系统由流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成。结合气体浓缩的电子鼻系统检测能力和抗干扰能力大为提高;将实验设计方法引入电子鼻的实验操作参数设计,保证了电子鼻试验的可重复性和最优的试验方案设计;明确定义了医用电子鼻的可重复性指标及测量方法,分析了各相关因素对医用电子鼻可重复性的影响;提出并实现了一种基于变换域的特征抽取方法和基于离散度矩阵的特征优选方法,应用于伤口病原菌检测,系统抗漂移能力明显改善;探讨了基于统计学习理论的支持向量机作为医用电子鼻分类器的可能性及潜在优势。附图说明图1是本发明实施例提供的医用电子鼻气体浓缩系统结构示意图;图中:(a)吸附阶段(b)解吸附阶段。图2是本发明实施例提供的湿度干扰样本测试结果主成分分析示意图。图3是本发明实施例提供的结合气体浓缩的电子鼻系统抗背景干扰能力提高示意图;图中:(a)未受干扰样本电子鼻直接测试各样本良好区分;(b)受背景气氛干扰样本电子鼻直接测试引起壬烷和正庚醛样本混叠;(c)受背景气氛干扰样本先浓缩后再由电子鼻测试能正确分类。图4是本发明实施例提供的结合气体浓缩的电子鼻系统分辨能力提高示意图;图中:(a)较低浓度样本电子鼻直接测试,样本存在混叠;(b)较低浓度样本先浓缩再测试,各类样本能正确区分。图5是本发明实施例提供的测试结果示意图;图中:(a)直接测试结果主成分分析;(b)浓缩后测试结果主成分分析。图6是本发明实施例提供的层次聚类示意图;图中:(a)直接测试结果的层次聚类;(b)浓缩后测试结果的层次聚类。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。如图1所示,本发明实施例的医用电子鼻气体浓缩系统包括:流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成。流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成。流量控制单元,采用稳压阀、稳流阀、针阀和转子流量计相结合实现较为精确的流量控制;温度控制单元,采用石英管作为加热器,半导体铂耳帖器件作为制冷器,采用模糊PID温度控制,实现吸附与解析等各环节的精确温度控制;填装混合吸附剂的吸附管,在流量控制单元和温度控制单元的精确控制下实现气体的吸附与解析;温度控制单元的石英管加热器和铂耳贴制冷器均包裹在吸附管上。本发明实施例的医用电子鼻气体浓缩方法包括:首先根据待测目标气体选择合适的吸附剂,一定体积的呼出气体通过填装吸附剂的吸附管,呼出气体中的目标挥发性有机化合物被保留在吸附管中,吸附阶段气体流向如图1(a)粗实线所示;采样后,将吸附管加热,解吸挥发性有机物,待测目标成分随惰性气体进入传感器测试箱,利用病人和正常人呼出气体的不同响应模式区分患者和正常人,热解吸阶段气体流向如图1(b)粗实线所示。根据气体的吸附能力选择吸附剂:CarbopackTMB和TenaxGR,采用OD1/4inch,7inchLength标准吸附管(Standardsorbenttube),装填120-150mm(约600~1000mg)混合吸附剂,根据所选吸附剂及待浓缩气体样本特点,系统采用石英管作为加热器,半导体铂耳帖器件作为制冷器,采用模糊PID温度控制,加热器和制冷器的参数如表1所示。根据研究表明,吸附剂在较低温度时有比较好的吸附能力,但由于本系统采用的是一级铂耳帖制冷系统,当温度设定过低时,由于制冷器制冷量不足,系统工作受环境温度影响明显,故本系统中吸附剂的工作温度范围设定为5-20℃。表1加热器与制冷器参数HeaterCoolerTemperaturerange(℃)100-3255-20Precision(℃)0.10.1ThermalresistancePt.100Cu.50ControllingmethodFuzzyPIDFuzzyPIDPower(W)60060Volumeofheater(mL)2000---主成分分析(principalcomponentanalysis,PCA)的实质是通过降维,用较少的互不相关的变量表达原变量所包含的信息。医用电子鼻系统包含七只气体传感器,原始特征是一个七维的信号,不利于直接可视化表达,为验证和直观表现结合气体浓缩的电子鼻系统的性能,对原始特征进行了PCA。设X=(X1,X2,...,Xm)T为一个m维随机变量,其中E(Xi)=0,(i=1,2,...,m),考虑其协方差矩阵:其中aij=E(XiXj)为Xi与Xj的协方差。A为一个半正定对称矩阵,设λ1≥λ2≥…≥λm≥0为A的m个特征值,则有正交矩阵P使得:PTAP=Λ,其中Λ=diag(λ1,λ2,…λm)为对角阵。令:Y=PTX,则有:E[YYT]=E[PTXXTP]=PTE[XXT]P=Λ(2.3)即表明Yi与Yj是不相关的。λi=E(Yi2),由于E(Yi)=0,故D(Yi)=E(Yi2)-E2(Yi)=λi,由于相似矩阵的迹相等,故有:λ1+λ2+…+λm=a11+a22+…+amm(2.4)即:等价于:式(2.6)表明λ1+λ2+…+λm为X的平均能量:设α∈(0,1),令:选取整数s使得:β1+β2+…+βs≥α(2.8)表明Y1,Y2,…,Ys所携带的能量占总能量的比重已超过α。称Y1,Y2,…,Ys为(Y1,Y2,…,Ym)的显著性水平为α的s个主成分,每个主成分集中了随机变量X各分量不同的共有特征,一般情况下s远小于m,此时可用Y1,Y2,…,Ys来表达原信号,达到了数据降维的目的。下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。1结合气体浓缩的电子鼻系统抗干扰能力提高对较高浓度成分,电子鼻系统可以直接检测并较好的区分,但当测试样本受到其他因素干扰时,可能造成识别效果不佳,结合气体浓缩的电子鼻系统可以提高抗干扰能力,对受干扰的测试样本达到比较好的区分效果。1.1湿度干扰呼吸气体检测中,水蒸汽的干扰是一个比较明显的问题。通过选择厌水性吸附剂,结合气体浓缩的电子鼻系统可以抑制水蒸汽的干扰。如图2,目标成份分别是体积浓度为200ppb的壬烷、正庚醛、苯乙酮样本,集合1为正常样本电子鼻直接测试结果,集合2为受到较强湿度干扰的三类样本电子鼻直接测试结果,集合3为受到较强湿度干扰的三类样本通过浓缩后再由电子鼻测试的结果。可见,系统对未受干扰的正常样本具有良好的区分能力,但当受到较强湿度干扰时,电子鼻直接测试结果各样本相互混叠而无法区分,将受湿度干扰样本通过浓缩系统后,湿度干扰被降到最低,仅有两例样本可能被错误分类。1.2背景成分干扰除湿度、温度等环境干扰因素以外,医用电子鼻测试中还可能受到其他较高浓度的背景因素干扰,造成系统对目标成份的区分能力下降,通过吸附剂的适当选择,结合气体浓缩的电子鼻系统可以抑制较高浓度背景成份的干扰,实现对目标成份的有效区分。如图3(a-c)示,体积浓度为200ppb的壬烷、正庚醛和苯乙酮样本,由于受到较高浓度(约200ppb)乙醇气体的干扰,电子鼻直接测试受干扰样本结果无法正确分类,而将受干扰样本通过浓缩系统浓缩后,电子鼻即能有效区分。2结合气体浓缩的电子鼻系统区分能力提高2.1低浓度乳癌特征气体检测对体积浓度在系统最低检测限以上的低浓度目标成分,电子鼻虽能检测但分类识别效果不佳,结合气体浓缩的电子鼻系统可以提高分辨能力。如图4,目标成份分别为体积浓度60ppb的壬烷、正庚醛、苯乙酮样本。图4(a)为样本直接通过电子鼻的测试结果,图4(b)为样本先通过浓缩系统再热解吸到电子鼻的测试结果,图4(a)中,由于浓度较低,系统分辨能力不足,造成heptanal样本和1-phenyl-ethanone样本的混叠,通过浓缩后,系统得以正确的对三类样本进行区分。2.2低浓度伤口病原菌顶空气体检测研究表明伤口感染常见病原菌包括绿脓杆菌(P.aeruginosa),大肠埃希菌(E.coli),鲍氏不动杆菌(A.bactersp),金黄葡萄球菌(S.aureus),表皮葡萄球菌(S.epidermidis),肺炎克雷伯菌(K.pneumoniae)和化脓性链球菌(S.pyogenes)等。选择其中的金黄葡萄球菌和绿脓杆菌进行结合气体浓缩的电子鼻测试效果对比实验。实验菌种来自中国药品生物制品检定所,购回的菌种经过连续3代继代培养达到稳定后接种到斜面培养基试管内生长。培养基采用普通肉汤培养基,成分为:蛋白胨10g,氯化钠5g,牛肉粉15g,加入蒸馏水1L,煮沸至完全溶解,制成普通肉汤培养基。在每100毫升肉汤培养基中加入琼脂2克,高压灭菌15分钟后趁热将装入培养基的试管斜置,制成斜面培养基试管。两种菌种各采用两只斜面培养基试管培养,然后将四只试管的病原菌顶空气体各600毫升分别导入四只气体采集袋中(用真空泵以30ml/min的流速将病原菌顶空气体吸入采集袋,持续20分钟),各采集袋已先充入高纯氮气4200毫升,即气体采集袋中样本气体体积浓度被稀释为对应斜面培养基试管顶空气体的1/8。待采集袋中的气体完全混合均匀后,首先利用电子鼻直接测试四只采集袋中的气体各3次,每次测试采用基线段3min,吸附段3min,吹扫段4min,样本气体和吹扫气体的流速均为50mL/min;然后通过浓缩系统先对各采集袋的样本气体进行浓缩,再导入电子鼻进行测试。浓缩的具体实验过程如下:第一阶段,低温吸附,采集袋中的样本气体在稳压阀、稳流阀和针阀的控制下,以100mL/min的稳定流速被真空泵驱动通过填装混合吸附剂的吸附管,此时吸附管被铂耳帖制冷器控制在20℃的恒定温度,样本气体中的目标成分被保留在吸附剂中;第二阶段,密闭恢复,吸附管移开铂耳帖制冷器,六孔二相阀切换到位置2,关闭流量计和电子鼻出气口,使吸附管在静止状态恢复至室温;第三阶段,密闭升温,吸附管装入石英加热器,被急速升温至200℃,吸附管吸附的目标成分被热解吸;第四阶段,导入电子鼻测试,开启流量计和电子鼻出气口,高纯氮气在稳压阀、稳流阀和针阀的控制下以50mL/min的稳定流速通过吸附管到达电子鼻,吸附管中的目标成分被导入电子鼻与气体传感器阵列响应;第五阶段,电子鼻吹扫恢复,通过针阀调节高纯氮气流速为100mL/min,对电子鼻吹扫10min,使气体传感器恢复至基线状态。各次实验的电子鼻响应数据以110Hz的采样频率采样保存到计算机中,两类样本共得到直接测试数据12组,浓缩后测试数据12组。原始响应曲线通过平滑滤波后提取各样本电子鼻响应曲线吸附阶段的最大值作为特征,进一步通过主成分分析比较浓缩前后电子鼻对于两种病原菌的区分能力。在图5(a)中,利用电子鼻分别直接测试金黄葡萄球菌和绿脓杆菌的稀释顶空气体,由于气体浓度较低,电子鼻对两种病原菌的区分能力不够,造成两类样本的相互混叠。在图5(b)中,首先利用气体浓缩系统对两类病原菌的稀释顶空气体进行浓缩,再将浓缩后的顶空气体导入电子鼻进行测试,可见系统分类能力大为改善,两类病原菌样本线性可分。聚类分析(clusteranalysis)的基本思想是根据样本间的相关程度进行类别聚合,根据某种距离测度,同一类中的个体具有较大的相似性,不同类中的个体差异很大。图6所示为浓缩前后电子鼻对两种病原菌稀释顶空气体测试结果的层次聚类图。可见,由于金黄葡萄球菌和绿脓杆菌培养液的稀释顶空气体浓度较低,在图6(a)中利用电子鼻直接测试时,两类12个样本相互混杂,不能实现正确的聚类;在图6(b)中通过浓缩系统先将顶空气体浓缩,再由电子鼻测试,由于浓缩系统抑制了同类样本间的差异性,扩大了不同类样本之间的差异性,所以12个样本可以被正确的聚为两类。本发明构建了一个适用于医用电子鼻的固体吸附/热解吸气体浓缩系统,系统由流量控制单元、温度控制单元和填装混合吸附剂的吸附管构成。结合气体浓缩的医用电子鼻系统大大延伸了现有气体传感器的检测浓度区域,初步解决了在医用电子鼻利用呼出气体进行疾病诊断的研究中,由于人体呼出气体中病理特征气体浓度太低现有气体传感器无法直接检测的问题。讨论了结合气体浓缩的医用电子鼻系统的关键参数,验证了该系统的优越性。理论分析与试验结果表明:该系统具有较高的操作参数控制精度,保证了结合气体浓缩的医用电子鼻系统的可重复性。适当选择吸附剂,可以大大降低系统的最低检测限。对于体积浓度在最低检测限以上的待测样本,结合气体浓缩的医用电子鼻系统可以进一步提高对样本的区分能力。通过选择厌水性吸附剂以及在固体吸附/热解吸过程中引入干吹环节,结合气体浓缩的医用电子鼻系统中湿度对待测样本的干扰可以被降到最低。针对具体应用选择合适的吸附剂,结合气体浓缩的医用电子鼻系统可以极大地抑制背景气氛的干扰,对强背景干扰下的目标成分进行正确分类。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3 
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