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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。 該電子鼻儀器采用的嵌入式系統微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于A(yíng)RM7TDMI-S內核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內SRAM，雙AHB總線(xiàn)系統，先進(jìn)的向量中斷控制器(VIC)，支持多達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控制器等在內的串行接口，以及3個(gè)I2C總線(xiàn)接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲卡接口、10位ADC、10位DAC、2個(gè)PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個(gè)通用定時(shí)器/計數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計為其在醫療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實(shí)的基礎。 系統設計中，主要應用到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、輸入模塊與擴展板上的氣體、溫度信號采樣電路、D/A控制真空泵驅動(dòng)模塊、PWM步進(jìn)電機控制模塊、鍵盤(pán)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，從而構成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎。整臺儀器是由220V的開(kāi)關(guān)電源供電。 在對呼吸氣體檢測的實(shí)際應用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設計的關(guān)鍵，表1列出的是樣機設計階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應的氣體濃度檢測范圍。 在實(shí)際的人體呼吸氣體中，標志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測技術(shù)的應用，能夠顯著(zhù)地降低儀器對標志氣體的檢測下限，約為0.1～0.5ppm。在單個(gè)傳感器無(wú)法完成對低濃度氣體的檢測時(shí)，傳感器陣列檢測技術(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呼吸氣體檢測的任務(wù)。 軟件模塊 儀器軟件設計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、數據傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執行的具體流程。 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)電機帶動(dòng)六通閥實(shí)現的。 吸附進(jìn)樣相比于直接進(jìn)樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實(shí)現對低濃度樣本氣體的檢測。而在進(jìn)樣過(guò)程結束之后，系統均會(huì )程序化執行“降溫延時(shí)”與“沖洗氣路”流程，為下一次進(jìn)樣做好準備。 進(jìn)樣過(guò)程最后，系統都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實(shí)時(shí)描繪在TFT液晶屏的T(時(shí)間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過(guò)程是由LPC2478的Timer2定時(shí)產(chǎn)生中斷實(shí)現的。傳感器響應曲線(xiàn)將在“數據分析”的第一頁(yè)重現，并對一次采樣結束之后的數據作主成份分析，在標準氣體實(shí)驗的基礎上，可以通過(guò)該分析過(guò)程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結果顯示在液晶屏幕上。 通過(guò)“數據傳輸”功能，可以把傳感器陣列對樣本氣體的響應值記錄下來(lái)，在USB HOST控制器的管理下，將需要記錄的數據值寫(xiě)入USB設備中，這些數據可以作為PC人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(ANN)分析的原始數據，在提供訓練案例的前提下，也希望PC通過(guò)ANN分析能給出更為準確的診斷結果。系統也可以對SD卡讀寫(xiě)數據，其中記錄了每一次樣本氣體分析的數據和PCA分析的結果，這有利于為用戶(hù)形成長(cháng)期觀(guān)察的病歷記錄。通過(guò)UART，系統與PC相連接，在PC上利用自己開(kāi)發(fā)編寫(xiě)的串口通訊軟件對電子鼻儀器的運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并以數據庫的形式對這些數據進(jìn)行管理。 以上過(guò)程在涉及到具體操作時(shí)，系統都將利用LPC2478強大的彩色液晶控制器與用戶(hù)實(shí)現交互，使整個(gè)呼吸氣體檢測的過(guò)程透明化，用戶(hù)可以通過(guò)系統的提示，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的操作完成對身體健康狀況的監測。如圖3所示為液晶顯示的主要操作界面。 結語(yǔ) 本設計的通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器是定位于家庭使用，為那些長(cháng)期酗酒、吸煙和因此導致呼吸道、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(hù)群體設計，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、內部ADC、DAC、PWM、Timer等功能模塊，完成對呼吸氣體的檢測和基于PCA的診斷分析，并結合USB HOST與SD讀寫(xiě)控制器完成數據的移植與傳輸，使整個(gè)電子鼻檢測儀器的功能得到完善。圖4為呼吸氣體檢測電子鼻儀器的實(shí)驗樣機。 用戶(hù)在使用該儀器對自己的呼吸氣體進(jìn)行檢測之前，只需要用氣袋收集空腹時(shí)的“吹氣”，然后按照系統操作的提示完成進(jìn)樣與檢測，易于使用，并通過(guò)無(wú)創(chuàng )和低成本的操作過(guò)程完成對自身健康狀況的檢測與記錄。 |
