CN105738434B - 一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统，包括：呼吸气体收集模块，使用呼吸气体交换装置将呼吸气体收集在气袋中；气体信息采集模块，使用微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列对气袋送来的呼吸气体中的敏感气体发生反应，将敏感气体的浓度信息转换为对应的谐振频率信号，并对谐振频率信号进行采样；特征提取和筛选模块，对采样的信号进行特征提取和特征筛选，将经特征提取与筛选后的信号传递给模式识别模块；模式识别模块使用模式识别方法对所采集的数据进行训练和识别。该系统能实现糖尿病的快速非侵入式诊断，具有无创性、价格低廉、可靠性高、可以实时在线测量、可以实现便携式设计、分析时间短、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统。
背景技术
长期以来，糖尿病诊断主要是通过生化仪血糖测定和快速血糖仪方法。首先这两种方法都是基于血液化验的一种侵入式的检测方法，会对人体造成不同程度的损害。同时生化仪检测的方法价格相对较贵，结果分析周期较长，难以实现实时检测的目的；而快速血糖仪由于存在个人差异性，会受到进针深浅、是否自然流出法采血、取血量的多少、酒精是否擦拭干净等客观因素的影响，且采血针和试纸只能一次性使用。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统,实现糖尿病的快速非侵入式诊断。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统，包括呼吸气体收集模块、气体信息采集模块、特征提取和筛选模块、模式识别模块；
所述呼吸气体收集模块使用一个呼吸气体交换装置将呼吸气体收集在一个气袋中，收集好气体之后再送至所述气体信息采集模块；
所述气体信息采集模块具有基于MEMS的微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列对所述气袋送来的呼吸气体中的敏感气体发生反应，将所述敏感气体的浓度信息转换为对应的谐振频率信号，并对谐振频率信号进行采样；
所述特征提取和筛选模块对采样的信号进行特征提取和特征筛选，并将经特征提取与筛选后的信号传递给所述模式识别模块；
所述模式识别模块使用模式识别方法对所采集的数据进行训练和识别；最终识别出所述敏感气体的种类和浓度。
进一步地：
呼吸气体交换装置包括呼吸共用通道、吸入空气通道和呼出气体通道，所述呼吸共用通道连接供人使用的气嘴，所述吸入空气通道和所述呼出气体通道与所述呼吸共用通道形成三通结构，所述吸入空气通道连接大气，所述呼出气体通道连接气袋，所述气袋连接所述气体信息采集模块。
所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列的传感器包括气体敏感膜、热激励电阻、谐振元件和拾振电阻，所述谐振元件由设置在所述气体敏感膜下方的所述热激励电阻驱动，所述拾振电阻进行振荡信号检测，拾振的信号经过多级放大、移相、整形、功放后反馈至热激励电阻，实现闭环谐振。
各传感器设置在同一硅基底上。
所述气体信息采集模块包括频率采集卡，所述频率采集卡对谐振频率信号进行采样，优选将采样信号以数字形式存入内存中。
所述频率采集卡对谐振频率的正弦信号进行采样。
还包括信号预处理模块，所述气体信息采集模块将采样的谐振频率信号传给所述信号预处理模块，所述信号预处理模块对信号进行包括滤波、去噪、基线修正在内的预处理，再将经预处理后的信号传送给所述特征提取与筛选模块。
根据所述呼吸气体中的若干VOCs成分的含量来检测所述敏感气体，其中作为糖尿病的呼吸气体标识物的VOCs成分包括甲苯、乙苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇，优选为乙苯、乙醇、丙酮和异丙醇。
所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列含有六个微悬臂梁谐振式气敏传感器，每个微悬臂梁谐振式气敏传感器上分别涂有以下不同材料形成的气体敏感层，分别是环氧丙烯酸酯、聚乙烯醇(PVA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯—醋酸乙烯酯(PEVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)。
所述特征提取和筛选模块使用主成分分析法对采样的信号进行特征提取，使用独立成分分析法分解出多通道信号中的独立成分，进行特征筛选。
所述模式识别方法采用人工神经网络算法。
本发明的有益效果：
基于微悬臂梁原理的便携式呼吸气体糖尿病检测电子鼻系统从根本上克服了传统的侵入式检测方法的缺点，与传统血糖浓度分析方法相比，它具有无创性、价格低廉、可靠性高、可以实时在线测量、可以实现便携式设计、分析时间短、操作简单等优点。本发明体积小、功耗低，可以实现便携式设计、可以实现实时的无侵入式无创检测，易于推广，可大范围使用。
附图说明
图1为本发明实施例的糖尿病诊断系统原理框图；
图2为本发明实施例的糖尿病诊断系统硬件结构图；
图3为本发明实施例中的呼吸气体交换装置结构示意图；
图4为本发明实施例中的传感器结构示意图；
图5为本发明实施例中的传感器阵列布局图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1至图5，在一种实施例中，一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统，包括呼吸气体收集模块、气体信息采集模块、特征提取和筛选模块、模式识别模块；所述呼吸气体收集模块使用一个呼吸气体交换装置将呼吸气体收集在一个气袋中，实现对呼吸气体的持续定量收集，收集好气体之后再送至所述气体信息采集模块；所述气体信息采集模块具有基于MEMS的微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列对所述气袋送来的呼吸气体中的敏感气体发生反应，将所述敏感气体的浓度信息转换为对应的谐振频率信号，并对谐振频率信号进行采样；所述特征提取和筛选模块对采样的信号进行特征提取和特征筛选，并将经特征提取与筛选后的信号传递给所述模式识别模块；所述模式识别模块使用模式识别方法对所采集的数据进行训练和识别；最终识别出所述敏感气体的种类和浓度。
如图2和图3所示，在优选的实施例中，呼吸气体交换装置包括呼吸共用通道、吸入空气通道和呼出气体通道，所述呼吸共用通道连接供人嘴使用的气嘴，图3所示A为呼出气体，图3所示B为吸入气体。所述吸入空气通道和所述呼出气体通道与所述呼吸共用通道形成三通结构，所述吸入空气通道连接大气，所述呼出气体通道连接气袋，所述气袋连接所述气体信息采集模块。气袋如Tedlar采样袋。
如图4和图5所示，在优选的实施例中，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列的传感器包括气体敏感膜1、热激励电阻2、谐振元件3和拾振电阻4，所述谐振元件3由设置在所述气体敏感膜1下方的所述热激励电阻2驱动，所述拾振电阻4进行振荡信号检测，拾振的信号经过多级放大、移相、整形、功放后反馈至热激励电阻2，实现闭环谐振。如图5所示，较佳地，各传感器设置在同一硅基底5上。
在优选的实施例中，所述气体信息采集模块包括频率采集卡，所述频率采集卡对谐振频率信号进行采样，优选将采样信号以数字形式存入内存中。较佳地，所述频率采集卡对谐振频率的正弦信号进行采样。
如图1和图2所示，在优选的实施例中，糖尿病诊断系统包括信号预处理模块，所述气体信息采集模块将采样的谐振频率信号传给所述信号预处理模块，所述信号预处理模块对信号进行包括滤波、去噪、基线修正在内的预处理，其中基线修正包括使用差分法、相对法、差商法等对原始数据进行预处理，再将经预处理后的信号传送给所述特征提取与筛选模块进行信号特征的提取与筛选。
糖尿病患者的呼吸气体中VOCs含量会发生变化，甲苯、乙苯、二甲苯等可能来自于肝脏，糖尿病高血糖会抑制肝脏酶(细胞色素P450系统)代谢这些气体，转而循环到血液系统中去。醇类物质如甲醇和乙醇是糖类经肠道菌群发酵产生，丙酮来源于脂肪的代谢，异丙醇来源于丙酮还原，在糖尿病机体脂肪供能情况下，脂肪酸β氧化产生还原性的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，它可促使肝脏内过量的丙酮还原产生异丙醇。
根据所述呼吸气体中的若干VOCs成分的含量来检测所述敏感气体，其中作为糖尿病的呼吸气体标识物的VOCs成分包括甲苯、乙苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇等。根据血糖浓度与呼吸气体中VOCs的响应情况，优选以乙苯、乙醇、丙酮和异丙醇作为主要的气体标志物。
如图5所示，在优选的实施例中，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列含有六个微悬臂梁谐振式气敏传感器，每个微悬臂梁谐振式气敏传感器上分别涂有以下不同材料形成的不同气体敏感膜1，分别是环氧丙烯酸酯1a、聚乙烯醇(PVA)1b、聚二甲基硅氧烷(PDMS)1c、聚乙烯—醋酸乙烯酯(PEVA)1d、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)1e、聚醋酸乙烯酯(PVAc)1f。
在优选的实施例中，所述特征提取和筛选模块使用主成分分析法对采样的信号进行特征提取，使用独立成分分析法分解出多通道信号中的独立成分，进行特征筛选。主成分分析和独立成分分析均为已知的技术。主成分分析也称主分量分析，旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标(即主成分)，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复；独立成分分析是指从独立源混合信号中恢复出独立的源信号，是一种盲源分离的方法。
所述模式识别方法可以采用本领域技术人员熟知的人工神经网络算法进行训练和识别。
以下结合图1至图5对具体实施例进行进一步说明。
图1示出了实施例的检测系统，包括呼吸气体收集模块、气体信息采集模块、信号预处理模块、特征提取和筛选模块、模式识别模块5个部分。本发明通过使用电子鼻技术检测呼吸气体中的VOCs来诊断糖尿病。首先用呼吸气体收集模块收集呼吸气体，然后通过气体信息采集模块的微悬臂梁气体传感器阵列将呼吸气体中的VOCs的浓度信息转化为谐振频率信号，进行频率采样，经过预处理、特征提取和筛选，最后利用数据进行神经网络的训练和气体信息的识别，以此诊断糖尿病情况。
如图2所示，诊断系统在硬件上包括气体收集部分、反应气室、数据采集部分、信号调节电路、通讯电路、电脑主机。
呼吸气体收集模块使用一个呼吸气体交换装置将呼吸气体收集在一个气袋中，实现对呼吸气体的持续定量收集，呼吸气体交换装置含有两个通道：吸入空气通道和呼出气体的通道，呼出气体使用Tedlar气袋收集，再送至反应气室，如图3所示。
气体信息采集模块主要包括微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列，该模块利用气敏传感器阵列与气袋收集的气体响应，将敏感气体的浓度信息转换为对应的谐振频率信号，使用频率采集卡对频率信号进行采样。
传感器采用热激励电阻驱动，使用拾振电阻进行信号检测，拾振信号经过多级放大、移相、整形、功放后反馈至激振源，实现闭环谐振。
传感器阵列含有六个微悬臂梁谐振式气敏传感器，每个传感器上涂有不同的气体敏感膜1，分别是环氧丙烯酸酯、聚乙烯醇(PVA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯—醋酸乙烯酯(PEVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)传感器阵列分布如图4所示。
采集到的响应信号使用信号预处理模块的信号调理电路和滤波函数对进行滤波、去噪、去基等预处理；特征提取和筛选模块使用主成分分析法对预处理后的信号进行特征提取，使用独立成分分析法进行特征筛选，经特征提取与筛选后的信号传递给模式识别模块；模式识别模块根据输入的数据使用人工神经网络算法对所采集的数据进行训练和识别；最终将气体的种类浓度信息显示出来，以此判断患者糖尿病情况。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于电子鼻检测呼吸气体的糖尿病诊断系统，其特征在于,包括呼吸气体收集模块、气体信息采集模块、特征提取和筛选模块、模式识别模块；
所述呼吸气体收集模块使用呼吸气体交换装置将呼吸气体收集在气袋中，收集好气体之后再送至所述气体信息采集模块；
所述气体信息采集模块具有基于MEMS的微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列对所述气袋送来的呼吸气体中的敏感气体发生反应，将所述敏感气体的浓度信息转换为对应的谐振频率信号，并对谐振频率信号进行采样；
所述特征提取和筛选模块对采样的信号进行特征提取和特征筛选，将经特征提取与筛选后的信号传递给所述模式识别模块；
所述模式识别模块使用模式识别方法对所采集的数据进行训练和识别；最终识别出所述敏感气体的种类和浓度；
所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列根据所述呼吸气体中的若干VOCs成分的含量来检测所述敏感气体，检测作为糖尿病的呼吸气体标识物的VOCs成分包括甲苯、乙苯、二甲苯、甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇，所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列含有六个微悬臂梁谐振式气敏传感器，每个微悬臂梁谐振式气敏传感器上分别涂有以下不同材料形成的气体敏感层，分别是环氧丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯—醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚醋酸乙烯酯。
2.如权利要求1所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,所述呼吸气体交换装置包括呼吸共用通道、吸入空气通道和呼出气体通道，所述呼吸共用通道连接供人使用的气嘴，所述吸入空气通道和所述呼出气体通道与所述呼吸共用通道形成三通结构，所述吸入空气通道连接大气，所述呼出气体通道连接气袋，所述气袋连接所述气体信息采集模块。
3.如权利要求1所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,所述微悬臂梁谐振式气敏传感器阵列的传感器包括气体敏感膜、热激励电阻、谐振元件和拾振电阻，所述谐振元件由设置在所述气体敏感膜下方的所述热激励电阻驱动，所述拾振电阻进行振荡信号检测，拾振的信号经过多级放大、移相、整形、功放后反馈至热激励电阻，实现闭环谐振。
4.如权利要求3所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,各传感器设置在同一硅基底上。
5.如权利要求1所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,所述气体信息采集模块包括频率采集卡，所述频率采集卡对谐振频率信号进行采样。
6.如权利要求1至5任一项所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,还包括信号预处理模块，所述气体信息采集模块将采样的谐振频率信号传给所述信号预处理模块，所述信号预处理模块对信号进行包括滤波、去噪、基线修正在内的预处理，再将经预处理后的信号传送给所述特征提取与筛选模块。
7.如权利要求1至5任一项所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,所述特征提取和筛选模块使用主成分分析法对采样的信号进行特征提取，使用独立成分分析法分解出多通道信号中的独立成分，进行特征筛选。
8.如权利要求1至5任一项所述的糖尿病诊断系统，其特征在于,所述模式识别方法采用人工神经网络算法。
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