醫(yī)用電子鼻關鍵技術研究.pdf

1、醫(yī)用電子鼻特指用于疾病診斷的電子鼻系統(tǒng)，主要由氣體傳感器陣列，信號預處理單元，模式識別算法三個部分構成。電子鼻用于疾病診斷具有無創(chuàng)性、便捷、高效等特點，是一種新的具有吸引力的診斷方法。
　　 本論文以醫(yī)用電子鼻乳癌診斷和傷口病原菌檢測為應用背景，研究了醫(yī)用電子鼻的三大問題：靈敏度，可重復性和判別能力。論文的主要工作包括：
　　 1.針對目前氣體傳感器可檢測濃度范圍無法滿足醫(yī)用電子鼻臨床測試需要的情況，設計實現了一個基于固

2、體吸附/熱解吸的氣體濃縮系統(tǒng)，系統(tǒng)由流量控制單元、溫度控制單元和填裝混合吸附劑的吸附管三個部分構成。結合氣體濃縮系統(tǒng)的醫(yī)用電子鼻其靈敏性、抗干擾能力均得以提高，初步解決了由于目前氣體傳感器檢測能力不夠從而電子鼻無法直接用于呼吸氣體疾病診斷的問題。
　　 2.電子鼻實驗結果的有效性與可重復性和系統(tǒng)參數設置密切相關，傳統(tǒng)的電子鼻實驗方法僅憑經驗設定操作參數，難以保證實驗的可重復性和最大有效性。論文將實驗設計方法(design of

3、experiment，DOE)引入電子鼻的研究與開發(fā)中，系統(tǒng)地研究了電子鼻及預濃縮系統(tǒng)的操作參數對實驗效果的影響。首先以基線總變異性為試驗指標，采用部分析因分析方法，研究了電子鼻試驗中各可控因素對實驗效果的影響，分析了各可控因素對基線總變異性的主效應和交互效應，以指導在系統(tǒng)構建中考慮主要因素，優(yōu)化系統(tǒng)結構。然后采用響應曲面方法，以濃縮效果最大為目標，分析了氣體濃縮系統(tǒng)中的關鍵因素對氣體濃縮效果的影響趨勢，以指導濃縮系統(tǒng)中的參數設置。

4、r>　　 3.可重復性是醫(yī)用電子鼻研究的關鍵問題之一，論文定義了醫(yī)用電子鼻可重復性的含義，分析了影響醫(yī)用電子鼻可重復性的主要原因：實驗誤差、噪聲、傳感器漂移及環(huán)境因素等。給出了衡量醫(yī)用電子鼻可重復性的定性和定量指標：箱線圖與可重復性得分。并利用箱線圖和可重復性得分對醫(yī)用電子鼻的傳感器陣列、信號預處理方法、特征提取方法的可重復性進行了研究。
　　 4.醫(yī)用電子鼻陣列優(yōu)化的目的是為了去除冗余和相關，提高系統(tǒng)的判別能力。在討論分析常

5、見氣體傳感器陣列優(yōu)化方法的基礎上，提出了基于自適應遺傳算法的醫(yī)用電子鼻氣體傳感器陣列優(yōu)化方法，通過設定傳感器的重要性系數，實現了對傳感器陣列的去冗余和相關，達到傳感器陣列優(yōu)化的目的。新的陣列優(yōu)化方法應用于對五種乳癌特征氣體和七種傷口病原菌的檢測中，實驗結果表明，新的優(yōu)化方法可以有效地實現陣列的優(yōu)化，提高醫(yī)用電子鼻系統(tǒng)的判別能力。而傳統(tǒng)的陣列優(yōu)化方法可以視為基于重要性系數的陣列優(yōu)化方法的一種特殊情況，傳統(tǒng)優(yōu)化方法中按照相關條件移除或保留傳

6、感器分別對應本文所提出方法中重要性系數置為0(移除對應傳感器)或重要性系數置為1(保留對應傳感器)。
　　 5.合適的特征提取與選擇方法是醫(yī)用電子鼻系統(tǒng)判別能力高低的關鍵。在分析了醫(yī)用電子鼻常見特征提取方法的基礎上，論文提出了基于小波變換的特征提取方法和基于離散度矩陣的特征選擇方法。對氣體傳感器原始響應曲線進行一維離散小波變換，然后根據離散度矩陣優(yōu)選部分小波系數作為分類器的特征。對五種乳癌特征氣體和七種傷口病原菌的檢測與識別試驗

7、結果表明，新的特征提取與選擇方法可以提高醫(yī)用電子鼻系統(tǒng)的判別能力。
　　 6.論文進一步分析了基于經驗風險最小的模式識別方法的基本原理，驗證了概率神經網絡分類器在各類別先驗概率相等的條件下等價于基于核函數的Bayes分類器，可以實現在分類誤差最小意義上的最優(yōu)分類的特性。對傷口病原菌單一成分、混合成分、疊加漂移成分的識別效果表明，概率神經網絡分類器可以實現傷口病原菌的正確分類，并且具有較強的抑制漂移能力。針對醫(yī)用電子鼻模式識別的本