人体嗅觉系统模拟的研究

人体嗅觉系统模拟的研究 第 27 卷第 6 期增刊 Vol . 27 No . 6 仪 器 仪 表 学 报 J une . 2006 2006 年 6 月 Chi ne se J o ur nal of Scie ntif ic Inst r ume nt 人体嗅觉系统模拟的研究 1 12 徐 王光大朱坤进 1 () 燕山大学电气工程学院 秦皇岛 0660042 ()燕山大学里仁学院 秦皇岛 066004 摘 要 本文通过对人体感觉系统机制的研究 ,构画了人体感觉系统总体原理结构图 ,并在此基础上对人体嗅觉系统工作原 理进行了模拟研究 ,指出了人体嗅觉系统模拟研究中的不足 ,并以电子鼻为对象 ,讨论了人工嗅觉系统是否能真实反映生物 学原理 ,以及人体嗅觉系统模拟在工程中如何实现 。同时 ,比较了 EP 神经网络和 SO M 神经网络这两种模式识别技术在人 体嗅觉系统模拟中的优劣 ,对今后的工作提出了展望 。 关键词 人工嗅觉系统 模拟 电子鼻 Design f or the simulat ion of human olfactory system 112Wa ng Gua ngda Zh u Ku n Xu J i n 1 ( )Elect ri cal En g i nee ri n g Col le ge Y ans ha n U ni ve rs i t y Q i n h ua n g d ao 066004 2 ( L i re n Col le ge Y ans ha n U ni ve rs i t y )Q i n h ua n g d ao 066004 Abstract Thi s paper p ut s fo r war d t he diagra m of t he mo del of sense mecha ni sm . We use t he t echnolo gy of elect ro nic no se to co mp rehend t he olf acto r y syst em . Si mult aneit y , we di scuss whet her si mulatio n of olf acto r y syst em i s ratio nal , and t al k over t he merit a nd de merit when t hey wo r k . Key words Artificial Olf acto r y Syst e m Si mulatio n Elect ro nical No se 感知该信息的性质 , 对该信息产生感觉的部位是中枢 神经系统的最高级中枢 , 也就是大脑皮层 的感 觉 区 。 1 引言 大脑皮层是 ,各皮层的功能与躯体的各种感觉和运动 [ 2 ] 有关 ,也与语言 、文字等密切相关。 , 在人体 嗅觉是感觉系统中比较复杂的一个系统 嗅觉系统模拟的研究中 ,一方面由于嗅觉的感受机理 、 2 . 2 感觉系统模型 生物感知性及嗅觉信息的存储等问题尚未完全明确 ; 根据生物体感觉机制 , 可建立图 1 所示的感觉系 另一方面嗅觉感受信号并不是单一的 , 而且嗅觉系统 统模型 。图 1 中 ,第一层为人体的各种感受器 ,相当于 内发生的信号处理过程又相当复杂 , 所以人工嗅觉系 [ 1 ] 传感器 。第二层表示各种感觉神经脉冲的传导通路 , 统与其他感觉系统模拟相比 ,发展缓慢。 其中各种通路都是特定的 、独立的和并行的 ,因此感觉 信息的传导与调控是串并行相结合的处理模式 。第三 层为大脑皮层的感觉区 ,对各种感觉信息进行复杂整2 感觉系统机制及其建模 [ 2 ] 合 ,从而产生感觉。 2 . 1 感觉系统机制 感觉包括视觉 、听觉 、味觉 、嗅觉等 。不同类型的 3 人体嗅觉机理 层也为多个传感器一种气氛下响应曲线族的拟合参 数 ,作为一个输入向量 。SO M 采用同样的 3 次曲线拟 合方法 ,对一批响应曲线进行特征提取 。经过训练后 竞争层分类良好 。对于从未测试过的气体种类 , SO M 网能自动组成一个新类 ,这与人脑对所学知识的自组 织 ,神经细胞中的功能柱现象非常相似 ,一定空间范围 [ 7 ] 中的神经元具有相似的功能。对于已试验气味浓度 间的插值 , 训 练 后 的 网 络 所 作 识 别 总 的 正 确 率 可 达 90 %左右 。 结论5 电子鼻 ,作为人 体 嗅 觉系 统 模型 , 符合 生 物 学机 图 1 人体感觉系统模型 理 ,在工程应用中给气味的分析方法带来了新的思路 和方法 。人工嗅觉系统可实现对复杂气味的定性检测 ( ) 嗅泡,负责嗅觉信号初级处理的部位 ,对初级嗅觉神 和定量检测 ,但人体嗅觉系统模拟的开发水平要远远 经元传递过来的信息进行调节 、放大 、抑制等 , 完成信 低于其他的人工感觉系统 ,相信只要不断的努力 ,最终 ( ) 号特征提取 ;高级信息处理中心 大脑,负责信号的彻 [ 223 ] 可以使人工嗅觉的水平可以达到其他人工感觉系统的 底加工 ,并做出判断。 水平 ,随着新型传感器的开发和模式识别方法的不断 改进 ,可测的产品数量会增多 ,检测精度也会提高 。 4 人工嗅觉系统基本结构 参考文献 [ 4 ] 人 工 嗅 觉 系 统 模 拟 人 类 的 嗅 觉 机 理 如 图 2 所示 。 [ 1 ] 韩力群 . 人体感觉机制的模型化与数字化 [ J ] . 中国医 学影像技术 . 2003 ,19 :63266 . Gar dner J w , Ba rtlet t N . A brief hi sto r y of elect ro nic [ 2 ] ( ) no se [J ] . Senso r s a nd Act uato r s B . 1994 , 18219 : 2112220 . 图 2 人工嗅觉系统模拟 Gar dner J W , Ba rtlet t P H . Elect ro nic No se s : [ 3 ] 4 . 1 信号采集与预处理 Principles a nd Applicatio ns [ M ] . New Yo r k : O xfo r d 一般电路传感器阵列包括分压式取样电路 、加热 U niver sit y Pre ss , l999 :12 20 . 元件输出电路 、单端多路模拟量采集卡 、控制加热电压 王 平 . 人工嗅觉2电子鼻的研究 [J ] . 中国生物医学工 [ 4 ] () 程学报 ,1996 ,l5 4:3462352 . 和吸气泵 ,阵列上有多只传感器 。气体传感器接收到 的信号要经过提高灵敏度数量级并去除漂移的预处 [ 5 ] Craven M A , Ga r dner J W. Elect ro nic no ses 理 。因此某些化合物的嗅觉阈值可以非常低 。嗅觉传 develop ment a nd f ut ure p ro spect s [ J ] . Trends i n [ 5 ] () analytical chemi st r y ,1996 ,15 9: 4862493 . 感器的专一性低 ,具有广谱 、部分重叠的特性。 H2 Ki Ho ng. Elect ro nic no se system wit h micro ga s [ 6 ] 4 . 2 模式识别方法与识别结果 senso r s a r ray [ J ] . senso r s a nd act uato r s B . 1996 : 352 B P 网输入层有多输入节点 , 采用单隐层 , 输出节 36 , 3382341 . 点只有一个 ,输出一个连续值 ,作为分类结果 。大多数 [ 7 ] Davide F , Natale C. Di , D ’ A mico A . Self2 训练后的 B P 网 络 对 已 训 练 样 本 的 回 代 正 确 率 可 达 o r ga nizatio n multi semp so r system fo r o do r 80 %以上 ,但对从未训练过的气味分类混乱 ,这是因为 B P 网无自组织能力 , 对超出已试验范围的成分 , 没有 cla ssificatio n [J ] . Senso r s a nd Act uato r s , B : Chemical , [ 6 ] ( ) 外推能力。自组织特征映射 SO M神经网络 ,输入 () 1994 ,8 1:2442258 .