第二章仿生嗅覺(jué)原理PPT課件

1、第二章第二章 仿生嗅覺(jué)原理仿生嗅覺(jué)原理動(dòng)物的嗅覺(jué)是憑借鼻腔嗅出不同的氣味，并做出相應(yīng) 的生理反應(yīng)。人體對(duì)氣體的嗅感來(lái)自鼻腔內(nèi)的嗅覺(jué)受體細(xì)胞(Olfactoryreceptors，ORS)，每個(gè)嗅覺(jué)受體可以探測(cè)到數(shù)量有限的氣體物質(zhì)。嗅覺(jué)受體細(xì)胞位于鼻腔內(nèi)壁嗅覺(jué)上皮，雖然嗅覺(jué)上皮內(nèi)只含有限數(shù)量的嗅覺(jué)受體細(xì)胞，但它卻能辨別出數(shù)以千計(jì)以上的不同氣味。 仿生嗅覺(jué)是利用氣敏傳感器模擬人體嗅覺(jué)受體細(xì)胞，組成一定規(guī)模的傳感器陣列對(duì)不同的氣體進(jìn)行感知每一個(gè)氣敏傳感器具有一定的交叉靈敏度，能檢測(cè)到一定數(shù)量的不同氣體，并將所檢測(cè)的信息交給計(jì)算機(jī)處理和識(shí)別。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 1、人體嗅

2、覺(jué)系統(tǒng)生理結(jié)構(gòu) 2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu) 1、人體嗅覺(jué)系統(tǒng)生理結(jié)構(gòu) （1） 嗅上皮（olfactory epithelium） 感知?dú)馕兜钠べ|(zhì)組織，也稱為初級(jí)神經(jīng)元，其生理結(jié)構(gòu)如圖所示。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（1） 嗅上皮嗅上皮（olfactory epithelium）由三種細(xì)胞組成：（I) 雙極性嗅覺(jué)神經(jīng)元（也稱為受體細(xì)胞）， 一端是樹(shù)枝狀 的纖毛，伸入到上皮組織上的一層10-100微米厚的粘液 層中以捕獲氣味分子，另一端是軸突，連接嗅覺(jué)球；（II）支撐細(xì)胞（也稱為支柱細(xì)胞，是一種神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）， 其面向粘液層的一端充滿了微小的絨毛；2.1

3、 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（1） 嗅上皮（olfactory epithelium）（III） 基礎(chǔ)細(xì)胞(如干細(xì)胞)，能夠生成新的嗅覺(jué)受體細(xì)胞。受體細(xì)胞是嗅覺(jué)上皮組織中最重要的細(xì)胞，它直接感受氣味分子，是嗅覺(jué)系統(tǒng)接受和處理氣味信息的第一階段。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（1） 嗅上皮（olfactory epithelium）嗅覺(jué)上皮組織是鼻腔中的一個(gè)很薄的組織，在老鼠和狗 中，它的顏色為淡黃色，很容易被辨別。人體的嗅覺(jué)上皮組織是略帶桃色的色彩，同鼻腔的呼吸上皮細(xì)胞混和在一起，所以難以看到這兩個(gè)小片組織（大約2平方英寸或者6.5平方厘米）2.1 仿生嗅覺(jué)的生

4、理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球嗅覺(jué)球是人體嗅覺(jué)系統(tǒng)第二組成部分嗅上皮組織的嗅覺(jué)神經(jīng)元（嗅覺(jué)受體細(xì)胞）的軸突聚集在一起，并且通過(guò)在篩骨（ethmoid bone）中的小孔到達(dá)嗅覺(jué)球。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球（I ) 二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元嗅覺(jué)球內(nèi)部有大量復(fù)雜的球狀神經(jīng)原形質(zhì)（稱為嗅小球，glomeruli）形成二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球（II）軸突和僧帽細(xì)胞在二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元中，嗅覺(jué)神經(jīng)纖維鏈接雙極細(xì)胞的軸突，嗅小球的神經(jīng)纖維網(wǎng)鏈接嗅覺(jué)感受神經(jīng)元的軸突和僧帽細(xì)胞的突觸。表達(dá)同一類氣體的嗅覺(jué)感受神經(jīng)元的信號(hào)聚

5、合在嗅覺(jué)球內(nèi)相應(yīng)的一個(gè)嗅小球上。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球（III）研究表明（A) 嗅上皮所有嗅覺(jué)感受神經(jīng)元軸突 分別聚集到數(shù)個(gè)嗅小球上，而每 個(gè)嗅小球只接受某一種類型的嗅 覺(jué)受體的輸入。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球（III）研究表明（B) 嗅覺(jué)球中的局部神經(jīng)元回路（內(nèi) 、外側(cè)神經(jīng)絲狀層）對(duì)經(jīng)過(guò)嗅小球 篩選抑制（lateral inhibition）后 的氣體嗅覺(jué)信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)處理2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（2） 嗅覺(jué)球（III）研究表明（C) 僧帽細(xì)胞的分子接納的信號(hào)范圍 就比嗅覺(jué)感受神經(jīng)元感受的信號(hào)

6、要 少得多。因?yàn)閱蝹€(gè)嗅覺(jué)感受神經(jīng)元 （受體細(xì)胞）能夠?qū)Χ喾N氣體作出 響應(yīng)，其輸出的部分信號(hào)被嗅小球 抑制過(guò)濾。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)（3）大腦皮質(zhì) 嗅覺(jué)球的信息由嗅覺(jué)管道傳送到嗅前核、嗅結(jié)節(jié)、前梨狀皮質(zhì)和扁桃體，最后傳到處理嗅覺(jué)信號(hào)的大腦中央。大腦皮質(zhì)是人體嗅覺(jué)系統(tǒng)第三組成部分2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)一、人體嗅覺(jué)生理結(jié)構(gòu)大腦皮質(zhì) 2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程 嗅覺(jué)是嗅覺(jué)系統(tǒng)對(duì)某種氣體或揮發(fā)性物 質(zhì)分子產(chǎn)生的一種生理反應(yīng) 嗅覺(jué)受體細(xì)胞氣味物質(zhì)作用后產(chǎn)生相應(yīng) 信號(hào)，經(jīng)嗅覺(jué)球處理后再通過(guò)嗅覺(jué)管道 傳送給大腦皮層，由大腦對(duì)嗅覺(jué)信號(hào)進(jìn) 行分析和判斷2.1

7、仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程 某一種嗅覺(jué)神經(jīng)元（受體細(xì)胞）只對(duì)某些氣體很敏感而不 是對(duì)所有氣體都敏感。 大多數(shù)氣體是由多種氣體分子構(gòu)成的，多種氣體分子可以 同時(shí)激活多種嗅覺(jué)神經(jīng)元，這就可形成組合編碼的“氣體 模式”，這種模式就是氣體辨別的基本特征。 各種嗅覺(jué)神經(jīng)元（受體細(xì)胞）對(duì)氣體的感受特征與其所在 嗅上皮區(qū)域相關(guān)。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程1、嗅覺(jué)系統(tǒng)在工作時(shí)，嗅覺(jué)受體細(xì)胞信號(hào)傳送 給嗅小球，傳送時(shí)服從兩個(gè)基本原則 “區(qū)對(duì)區(qū)傳送”原則 “嗅小球匯聚”原則。2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程 “區(qū)對(duì)區(qū)傳送”原則 在嗅上皮特定區(qū)域的嗅覺(jué)受體細(xì)胞 信號(hào)必須

8、傳輸給嗅覺(jué)球內(nèi)相對(duì)應(yīng) 的嗅小球2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程 “嗅小球匯聚”原則 具有相同特征的嗅覺(jué)受體細(xì)胞的軸 突匯聚于相應(yīng)的嗅小球中; 嗅小球隨后又會(huì)激活僧帽細(xì)胞; 每個(gè)嗅小球只激活一個(gè)僧帽細(xì)胞；2.1 仿生嗅覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)二、嗅覺(jué)的形成過(guò)程來(lái)自不同的嗅覺(jué)受體細(xì)胞信息組合成與特定氣體相對(duì)應(yīng)的模式，大腦最終有意識(shí)地感知到特定的氣體。 大腦感知 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)一、仿生嗅覺(jué)基本結(jié)構(gòu)1. 生物嗅覺(jué)系統(tǒng)的電性分析生物電子學(xué)分析，氣味作用嗅上皮時(shí)，在嗅細(xì)胞的胞體膜上產(chǎn)生極化型的感受電位，并在軸突膜上引起不同頻率電位輸出，通過(guò)嗅覺(jué)球傳入大腦中樞神經(jīng) 2.2 仿生嗅

9、覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)一、仿生嗅覺(jué)基本結(jié)構(gòu)2. 仿生學(xué)分析（1） 嗅上皮組織，由它構(gòu)成初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元（嗅覺(jué)受體細(xì)胞），其功能是感受 外界氣體分子信息并產(chǎn)生相應(yīng)頻率的電信號(hào)，它對(duì)氣體分子的作用具有很高的靈 敏度和交叉靈敏度；（2）嗅覺(jué)球，由多個(gè)嗅小球和僧帽細(xì)胞及軟狀細(xì)胞構(gòu)成二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元，其功能是對(duì) 初級(jí)神經(jīng)元敏感的電信號(hào)信息進(jìn)行調(diào)節(jié)、過(guò)濾、放大等處理，并形成相與氣體模式 對(duì)應(yīng)的電位模式； 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)一、仿生嗅覺(jué)基本結(jié)構(gòu)2. 仿生學(xué)分析（3）大腦皮層，接收來(lái)自二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元的信息電位模式信號(hào)，并將電位 模式信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和存儲(chǔ)，最終形成腦電信號(hào)而完成氣體特征的分析 、

10、識(shí)別與判斷。 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)3、仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)造 氣敏傳感器陣列、 信號(hào)處理電路、 模式識(shí)別系統(tǒng)仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)原理是模仿人體嗅覺(jué)機(jī)理工作，硬件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)（1）氣敏傳感器陣列 相當(dāng)于生物嗅覺(jué)系統(tǒng)中的嗅覺(jué)受體細(xì)胞（初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng) 元），它對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行吸附和解吸附，并將其轉(zhuǎn)化為 電信號(hào)；3、仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)造 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)（2）信號(hào)處理電路 相當(dāng)于嗅覺(jué)球（二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元）信號(hào)傳遞系統(tǒng)，對(duì)氣體 傳感器陣列產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換及傳輸3、仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)造 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

11、、理論與技術(shù)（3）模式識(shí)別系統(tǒng) 相當(dāng)于大腦皮層，對(duì)預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行特征提取和模式 分析，并給出氣體的識(shí)別和判斷。3、仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的硬件構(gòu)造 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)4、人體嗅覺(jué)和仿生嗅覺(jué)結(jié)構(gòu)對(duì)比 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)4、人體嗅覺(jué)和仿生嗅覺(jué)結(jié)構(gòu)對(duì)比 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)4、人體嗅覺(jué)和仿生嗅覺(jué)結(jié)構(gòu)對(duì)比 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)5、仿生嗅覺(jué)結(jié)構(gòu) 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)

12、工作原理 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)工作原理1、當(dāng)待測(cè)氣體呈現(xiàn)仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)中時(shí) 系統(tǒng)中的傳感器陣列將氣體輸入信息 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并形成該氣體的響應(yīng)譜2、氣體中的各種化學(xué)成都將與傳感器陣列中的每個(gè)傳感器發(fā)生作用，所以這種響應(yīng)譜為該 氣體的廣域響應(yīng)譜 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)

13、別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)工作原理3、仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)必須對(duì)傳感器陣列響應(yīng)的 氣體廣域譜進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理 (消除噪 聲、特征提取、信號(hào)放大等)后。4、分析理論主要概括為信號(hào)預(yù)處理理論和氣體分析識(shí)別理論。 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)工作原理5、預(yù)處理理論 仿真人體嗅覺(jué)系統(tǒng)的二級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元， 它對(duì)傳感器陣列響應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行濾波、 轉(zhuǎn)換及特征提取等。目前常用的預(yù)處理方法：差分法、相對(duì)差分法、對(duì)數(shù)法、傳感器歸一化法(Sensotwhole)和陣列歸一化

14、法(Array whole)等。 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)工作原理6、分析識(shí)別理論 仿真人的大腦功能，對(duì)已進(jìn)行預(yù)處理 的傳感器陣列響應(yīng)信號(hào)再進(jìn)行適當(dāng)?shù)?處理，以獲得單一氣體或混合氣體的 組分和模式分類，進(jìn)而完成對(duì)氣體的 定性或定量分析。定性分析：主要是指對(duì)所測(cè)量氣體的種類做出正確評(píng)價(jià)定量分析：對(duì)所測(cè)量氣體的含量及成分進(jìn)行評(píng)價(jià)定量分析難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定性識(shí)別 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)二、仿生嗅覺(jué)理論基礎(chǔ)氣敏傳感器N氣

15、敏傳感器1氣敏傳感器2傳感預(yù)處理單元待識(shí)別氣體訓(xùn)練陣列信號(hào)處理模 式識(shí) 別知識(shí)庫(kù)測(cè)試傳感器陣列信號(hào)預(yù)處理模式識(shí)別仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)工作原理7、常用分析識(shí)別理論 采用模式識(shí)別理論和方法，主要是用 于對(duì)氣體的定性分析和識(shí)別。最近鄰鄰居法(NN)、判別式函數(shù)分析法(DFA)、主成分分析法(PCA)、聚類分析（CA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)法、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)、學(xué)習(xí)向量量化(LVQ)、自組織映射(SOM)、統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別法(SPR)和遺傳算法(GA)等 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)硬件技術(shù)路線待測(cè)氣體由氣泵的作用而通過(guò)進(jìn)化裝置，并在嵌入式處理器控制下被選通進(jìn)入密

16、閉氣室，然后由氣泵將氣體排出 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（1）進(jìn)氣裝置將被測(cè)的氣體引入傳感 器陣列的氣室中1. 進(jìn)氣裝置及密閉氣室技術(shù)（2）需要解決氣體凈化及進(jìn)氣流量控制 的技術(shù)問(wèn)題。 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（3）密閉氣室1. 進(jìn)氣裝置及密閉氣室技術(shù)（A）每個(gè)傳感器需要在氣室中與被測(cè)氣體 進(jìn)行均勻接觸和響應(yīng)。（B)密閉氣室越小越好快速響應(yīng)微量氣體充分反應(yīng)傳感器陣列以及加熱模塊 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（A）利用陣列傳感器的交叉敏感特性， 提供氣體模式信息供系統(tǒng)分析和識(shí)別 2. 傳感器陣列技術(shù)

17、（B) 常用陣列傳感器 金屬氧化物傳感器(MOS) 導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器(CP) 石英晶體微天平傳感器(QCM) 聲表面波傳感器(SAW) 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（C）傳感器的加工技術(shù) 2. 傳感器陣列技術(shù) 微電子機(jī)械技術(shù)是通過(guò)微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件體微機(jī)械技術(shù)、表面微機(jī)械技術(shù)X射線深層光刻電鑄成型(LIGA)技術(shù) 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（D）傳感器特性 2. 傳感器陣列技術(shù) 傳感器主敏感度 傳感器交叉敏感度 選擇性 穩(wěn)定性 2.2 仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論與技術(shù)三、仿生嗅覺(jué)技術(shù)基礎(chǔ)（1）信號(hào)調(diào)理 通過(guò)硬件對(duì)傳感器陣列輸出的信號(hào)進(jìn) 行處理消除噪聲，放大有用信