仿生“光学鼻”系统的研究

作     者：胥媛 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平

授予年度：2001年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：嗅觉功能 嗅觉系统 嗅球 神经成像 功能磁共振成像 olfactory 学位论文 神经回路 未知区域 中枢系统 

摘      要：嗅觉系统具有较简单的皮层固有结构，其变换后的结构在大脑的其他部位经 常出现。又由于嗅觉接受器有严格的分辨度，故嗅觉系统所要实际处理的问题比听 觉和视觉简单得多。正是由于该系统的生理重要性和数学简单性，成为探索感觉信 息处理的理想工具。由于鼻腔复杂的结构及嗅觉区特殊的生理位置，为直接的嗅觉 研究带来了不少困难。嗅觉的研究方法主要有动物电生理实验、模型定量分析、ERP 以及功能性成像方法进行嗅觉事件相关行为研究。人工嗅觉系统一方面是嗅觉功能 研究的工程和实际应用，另一方面，基于嗅觉机理的人工嗅觉系统对于研究嗅觉原 理验证嗅觉理论也有着重要的作用。 实验的定性研究与模型的定量分析，为嗅觉机理的研究提供了一种行之有效 的方法。美国Freeman教授通过与嗅球实际行为非常类似的模型仿真，提出混沌在 嗅觉信息处理中的巨大作用。对于困扰现代生理学家的人类嗅觉中央信息处理和感 知编码，以及仍属于未知区域的许多人类专有嗅觉功能，一直以来，嗅觉行为相关 电位（ERP）检查作为细胞水平上评价嗅觉功能的较为客观可靠的指标之一，在嗅 觉周围系统和中枢系统疾病的诊断上具有重要价值。直到最近，包括磁源成像 （MSI）、磁共振成像（MRI）、功能磁共振成像（fMRI）、正电子发射断层成像（PET） 等在内的神经成像技术才开始被用于研究嗅觉信息处理的复杂性，并使对嗅功能的 整体研究深入到神经皮质水平。他们比较成熟的研究区域目前限于由嗅觉任务所促 发的在神经成像技术能够确定的区域活动描绘上。尽管还只是处于起步阶段，但是 在嗅觉信息处理研究方面已经表现出强大研究能力及潜力。 人们对气敏传感器进行大规模研究和应用，并取得了一系列重大成果，慢慢 地，出现了集采样、传输、处理、识别功能于一身的人工嗅觉系统，气敏传感器是 其中的核心部件，其性能直接影响气体识别的结果。本文回顾了人工嗅觉系统的发 展，提出了基于嗅觉生理的仿真“光学鼻，来解决传统“电子鼻系统响应慢、 问口歹 浙江大学硕土学位论文 — — 络大迎据集的缺点。它采用远端沉积有高聚物／荧光物质的具有交叉响应的光纤传 感器序列，经过嗅球生理模型进行信息编码，线性延迟网络解码后得到种类和浓度 信息。光纤传感器的使用，克服了电磁干扰，具有很强的抗干扰性，而且具有响应 迅诧、瞬态响应与嗅觉感受器响应类似的特点。嗅球网络对传感器的瞬态响应进行 处理，经过神经回路的作用，气体信息被妇码在分布在憎帽细胞输出的时空模式中。 DLNN网络作为HoPfiledl995年提出的采用时间延迟作为神经绢码解码原理的实 现，由单层网络组成，将气体种类信息和浓度信息分别提取出来．克胺传统人工 神经网络收敛慢、大数据训练集的缺点。经过五种化学气体——丙酮、乙醇、乙酸、 苯、甲苯进行气体实验，证明本系统对有机气体具有较强的峻感性，并且识别算法 简单高效、可扩展、可靠、性能优良，值得进一步研究和发展。