Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху
Задача мониторинга окружающей среды, качество воздуха атмосферы и продуктов питания являются одной из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека. Control of environment, quality of air and food is one of major problems of safety of the human health. The applications of the device such as &qu...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2006
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6448 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху / С.И. Лукаш, О.К. Колесницкий, И.Д. Войтович // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860192945375805440 |
|---|---|
| author | Лукаш, С.И. Колесницкий, О.К. Войтович, И.Д. |
| author_facet | Лукаш, С.И. Колесницкий, О.К. Войтович, И.Д. |
| citation_txt | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху / С.И. Лукаш, О.К. Колесницкий, И.Д. Войтович // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Задача мониторинга окружающей среды, качество воздуха атмосферы и продуктов питания являются одной из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека.
Control of environment, quality of air and food is one of major problems of safety of the human health. The applications of the device such as "electronic nose" for monitoring and analysis of objects of environment are shown.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:07:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 141
S.I. Lukash, O.K. Kolesnitskiy,
I.D. Vojtovich
METHOD AND TECHNOLOGY
OF THE SMELL ANALYSIS OF
OBJECTS FOR ENVIRONMENT
AND MEDICAL DIAGNOSTIC
Control of environment, quality of
air and food is one of major prob-
lems of safety of the human health.
The applications of the device such
as "electronic nose" for monitoring
and analysis of objects of environ-
ment are shown.
Задача мониторинга окружаю-
щей среды, качество воздуха ат-
мосферы и продуктов питания
являются одной из важнейших
задач и проблем охраны здоровья
человека.
С.И. Лукаш, О.К. Колесницкий,
И.Д. Войтович, 2006
УДК 681.3: 591.3
С.И. ЛУКАШ, О.К. КОЛЕСНИЦКИЙ, И.Д. ВОЙТОВИЧ
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ АНАЛИЗА
ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ
И МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ПО ЗАПАХУ
Введение. Проблемы ранней и полной диаг-
ностики состояния здоровья человека и кон-
троль концентрации вредных веществ в ок-
ружающем нас воздухе, способных вызвать
патологические изменения, являются весьма
актуальными в настоящее время.
Один из способов диагностики анализ
запахов. Устройство «электронный нос» раз-
рабатывается в мире как универсальный де-
тектор, который количественно определяет и
характеризует все типы запахов. Здесь мож-
но напомнить, что запах – это ощущения че-
ловека, которые возникают под влиянием
ароматических веществ на рецепторы слизи-
стой оболочки носа.
Запахи могут влиять как рефлекторные
раздражители на деяльность органов дыха-
ния, кровообращения, пищеварения, а также
определенным образом на настроение и
чувства [1].
Аппаратная и программная реализация.
По принятой терминологии "электронный
нос" содержит в себе массив, или матрицу,
из 3 и более неспецифических сенсоров с
перекрестной чувствительностью. Это озна-
чает, что каждый сенсорный элемент имеет
свой отклик на анализируемый объект, а все
вместе они создают достаточно представи-
тельный его образ. Последовательный опрос
показаний каждого сенсора даѐт в результате
гистограмму величин откликов (показаний)
детекторов.
Аналоговые сигналы, поступающие с вы-
ходов датчиков, должны быть усилены и
профильтрованы, чтобы их можно было пре-
С.И. ЛУКАШ, О.К. КОЛЕСНИЦКИЙ, И.Д. ВОЙТОВИЧ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 142
образовать в цифровую форму. Встроенный микропроцессор обеспечивает ана-
лого-цифровое преобразование и передачу первичных данных в компьютер. Про-
граммное обеспечение по установленному алгоритму определяет последователь-
ность и содержание всех операций прохождения и обработки сигналов, а также
их вывод и визуализацию в удобной для принятия решения форме. Анализ ин-
формационных сигналов осуществляется разработанной экспертной системой.
На рис. 1 показана схема газового оборудования и его коммутации. В изме-
рительном объеме расположена матрица сенсоров, в аналитическом – накаплива-
ется исследуемый газ. Вентили V1-V4 служат для создания требуемой конфигу-
рации системы.
По принятой методике пе-
ред установкой образца все
камеры и соединительные
трубки в течение 510 минут
промываются чистым возду-
хом (именно этот режим по-
казан на рис. 1) и проводится
калибровка датчиков в атмо-
сфере референсного газа. Об-
разцы размещаются в анали-
тическом объеме. Измерения
выполняются после установ-
ления в системе состояния
равновесия.
РИС. 1. Схема газового оборудования общего
назначения
При необходимости используется дозатор. В предлагаемой работе испо-
льзованы устройство фирмы «Jenasensoric» и мультисенсоры фирмы UST UM-
WELTSENSORTECHNIK GmbH с тремя чувствительными слоями Si (i =
= 1, 2, 3) в одном корпусе и встроенным подогревателем. Цикл измерений имеет
3 фазы: нагрев чувствительных слоев с одновременной записью информацион-
ных сигналов с заданной дискретностью по температуре; запись данных в файл;
охлаждение слоев до заданной температуры T. Сопротивление газочувствитель-
ного слоя сенсора изменяется в зависимости от концентрации анализируемого
газа [2]. Устройство позволяет изменять температуру в пределах от комнатной
до 420 °С. Выбор длительности и количества циклов определяется условиями
установления динамического равновесия между образцом и его испарениями,
которые зависят от летучести содержащихся в образце газов и скорости их диф-
фузии в закрытом объеме. Три чувствительных слоя мультисенсора селективны
к разным газам и поэтому их отклики на исследуемую газовую смесь различны.
Время установления динамического равновесия определяется по зависимости
сигнала Si (T = const) от времени для контрольного образца.
Концентрация исследуемого газа может быть выражена в виде отношения
(в %) его объема к общему объему газовой смеси или отношения парциального
давления компонента к общему давлению в системе:
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 143
%100%100
o
g
o
g
g
P
P
V
V
C ,
где
i
gio PP сумма парциальных давлений всех i газов, входящих в анали-
тическую смесь.
На информационный сигнал накладывается шум, который определяется вы-
бранным методом измерений и качеством работы системы регистрации сигнала.
Пакет программного обеспечения состоит из программ обработки данных,
расчетов, распознавания образов и вывода результатов. При этом использованы
алгоритмы: управления работой блока питания сенсора; фильтрации и усредне-
ния значений; аппроксимации экспериментальных точек; алгоритм, основанный
на выборе уровня сигнала; определения концентрации; распознавания опреде-
ленного газа.
Результаты.
Компоненты продуктов питания. “Электронный нос” может быть эффек-
тивно использован в пищевой промышленности для оценки свежести продукции,
контроля качества и проверки качества входящих материалов, оптимизации рабо-
ты биореакторов и сведения к минимуму вариаций продукции от партии к пар-
тии, мониторинга случайных или преднамеренных загрязнений или несоответст-
вий торговой марке пищевой промышленной продукции.
Были исследованы пробы водного раствора 20- и 96 %-спирта и пробы про-
мышленной продукции: 28 % наливки, 38 % водки, 40 % коньяка, 60 % ликера
(рис. 2). В качестве информационного сигнала как признака для распознавания в
этом случае использовали величину сигнала dSSi, соответствующего максималь-
ной концентрационной зависимости при фиксированной температуре. Этот при-
знак автоматически выделяется экспертной программой по созданному алгорит-
му. Такой способ позволяет создать графический образ газа в n-мерном про-
странстве (рис. 3). Здесь n = 5 по числу использованных слоев сенсоров S1...S5.
Полученный многоугольник является образом в плоскости и может служить
как один из способов распознавания. Вложенные многоугольники соответствуют
разным концентрациям спирта (рис. 2) с учетом ароматизации продукта. Общее
число ароматов, которые можно различить в процессе дегустации вина, составля-
ет не одну сотню. Обычно при их описании пользуются аналогиями. Первичные
и вторичные ароматы обычно бывают цветочные (жасмин, ирис, пион), фрукто-
вые (малина, яблоко, банан), растительные (зеленая трава, мох, сырая земля),
пряные (перец, гвоздика, имбирь). Третичные бальзамические (смола, ладан,
ваниль), животные (мясо, дичь, мех) и эмпирематические или, иначе, гарные (са-
жа, горелый хлеб, жареный кофе).
Качество вина во многом определяется сложностью и силой его ароматов.
При использовании устройства для дегустации необходимо также предвари-
тельно провести его обучение на распознавание ароматов.
С.И. ЛУКАШ, О.К. КОЛЕСНИЦКИЙ, И.Д. ВОЙТОВИЧ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 144
РИС. 2. Концентрационная зависимость инфор-
мационных сигналов при фиксирован-
ной температуре нагрева
РИС. 3. 5-мерное представление
признаков объектов – спиртсо-
держащих жидкостей
Качество продуктов питания. Другим не менее важным приложением уст-
ройств “электронный нос” является оценка свежести пищевой продукции, тем
более что на сегодняшний день ни вкусовые, ни обонятельные тесты не решают
данную задачу в требуемом объеме. Определение качества продуктов питания, их
свежести – тоже одна из задач, которые могут быть решены с помощью подоб-
ных приборов.
Все три слоя зафиксировали
нарастание сигнала к 56 дню
хранения и его быстрый спад к 9
дню. К этому дню визуальная оце-
нка состояния поверхности мяса
показала наличие следов его пор-
чи. Сенсоры обнаруживали газо-
образные продукты жизнедеяте-
льности микроорганизмов и бак-
терий на поверхности мяса в тече-
ние времени хранения.
Таким образом, устройство
пригодно для определения качест-
ва продуктов питания.
РИС. 4. Информационный сигнал запаха мяса
при длительном хранении
Так, при использовании сенсора со слоями 1000/2000/6000 были получены
изменения информационного сигнала от первоначально свежего мяса при его
длительном хранении при температуре +6 оС и влажности 60 % (рис. 4).
Парфюмерия и фармакология. "Электронный нос" работает в широком
диапазоне концентраций паров и, благодаря применяемым сенсорам, может
иметь чувствительность на уровне пикограмм вещества. Он способен распозна-
вать и количественно характеризовать много различных и иногда очень сложных
запахов. Это достигается с помощью технологии распознавания изображений,
распознаванием образов запахов как графических отображений, которые полу-
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 145
чаются от обработки информационных сигналов детектора. Каждый запах или
летучая компонента содержит множество анализируемых компонентов с отчет-
ливым соотношением друг с другом. Графический образ запаха позволяет оцени-
вать и распознавать сложный окружающий фон как часть предварительно изу-
ченных наборов визуальных отображений запахов.
Алгоритмы распознавания графических образов для электронного носа осно-
ваны на дифференциальных наборах корреляций визуальных отпечатков извест-
ных веществ, полученных при анализе сложных смесей пахучих веществ. Задачей
является поиск лучшего алгоритма распознавания визуальных образов.
Ценность применения устройств данного типа не только в объективизации
органолептических оценок, но и в выборе новых перспективных ароматов, авто-
матизации формирования запаха с помощью генератора.
На рис. 5, а, б показаны 12-мерные образы запаха некоторых образцов мыла с
ароматизаторами, построенные по вышеописанному способу. На осях, соответст-
вующих определенным сенсорам, отложены признаки в категорийном представ-
лении.
а
б
РИС. 5. 12-мерное представление аналитических объектов парфюмерии
В фармацевтической промышленности “электронный нос” призван обеспечить
скрининг входящих компонентов для выпуска конечной продукции, обеспечения
качественного контроля осуществления технологического процесса, а также
обеспечения требований безопасности при хранении продукции.
Диагностика некоторых заболеваний по запаху. Индивидуальный запах
выделений человека уже давно используется в классической медицине как важ-
ный диагностический признак. “Электронный нос” может, несомненно, оказать
существенную помощь в обеспечении объективных и имеющих клиническую и
криминалистическую значимость оценок таких объектов с характерным запахом,
как выдыхаемый воздух, пот и пр. В клинических исследованиях крайне важной
является экспресс-диагностика острых инфекций по качеству запаха выдыхаемо-
го воздуха. Такая методика может быть основана на индивидуальных особенно-
С.И. ЛУКАШ, О.К. КОЛЕСНИЦКИЙ, И.Д. ВОЙТОВИЧ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 146
стях запаха бактериальных культур, являющихся патогенными для человека, или
при патологии метаболического процесса.
Специалисты технологического института Чикаго разработали устройство,
позволяющее обнаруживать признаки имеющегося у больного туберкулеза в вы-
дыхаемом им воздухе. Предварительные испытания "электронного носа" дали
впечатляющие результаты, сообщает Reuters [3]. В устройстве размером с обыч-
ный компьютер применяются элементы искусственного интеллекта. В отличие от
внутрикожного теста, для которого требуется три дня, "электронный нос" дает
ответ за короткое время. Туберкулезные бактерии можно будет выявлять не
только в воздухе, но и в мокроте. Быстрота анализа и дешевизна аппарата сдела-
ют его особенно полезным для развивающихся стран, где много больных тубер-
кулезом.
Знания о протекании биохимических процессов в организме здорового чело-
века и об их нарушениях при тех или иных заболеваниях открывают широкие
возможности применения дыхательного теста для диагностики.
Дыхательной средой для человека является естественный чистый воздух ат-
мосферы, состав которого по объему: азот – 78,08%, кислород – 20,95%, аргон –
0,93%, углекислый газ – 0,03%. Выдыхаемый воздух имеет повышенное содер-
жание углекислого газа и водяных паров (см. табл.):
ТАБЛИЦА. Содержание V и парциальное давление P кислорода и углекислого газа
в различных средах
Среда
Кислород Углекислый газ
%
PO2
мм рт. ст.
VO2,
мл/л
%
PCO2
мм рт. ст.
VCO2,
мл/л
Вдыхаемый
воздух
20,93 159 209,3 0,03 0,2 0,3
Выдыхаемый
воздух
16,0 121 160,0 4,5 34 45
Гигиеническая оценка воздуха, в котором люди живут и работают, имеет
очень важное значение, так как позволяет заметить отклонения от нормы и при-
нять меры к их устранению. В жилых помещениях и общественных зданиях уг-
лекислый газ накапливается в большем количестве, так как выдыхаемый воздух
содержит на 25% меньше кислорода и в 100 раз больше углекислоты, чем вды-
хаемый. Таким образом, определяя содержание углекислого газа в воздухе, мож-
но в известной степени судить об общем санитарном состоянии воздуха в данном
помещении. Предельно допустимым содержанием углекислого газа в воздухе
считается 0.1 объемный %. При более высоких концентрациях воздух считается
недоброкачественным, так как в этих условиях могут наблюдаться неприятные
субъективные ощущения (головная боль, чувство тяжести, духоты) и, следова-
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 147
тельно, снижение работоспособности. Высокое содержание углекислоты (45 %)
может вызвать острое отравление организма вследствие накопления ее в крови и
тканях (наркотическое и раздражающее действие на слизистые оболочки и кожу).
К выдыхаемому человеком воздуху добавляются газообразные продукты
жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий полости рта и кишечника,
запахи, сопровождающие заболевания диабет, туберкулез и некоторые другие
болезни.
Измерения могут быть произведены либо химическим, либо физическим ме-
тодом и соответствующей аппаратурой. Несмотря на более высокую точность
химических методов, более интенсивно используются физические методы, по-
скольку их реализация не вызывает особых затруднений.
В настоящее время разработаны неинвазивные методики диагностики экзок-
ринной недостаточности поджелудочной железы, нарушений кинетики амино-
кислотного метаболизма и формирования белков. При использовании дыхате-
льного теста контролируют энзимную функцию печени, активность окисления
жирных кислот, время прохождения пищи через желудочно-кишечный тракт [4 ].
Один из методов диагностики заболевания по запаху заключается в измере-
нии вида выделяемого газа в выдыхаемом воздухе и измерение его концентрации.
Информация и знания о протекании биохимических процессов в организме
здорового человека и об их нарушениях при тех или иных заболеваниях откры-
вают широкие возможности применения дыхательного теста для диагностики.
Ацетон как продукт метаболических процессов в организме постоянно при-
сутствует в составе выдыхаемого воздуха на уровне 13 мг/м3. В норме у здоро-
вых людей измеренная концентрация глюкозы в крови составляет 48 ммоль/л и
коррелирующее значение концентрации ацетона в этом случае не превышает
35 мг/м3. У людей, болеющих сахарным диабетом с компенсированной кетоне-
мией, концентрация ацетона может достигать 810 мг/м3.
Для выполнения непрерывного анализа необходимо, чтобы соответствующее
оборудование было максимально приближено к пациенту, что достигается ис-
пользованием аппаратуры и газовой системы, использованных в [5]. Измерения
проводили как обучение системы при использовании паров ацетона в воздухе с
концентрацией С1 = 0,05 и С2 = 0,1 об.%. Объем измерительного оборудования
составил 1,5 0,1 л. Методика работы описана в этой же работе.
На рис. 6 показан результат. Ход зависимости сигнала
siL от двух слоев
мультисенсора для указанных концентраций паров ацетона имеет нелинейный
характер.
Таким образом, после проведения экспериментов по созданию обучающей
выборки будет возможно использование оборудования для диагностики некото-
рых заболеваний.
С.И. ЛУКАШ, О.К. КОЛЕСНИЦКИЙ, И.Д. ВОЙТОВИЧ
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2006, № 5 148
РИС. 6. Уровни сигнала при регистрации
паров ацетона разной
концентрации
Выводы. Рассмотрены конструкция пер-
вичного измерительного устройства, ал-
горитмы, модули программного обеспе-
чения и принципы распознавания газов и
запахов, а также технология обработки
информационных сигналов с помощью
искусственной нейросети. Предлагаемый
прибор может быть использован во мно-
гих областях народного хозяйства.
Работа выполнена при поддержке
фирмы «Jenasensoric». Авторы выража-
ют благодарность Dr. Ahlers, Dr. Reish,
W. Ring за оказанную помощь.
1. Большая медицинская энциклопедия / Гл. редактор А.Н. Бакулев. М.: Госнаучиздатель-
ство «Большая советская энциклопедия». –1959. 10. 1151 с.
2. Проспект фирмы UST UMWELTSENSORTECHNIK GmbH, DBR, 1999. 14 с.
3 . США: туберкулез определяется по запаху / http://www.med2000.ru/news/200201.htm
4. Даниленко С.М. Наиболее часто встречающиеся заболевания слизистой оболочки поло-
сти рта / http://www.consilium-medicum.com/media/provisor/01_06/9.shtml
5. Лукаш С.І., Перетятько В.Ю. Компьютерная система определения ацетона в воздухе ды-
хания // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. Зб. наук. пр. – К.: Ін-т кібернетики ім.
В.М. Глушкова НАН України, 2004. № 3. С. 5056.
Получено 2.03.2006
http://www.consilium-medicum.com/media/provisor/01_06/9.shtml
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6448 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1817-9908 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:07:28Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лукаш, С.И. Колесницкий, О.К. Войтович, И.Д. 2010-03-04T10:48:06Z 2010-03-04T10:48:06Z 2006 Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху / С.И. Лукаш, О.К. Колесницкий, И.Д. Войтович // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2006. — № 5. — С. 141-148. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6448 681.3: 591.3 Задача мониторинга окружающей среды, качество воздуха атмосферы и продуктов питания являются одной из важнейших задач и проблем охраны здоровья человека. Control of environment, quality of air and food is one of major problems of safety of the human health. The applications of the device such as "electronic nose" for monitoring and analysis of objects of environment are shown. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху Method and technology of the smell analysis of objects for environment and medical diagnostic Article published earlier |
| spellingShingle | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху Лукаш, С.И. Колесницкий, О.К. Войтович, И.Д. |
| title | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| title_alt | Method and technology of the smell analysis of objects for environment and medical diagnostic |
| title_full | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| title_fullStr | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| title_full_unstemmed | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| title_short | Техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| title_sort | техника и технология анализа объектов для экологической и медицинской диагностики по запаху |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6448 |
| work_keys_str_mv | AT lukašsi tehnikaitehnologiâanalizaobʺektovdlâékologičeskoiimedicinskoidiagnostikipozapahu AT kolesnickiiok tehnikaitehnologiâanalizaobʺektovdlâékologičeskoiimedicinskoidiagnostikipozapahu AT voitovičid tehnikaitehnologiâanalizaobʺektovdlâékologičeskoiimedicinskoidiagnostikipozapahu AT lukašsi methodandtechnologyofthesmellanalysisofobjectsforenvironmentandmedicaldiagnostic AT kolesnickiiok methodandtechnologyofthesmellanalysisofobjectsforenvironmentandmedicaldiagnostic AT voitovičid methodandtechnologyofthesmellanalysisofobjectsforenvironmentandmedicaldiagnostic |