孫 韋，王 慧，張 寅，常 嚴，楊曉冬

基于氣體濃度定量的嗅覺刺激器優(yōu)化設計

孫 韋1,2，王 慧1，張 寅1，常 嚴1，楊曉冬1*

1. 中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所，江蘇 蘇州 215163；2. 中國科學技術大學，安徽 合肥 230026

現有的基于磁共振測量的嗅覺刺激器，通過調節(jié)嗅劑液體濃度的方法可以實現不同濃度的嗅覺刺激，但隨著實驗進行，受到嗅劑揮發(fā)以及實驗環(huán)境（溫度、濕度、氣流量）變化的影響，很難確保輸送至鼻腔的嗅劑氣體濃度的穩(wěn)定性，進而影響實驗結果的準確性．本研究對本實驗室前期開發(fā)的嗅覺刺激裝置進行改進，實現了氣體濃度精確定量．改進后的嗅覺刺激器主要分為三個部分：控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)．控制系統(tǒng)主要實現氣路系統(tǒng)的送氣控制和嗅劑氣體濃度調節(jié)；反饋系統(tǒng)則負責對氣體濃度進行測量；氣路系統(tǒng)則在原有基礎上添加活性炭裝置，降低無關因素干擾．裝置改進之后，不同氣路切換時間為75.2 ms，比原裝置減少了1 s，有效提高刺激精度．實驗結果顯示，氣體濃度調節(jié)前，300 s內乙醇、吡啶、乙酸戊酯嗅劑氣體濃度分別下降6.7%、71.4%、79.2%，嗅劑氣體濃度短時間內發(fā)生較大改變．加入氣體濃度調節(jié)功能后，當氣體濃度下降至目標濃度的90%時，可通過調節(jié)氣泵電壓改變嗅劑氣流與空氣氣流比例，從而調節(jié)嗅劑氣體濃度至目標值，其中吡啶、乙酸戊酯用時13 s．

嗅覺刺激器；氣體濃度定量；反饋調節(jié)；光離子化氣體傳感器（PID）

引 言

生物的五感——觸覺、嗅覺、視覺、聽覺和味覺，分別由皮膚、鼻、眼、耳和舌五種器官生成．其中，嗅覺與其他感覺不同，屬于化學感覺，很可能是五種感覺中的第一種感覺，在脊椎動物中，嗅覺調節(jié)神經被稱為第一對腦神經[1]．近期有研究[2]發(fā)現，人腦的嗅覺功能會在某些神經退行性疾病的早期，如阿爾茲海默癥（Alzheimer's Disease，AD）和帕金森（Parkinson's Disease，PD）等，即出現衰退，所以對嗅覺神經機制的相關研究在認知心理學和神經性退行性疾病早期預警與診斷方面具有重要意義．已有多種方法被應用于嗅覺神經機制相關研究，應用較多的包括嗅覺腦磁圖、正電子發(fā)射斷層成像（Positron Emission Computed Tomography，PET）[3]、嗅覺系統(tǒng)結構成像和嗅覺事件相關電位（Olfactory Event-related Potentials，OERP）[4]等，但對嗅覺相關機制的研究仍停留在表層．近年來，功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技術因可以顯示大腦的神經元活動，并且具有相對較高的空間和時間分辨率，因而被廣泛應用于腦區(qū)科學研究，給嗅覺神經機制的探索提供了廣泛空間[5]．

自1994年出現以來，嗅覺fMRI已被用于研究嗅覺功能區(qū)定位[6]、不同年齡和性別的嗅覺激活[7]、愉快和不愉快氣味的嗅覺、真實和幻想氣味的嗅覺、嗅覺功能紊亂、老年呆癥嗅覺和帕金森病嗅覺[2]等，并取得了一定成果．但相對于視覺和聽覺，嗅覺fMRI實驗的精確度、可靠性和重復性較差，直接限制了其在其他領域（例如心理物理學[8]）的廣泛應用．這主要是由于嗅覺本質上是一種化學感受，氣味分子作用于鼻腔內的受體細胞（嗅細胞）[9]，進而觸發(fā)連續(xù)的神經活動．相對于光、聲刺激（視覺、聽覺），化學刺激（嗅覺）的刺激時間和強度較難精確掌控．受嗅覺刺激器的限制，現有嗅覺功能研究中的嗅劑刺激強度通常以嗅劑液體濃度表示，而非受試者鼻子處的蒸汽濃度；而且現有嗅覺刺激器尚不能實現氣體濃度定量[10]．只有少量研究進行了氣體濃度測量：Andrieu等[11]采用了氣相色譜分析法測定氣體濃度；嗅覺刺激多用于模擬人類神經性疾病的動物模型實驗以及正常動物的嗅覺功能實驗，其中Xu等[12]提出了氣相濃度的概念，并通過相同條件下10 min內氣味物質的質量下降估算氣相濃度，但忽略了嗅劑與溶劑均會揮發(fā)，導致氣相濃度估值不準；而黃春梅等[13]在嗅覺主觀評價方法臨床應用分析中肯定了嗅覺的精確測定的重要性．氣體濃度定量對排除濃度變量的影響、提高動物和人體嗅覺功能研究的可信度和重復性至關重要，因此發(fā)展高精度的嗅覺刺激裝置非常必要．

已有的嗅覺刺激器的供氣方式為兩種，一類為標準化的氣味罐，通過設計特定的氣體通路進行氣體濃度稀釋和調節(jié)[11]；另一類則采用液體供氣的方式，將嗅劑放入洗氣瓶中，由氣泵供給一定流速的空氣，帶出含有嗅劑的氣體成分傳至受試者鼻腔．第一種供氣方式可以精確測得氣體濃度，但多數嗅劑沒有專用氣味罐，因此該方法缺乏普適性；第二種方法僅能確定嗅劑液體濃度，無法對導入鼻腔的嗅劑氣體濃度進行準確定量，而且受流速、溫度、濕度和液體濃度下降等多種因素影響[14]，氣體濃度的精確性和穩(wěn)定性很難保證．國內外已經有一些實驗室自行設計搭建了幾種自動嗅覺刺激裝置，但它們主要是針對各自的研究，測試方法也不盡相同[10,15]．例如：莊柳靜[16]在動物實驗中采用手動給氣方式，通過機械臂移動給大鼠提供嗅劑，但隨著機械臂移動，嗅劑會加速揮發(fā)，嗅劑氣體濃度隨之改變，造成實驗誤差．商用的嗅覺刺激裝置有德國 Burghart[17]和美國ETT[18]公司生產的少數相關產品，但沒有實現氣體濃度的定量測量和實時調節(jié)．

本實驗室劉偉等[19]已搭建的一套嗅覺刺激裝置主要包括氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個部分．氣路系統(tǒng)包括洗氣瓶、匯流管和氣泵等氣路元件；控制系統(tǒng)分為上位機和下位機部分，上位機軟件用LabVIEW編寫，下位機部分由繼電器、電磁閥、數據采集卡和濾波電路等組成．該刺激裝置達到了電磁兼容、多路刺激和刺激強度可變的目的，并且實驗測得氣體流量波動率為0.3%，切換響應時間為1.07 s，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和時間精度較高，能滿足嗅覺刺激實驗的要求[19]，但在嗅劑氣體濃度的精確定量和實時反饋調節(jié)等方面未進行探究．本文在實驗室已有樣機的基礎上，開發(fā)了一種可實時顯示并自動調控氣體濃度的新型嗅覺刺激裝置，為嗅覺測試及其腦功能研究提供更好的條件．

1 嗅覺刺激器優(yōu)化設計

1.1 設計方案要求

可進行氣體濃度定量的嗅覺刺激器應滿足以下幾個條件：（1）氣體濃度檢測：嗅覺刺激通常采用標準氣罐供氣或者由氣泵輸送空氣帶動液態(tài)嗅劑傳送至鼻腔部位，但前者無法提供常用嗅劑，而后者只能保證液體濃度，無法確知鼻腔處嗅劑氣體的濃度，而實現氣體濃度定量的前提是氣體濃度檢測；（2）實時調節(jié)氣體濃度：現有的刺激裝置由于裝置局限性，難以自由調節(jié)嗅劑濃度，在原有裝置基礎上通過調節(jié)氣泵流量大小，搭配氣體濃度定量模塊，即可在上位機上實時調節(jié)至所需的實驗氣體濃度；（3）不引入無關刺激：a. 在嗅劑前端加入U型干燥管，填充活性炭，排除空氣中水分及其他固體小顆粒對受試者干擾；b. 切換氣路時做到毫秒級，氣路通暢對受試者無干擾；c. 實時調節(jié)氣體濃度時，需調整兩路氣泵氣流量，通過LabVIEW程序控制，保證兩路氣路氣流量總和為3 L/min，不帶來無關刺激．

1.2 氣體濃度定量方法

氣體濃度定量方法包括兩步：首先實現氣體濃度的實時測量，然后進行反饋調節(jié)．

氣體濃度測定的金標準為氣相-液相質譜儀，但其價格高昂，且有許多功能在此并不適用，性價比低；其余氣體濃度檢測器有半導體式[20]、燃燒式、熱導池式、電化學式、近紅外式（Non-Dispersive Infrared，NDIR）[21]以及光離子化氣體傳感器（Photo Ionization Detectors，PID）[22]，其中半導體式、燃燒式精度低，不滿足精準測量的需求；而熱導池式、電化學式以及NDIR式在選材和制作工藝上要求很高；PID的基本原理是使用紫外燈作為光源將有機物離子化成可被檢測到的正負離子，傳感器測量正負離子電荷并將其轉化為電流信號，電流值經過處理轉化為氣體濃度（單位：mg/L）．離子被檢測后，可重新復合為原來的氣體，因此PID屬于非破壞性檢測器，且精度高、適用范圍廣，更適用于實驗室場景，因此本文采用PID進行氣體濃度測量．

刺激器的氣體濃度由兩個變量控制：嗅劑溶液濃度和氣體流速，通過改變氣體流速可以實現調節(jié)氣體濃度的目的，具體調節(jié)方法將在控制系統(tǒng)介紹．

1.3 樣機搭建

1.3.1 系統(tǒng)設計

如圖1和圖2所示，該設備為模塊化搭建，分為三個部分：控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)．氣路系統(tǒng)包括洗氣瓶、匯流管和氣泵等氣路元件，其目的是產生刺激氣體通往被試鼻腔[18]．如圖2所示，洗氣瓶從左至右編號為1~5．其中，洗氣瓶1所在支路用于提供輔助氣流，由氣泵1持續(xù)供氣；2、3、4、5四條支路主要作用是提供刺激氣流，統(tǒng)一由氣泵2供氣，兩個氣泵皆提供可變氣流．為了降低氣路切換時間，將原有的Cole-Parmer公司的兩個二位三通電磁閥改為DELIXI公司的四個二位二通電磁閥；控制系統(tǒng)主要負責控制氣路輸送和氣體濃度反饋調節(jié)，主要由上位機（PC）、電磁閥、繼電器、數據采集卡和濾波電路等組成；反饋系統(tǒng)主要負責向上位機實時反饋嗅劑氣體濃度，并通過上位機控制氣泵轉速，從而達到調節(jié)嗅劑氣體濃度的目的．

圖1 定量嗅覺刺激技術路線圖

圖2 嗅覺刺激裝置

1.3.2 控制系統(tǒng)

信號控制系統(tǒng)包括上位機和下位機．上位機軟件使用LabVIEW軟件編寫[23]，LabVIEW基于G語言，是圖形化編程軟件．與其他控制平臺相比，LabVIEW 的優(yōu)點在于編程簡單、學習周期短、交互便捷，通過NI公司的數據采集卡即可控制常用儀器，提高裝置的靈活性[17]．

如圖3和圖4所示，上位機軟件界面包括兩部分：刺激序列呈現界面[19]和氣流量控制界面．其中刺激序列呈現界面用來顯示刺激序列總進度、刺激物種類和當前刺激進度[19]；氣流量控制界面則主要顯示不同氣泵氣流量，為了不引入無關刺激，要求兩個氣泵供氣時氣流量總和不變，為調節(jié)輸送至鼻腔處嗅劑氣體濃度，改變潔凈空氣氣流支路氣流量1和嗅劑氣流支路氣流量2比例，而氣流量與氣泵轉速呈正比，氣泵轉速與氣泵供電電壓呈正比，即以下公式：

其中，ν1為潔凈空氣氣流支路氣泵的轉速；ν2為嗅劑氣流支路氣泵的轉速；V1為潔凈空氣氣流支路氣泵的供電電壓；V2為嗅劑氣流支路氣泵的供電電壓；C為常數．

圖4 氣流量控制界面

控制軟件設計達到了實時調節(jié)嗅劑氣體濃度和刺激序列輸入、查看的要求．信號控制系統(tǒng)下位機主要由繼電器、電磁閥、數據采集卡和濾波電路組成．在原有裝置基礎上，增加了實時調節(jié)氣體濃度模塊，并且通過將嗅劑通道設置為封閉通道，避免了環(huán)境中濕度、氣流等無關刺激對受試者的影響．

1.3.3 反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)主要由PID、上位機、數據采集卡和氣泵組成．由PID檢測嗅劑氣體濃度，傳導至上位機，同時根據濃度情況，由上位機控制氣泵轉速，調節(jié)嗅劑氣體濃度至設定值．嗅劑氣體濃度值讀取界面如圖5所示．

圖5 嗅劑氣體濃度值讀取界面

PID采用英國Alphasense公司的光離子氣體傳感器PID-AH，其氣體濃度探測范圍為0~6 000 mg/L. PID向上位機傳輸數據基于Modbus通信協(xié)議，通過LabVIEW軟件的Modbus模塊采集并顯示嗅劑氣體濃度．通過反饋系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的配合，實現嗅劑氣體濃度定量和上位機實時調節(jié)嗅劑氣體濃度的目的．

2 嗅覺刺激器性能驗證

2.1 嗅劑氣體濃度穩(wěn)定性測試

2.1.1 實驗材料

為了驗證基于氣體濃度定量的嗅覺刺激器的穩(wěn)定性能，采用PID對嗅劑氣體濃度進行監(jiān)測．實驗試劑采用濃度均大于99%的乙醇（酒香味）、吡啶（刺激性臭味）、乙酸戊酯（果香味）．其中乙醇與吡啶分別使用純水稀釋至體積分數為10%和0.05%；乙酸戊酯采用液體石蠟稀釋至體積分數為0.2%[19]．三種溶液都存在揮發(fā)性，且皆能被PID成功檢測．三種氣體極少量時，人體吸入不會產生毒害反應[19]．

2.1.2 實驗設計

實驗采用組塊式設計[19]．實驗流程如下：采用五段氣路，洗氣瓶從左至右編號為1~5，分別裝有純水、乙醇、吡啶、乙酸戊酯和純水，溶液均為20 mL．其中1路純水作為恒定氣路，始終保持通路；2~4路為嗅劑氣路，5路為靜息氣路；2~5路通過上位機控制電磁閥、繼電器依次導通進行氣體傳輸．進行以下兩組實驗：a. 每段氣路通氣時間為60 s，四段氣路依次通氣，持續(xù)時間為240 s，重復實驗5次[19]，記錄實驗過程中嗅劑的氣體濃度；b. 每段氣路通氣時間為300 s，四段氣路持續(xù)時間為1 200 s，重復實驗5次，記錄實驗過程中嗅劑的氣體濃度．

2.1.3 數據采集及分析

通過上位機、嗅覺刺激器配合傳輸嗅劑氣體，采用PID實時測量各嗅劑氣體濃度，并記錄數據，觀察嗅劑氣體濃度的變化情況；通過氣體濃度下降值判斷是否需要調節(jié)氣體濃度．實驗a的5次實驗平均結果如圖6(a)所示，實驗b的5次實驗平均結果如圖6(b)所示．實驗a中乙醇試劑曲線平穩(wěn)，吡啶、乙酸戊酯嗅劑60 s內都有下降趨勢．而實驗b中，300 s內乙醇氣體濃度由118 mg/L下降至110 mg/L，降低6.7%；吡啶氣體濃度由14 mg/L下降至4 mg/L，降低71.4%；乙酸戊酯氣體濃度由173 mg/L下降至36 mg/L，降低79.2%．由于三種嗅劑液體濃度和揮發(fā)性不同，對應的嗅劑氣體濃度值及其下降情況也不盡相同，在實際應用中嗅劑氣體濃度的變化會大大影響實驗結果的精確性和可靠性．

圖6 (a)通氣60 s，乙醇嗅劑、吡啶嗅劑和乙酸戊酯嗅劑的氣體濃度曲線；(b)通氣300 s，乙醇嗅劑、吡啶嗅劑和乙酸戊酯嗅劑的氣體濃度曲線

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性指標測試

2.2.1 實驗設計

實驗1用于檢測氣路切換時間：啟動嗅覺刺激器，每段氣路依次通氣時間為4 s，4段氣路持續(xù)時間為16 s，重復實驗5次．用AWM43600空氣流量傳感器搭配安捷列MSO7104A示波器記錄氣路切換時間．

實驗2用于測試反饋調節(jié)所用時間：由2.1.3節(jié)結果可知，隨著實驗進程，嗅劑氣體濃度大幅下降，因此需要進行嗅劑氣體濃度調節(jié)．當氣體濃度下降至目標值的90%時，通過上位機調節(jié)嗅劑氣流和純凈氣流的比例，使氣體濃度恢復至目標值，記錄其回復至最高值所需時間，重復實驗5次．

2.2.2 實驗結果

氣路切換時間的5次實驗平均結果記錄如表1所示，通過控制電磁閥導通對嗅劑氣路進行切換，每段氣路通氣4 s，即第一、二、三切換點分別在啟動刺激器第4、8、12 s，經計算得氣路切換平均耗時為75.2 ms．圖7為實驗中切換氣路上升沿示波器顯示圖，示波器電壓差對應了氣路切換時氣流量瞬時變化情況．經過改進，氣路切換平均耗時由1.07 s[19]降低至75.2 ms，在臨床實驗中，毫秒量級的氣體切換時間對受試者可忽略不計．切換時間的減少可以降低不同氣路切換狀態(tài)的瞬時時間，減少對后續(xù)實驗時受試者的無關刺激，提高了嗅覺刺激裝置的精度．

表1 氣路切換時間

圖7 切換氣路時電壓差顯示圖

乙醇、吡啶、乙酸戊酯嗅劑氣體濃度的目標值分別定為118 mg/L、14 mg/L、173 mg/L．其中乙醇嗅劑300 s內下降6.7%，無需調節(jié)；吡啶、乙酸戊酯嗅劑分別在通氣103 s、60 s時下降至目標值的90%，經5次實驗平均值可得，吡啶、乙酸戊酯由目標值的90%調節(jié)至設定值的平均時間均需要13 s，如圖8所示．嗅劑氣體濃度反饋調節(jié)模塊實現了上位機調節(jié)嗅劑氣體濃度的目的，為后續(xù)儀器自動化調節(jié)嗅劑氣體濃度奠定基礎．但進行臨床實驗時，若要達到實驗過程中實時調節(jié)，調節(jié)時間應保持在毫秒量級．現有儀器受氣體傳輸管道長度和傳感器響應時間的限制，反饋調節(jié)時間較長，因此暫時只能作為實驗間歇期的輔助調節(jié)．

圖8 (a)吡啶嗅劑和(b)乙酸戊酯嗅劑的氣體濃度反饋調節(jié)

3 結論

本文研究證明隨著通氣時間的延長，通往被試的嗅劑氣體濃度發(fā)生了明顯的下降，特別是吡啶、乙酸戊酯嗅劑氣體，在實際應用中會大大影響實驗結果的精確性和可靠性．經過改進，氣路切換平均耗時由1.07 s[19]下降至75.2 ms，吡啶、乙酸戊酯由目標值的90%調節(jié)至目標值均需要13 s．本刺激系統(tǒng)在實時監(jiān)測氣體濃度的同時，可以自動給氣、精準定量，并且由于儀器的密閉條件，可排除濕度、溫度等外界因素干擾，提高了嗅覺實驗的可重復性和可靠性，為將來嗅覺閾值的定義以及嗅覺實驗的規(guī)范性提供了更多可能．

雖然本文的刺激器自動調節(jié)嗅劑氣體濃度功能受傳感器性能以及氣路傳輸距離等客觀因素的影響，調節(jié)時間較長，目前不能應用于fMRI動物嗅覺功能研究，但可用于對時間精度要求不高的錳離子增強磁共振功能成像（Manganese-Enhanced Magnetic Resonance Imaging，MEMRI）[24]．將來本實驗室將致力于提升該設備的氣體濃度精確度和縮短濃度調節(jié)時間，為fMRI嗅覺腦功能研究和嗅覺功能精準測試提供可靠的設備支持．

利益沖突

無

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Optimal Design for Quantification of Gas Concentration Based Olfactory Stimulator

1,2，1，1，1，1*

1. Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215163, China; 2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

The existing olfactory stimulator based on magnetic resonance measurement can provide different concentration of olfactory stimulation by adjusting the concentration of olfactory liquid. However, with the progress of the experiment, it is difficult to ensure the concentration stability of odorant gas delivered to the nasal cavity, due to the odorant volatilization and the change of experimental environments (temperature, humidity, air flow), thus affecting the experimental accuracy. In this research, we improved the olfactory stimulation device previously developed by our laboratory to achieve accurate quantification of gas concentration. The improved olfactory stimulator mainly consists of three parts: control system, feedback system and pneumatic system. The control system is mainly use to control gas delivery and adjust concentration of olfactory gas. The feedback system is responsible for measuring the gas concentration. In the pneumatic system, an activated carbon device is added to the original foundation to reduce interference of irrelevant factors. After the improvement, the switching response time between different pneumatic branches reached to 75.2 ms, which is nearly 1 s less than the original device, and effectively improves the accuracy of stimulus. The experimental results show that the olfactory gas concentration of ethanol, pyridine and amyl acetate decrease by 6.7%, 71.4%, and 79.2% respectively, within 300 s before adjusting the gas concentration. The odorant gas concentration changes significantly in a short time. The gas concentration regulation function can be realized by adjusting the voltage of air pump of the feedback system to change the ratio of odorant airflow and pure airflow. When the gas concentration drops to 90% of the target value, it took 13 s to adjust the odorant gas concentration to the target value for pyridine and amyl acetate.

olfactory stimulator, gas concentration quantification, feedback regulation, PID gas concentration sensor

O482.53

A

10.11938/cjmr20202820

2020-03-15;

2020-05-27

中科院科研裝備研制項目(YZ201253).

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