專利名稱：基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法及其裝置，屬于 基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法及其裝置的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
中藥材是中醫(yī)藥發(fā)展的基礎(chǔ)，但長(zhǎng)期以來，由于缺少有效的科學(xué)檢 測(cè)手段和分析方法。致使我國(guó)中藥材目前仍處于品種混亂和品質(zhì)難以準(zhǔn) 確評(píng)判的局面，這不僅嚴(yán)重制約了中醫(yī)藥在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，而且已成為我 國(guó)獨(dú)有的中醫(yī)藥進(jìn)入國(guó)外巿場(chǎng)的瓶頸問題。目前，中藥材質(zhì)量的鑒定方法主要有性狀鑒定與理化鑒定。性狀鑒 別主要釆用以"看"和"嗅"鑒別方法，是對(duì)藥材的形、色、氣味、大 小、質(zhì)地、斷面等特征，直接觀察藥材，作出符合客觀實(shí)際的結(jié)論，區(qū) 分中藥材的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。然而，基于人體感官的"看"和"嗅"不可避免 地要受到生理、經(jīng)驗(yàn)、情緒、環(huán)境等因素影響，其主觀性強(qiáng)，重復(fù)性差, 準(zhǔn)確度低，難以形成標(biāo)準(zhǔn)；性狀鑒別釆用了 "嗅"中藥材的特有氣味來 鑒別中藥材其品質(zhì)特性，這是數(shù)千年勞動(dòng)人民同疾病作斗爭(zhēng)中總結(jié)來的 寶貴經(jīng)驗(yàn)。在我國(guó)中醫(yī)的理論實(shí)踐過程中，大多醫(yī)師將中藥材的氣味當(dāng) 作質(zhì)量與品種產(chǎn)地鑒別的重要依據(jù)之一。理化鑒定是用物理的或化學(xué)的方法，對(duì)中藥材及其制劑所含的有效 成分、主成分或特征性成分進(jìn)行定性、定量分析，以鑒定真?zhèn)?、評(píng)價(jià)品 質(zhì)。其是模仿化學(xué)藥品的質(zhì)量控制模式，選定一、二個(gè)有效成分、試驗(yàn) 它的生物活性成分或指標(biāo)成分進(jìn)行鑒別和含量測(cè)定。這是以單一化學(xué)成 分分析的觀點(diǎn)，導(dǎo)致人們力求把中藥材(天然藥物)這一綜合的復(fù)雜的"整體"分解成便于觀察和研究的簡(jiǎn)單"單元"或"分子"，以便于清楚 明確的研究。但是中藥材的藥性，大多不是某一種或幾種化學(xué)成份所體 現(xiàn)的，而是由多種化學(xué)成份綜合起作用的效果。憑借某一種或幾種化學(xué) 成份定性和定量的傳統(tǒng)中藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的有效性和專屬性漸漸受到 質(zhì)疑。如所檢測(cè)的指標(biāo)成份(活性成份)是多種中藥材的共性成份如熊 果酸、齊墩果酸、大黃酸、槲皮素等，則更降低了鑒別的準(zhǔn)確和專屬。 所以說，基于理化的方法只能分析中藥材復(fù)雜成份中的個(gè)別"活性"成 份，忽略了多成份的協(xié)同作用，從而難以對(duì)其進(jìn)行完整的分析，不符合 中藥材現(xiàn)代化的要求。隨著客觀需要和現(xiàn)代認(rèn)識(shí)論的影響，中藥材研究者們逐漸考慮利用現(xiàn) 代先進(jìn)分析技術(shù)分析不同藥材的整體特征以提高鑒別的準(zhǔn)確性，近年來 重新受到關(guān)注的中藥材指紋圖譜分析的概念的出現(xiàn)即植根于此，而普遍 適用性是構(gòu)建指紋圖譜實(shí)踐的重心?，F(xiàn)在常用中藥材指紋圖譜構(gòu)造方主 要有色譜和波譜法，色譜法常用的方法又分為薄層色譜法(TLC)指紋圖譜、氣相色譜法(GC)指紋圖譜、高效液相色譜法(HPLC)指紋圖譜、電 泳法(CE)指紋圖譜、高效毛細(xì)管電泳色譜(HPCE)指紋圖譜；波譜法常 用的方法分為紅外光譜法(IR)指紋圖譜、串聯(lián)質(zhì)譜法(MS/MS)指紋圖 譜、核磁共振波譜法(畫R)指紋圖譜、X射線衍射法(XRD)指紋圖譜。以上中藥材指紋圖譜構(gòu)建方法都試圖從整體對(duì)中藥材進(jìn)行檢測(cè)分析 從而評(píng)價(jià)中藥材質(zhì)量，但使用都有著自身的局限性，如色譜法都具有一 個(gè)共同的缺點(diǎn)，即需要較長(zhǎng)的樣品前處理時(shí)間，但是儀器操作復(fù)雜，分 析時(shí)間長(zhǎng)，而且很難將獲得的數(shù)據(jù)和材料的氣味直接聯(lián)系起來。波譜法 不但儀器造價(jià)昂貴，而且數(shù)據(jù)挖掘工作有待發(fā)展，目前難以推廣應(yīng)用。上述技術(shù)已在中藥材質(zhì)量與品種鑒別中獲得了一定應(yīng)用，但是其檢 測(cè)對(duì)象都不是中藥材氣味，完全脫離中藥材最基本信息特征，觀察其構(gòu) 建指紋圖譜(圖象)，仍然不能脫離對(duì)活性成份表達(dá)的枷鎖，并且現(xiàn)在的技術(shù)方法運(yùn)用于氣味質(zhì)量分析卻不佳，不能從中醫(yī)理論實(shí)踐出發(fā)，總體 分析其中藥材的質(zhì)量。由于各種方法都具有其本身的局限性，而且它們 都在不同程度上脫離了中醫(yī)的理論實(shí)踐方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供 一種識(shí)別樣品不需要做前期 處理，且得到中藥材中氣味成分的整體信息的基于仿生嗅覺的中藥材氣 味鑒別方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便的基于仿生嗅覺 的中藥材氣味鑒別裝置。 本發(fā)明的技術(shù)方案是-.本發(fā)明基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其包括有如下步驟1) 準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品；2) 構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜；3) 氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化；.4) 將待鑒別氣味中藥材的氣味指紋圖譜與標(biāo)準(zhǔn)化的氣味指紋圖譜 比較，給出識(shí)別結(jié)果。上述步驟1)中準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品的步驟是1) 在中醫(yī)理論指導(dǎo)下采購(gòu)10批中藥材，其對(duì)象是具有芳香氣味或 特殊氣味的中藥材，主要以辛味中藥材為代表。2) 將采購(gòu)好的10批中藥材作好標(biāo)記，內(nèi)容為品名、批號(hào)、數(shù)量、 規(guī)格、產(chǎn)地、來源等。3) 構(gòu)建中藥材質(zhì)量氣味指紋圖譜的樣品，采購(gòu)?fù)粯赢a(chǎn)地的中藥材, 即道地中藥材；不同產(chǎn)地的中藥材，要對(duì)應(yīng)構(gòu)建不同的質(zhì)量氣味指紋圖 譜庫(kù)；不同采收期的中藥材，要對(duì)應(yīng)構(gòu)建不同的質(zhì)量氣味指紋圖譜庫(kù)；4) 構(gòu)建中藥材品種氣味指紋圖譜的樣品，釆購(gòu)多來源的、不同產(chǎn)地 的、同品種的中藥材；或只是釆購(gòu)?fù)划a(chǎn)地的、即道地中藥材的同品種6) 從每一批中藥材數(shù)量中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的中藥材作為氣味樣 品，如取樣10包(每包50克)共IOO包作為樣品，每包中藥是作為一 個(gè)樣品供仿生嗅覺系統(tǒng)的氣味樣品。7) 在中醫(yī)理論指導(dǎo)下，從IOO包數(shù)量的中藥材樣品中，取35包樣 品作為構(gòu)建氣味指紋圖譜庫(kù)，并作好標(biāo)記；取35包作為氣味指紋圖譜庫(kù) 的測(cè)試，并作好標(biāo)記；其他30包的存檔起來，以作后來的查證。上述步驟2)中構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜的步驟是1) 采用自動(dòng)進(jìn)樣裝置與內(nèi)濃縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥材樣品氣的釆集和預(yù)處理，以便使陣列傳感器可以對(duì)質(zhì)量比較高的氣味氣體進(jìn)行探測(cè)；2) 對(duì)上述探測(cè)到的氣味氣體用仿生嗅覺裝置進(jìn)行信號(hào)處理,并對(duì)仿生嗅覺裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)換，得到初始中藥材氣味指紋圖譜 的數(shù)據(jù)庫(kù)。上述步驟3)中氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化的過程為用另外一批已準(zhǔn)備好的中藥材樣品對(duì)第一階段建立的初始?xì)馕吨讣y 圖譜庫(kù)進(jìn)行測(cè)試、辨認(rèn)、校正；先在系統(tǒng)中輸進(jìn)樣品氣味，經(jīng)仿生嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集與數(shù)據(jù)處理后，直接輸進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別器進(jìn)行 識(shí)別，識(shí)別器會(huì)依據(jù)自身權(quán)值參數(shù)進(jìn)行分類并尋找存儲(chǔ)此時(shí)計(jì)算機(jī)的模 型數(shù)據(jù)庫(kù)中與對(duì)象最相似的模型編號(hào)進(jìn)判別輸出，其輸出氣味模型與化 學(xué)分析進(jìn)行綜合參考比對(duì)，將其比對(duì)效果反饋到識(shí)別器，差超過充許誤 差，則反饋到測(cè)箱進(jìn)行校正。最后比對(duì)符合一定誤差值的氣味譜會(huì)進(jìn)入 標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖，最后建立標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖庫(kù)。本發(fā)明基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法所用的裝置，其包括自 動(dòng)進(jìn)樣器、金屬氧化氣體傳感器陣列、微弱信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路、進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)、顯示屏，其中自動(dòng)進(jìn)樣器的輸出端與金屬 氧化氣體傳感器陣列的輸入端連接，金屬氧化氣體傳感器陣列的輸出端與微弱信號(hào)調(diào)理電路的輸入端連接，微弱信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與進(jìn)行信息處理的計(jì)算 機(jī)的輸入端連接，計(jì)算機(jī)的輸出端與顯示屏連接。上述信號(hào)調(diào)理電路包括信號(hào)放大電路、信號(hào)濾波電路。 本發(fā)明由于釆用仿生嗅覺中藥材氣味品質(zhì)識(shí)別方法確立的中藥材氣 味指紋圖譜，最符合中醫(yī)藥師傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，并能使他們最容易理解與接受， 其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1) 對(duì)直接體現(xiàn)中藥材藥性的中藥材綜合氣味進(jìn)行檢測(cè)，并且檢測(cè)實(shí) 驗(yàn)可以和中醫(yī)理論掛鉤，符合中醫(yī)師鑒定藥材的習(xí)慣，符合中醫(yī)理論實(shí) 踐方法。因此，它是最接近人性化的方法，易于傳統(tǒng)中醫(yī)師理解。2) 仿生嗅覺方法得到的不是中藥材樣品某種或幾種成分的定性或定 量結(jié)果，而是中藥材中氣味成分的整體信息。因此，仿生嗅覺指紋圖譜 是一種整體意義上的圖譜。3)仿生嗅覺指紋圖譜提供了 一種比較簡(jiǎn)便的中藥材指紋圖譜方法，并且不須要樣品前期處理。本發(fā)明是一種符合中醫(yī)理論實(shí)踐方法，且方便實(shí)用的基于仿生嗅覺 的中藥材氣味鑒別方法及其裝置。


圖1是本發(fā)明與人體嗅覺系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的示意圖；圖2是本發(fā)明基于仿生嗅覺中藥材氣味品質(zhì)識(shí)別方法所用裝置的原理圖；圖3是本發(fā)明中藥材氣味樣品產(chǎn)生的原理框圖； 圖4是本發(fā)明初始?xì)馕吨讣y圖譜建立的原理圖； 圖5是本發(fā)明初始?xì)馕吨讣y圖譜標(biāo)準(zhǔn)化的原理圖； 圖6是本發(fā)明氣味指紋圖譜應(yīng)用的原理圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其包括有如下步驟1) 準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品；2) 構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜；3) 氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化；4) 將待鑒別氣味中藥材的氣味指紋圖譜與標(biāo)準(zhǔn)化的氣味指紋圖譜 比較，給出識(shí)別結(jié)果。上述步驟1)中準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品的步驟是1) 在中醫(yī)理論指導(dǎo)下釆購(gòu)10批中藥材，其對(duì)象是具有芳香氣味或 特殊氣味的中藥材，主要以辛味中藥材為代表。2) 將釆購(gòu)好的10批中藥材作好標(biāo)記，內(nèi)容為品名、批號(hào)、數(shù)量、 規(guī)格、產(chǎn)地、來源等。3) 構(gòu)建中藥材質(zhì)量氣味指紋圖譜的樣品，釆購(gòu)?fù)粯赢a(chǎn)地的中藥材， 即道地中藥材；不同產(chǎn)地的中藥材，要對(duì)應(yīng)構(gòu)建不同的質(zhì)量氣味指紋圖 譜庫(kù)；不同釆收期的中藥材，要對(duì)應(yīng)構(gòu)建不同的質(zhì)量氣味指紋圖譜庫(kù)；4) 構(gòu)建中藥材品種氣味指紋圖譜的樣品，釆購(gòu)多來源的、不同產(chǎn)地 的、同品種的中藥材；或只是采購(gòu)?fù)划a(chǎn)地的、即道地中藥材的同品種 中藥材。6) 從每一批中藥材數(shù)量中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的中藥材作為氣味樣 品，如取樣10包(每包50克)共IOO包作為樣品，每包中藥是作為一 個(gè)樣品供仿生嗅覺系統(tǒng)的氣味樣品。7) 在中醫(yī)理論指導(dǎo)下，從IOO包數(shù)量的中藥材樣品中，取35包樣 品作為構(gòu)建氣味指紋圖譜庫(kù)，并作好標(biāo)記；取35包作為氣味指紋圖譜庫(kù) 的測(cè)試，并作好標(biāo)記；其他30包的存檔起來，以作后來的查證。上述步驟2)中構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜的步驟是1) 采用自動(dòng)進(jìn)樣裝置與內(nèi)濃縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥材樣品氣的釆集和預(yù)處 理，以便使陣列傳感器可以對(duì)質(zhì)量比較高的氣味氣體進(jìn)行探測(cè)；2) 對(duì)上述探測(cè)到的氣味氣體用仿生嗅覺裝置進(jìn)行信號(hào)處理，并對(duì)仿 生嗅覺裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)換，得到初始中藥材氣味指紋圖譜 的數(shù)據(jù)庫(kù)。上述步驟3)中氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化的過程為用另外一批已準(zhǔn)備好的中藥材樣品對(duì)第一階段建立的初始?xì)馕吨讣y圖譜庫(kù)進(jìn)行測(cè)試、辨認(rèn)、校正；先在系統(tǒng)中輸進(jìn)樣品氣味，經(jīng)仿生嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集與數(shù)據(jù)處理后，直接輸進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別器進(jìn)行 識(shí)別，識(shí)別器會(huì)依據(jù)自身權(quán)值參數(shù)進(jìn)行分類并尋找存儲(chǔ)此時(shí)計(jì)算機(jī)的模 型數(shù)據(jù)庫(kù)中與對(duì)象最相似的模型編號(hào)進(jìn)判別輸出，其輸出氣味模型與化 學(xué)分析進(jìn)行綜合參考比對(duì)，將其比對(duì)效果反饋到識(shí)別器，差超過充許誤 差，則反饋到測(cè)試箱進(jìn)行校正。最后比對(duì)符合一定誤差值的氣味譜會(huì)進(jìn) 入標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖，最后建立標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖庫(kù)。本發(fā)明基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法所用的裝置的原理圖如圖2所示，其包括自動(dòng)進(jìn)樣器l、金屬氧化氣體傳感器陣列2、微弱信號(hào) 調(diào)理電路3、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4、進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)5、顯示屏6,其 中自動(dòng)進(jìn)樣器1的輸出端與金屬氧化氣體傳感器陣列2的輸入端連接， 金屬氧化氣體傳感器陣列2的輸出端與微弱信號(hào)調(diào)理電路3的輸入端連 接，微弱信號(hào)調(diào)理電路3的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4的輸入端連接，模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路4的輸出端與進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)5的輸入端連接，計(jì)算 機(jī)5的輸出端與顯示屏6連接。上述信號(hào)調(diào)理電路3包括信號(hào)放大電路及信號(hào)濾波電路。 金屬氧化氣體傳感器陣列為導(dǎo)電聚合物氣味傳感器陣列，導(dǎo)電聚合物氣味傳感器陣列是仿生嗅覺方法獲取氣味信息的關(guān)鍵部件，其能模 擬人類嗅覺細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)人體鼻腔"嗅"的功能，檢測(cè)得到的不是被測(cè)樣品中某種或幾種成分的定性或定量的結(jié)果，而是樣品中揮發(fā)性成分氣味 的整體信息，稱為"氣味指紋信息"。自動(dòng)進(jìn)樣器實(shí)現(xiàn)中藥材樣品氣味信息的連續(xù)采樣，傳感器陣列釆用 數(shù)十個(gè)同一類族集成陣列導(dǎo)電聚合物傳感器，其是非專一性傳感器，本 實(shí)施例中，傳感器陣列釆用為32個(gè)同一類族集成陣列導(dǎo)電聚合物傳感器, 它對(duì)于許多引起人鼻響應(yīng)的分子有較高的靈敏度。它們不但具有不同敏 感特性，而且在氣味信號(hào)同步作用下，其輸出具有更好的電關(guān)聯(lián)特性， 使它們能更充分摸擬人鼻的功能。每個(gè)傳感器有一對(duì)電接觸點(diǎn)與一個(gè)復(fù) 合膜相連，傳感器的膜是由一種非導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電炭粒組成的復(fù)合材 料，當(dāng)膜吸收被測(cè)物揮發(fā)性氣體并溶漲時(shí)，膜上的導(dǎo)電通道被切斷，復(fù) 合膜的電阻發(fā)生變化。接觸點(diǎn)之間的電阻變化被用作傳感器的輸出。由 于在陣列中的每一個(gè)傳感器都有一個(gè)獨(dú)特的聚合物，因此，每一個(gè)氣體 混合物都有一個(gè)可重現(xiàn)的"嗅覺紋"。用導(dǎo)電聚合物傳感器陣列在檢測(cè)到氣味后，其信號(hào)再經(jīng)過微弱信號(hào)調(diào) 理電路進(jìn)行信號(hào)放大與信號(hào)濾波電路，以達(dá)到一定的模擬信號(hào)電壓/電 流，此模擬信號(hào)再輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所須的數(shù)字信 號(hào)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在獲得陣列傳感器的響應(yīng)值后，將某種樣品(或某種氣 味)的響應(yīng)數(shù)據(jù)形成一種圖形，稱為"嗅覺紋"的氣味指紋圖譜，同時(shí), 使用加權(quán)法把陣列傳感器的響應(yīng)值歸一化，歸一化的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行自動(dòng) 分級(jí)。最后，對(duì)前面硬件電路所處理過的"嗅覺紋"進(jìn)行數(shù)據(jù)信息識(shí)別， 仿生嗅覺方法釆用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別程序進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，模擬人 腦的神經(jīng)處理中樞，形成學(xué)習(xí)模式并對(duì)氣味數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，將已 獲得的待識(shí)別氣味的特征分類與數(shù)據(jù)庫(kù)中已知?dú)馕短卣餍畔⒈容^，得出 最后識(shí)別結(jié)果。本發(fā)明基于仿生嗅覺的中藥材氣味檢測(cè)原理與人體嗅覺系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)學(xué)研究指出，人對(duì)物質(zhì)氣味的感覺歸結(jié)于人 的感官鼻子和物質(zhì)中的有機(jī)化學(xué)成分之間的相互作用。動(dòng)物的嗅覺系統(tǒng) 是由嗅覺細(xì)胞感受物質(zhì)氣味成分，并通過大腦作用而獲得對(duì)物質(zhì)的識(shí)別 和判斷。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)采用仿生嗅覺系統(tǒng)裝置，在信號(hào)檢測(cè)上，釆用集成 陣列式傳感器模擬人的嗅覺細(xì)胞來敏感中藥材中所包含的各種不同揮發(fā) 性成分的氣味特征，從而獲得所有成分作用的總體效應(yīng)(如同人的鼻子功 能)；在信號(hào)處理上，釆用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)模擬人的大腦神經(jīng) 處理中樞功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味信號(hào)學(xué)習(xí)、分析、關(guān)聯(lián)和評(píng)判(如同人腦的 學(xué)習(xí)、思維和分析)，從而得出所"嗅"到的中藥材氣味信息的最終氣味 模式。在人的嗅覺感受過程中，此氣味模式是使人感覺到這是一種中藥 材的氣味，而仿生嗅覺技術(shù)會(huì)將此氣味模式定義存儲(chǔ)起來，并且其氣味 模式與人的鼻子嗅到的氣味感覺相對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)的，具有仿生的特點(diǎn)。樣品釆集是基于仿生嗅覺的中藥材氣味指紋圖譜構(gòu)建與鑒別方法的 最初也是最關(guān)鍵的步驟，由于不可能對(duì)一個(gè)藥材的所有樣本進(jìn)行試驗(yàn)， 而且生長(zhǎng)環(huán)境條件對(duì)藥材代謝產(chǎn)物有影響，所以要收集有代表性的供試 品，這才能保證供試品的代表性和均一性?；诜律嵊X的中藥材氣味指紋圖譜構(gòu)建與鑒別方法的研究對(duì)象是 具有辛味的中藥材，實(shí)驗(yàn)對(duì)象擬采用中藥材陳皮、肉桂、薄荷與魚腥草 作為實(shí)際研究。如薄荷具有芳香清涼的氣味，為仿生嗅覺方法提供天然 條件上的可行性。基于道地藥材與環(huán)境相關(guān)性很大，不同產(chǎn)地的中藥材會(huì)在藥性方表現(xiàn) 有差異。擬釆集同一產(chǎn)地薄荷中藥材樣品，而不同產(chǎn)地的薄荷，須要構(gòu) 建不一樣的質(zhì)量氣味指紋圖譜，以便檢測(cè)不同產(chǎn)地的中藥材的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。 其收集中藥材樣品的方法學(xué)如圖3所示。可從中藥材原材料巿場(chǎng)購(gòu)買同產(chǎn)地薄荷io批以上，以便樣本的數(shù)和 量有足夠的代表性。購(gòu)買的中藥材要標(biāo)記好供試品來源，以便于生產(chǎn)原料的釆購(gòu)選擇和測(cè)試數(shù)據(jù)的可追溯，使之形成的氣味指紋圖譜有得查證。在中醫(yī)理論指導(dǎo)下，將10批薄荷樣品按照試驗(yàn)、測(cè)試等分類關(guān)作好 記錄。在本實(shí)驗(yàn)室用碎屑機(jī)對(duì)薄荷樣品進(jìn)行粉碎，加工成粉末狀態(tài)，最 后形成仿生嗅覺裝置所須要的薄荷氣味試驗(yàn)品。中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品準(zhǔn)備好后，進(jìn)入到仿生嗅覺方法的氣味指紋 圖譜構(gòu)建的初級(jí)階段?；诜律嵊X中藥材氣味品質(zhì)識(shí)別方法以中醫(yī)藥理論和專家知識(shí)為 基礎(chǔ)，以仿生嗅覺系統(tǒng)裝置為手段，運(yùn)用仿生嗅覺原理，采用試驗(yàn)探索 和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。其方法過程分為初始?xì)馕吨讣y圖譜 建立、氣味指紋圖譜的標(biāo)準(zhǔn)化和初步應(yīng)用驗(yàn)證三個(gè)階段 1)初始?xì)馕吨讣y圖譜建立先擇第一批中藥材樣品進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，以其建立初始?xì)馕吨讣y圖譜庫(kù)。初始?xì)馕吨讣y圖譜建立的方法框圖，如圖4所示，上述仿生嗅覺裝置是仿生嗅覺的中藥材氣味指紋圖譜構(gòu)建與鑒別方法的關(guān)鍵部件，其采用自動(dòng)進(jìn)樣裝置與內(nèi)濃縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥材樣品氣的釆集和預(yù)處理，以便使陣列傳感器可以對(duì)質(zhì)量比較高的氣味氣體進(jìn)行探測(cè)。其前置導(dǎo)電聚合物陣列傳感器能模擬人的鼻腔細(xì)胞傳導(dǎo)特性，能很好檢測(cè)中藥材氣味信 自'G、 o信號(hào)處理的整體功能是對(duì)仿生嗅覺裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)換，得到初始的中藥材氣味模式空間X,用數(shù)學(xué)向量表達(dá)如下義 =(、，X 2 ，…，X ) ( 1 )數(shù)學(xué)上X表示一個(gè)二維向量空間，x"x，.,、均是一維向量，其共同組成具有噪聲的初始?xì)馕犊臻gx.初始?xì)馕犊臻gx中含有噪聲，并不能直接使用軟件進(jìn)行識(shí)別。為了 從中藥材初始?xì)馕赌Ｊ娇臻gx中抽取出對(duì)識(shí)別有效的信息，必須對(duì)它進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)預(yù)處理。13特征提取器釆用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在模式空間X上通過特征選擇和提取或基元選擇形成模式的特征向量空間Y。用數(shù)學(xué)向量表達(dá)如下 y = (h,少2"." l ) (2) 分量力,a,...,凡均是一維向量，其維數(shù)大小與特征提取器的算子公式相關(guān)。A麗模式識(shí)別器基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合遺傳進(jìn)化理論算法自編 制的氣味識(shí)別軟件，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息的處理是由神經(jīng)元之間的相互作 用來實(shí)現(xiàn)的，知識(shí)與信息的存儲(chǔ)表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)元件互連間分布式的物理聯(lián) 系，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中識(shí)別取決于和神經(jīng)元連接權(quán)的動(dòng)態(tài)演化過程。遺傳進(jìn)化理 論算法將模式的特征向量空間Y轉(zhuǎn)換成如下群數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)表達(dá)如下 Y麵變換 G = ("g2，…山) u)使用遺傳算法對(duì)其權(quán)值參數(shù)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)化式的訓(xùn)練，以期找 到最適合氣味數(shù)據(jù)分析使用的權(quán)值與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；谶z傳算法的人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征向量進(jìn)自學(xué)習(xí)，訓(xùn)練，進(jìn)行知識(shí)與信息的存儲(chǔ)以調(diào)整其自 身的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值參數(shù)，使其成為一個(gè)能工作于分類的識(shí)別器。ANN模式識(shí)別器輸出氣味模式再參考其基于中醫(yī)理論下得到品質(zhì)模 式，使用計(jì)算機(jī)指紋圖譜分析技術(shù)得到最初的氣味指紋圖譜。仿生嗅覺 裝置在檢測(cè)(或稱"嗅")氣味的過程中，不必知這些氣味的化學(xué)組成與 濃度，就能在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)氣味作出判斷。在視覺上，此圖譜是一個(gè) 表征中藥材氣味數(shù)據(jù)特征的圖象，得到與人的感官感受相符的結(jié)果，期 望使用仿生嗅覺氣味指紋圖譜方法與中醫(yī)理論指導(dǎo)下的藥效結(jié)合能得到 可能性的解決。并且，若中藥材本身受重金屬、農(nóng)藥、微生物、化學(xué)物質(zhì)的污染， 期望其氣味指紋圖譜圖象上會(huì)出現(xiàn)另類斑點(diǎn)。第一階段構(gòu)建初始中藥材氣味指紋圖譜會(huì)形一定數(shù)量，此庫(kù)存儲(chǔ)在 計(jì)算機(jī)硬盤里面形成氣味指紋圖譜數(shù)據(jù)知識(shí)庫(kù)。頁(yè)2) 氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化 氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)初始的氣味指紋圖譜庫(kù)進(jìn)行辨認(rèn)和比較，已能進(jìn)行修正初始?xì)馕稁?kù)，氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化的原理圖如圖5所 示。第二階段釆用另外 一 批已準(zhǔn)備好的中藥材樣品對(duì)第 一 階段建立的初始?xì)馕吨讣y圖譜庫(kù)進(jìn)行測(cè)試、辨認(rèn)、校正。此時(shí)，ANN模式識(shí)別器通過第 一階段的訓(xùn)練、學(xué)習(xí)已具有穩(wěn)定權(quán)值參數(shù)，具有對(duì)中藥材氣味的預(yù)測(cè)能 力。先在系統(tǒng)中輸進(jìn)樣品氣味，經(jīng)仿生嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集與數(shù)據(jù)處 理后，直接輸進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別器會(huì)依據(jù)自身 權(quán)值參數(shù)進(jìn)行分類并尋找存儲(chǔ)此時(shí)計(jì)算機(jī)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)中與對(duì)象最相似 的模型編號(hào)進(jìn)判別輸出。其輸出氣味模型與化學(xué)分析進(jìn)行綜合參考比對(duì)，將其比對(duì)效果反饋 到識(shí)別器，差超過充許誤差，則反饋到測(cè)箱進(jìn)行校正。最后比對(duì)符合一 定誤差值的氣味譜會(huì)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖，最后建立標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖庫(kù)。氣味信號(hào)將形成和指紋一樣的數(shù)據(jù)圖譜圖象，把氣味圖譜圖象和電 腦中原來儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)氣味圖譜相比較，就可以獲得結(jié)果。3) 中藥材氣味指紋圖譜鑒別方法在上述基礎(chǔ)上，研究標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖譜庫(kù)在中藥材質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng) 用。基于仿生嗅覺的中藥材氣味指紋圖譜構(gòu)建與鑒別方法在中藥材質(zhì)量 檢測(cè)評(píng)價(jià)領(lǐng)域?qū)儆谛律挛?，但無疑其是很有生命力、開拓性的一種氣 味檢測(cè)方法。中國(guó)傳統(tǒng)中藥材種類繁多，且各同群種的中藥材都會(huì)受其 道地的不同、采收期不同而在本質(zhì)上有差別。在應(yīng)用中，要有科學(xué)地態(tài) 度對(duì)待標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖譜的質(zhì)量評(píng)價(jià)效果。而且一種新的方法須要真實(shí) 的使用反饋數(shù)據(jù)，這才能有利于仿生嗅覺方法的發(fā)展。由于前期工作收集的中藥材樣品在數(shù)量上有代表性、均一性，構(gòu)建 出來標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖譜具有自身科學(xué)性。如釆用上面方法建立了陳皮、肉桂、薄荷與魚腥草等幾種氣味指紋圖譜庫(kù)，這種氣味指紋圖譜庫(kù)是同 一產(chǎn)地的中藥材進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)踐過程中，依照中醫(yī)理論進(jìn)行對(duì)另批要被 的中藥材樣品進(jìn)行處理。中藥材樣品進(jìn)行處理只是采用物理方法使其樣 品適宜于仿生嗅覺系統(tǒng)的自動(dòng)進(jìn)樣裝置的采樣動(dòng)作，從而更方便對(duì)中藥 材氣味信息進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明的方法過程如圖6所示。這里運(yùn)用了計(jì)算機(jī)解譜技術(shù)進(jìn)行比 較，計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)氣味的圖象(氣味指紋圖譜)。根據(jù)計(jì)算機(jī)上的圖譜 圖象，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)相當(dāng)方便。須要注意的是，對(duì)每一個(gè)比較結(jié)果 將作記錄，慢慢形成一定實(shí)踐證明，以便于再進(jìn)一步修正氣味指紋圖譜 庫(kù)。事實(shí)上同一產(chǎn)地的中藥材內(nèi)在質(zhì)量有時(shí)都會(huì)因?yàn)榈貐^(qū)性的氣候不盡 相同，在進(jìn)行氣味指紋圖譜辨認(rèn)時(shí)講究的是相似的比較，而不是數(shù)學(xué)上 的相等。最后顯示表征質(zhì)量指紋圖譜"圖像"，結(jié)果非常容易理解，并操 作過程貼切中醫(yī)的"嗅"的方法。上面只是對(duì)同產(chǎn)地同釆收期的中藥材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，不同產(chǎn)地的但 同種中藥材一樣可采用此方法進(jìn)行構(gòu)建氣味指紋圖譜庫(kù)并進(jìn)行氣味檢測(cè) 從而評(píng)判其質(zhì)量差別，突出氣味指紋圖譜的廣泛性。
權(quán)利要求
1、一種基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其特征在于包括有如下步驟1)準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品；2)構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜；3)氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化；4)將待鑒別氣味中藥材的氣味指紋圖譜與標(biāo)準(zhǔn)化的氣味指紋圖譜比較，給出識(shí)別結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其特征 在于上述步驟2)中構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜的步驟是1) 釆用自動(dòng)進(jìn)樣裝置與內(nèi)濃縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)中藥材樣品氣的采集和預(yù)處理，以 便使陣列傳感器可以對(duì)質(zhì)量比較高的氣味氣體進(jìn)行探測(cè)；2) 對(duì)上述探測(cè)到的氣味氣體用仿生嗅覺裝置進(jìn)行信號(hào)處理，并對(duì)仿生嗅 覺裝置的輸出信號(hào)進(jìn)行特定的轉(zhuǎn)換，得到初始中藥材氣味指紋圖譜的數(shù)據(jù)庫(kù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其特征 在于上述步驟2)中。其前置導(dǎo)電聚合物陣列傳感器能模擬人的鼻腔細(xì)胞傳導(dǎo)特 性，能很好檢測(cè)中藥材氣味信息。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法，其特征 在于上述步驟3)中氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化的過程為用另外一批已準(zhǔn)備好的中藥材樣品對(duì)第一階段建立的初始?xì)馕吨讣y圖譜 庫(kù)進(jìn)行測(cè)試、辨認(rèn)、校正;先在系統(tǒng)中輸進(jìn)樣品氣味，經(jīng)仿生嗅覺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理后，直接輸進(jìn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別器會(huì)依據(jù)自身權(quán)值參數(shù)進(jìn)行分類并尋找存儲(chǔ)此時(shí)計(jì)算機(jī)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)中與對(duì)象最 相似的模型編號(hào)進(jìn)判別輸出，其輸出氣味模型與化學(xué)分析進(jìn)行綜合參考比對(duì)， 將其比對(duì)效果反饋到識(shí)別器，差超過充許誤差，則反饋到測(cè)箱進(jìn)行校正。最后比對(duì)符合一定誤差值的氣味譜會(huì)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖，最后建立標(biāo)準(zhǔn)氣味指紋圖庫(kù)。
5、 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法所用 的裝置，其特征在于包括自動(dòng)進(jìn)樣器(l)、金屬氧化氣體傳感器陣列(2)、微弱 信號(hào)調(diào)理電路(3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)、進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)(5)、顯示 屏(6),其中自動(dòng)進(jìn)樣器(1)的輸出端與金屬氧化氣體傳感器陣列(2)的輸入端 連接，金屬氧化氣體傳感器陣列(2)的輸出端與微弱信號(hào)調(diào)理電路(3)的輸入 端連接，微弱信號(hào)調(diào)理電路(3)的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)的輸入端連接， 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(4)的輸出端與進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)(5)的輸入端連接，計(jì) 算機(jī)(5)的輸出端與顯示屏(6)連接。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法所用的裝 置，其特征在于上述信號(hào)調(diào)理電路(3)包括信號(hào)放大電路及信號(hào)濾波電路。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法及其裝置。本發(fā)明的鑒別方法包括有如下步驟1)準(zhǔn)備中藥材樣品的氣味試驗(yàn)品；2)構(gòu)建仿生嗅覺方法的氣味指紋圖譜；3)氣味指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)化；4)將待鑒別氣味中藥材的氣味指紋圖譜與標(biāo)準(zhǔn)化的氣味指紋圖譜比較，給出識(shí)別結(jié)果。本發(fā)明的鑒別裝置，包括自動(dòng)進(jìn)樣器、金屬氧化氣體傳感器陣列、微弱信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)、顯示屏，其中自動(dòng)進(jìn)樣器的輸出端與金屬氧化氣體傳感器陣列的輸入端連接，金屬氧化氣體傳感器陣列的輸出端與微弱信號(hào)調(diào)理電路的輸入端連接，微弱信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與進(jìn)行信息處理的計(jì)算機(jī)的輸入端連接，計(jì)算機(jī)的輸出端與顯示屏連接。本發(fā)明是一種符合中醫(yī)理論實(shí)踐方法，且方便實(shí)用的基于仿生嗅覺的中藥材氣味鑒別方法及其裝置。
文檔編號(hào)G01N27/00GK101261280SQ20071003299
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者許廣桂, 駱德漢 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)