تبلیغات
مهندسی پزشکی - بینی الکترونیکی

بینی الکترونیکی

نویسنده :مازیار سلیمی
تاریخ:---

‌بویایی یكی از پیچیده‌ترین و مبهم‌ترین حواس انسانی است. علی رغم اینكه احتمال می‌رود بویایی یكی از اولین حواسی باشد كه بشر به كارایی آن پی برده است، هیچكس از عـمـلـكـرد دقـیـق آن اطـلاعـی نـدارد. مـهندسان نسخه‌های الكترونیكی از بینی انسان را ساخته‌اند كه پزشكان را قادر می‌سازد تشخیص‌هایی كمتر تهاجمی را از وضعیت بدن داشته باشند.
                                                                حس بویایی
بینی ارگان متحیركننده‌ای است كه دارای میلیون‌ها گیرنده بویایی از صدها نوع مختلف است. تنوع در گیرنده‌های بویایی انسان را قادر می‌سازد كه 000,10 نوع بوی مختلف را كه مـعـمـولا تركیبی از مود شیمیایی فرار هستند، احساس نماید. هر رایحه می‌تواند چندین گیرنده را فعال كند و این الگوی فعالیت، با ایجاد كدی مخصوص، ادراك بویایی خاصی را در مغز ایجاد می‌كند. تمامی بوها از مولكول‌های شیمیایی گوناگونی نشات می‌گیرند كه در هـوا پـراكـنـده هـسـتند. البته همه مواد دارای رایحه نیستند، تنها موادی كه حاوی تركیبات شیمیایی سبك و فرار باشند از خود بو ساطع می كنند. بسته به اینكه چه مواد شیمیایی و در چـه كـمـیـتـی حـاضـر اسـت، مـجـمـوعـه‌هـای مـخـتـلـفـی از نـورون‌هـای گـیـرنده بویایی فعال می‌شوند. مغز می‌تواند الگوهای مختلف را رمز گشایی كرده و معانی متعددی را برای آن ها در نظر بگیرد. ساخت سلول‌های غشای مصنوعی كه بتواند عملكرد بینی را تقلید كند با پـیـچـیـدگـی‌هـای بـسـیـاری روبـروسـت. گـیـرنـده‌های بویایی كه با مولكول‌های بو تركیب می‌شوند، پروتئین‌های غشایی هستند كه در سطح سلول گسترده شده‌اند. از آنجا كه غشای سلول از مولكول های چربی دولایه پوشیده شده است، پروتئین‌های گیرنده بسیار آب گریز هستند. هنگامی كه چنین پروتئین‌هایی از سلول جدا شده و در محلول‌های حاوی آب قرار گیرند، در كنارهم جمع شده و ساختار خود را از دست می‌دهند. به این ترتیب، جدا كردن پروتئین‌ها در مقادیر زیاد برای انجام مطالعات، بسیار مشكل خواهد بود. دانشمندان سال‌ها وقت برای یافتن راهی برای جداسازی و تلخیص پروتئین‌ها صرف كرده اند. این امـر بـایـد بـه وسـیـلـه مـحـلول‌های شوینده آب گریز انجام شود تا بتوان ساختار و عملكرد پروتئین‌ها را حفظ كرد.
 ‌تشخیص بیماری با حس بویایی
در دوران بـاسـتـان، اطـبـاء از حـس بویایی برای بسیاری از تشخیص‌های خود استفاده می‌كردند. به عنوان مثال آنان می‌دانستند كه بیماری دیابت سبب یجاد رایحه‌ای شیرین در بازدم بیمار می‌شود و یا میزان وخیم بودن یك جراحت را می‌توان به روش مشابه تشخیص داد. این هنر باستانی در دنیای امروز به علمی نوین بدل شده است. مهندسان نسخه‌های الكترونیكی از بینی انسان را ساخته‌اند كه پزشكان را قادر می‌سازد تشخیص‌های كمتر تهاجمی را از وضــعــیـــت بـــدن داشــتـــه بـــاشــنـــد. هــمــانـنــد ســایــر ارگـانـیـسـم‌هـای زنـده، بـاكـتـری‌هـا نـیز تركیباتی از گــازهــای مـخـتـلــف را تــولـیــد مـی‌‌كـنـنـد. بـنـابـرایـن می‌توان بیماری‌های عفونی را از طریق درك بوی ایــــن گــــازهــــا شــنـــاســـایـــی كـــرد. از ســـوی دیــگـــر، بـیـمـاری‌هـای غـیـر عـفـونـی مانند دیابت، تغییرات بـیـوشـیـمـیایی ایجاد می‌كنند كه بوی خاصی را از بــدن بـیـمــار سـاطـع مـی‌كـنـد. بـیـنـی انـسـان تـوانـایـی تـشـخـیـص بـسـیـاری از ایـن رایـحـه‌هـا را ندارد. در آیــنــده‌ای نــه چـنــدان دور، بـیـنــی‌هــای مـصـنــوعــی قـابـلـیت تشخیص بیماری از روی رایحه را برای پزشكان فراهم می‌كنند. 
گام‌هایی به سوی بویایی مصنوعی
یـكـی از راه‌هـای ردیابی مواد شیمیایی در هوا، استفاده از دستگاه‌های آزمایشگاهی بزرگ مانند كـرومـاتـوگـراف گـازی و اسـپـكـتـرومتر است. این ابــزارهــا مــی‌تـوانـنـد وجـود كـمـتـریـن مـقـادیـر مـواد شیمیایی فرار را در نمونه‌های هوا شناسایی كنند. امــا دسـتـگــاه‌هــای مـذكـور مـوادی راكـه بـا بـویـایـی ارتـبـاطـی نـدارنـد  نـیـز شـنـاسایی می‌كنند. بنابراین تعیین اینكه كدام بخش از خروجی آنها مطابق با بـویـایـی اسـت، بـر پـیـچـیـدگـی چـنـین سیستم‌هایی مـی‌‌افـزایـد. بـه عـلاوه ایـن دسـتگاه‌ها چندان قابل حـمــل نـیـسـتـنـد. امـا روش‌هـای مـسـتـقـیـم‌تـر و كـم حجم‌تری برای بازسازی مصنوعی حس بویایی در دسـت ایـجـاد هـسـتند. در ادامه به برخی از این روش‌ها اشاره خواهیم كرد: 
*‌سنسور اندازه گیری از جنس كریستال كوارتز (QCM)‌، سنسوری بسیار كوچك است كه می‌تواند یك نوع ماده شیمیایی فرار را شناسایی كند. این سنسور شامل یك كریستال كوارتز است كه در فركانسی خاص شروع بـه نـوسـان مـی‌كـنـد. كـریـسـتـال توسط لایه‌ای مخصوص پوشش داده شده است كه فقط مولكول‌هایی با شكل و سایز خاص را جذب می‌كند. در صورت جذب مولكول‌ها، تغییر جرم اندكی در كریستال ایجاد می‌شود كه فركانس نوسان كریستال را تغییر می‌دهد. مدار سـاده‌ای ایـن تـغـیـیـرات سـیـگـنـالی را كه به وسیله ماده شیمیایی مجهول ایجاد شده است، تشخیص می‌دهد. با در اختیار داشتن آرایه‌ای از سنسورهای كریستال كوارتز، كه هركدام بـه لایـه‌ای مـخـصـوص بـرای پـاسخ به ماده‌ای خاص پوشانده شده‌اند، می‌توان محدوده وسیعی از رایحه‌های مختلف را ردیابی كرد. 
*نوع مشابه دیگری از این  ایده، سنسورهای پایه‌ای هستند. این سنسورها از 8  پایه تشكیل شده اند كه هر كدام ملكول‌های رایحه به خصوصی را به خود جذب می كند و در اثر آن اندكی خم می شود. الگوی خم شدن این 8  پایه معرف نوع رایحه است.
*‌ایده كاملاً متفاوت دیگر، استفاده از رنگ‌های حساس به تبخیر است. این رنگ ها به نام متالوپورفیرین شناخته می‌شوند و در مجاورت مواد شیمیایی به خصوصی تغییر رنگ می‌دهند. با بررسی وضعیت‌های اولیه و ثانویه در آرایه‌ای از این رنگ‌ها، كامپیوتر می‌تواند رایحه‌ها را به اصطلاح "ببیند."
رمزگشایی از یك آرایه سنسوری (از هریك از سه نوع ذكر شده در بالا) كاری پیچیده و در عین حال جالب است. چراكه موادی كه از نظر شیمیایی بسیار مشابه هستند ممكن است رایحه‌های بسیار متفاوتی داشته باشند. به عكس، رایحه‌های نزدیك به هم ممكن است در سطوح مولكولی بسیار متفاوت باشند. بدین منظور، محققان معمولا از شبكه‌های عصبی بـرای آنـالـیز داده‌ها استفاده می كنند. شبكه‌های عصبی نرم‌افزارهایی هستند كه می‌توان آن‌ها را با الگوهای مختلف تحت آموزش قرار داد. به این ترتیب، در مواجهه با یك الگوی جـدیـد، نـرم افـزار مـی‌تـوانـد بـر اسـاس شـبـاهـت هـای مـوجـود بـا الـگـوهـای شـنـاخـته شده، تصمیم‌گیری لازم را اتخاذ كند. 
كاربردهای بویایی مصنوعی
بیشترین كاربرد بینی مصنوعی در مواردی است كه بینی انسان محدودیت‌هایی را پیش رو دارد. بـه عـنـوان مـثـال، سـنسورها می‌توانند غذای فاسد را بسیار پیش تر از بینی انسان تـشـخـیص دهند. همان‌طور كه باكتری‌های فاسد كننده مواد غذایی از خود رایحه تولید مـی‌كـنـنـد، بـاكـتـری‌های بیماری‌زا نیز رایحه‌های قابل تشخیصی ایجاد می‌كنند. بنابراین ممكن است تجهیزات فعلی تا حدی پیشرفت كنند كه از طریق بو كردن نمونه‌های خونی، بـیـمـاری‌هـای مـخـتـلـف را تـشـخـیـص دهـنـد. ‌یـكـی از كـاربـرهـای مهم سیستم‌های بویایی مصنوعی، شناسایی زودهنگام باكتری‌ها و قارچ‌ها در هوای تنفسی بیماران در بخش‌های مراقبت ویژه است. معمولا به سبب تشخیص دیر هـنـگـــام ایـــن عـــوامـــل بــیــمــاری‌زا، ریـســك ایـجــاد عفونت‌های تنفسی در این گروه از بیماران به رغم اسـتـفــــاده از رنــــج وســیــعــــی از آنــتــــی بــــادی‌هــــای پــیــشــگـیــری‌كـنـنــده، بــالا اســت. اسـتـفــاده از آنـتــی بـادی‌هـا، عـلاوه بـر تـحـمـیـل هـزیـنـه‌هـای سنگین، میكروب‌ها را در برابر آنتی بادی مقاوم می‌سازد كه تبعات به مراتب بدتری را به دنبال دارد. برای حل این مشكلات، به یك سیستم بلادرنگ برای تـشخیص و دسته بندی باكتری‌ها و قارچ‌ها نیاز اسـت. چنین سیستمی می‌تواند متابولیسم گازی ایـــن عـــوامــل را در هــوا ردیــابــی كـنــد. تـشـخـیــص زودهـنـگــام مـیـكــروب‌هــا، درمــان هــدفـمـنــد را بــا استفاده از آنتی بادی‌ها امكان‌پذیر می‌كند. به این ترتیب، مدت زمان بستری در بخش مراقبت‌های ویژه و هزینه‌های مربوطه كاهش خواهد یافت.
بینی الكترونیكی
 ‌بـیـنــی‌هــای الـكـتــرونـیـكــی از ســه جــزء اصـلــی تـشـكـیـل شده‌اند: سیستم دریافت نمونه، سیستم ردیــابــی، و سـیـسـتــم پــردازش (شـكـل 1).

سـاخـت دسـتـگـاهـی كـه بـتـوانـد عملكرد مشابه بینی داشته بـاشد با دو مسئله عمده روبرو است: ردیابی تك تـك اجـزای شـیـمـیـایـی و تـشـخـیص اینكه تركیب خاصی از اجزای داده شده در یك نسبت معین چه رایحه‌ای را تداعی می‌كند.  سیستم دریافت نمونه می‌تواند تركیبات فرار یك ماده را دریافت كرده و آن ها را برای آنالیزهای جزئی‌تر در اختیار سیستم ردیــــابــــی قـــرار دهـــد. ســیــســتـــم ردیـــابـــی، شـــامـــل مــجــمـــوعـــه‌ای از ســنــســـورهـــا اســـت كـــه بــخــش واكـنـش‌پـذیـر دسـتـگـاه هـسـتـنـد. این سنسورها در تـمـاس بـا تـركـیـبـات فـرار، واكنش شیمیایی ایجاد مـــی‌كــنــنـــد كـــه بــه تـغـیـیــر در خــواص الـكـتــریـكــی می‌انجامد. سیستم پردازش، پاسخ‌های دریافتی از تمامی سنسورها را با یكدیگر تركیب كرده و داده ورودی را ایجاد می‌كند. این داده پس از طی مراحل آنالیز  مقایسه‌ای، نتایج قابل تفسیری را تولید می‌كند. 
‌نحوه عملكرد بینی الكترونیكی
هنگامی كه بینی الكترونیكی رایحه‌ای را بو می­‌كشد، تغییراتی در وضعیت سنسور ایجاد می‌شود كه در اثر آن، مقاومت الكتریكی سنسور تغییر می كند. تغییرات مقاومت الكتریكی برای آنالیزهای دقیق‌تر به یك الگوریتم شناسایی الگو فرستاده می‌شود. از آنجا كه هر یك از سنسورهای واقع در یك آرایه واكنشی مخصوص به خود دارد، سنسور نوعی "اثر انگشت شیمیایی" برای هر بو ایجاد می‌كند. الگوریتم‌های شناسایی الگو از این اطلاعات برای انجام عـمـلـیـات شـنـاسـایـی و دسـتـه‌بـنـدی اسـتـفـاده می‌كنند. تكنیك‌های شناسایی الگو (PARCs) اطلاعات دریافت شده از سنسور را آنالیز كرده و تغییرات مقاومتی آرایه را به مجموعه‌های پرقدرتی از اطلاعات تبدیل می‌كنند كه قابل استفاده در تشخیص بیماری‌ها، كنترل كیفیت مواد غذایی، ارزیابی‌های زیست محیطی و ردیابی مواد سمی هستند. با انتخاب روش صحیح آنـالـیـز الگو، بینی‌های الكترونیكی می‌توانند برای شناسایی تركیبات رایحه‌های گوناگون، انجام آنالیزهای ادراكی اولیه  و حتی دسته بندی رایحه‌های ناشناخته به كار آیند. 

شکل2) واکنش آرایه سنسور پایه‌ای به رایحه دریافت شده


 

 

شکل3) نحوه خم شدن پایه‌ها در سنسور پایه‌ای توسط مولکول‌های ماده فرار (شکل سمت چپ: وضعیت اولیه، سمت راست: جذب مولکول‌ها و خم شدن پایه)  

 

 

 

‌الگوریتم‌های متعددی برای حل مشكلات بینی الكترونیكی به كار می‌روند. از آن جمله می‌توان به تكنیك‌های آنالیز آماری نظیر آنالیز اجزای اصلی (PSA) و آنالیزهای غیر پارامتری و شبكه‌های عصبی اشاره كرد. اكثر الگوریتم‌ها باید یك فاز یادگیری را پشت سر بگذارند. در این فاز، نمونه‌هایی با گروه‌ها و دسته بندی‌های معلوم برای آموزش الگوریتم به كار می‌روند. نوع الگوریتم تعیین كننده سطح نظارت انسان و میزان اطلاعات لازم برای انجام ایـن آموزش است. هنگامی كه الگوریتم تحت آموزش قرار گرفت، قادر خواهد بود كه رایحه‌ای نامعلوم را به عنوان یك عضو یا تركیبی از اعضای دسته بندی‌هایی كه با آن ها تحت آموزش بوده است، شناسایی كند.  یك الگوریتم مناسب باید صحیح و سریع بوده، یادگیری آن ساده باشد و حافظه چندانی را اشغال نكند. به سبب این ویژگی‌های پیچیده، الگوریتم ایـده‌آلـی بـرای آنـالـیـزهـای بـویـایـی وجود ندارد. هیچكدام از آنالیزهای بالینی و مدل‌های برگرفته از خواص بیولوژیك نمی‌توانند تمامی نیازها را مرتفع كنند.
آنالیزهای آماری معمولا سریع بوده و به فاز آموزشی نیاز ندارند. نتایج حاصل از آن ها در ارتباط تنگاتنگ با داده‌های ورودی بوده و به طبیعت مواد شیمیایی مورد آزمایش واكنش نشان می‌دهند. به این ترتیب، این نوع آنالیزها از خطرات ناشی از آموزش مبری هستند. با این وجود، داده‌های دریافتی از سنسور در اكثر موارد خطی  فرض می‌شود. ولی با اینكه داده‌ها در اكثر موارد رفتاری خطی دارند، درغلظت‌های بالا برخلاف پیش بینی‌ها عمل كرده و سبب ایجاد خطا در الگوریتم‌های خطی می‌شوند. 

 

شکل 4) ثبت الگوی ماده بر اساس پاسخ دریافتی از هشت پایه سنسور پایه‌ای 

 

 

 

روش دیـگر دسته بندی داده‌ها، استفاده از شبكه‌های است كه بر اساس سیستم های بیولوژیك طراحی شده‌اند. برخلاف آنالیزهای آماری، شبكه‌های عصبی نیازی به خطی بودن و یا تبعیت از یك مدل ریاضی به خصوص ندارند. شبكه‌های عصبی می‌توانند برای آنالیزهای فازی نیز استفاده شوند. در تحلیل‌های فازی، رایحه‌ها به دسته بندی‌های مبهمی تقسیم می‌شوند كه حواس بویایی انسان را تقلید می‌كنند. آنالیز فازی نتایجی را به دست مـی‌دهـد كـه از طـریـق تـكـنـیـك‌هـای آمـاری، شامل ارزیابی كیفیت رایحه‌ها، چندان سهل الوصول نیست. اما شبكه‌های عصبی نیز عاری از خطا نیستند. این شبكه‌ها باید برای ایجاد گـروه‌های دسته بندی، برنامه‌ریزی شوند. این امر بدین معناست كه شبكه‌های عصبی، الـگـوریـتم‌هایی هستند كه باید تحت آموزش قرار گیرند و آموزش آن‌ها برای شناسایی رایـحـه‌هـای جـدیـد كـار دشـواری اسـت. هـمـچـنـیـن مـمـكـن اسـت با استفاده از نمونه‌های آموزشی بسیار زیاد، شبكه‌های عصبی تحت آموزش بیش از حد قرار بگیرند كه به از بین رفتن كارآیی سیستم منجر خواهد شد.
كاربردها
دامـنـه‌هـای كـاربـرد ایـن نـوع سـنـسـور بیشتر در كـنـتـرل كـیـفـیـت و شـنـاسـایـی یا تشخیص گازها و محلول‌های فرار در محیط‌های مختلف است. از آنجا كه این سنسورها علاوه بر محیط‌های گازی، در مـحـیـط‌هـای حـاوی مـایـعـات نـیـز قابل استفاده هـسـتـنــد، كــاربــردهــای مـتـنــوعــی در بـیـوشـیـمـی و تشخیص پزشكی دارند.
بـرخـی از ایـن كـاربـردهـای دیـگـر سـنـسورهای پایه‌ای عبارتند از:
*‌حس كردن گازها
*كاربرد در صنعت خودروسازی
*‌كنترل كیفیت (غذا، مواد شیمیایی، هوا)
*‌صنعت تولید عطر
*كاربردهای پزشكی
*‌تحقیقات مرتبط با پزشكی قانونی
*‌ردیابی مواد مخدر یا مواد منفجره
*جستجوی مولكول‌های آلوده در فضاهای مـحـبـوس نـظـیـر سـفـیـنـه‌های فضایی (علت اصلی توجه NASA به مبحث بویایی مصنوعی)
مزایا
در تـكـنـولـوژی سـنـسـورهـای پـایـه­‌ای، بـه تـجـهـیزات حـجـیــم و گــران قـیـمـت نـیـازی نـیـسـت. ایـن سـیـسـتـم­‌هـا می‌‌توانند جایگزین بسیاری از سیستم‌های گران قیمتی شوند كه در حال حاضر برای ردیابی تعداد محدودی از مواد        (از طریق حس بویایی) به كار می‌روند.  

منابع

1.Christina Brandt, Cornell University, "The Identification of Chemicals using Clustering and Extrapolation from an External Database for Electronic Nose Sensors"
2."Nanomechanical Olfactory Sensors", accessed on http://monet.physik.unibas.ch/nose
3."MIT Paves Way To Artificial Nose", accessed on http://sciencedaily.com
4."Electronic Nose", accessed on Wikipedia.org






داغ کن - کلوب دات کام
نظرات() 
gardenscapes hack
جمعه 4 اسفند 1396 05:21 ب.ظ
این یک افتخار است که شما یک دکمه اهدا ندارید! من قطعا به این وبلاگ عالی اهدا می کنم!
اکنون حدس می زنم که برای نشانه گذاری و اضافه کردن خوراک RSS به حساب Google من تنظیم می شود.
من مشتاقانه منتظر به روز رسانی جدیدی هستم و این وبسایت را با فیس بوکم به اشتراک می گذارم
گروه به زودی صحبت می کنیم!
Pansy
دوشنبه 25 اردیبهشت 1396 12:53 ق.ظ
Hello there, just became aware of your blog through Google, and found that it is really informative.
I am going to watch out for brussels. I will appreciate if
you continue this in future. Many people will be benefited from your
writing. Cheers!
دوشنبه 7 بهمن 1392 04:06 ب.ظ
ممنون خوب بود.
فقط اینکه میشه اگه اطلاعاتی در مورد سطح کار شده درایران داریدبرای من هم بفرستیدواینکه بینی الکترونیکی در ایران هست یانه؟
مهشید
جمعه 21 تیر 1392 01:54 ب.ظ
خوب بود سپاس فراوان.
فقط اینکه میشه اگه اطلاعاتی در مورد کارایی و سطح کار شده در زمینه بینی های الکترونیکی در ایران دارید برام بفرستید.
با سپاس
زهرا
جمعه 31 خرداد 1392 11:11 ق.ظ
متن شما برای بدست آوردن اطلاعات کلی بسیار مفید بود. با تشکر
امین سجاد
جمعه 21 بهمن 1390 10:38 ب.ظ
مطلب خوب و عالی بود اما بهتر بود اگر از رنگ متن بهتری استفاده می کردید.
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر




Admin Logo
themebox Logo