專利名稱：一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般屬于智能檢測識別技術(shù)方法領(lǐng)域，特別涉及一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置，該裝置通過嗅覺靈敏動物產(chǎn)生特異性嗅覺刺激，誘發(fā)動物不斷強化大腦皮層產(chǎn)生的特異性腦電信號，并根據(jù)動物對不同氣體分子誘發(fā)產(chǎn)生特異的電信號模式進行分析判斷，對于具有揮發(fā)性、能誘發(fā)動物產(chǎn)生特殊嗅覺刺激的物品的檢測，如毒品，爆炸物等。具有可靠性高、特異性好、省時、經(jīng)濟、指標客觀等特點。
背景技術(shù)：
毒品的存在禍國殃民，受到世界各國的打擊和控制，必須和毒品犯罪進行不懈和長期有效的斗爭。然而，作為防范的主要手段，目前國內(nèi)外對大規(guī)模人群進行毒品檢測的方法和器材十分有限。
據(jù)文獻及專利檢索的結(jié)果看出，目前檢測毒品的方法主要有以下幾種對物品理化特性的檢測(CN90207573.X，CN97211692.3)；基于射線掃描儀、質(zhì)譜儀、色譜儀及質(zhì)色譜的結(jié)合方法，對物品的成分、化學結(jié)構(gòu)的檢測(CN00133223.6，CN03222042.1)；采用嗅覺靈敏動物，如犬、豬等的緝毒。前兩類方法主要側(cè)重于實驗室化學分析，對已繳獲的標本進行成分鑒定和分析；雖然能夠精確測量，但需要龐大的儀器設(shè)備，檢測周期長，較適于有針對性的，小范圍內(nèi)的樣本檢測，而無法滿足大范圍人群、物品或區(qū)域的毒品檢測。緝毒警犬具有較高的準確性及靈敏性，是目前動物緝毒最主要的方式，但其需要專職訓練員，訓練費用昂貴，訓練周期長，且毒品檢測時只能由訓練員通過狗的行為表現(xiàn)進行粗略判斷。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的毒品檢測方法及檢測裝置的局限性，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置，該裝置根據(jù)動物大腦嗅覺皮層神經(jīng)元電活動，使動物對具有揮發(fā)性的毒品產(chǎn)生特異性記憶，采用多臂迷宮，在不同迷宮臂的小室內(nèi)隨機放入毒品，結(jié)合特異腦區(qū)給予獎賞刺激，強化大鼠對特異嗅覺刺激的記憶；當動物對特異性嗅覺刺激產(chǎn)生具有統(tǒng)計學意義的行為反應時，采集大鼠大腦嗅覺皮層相關(guān)的特殊嗅覺刺激所誘發(fā)腦電信息，輸入計算機，利用分析軟件對其放電模式的特征進行識別和分析，形成訓練數(shù)據(jù)集。并通過計算機對其嗅覺皮層的放電模式進行分析，與測試集的特征性放電模式進行比較，從而檢測并識別出可疑毒品。
為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用如下解決技術(shù)方案一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置，其特征在于，該裝置由CCD攝像機、腦立體定位儀、電極、前置放大濾波電路、多臂迷宮，及計算機測控及分析系統(tǒng)構(gòu)成；其中計算機測控及分析系統(tǒng)包括圖像采集卡，數(shù)據(jù)采集卡、微型計算機，其中微型計算機內(nèi)設(shè)有視覺監(jiān)控和支持神經(jīng)電信息的采集、電刺激、處理及分析的計算機軟件；電極包括刺激微電極、記錄電極和參考電極，用于采集動物大腦神經(jīng)電信號；刺激電極及記錄微電極陣列通過標準接插件及柔性電纜分別連接到外部采集系統(tǒng)的對應輸出及前置放大器的輸入端；前置放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接；前置放大及濾波電路，包括高共模抑制比的前置差分儀放大器，放大倍數(shù)為5；其輸出信號首先經(jīng)過2階高通濾波器；然后，再經(jīng)過2階低通濾波器；其通帶范圍為500Hz～10000Hz，得到較為可靠的神經(jīng)電信號，最后送入數(shù)據(jù)采集卡的輸入端；
多臂迷宮，包括形狀完全一致的4個迷宮臂，向動物一側(cè)設(shè)有孔隙的小室，使放置的毒品向動物一側(cè)擴散，采用黑色有機玻璃設(shè)計，高度0.5m，單臂半徑1m；數(shù)據(jù)采集卡，采用PCI數(shù)據(jù)采集接口控制卡，具有14位單32/雙16路400Ksps A/D，12位2路模擬輸出0-10V、±5V、±10V，數(shù)字輸入輸出各16路；CCD攝像機及圖像采集卡構(gòu)成視覺監(jiān)控系統(tǒng)，CCD攝像機固定于迷宮的上方，用于觀察直徑4m的圓形實驗場地；圖像采集卡采用DH-CG300，它基于PCI總線，采用PAL制式，分辨率為768×576×24位，采集速率為30幀/秒；運行于微型計算機上的視覺監(jiān)控及人機界面軟件采用VC++6.0進行編寫，運行環(huán)境為Windows2000操作系統(tǒng)。
本發(fā)明的裝置通過價格低廉的大鼠或其它具有靈敏嗅覺的動物，通過對動物的輔助訓練識，解決了對毒品進行特異、有效檢測的困難。具有可靠性高、特異性好、指標客觀、省時、經(jīng)濟等特點；本裝置同樣可適用于對其它能產(chǎn)生特殊嗅覺刺激的物品的檢測，如用于礦難救援，地質(zhì)災害預測等方面。


圖1是系統(tǒng)原理示意圖。
圖2是刺激微電極結(jié)構(gòu)圖。
圖3是前置放大濾波電路圖。
圖4是迷宮結(jié)構(gòu)圖。
下面結(jié)合附圖和實施對本發(fā)明進一步說明。
具體實施例方式
本發(fā)明的理論依據(jù)大鼠的嗅覺非常靈敏，對其嗅覺相關(guān)的誘發(fā)神經(jīng)電活動的科學研究已有很長的歷史；不同的氣體分子(嗅覺刺激)誘發(fā)特征性的神經(jīng)放電模式。目前已出現(xiàn)利用腦電波信號進行的搜救方式(英國《新科學家》雜志22/September/2004)。通過采集、分析動物的特征性的腦電波信號，跟蹤、搜尋、定位非常情況下或處于高危地域(地震區(qū)、海嘯區(qū)、深海域等)的目標；另外，本發(fā)明的裝置通過對神經(jīng)電信號的模式特征進行識別，而對氣體分子進行檢測，相對于目前的其它基于動物行為表現(xiàn)的檢測方法更具客觀性。
本發(fā)明的裝置由CCD攝像機、腦立體定位儀、電極、前置放大濾波電路、多臂迷宮，及計算機測控及分析系統(tǒng)構(gòu)成，原理框圖如圖1所示。
計算機測控及分析系統(tǒng)包括圖像采集卡，數(shù)據(jù)采集卡、微型計算機，其中微型計算機內(nèi)設(shè)有視覺監(jiān)控和支持神經(jīng)電信息的采集、電刺激、處理及分析的計算機軟件；計算機測控及分析系統(tǒng)用于完成如下功能1)施加給動物的電刺激模式的設(shè)置及控制；2)腦電信息的采集，控制，記錄及分析；3)訓練、強化動物對毒品氣體分子的記憶；4)基于特征性腦電模式的毒品檢測及識別；5)迷宮內(nèi)動物的行為監(jiān)視系統(tǒng)；實驗所需的各種刺激模式及參數(shù)等在微型計算機(PC機)上預先設(shè)定，在訓練階段，將動物放入迷宮(圖4)中心區(qū)域，毒品隨機放入4個毒品放置小室(圖4中1-4)之一，當行為監(jiān)控系統(tǒng)采集到動物找到毒品的信號時，即從數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口發(fā)送刺激脈沖作用到刺激電極(圖2)，給予內(nèi)側(cè)前腦束神經(jīng)纖維以適宜電刺激，形成一種“虛擬獎賞”，使動物獲得欣快感，從而形成毒品尋求行為的偏愛；同時記錄微電極陣列采集嗅覺皮層的神經(jīng)元電活動信息，經(jīng)過前置放大濾波電路(圖3)，送入數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸入端及PC機中；軟件分析動物尋找毒品過程的特征性神經(jīng)電信號模式。在識別階段，通過把動物放入可疑區(qū)域或把可疑物放入迷宮，通過分析其腦電特征進行毒品檢測。
電極刺激微電極如圖2，采用直徑50um，外覆特富龍膜的不銹鋼內(nèi)芯裝入直徑為80um的針管內(nèi)，制成同心針刺激電極，刮去電極尖端的特富龍膜。刺激微電極包括1、直徑50um，外壁上涂敷有特富龍的不銹鋼金屬絲；2、直徑80um的不銹鋼套管；3、定位直銅線；4、接插件；5、柔性屏蔽線。電極埋置前經(jīng)過消毒及短路測試，定位直銅線3用于固定在腦立體定位儀的電極卡座內(nèi)，不銹鋼套管2及電極1的長度距電極能達到部位2mm左右。電極埋置完成后剪掉露出的定位銅線3，接插件4為連接刺激器的插座。記錄電極采用16個直徑25微米的特富龍微絲構(gòu)成的微電極陣列，刮去其尖端絕緣漆后，斜剪(阻抗在頻率1kHz時為0.5-1MΩ)，埋置到大腦的嗅覺皮層區(qū)域。刺激電極及記錄微電極陣列通過標準接插件及柔性電纜分別連接到外部采集系統(tǒng)的對應輸出及前置放大器的輸入端；參考電極為固定于動物顱骨上的螺釘；前置放大器的輸出端再連接到數(shù)據(jù)卡的輸入端。
前置放大及濾波電路單路前置放大及濾波電路如圖3所示，多通道由多個獨立的單路構(gòu)成。為了克服動物運動所產(chǎn)生的肌電干擾，前置放大器采用高輸入阻抗，高共模抑制比的差分儀放大器U1A(INA2331)，放大倍數(shù)為5；前置放大器的輸出信號首先經(jīng)過一高通濾波(圖3中U2/A，C2，C3，R3，R4構(gòu)成2階Sallen-Key高通濾波器)；然后，再經(jīng)過一低通濾波(圖3中U2/B，C4，C5，R7，R8構(gòu)成2階Sallen-Key低通濾波器)；系統(tǒng)的通帶范圍為500-10,000Hz，得到較為可靠的神經(jīng)電信號，最后送入數(shù)據(jù)采集卡的輸入端；多臂迷宮為排除動物對迷宮臂內(nèi)空間特性的記憶；4個迷宮臂的形狀完全一致，圖4中的毒品室1-4為向動物一側(cè)設(shè)有孔隙的小室，使放置的毒品向動物一側(cè)擴散；每次訓練后徹底清洗迷宮，消除可能引起嗅覺刺激的因素。迷宮采用黑色有機玻璃設(shè)計，高度0.5m，單臂半徑1m。
數(shù)據(jù)采集卡采用PCI(PCI2006)數(shù)據(jù)采集接口控制卡，任意切換通道，通道增益(1-1000倍)，支持多種觸發(fā)方式，具有14位單32/雙16路400Ksps A/D，12位2路模擬輸出0-10V、±5V、±10V，數(shù)字輸入輸出各16路。運行于PC機上的測控軟件的人機界面軟件采用VC++進行編寫，運行環(huán)境為Windows 2000操作系統(tǒng)，用于刺激參數(shù)設(shè)置，神經(jīng)放電特性的采集，處理及結(jié)果分析控制等。
為完成對動物大腦神經(jīng)電信號的采集，使用本裝置時將刺激微電極及記錄微電極陣列埋置在大鼠大腦嗅皮層，大鼠在其中起到生物(嗅覺)傳感器的作用。埋置前消毒刺激微電極及記錄微電極陣列。參考大鼠腦圖譜，在腦立體定位儀上完成微電極的埋置。刺激電極尖端定位到大鼠的內(nèi)側(cè)前腦束神經(jīng)纖維，記錄電極埋置到嗅覺皮層細胞層。電極通過柔性細導線直接與采集接口部分相連，并在電極附近顱的骨上固定三到四個螺釘(連接參考電極引線)。電極埋置前，消毒微電極，采用牙科水泥固定微電極于顱骨，僅露出接插件。數(shù)據(jù)采集卡負責電刺激脈沖產(chǎn)生及神經(jīng)電信號的采集，通過柔性細導線及接插件連接到神經(jīng)接口電路上。
視覺監(jiān)控系統(tǒng)由CCD攝像機及圖像采集卡構(gòu)成，其中CCD攝像機采用TL-402S(Sony Com.)，其分辨率為480線，觀察視角390，具有很高的靈敏度，最低照度0.05Lux，即使在非常昏暗的光線下也能拍攝到高品質(zhì)的圖像。圖像采集卡選用DH-CG300(DaHeng Image Com.)，它是基于PCI總線，采用PAL制式，分辨率為768×576×24位，采集速率為30幀/秒。CCD攝像機固定于迷宮的上方2.5m，能有效的觀察直徑4m的圓形實驗場地。運行于PC機上的視覺監(jiān)控及人機界面軟件采用VC++6.0進行編寫，運行環(huán)境為Windows2000操作系統(tǒng)，用于對動物在迷宮內(nèi)的行為監(jiān)控，刺激參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析控制等。視覺跟蹤算法采用基于顏色的方法，即首先通過把背景制成與動物顏色有明顯區(qū)分的顏色；在圖像界面上設(shè)定及編輯不同迷宮或感興趣的區(qū)域，設(shè)定實驗參數(shù)；首先對被跟蹤動物圖像的灰度信息進行分析，以得到上下閾值(Tlow，Thigh)；然后對圖像內(nèi)感興趣區(qū)域(跟蹤窗)的象素進行分割(即Tlow≤I(i，j)≤Thigh)，濾去干擾噪聲后，對物體的質(zhì)心進行實時跟蹤；后計量動物運動的速度，加速度，運動距離，運動時間、長度，進入感興趣區(qū)域的次數(shù)及停留的時間，及在不同區(qū)域內(nèi)活動時，神經(jīng)元動作電位的放電頻率，放電時間等電生理特性并對其進行分析。
動物對毒品氣味的強化訓練方法目前行為學的訓練方法通常是基于實物(食物獎賞或懲罰)等來對動物進行訓練；而研究證實動物大腦中存在獎賞中樞，而當電刺激此中樞時，動物可以得到“虛擬”的感覺，具有比實物獎賞更顯著的效果，且沒有依賴性，2002年Nature[2002；41737-38]報道了用此方法對大鼠行為控制的行為模型，此為申請人提供了良好的基礎(chǔ)。首先通過給大鼠負責獎賞的中樞埋置刺激電極；然后隨機在多臂迷宮中某一區(qū)域放置毒品，而只有當大鼠找到毒品時，才給予“虛擬”獎賞電刺激，以強化動物對特征氣味的敏感，同時記錄嗅覺皮層的神經(jīng)電信息，提取其特征模式，以便構(gòu)成訓練數(shù)據(jù)集。
攝像機用于監(jiān)視動物在迷宮的行為，微電極及微電極陣列完成神經(jīng)與外部電子之間的接口，用于產(chǎn)生“虛擬”獎賞及大腦嗅覺皮層放電的記錄。前置放大電路進行電極與大腦之間的阻抗匹配，完成信號的采集；系統(tǒng)采集控制及數(shù)據(jù)處理分析任務由數(shù)據(jù)采集卡及PC完成。
采用本發(fā)明裝置進行毒品檢測方法，分為兩個步驟進行，第一步為訓練階段在迷宮內(nèi)完成，把動物放入迷宮(圖4)中心區(qū)域，毒品隨機放入4個毒品放置室(圖4中1-4)之一，當視覺監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)動物找到毒品時，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口發(fā)送刺激脈沖作用到刺激電極(圖2)，給予內(nèi)側(cè)前腦束電刺激，形成一種“虛擬獎賞”；其刺激參數(shù)(脈沖個數(shù)，脈沖串長度，頻率，強度，極性等)由計算機控制數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)模通道完成。記錄微電極陣列采集嗅覺皮層的腦電信息，經(jīng)過前置放大電路(圖3)，送入數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸入端及微型計算機(PC)中，動物尋找毒品過程的神經(jīng)電模式由PC機軟件進行分析，得到不同嗅覺刺激所對應的特異性腦電特征模式，作為識別特征；通過上述的訓練過程，使動物對毒品的可揮發(fā)成分具有敏感性。第二步動物對毒品的腦電反應檢測階段把動物放入可疑區(qū)域或把可疑物放入迷宮，采集并分析其腦電特征，同上述訓練階段的腦電特征相比較從而檢測出毒品。采集大鼠神經(jīng)電信息進行特征分析，并與訓練數(shù)據(jù)集中的放電模式進行比較，從而檢測并識別出可疑毒品。
權(quán)利要求
1.一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置，其特征在于，該裝置由CCD攝像機、腦立體定位儀、電極、前置放大濾波電路、多臂迷宮及計算機測控及分析系統(tǒng)構(gòu)成；其中計算機測控及分析系統(tǒng)包括圖像采集卡，數(shù)據(jù)采集卡、微型計算機，其中微型計算機內(nèi)設(shè)有視覺監(jiān)控和支持神經(jīng)電信息的采集、電刺激、處理及分析的計算機軟件；電極包括刺激微電極、記錄電極和參考電極，用于采集動物大腦神經(jīng)電信號；刺激電極及記錄微電極陣列通過標準接插件及柔性電纜分別連接到外部采集系統(tǒng)的對應輸出及前置放大器的輸入端；前置放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接；前置放大及濾波電路，包括高共模抑制比的前置差分儀放大器，放大倍數(shù)為5；其輸出信號首先經(jīng)過2階高通濾波器；然后，再經(jīng)過2階低通濾波器；其通帶范圍為500Hz～10000Hz，得到較為可靠的神經(jīng)電信號，最后送入數(shù)據(jù)采集卡的輸入端；多臂迷宮，包括形狀完全一致的4個迷宮臂，向動物一側(cè)設(shè)有孔隙的小室，使放置的毒品向動物一側(cè)擴散，采用黑色有機玻璃設(shè)計，高度0.5m，單臂半徑1m；數(shù)據(jù)采集卡，采用PCI數(shù)據(jù)采集接口控制卡，具有14位單32/雙16路400Ksps A/D，12位2路模擬輸出0-10V、±5V、±10V，數(shù)字輸入輸出各16路；CCD攝像機及圖像采集卡構(gòu)成視覺監(jiān)控系統(tǒng)，CCD攝像機固定于迷宮的上方，用于觀察直徑4m的圓形實驗場地；圖像采集卡采用DH-CG300，它基于PCI總線，采用PAL制式，分辨率為768×576×24位，采集速率為30幀/秒；運行于微型計算機上的視覺監(jiān)控及人機界面軟件采用VC++6.0進行編寫，運行環(huán)境為Windows2000操作系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的CCD攝像機采用TL-402S，分辨率為480線，觀察視角390，最低照度0.05Lux。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的刺激微電極為一直徑50um的不銹鋼金屬絲，其外徑上除尖端部均涂敷有特富龍膜，不銹鋼金屬絲裝入外徑80um的套管內(nèi)，制成同心針刺激電極。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的記錄電極采用16個直徑25微米并涂敷有特富龍微絲，構(gòu)成微電極陣列。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的參考電極為一個用于固定在動物顱骨上的螺釘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于動物嗅覺的毒品檢測裝置，由CCD攝像機、腦立體定位儀、電極、前置放大濾波電路、多臂迷宮，及計算機測控及分析系統(tǒng)構(gòu)成；該裝置根據(jù)動物大腦嗅覺皮層神經(jīng)元電活動，使動物對具有揮發(fā)性的毒品產(chǎn)生特異性記憶，采用多臂迷宮，在不同迷宮臂的小室內(nèi)隨機放入毒品，結(jié)合特異腦區(qū)給予獎賞刺激，強化大鼠對特異嗅覺刺激的記憶；當動物對特異性嗅覺刺激產(chǎn)生具有統(tǒng)計學意義的行為反應時，采集大鼠大腦嗅覺皮層相關(guān)的誘發(fā)腦電信息，輸入計算機，利用分析軟件對其放電模式的特征進行識別和分析，形成訓練數(shù)據(jù)集。并通過計算機對其嗅覺皮層的放電模式進行分析，與測試集的特征性嗅覺刺激的放電模式進行比較，從而檢測并識別出可疑毒品。
文檔編號A61B5/00GK1865996SQ200610042790
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月11日
發(fā)明者王瑩, 宋衛(wèi)國, 魏永長, 牛丹 申請人:西安交通大學