2021, Vol. 38 
2. 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
生物的五感——触觉、嗅觉、视觉、听觉和味觉，分别由皮肤、鼻、眼、耳和舌五种器官生成.其中，嗅觉与其他感觉不同，属于化学感觉，很可能是五种感觉中的第一种感觉，在脊椎动物中，嗅觉调节神经被称为第一对脑神经[1].近期有研究[2]发现，人脑的嗅觉功能会在某些神经退行性疾病的早期，如阿尔兹海默症（Alzheimer's Disease，AD）和帕金森（Parkinson's Disease，PD）等，即出现衰退，所以对嗅觉神经机制的相关研究在认知心理学和神经性退行性疾病早期预警与诊断方面具有重要意义.已有多种方法被应用于嗅觉神经机制相关研究，应用较多的包括嗅觉脑磁图、正电子发射断层成像（Positron Emission Computed Tomography，PET）[3]、嗅觉系统结构成像和嗅觉事件相关电位（Olfactory Event-related Potentials，OERP）[4]等，但对嗅觉相关机制的研究仍停留在表层.近年来，功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）技术因可以显示大脑的神经元活动，并且具有相对较高的空间和时间分辨率，因而被广泛应用于脑区科学研究，给嗅觉神经机制的探索提供了广泛空间[5].
自1994年出现以来，嗅觉fMRI已被用于研究嗅觉功能区定位[6]、不同年龄和性别的嗅觉激活[7]、愉快和不愉快气味的嗅觉、真实和幻想气味的嗅觉、嗅觉功能紊乱、老年呆症嗅觉和帕金森病嗅觉[2]等，并取得了一定成果.但相对于视觉和听觉，嗅觉fMRI实验的精确度、可靠性和重复性较差，直接限制了其在其他领域（例如心理物理学[8]）的广泛应用.这主要是由于嗅觉本质上是一种化学感受，气味分子作用于鼻腔内的受体细胞（嗅细胞）[9]，进而触发连续的神经活动.相对于光、声刺激（视觉、听觉），化学刺激（嗅觉）的刺激时间和强度较难精确掌控.受嗅觉刺激器的限制，现有嗅觉功能研究中的嗅剂刺激强度通常以嗅剂液体浓度表示，而非受试者鼻子处的蒸汽浓度；而且现有嗅觉刺激器尚不能实现气体浓度定量[10].只有少量研究进行了气体浓度测量：Andrieu等[11]采用了气相色谱分析法测定气体浓度；嗅觉刺激多用于模拟人类神经性疾病的动物模型实验以及正常动物的嗅觉功能实验，其中Xu等[12]提出了气相浓度的概念，并通过相同条件下10 min内气味物质的质量下降估算气相浓度，但忽略了嗅剂与溶剂均会挥发，导致气相浓度估值不准；而黄春梅等[13]在嗅觉主观评价方法临床应用分析中肯定了嗅觉的精确测定的重要性.气体浓度定量对排除浓度变量的影响、提高动物和人体嗅觉功能研究的可信度和重复性至关重要，因此发展高精度的嗅觉刺激装置非常必要.
已有的嗅觉刺激器的供气方式为两种，一类为标准化的气味罐，通过设计特定的气体通路进行气体浓度稀释和调节[11]；另一类则采用液体供气的方式，将嗅剂放入洗气瓶中，由气泵供给一定流速的空气，带出含有嗅剂的气体成分传至受试者鼻腔.第一种供气方式可以精确测得气体浓度，但多数嗅剂没有专用气味罐，因此该方法缺乏普适性；第二种方法仅能确定嗅剂液体浓度，无法对导入鼻腔的嗅剂气体浓度进行准确定量，而且受流速、温度、湿度和液体浓度下降等多种因素影响[14]，气体浓度的精确性和稳定性很难保证.国内外已经有一些实验室自行设计搭建了几种自动嗅觉刺激装置，但它们主要是针对各自的研究，测试方法也不尽相同[10, 15].例如：庄柳静[16]在动物实验中采用手动给气方式，通过机械臂移动给大鼠提供嗅剂，但随着机械臂移动，嗅剂会加速挥发，嗅剂气体浓度随之改变，造成实验误差.商用的嗅觉刺激装置有德国Burghart[17]和美国ETT[18]公司生产的少数相关产品，但没有实现气体浓度的定量测量和实时调节.
本实验室刘伟等[19]已搭建的一套嗅觉刺激装置主要包括气路系统和控制系统两个部分.气路系统包括洗气瓶、汇流管和气泵等气路元件；控制系统分为上位机和下位机部分，上位机软件用LabVIEW编写，下位机部分由继电器、电磁阀、数据采集卡和滤波电路等组成.该刺激装置达到了电磁兼容、多路刺激和刺激强度可变的目的，并且实验测得气体流量波动率为0.3%，切换响应时间为1.07 s，系统的稳定性和时间精度较高，能满足嗅觉刺激实验的要求[19]，但在嗅剂气体浓度的精确定量和实时反馈调节等方面未进行探究.本文在实验室已有样机的基础上，开发了一种可实时显示并自动调控气体浓度的新型嗅觉刺激装置，为嗅觉测试及其脑功能研究提供更好的条件.
1 嗅觉刺激器优化设计 1.1 设计方案要求可进行气体浓度定量的嗅觉刺激器应满足以下几个条件：（1）气体浓度检测：嗅觉刺激通常采用标准气罐供气或者由气泵输送空气带动液态嗅剂传送至鼻腔部位，但前者无法提供常用嗅剂，而后者只能保证液体浓度，无法确知鼻腔处嗅剂气体的浓度，而实现气体浓度定量的前提是气体浓度检测；（2）实时调节气体浓度：现有的刺激装置由于装置局限性，难以自由调节嗅剂浓度，在原有装置基础上通过调节气泵流量大小，搭配气体浓度定量模块，即可在上位机上实时调节至所需的实验气体浓度；（3）不引入无关刺激：a. 在嗅剂前端加入U型干燥管，填充活性炭，排除空气中水分及其他固体小颗粒对受试者干扰；b. 切换气路时做到毫秒级，气路通畅对受试者无干扰；c. 实时调节气体浓度时，需调整两路气泵气流量，通过LabVIEW程序控制，保证两路气路气流量总和为3 L/min，不带来无关刺激.
1.2 气体浓度定量方法气体浓度定量方法包括两步：首先实现气体浓度的实时测量，然后进行反馈调节.
气体浓度测定的金标准为气相-液相质谱仪，但其价格高昂，且有许多功能在此并不适用，性价比低；其余气体浓度检测器有半导体式[20]、燃烧式、热导池式、电化学式、近红外式（Non-Dispersive Infrared，NDIR）[21]以及光离子化气体传感器（Photo Ionization Detectors，PID）[22]，其中半导体式、燃烧式精度低，不满足精准测量的需求；而热导池式、电化学式以及NDIR式在选材和制作工艺上要求很高；PID的基本原理是使用紫外灯作为光源将有机物离子化成可被检测到的正负离子，传感器测量正负离子电荷并将其转化为电流信号，电流值经过处理转化为气体浓度（单位：mg/L）.离子被检测后，可重新复合为原来的气体，因此PID属于非破坏性检测器，且精度高、适用范围广，更适用于实验室场景，因此本文采用PID进行气体浓度测量.
刺激器的气体浓度由两个变量控制：嗅剂溶液浓度和气体流速，通过改变气体流速可以实现调节气体浓度的目的，具体调节方法将在控制系统介绍.
1.3 样机搭建 1.3.1 系统设计如图 1和图 2所示，该设备为模块化搭建，分为三个部分：控制系统、反馈系统和气路系统.气路系统包括洗气瓶、汇流管和气泵等气路元件，其目的是产生刺激气体通往被试鼻腔[18].如图 2所示，洗气瓶从左至右编号为1~5.其中，洗气瓶1所在支路用于提供辅助气流，由气泵1持续供气；2、3、4、5四条支路主要作用是提供刺激气流，统一由气泵2供气，两个气泵皆提供可变气流.为了降低气路切换时间，将原有的Cole-Parmer公司的两个二位三通电磁阀改为DELIXI公司的四个二位二通电磁阀；控制系统主要负责控制气路输送和气体浓度反馈调节，主要由上位机（PC）、电磁阀、继电器、数据采集卡和滤波电路等组成；反馈系统主要负责向上位机实时反馈嗅剂气体浓度，并通过上位机控制气泵转速，从而达到调节嗅剂气体浓度的目的.
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图 1 定量嗅觉刺激技术路线图 Fig. 1 Design of quantitative olfactory stimulation |
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图 2 嗅觉刺激装置 Fig. 2 Photo of the olfactory stimulator |
信号控制系统包括上位机和下位机.上位机软件使用LabVIEW软件编写[23]，LabVIEW基于G语言，是图形化编程软件.与其他控制平台相比，LabVIEW的优点在于编程简单、学习周期短、交互便捷，通过NI公司的数据采集卡即可控制常用仪器，提高装置的灵活性[17].
如图 3和图 4所示，上位机软件界面包括两部分：刺激序列呈现界面[19]和气流量控制界面.其中刺激序列呈现界面用来显示刺激序列总进度、刺激物种类和当前刺激进度[19]；气流量控制界面则主要显示不同气泵气流量，为了不引入无关刺激，要求两个气泵供气时气流量总和不变，为调节输送至鼻腔处嗅剂气体浓度ρ，改变洁净空气气流支路气流量S1和嗅剂气流支路气流量S2比例，而气流量S与气泵转速ν呈正比，气泵转速ν与气泵供电电压V呈正比，即以下公式：
| $ \rho \propto \frac{{{S_2}}}{{{S_1} + {S_2}}} \propto \frac{{{\nu _2}}}{{{\nu _1} + {\nu _2}}} \propto \frac{{{V_2}}}{{{V_1} + {V_2}}} \propto \frac{{{V_2}}}{{\rm{C}}} $ | (1) |
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图 4 气流量控制界面 Fig. 4 Interface of gas flow control |
其中，ν1为洁净空气气流支路气泵的转速；ν2为嗅剂气流支路气泵的转速；V1为洁净空气气流支路气泵的供电电压；V2为嗅剂气流支路气泵的供电电压；C为常数.
控制软件设计达到了实时调节嗅剂气体浓度和刺激序列输入、查看的要求.信号控制系统下位机主要由继电器、电磁阀、数据采集卡和滤波电路组成.在原有装置基础上，增加了实时调节气体浓度模块，并且通过将嗅剂通道设置为封闭通道，避免了环境中湿度、气流等无关刺激对受试者的影响.
1.3.3 反馈系统反馈系统主要由PID、上位机、数据采集卡和气泵组成.由PID检测嗅剂气体浓度，传导至上位机，同时根据浓度情况，由上位机控制气泵转速，调节嗅剂气体浓度至设定值.嗅剂气体浓度值读取界面如图 5所示.
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图 5 嗅剂气体浓度值读取界面 Fig. 5 Reading interface of odorant gas concentration |
PID采用英国Alphasense公司的光离子气体传感器PID-AH，其气体浓度探测范围为0~6 000 mg/L. PID向上位机传输数据基于Modbus通信协议，通过LabVIEW软件的Modbus模块采集并显示嗅剂气体浓度.通过反馈系统和控制系统的配合，实现嗅剂气体浓度定量和上位机实时调节嗅剂气体浓度的目的.
2 嗅觉刺激器性能验证 2.1 嗅剂气体浓度稳定性测试 2.1.1 实验材料为了验证基于气体浓度定量的嗅觉刺激器的稳定性能，采用PID对嗅剂气体浓度进行监测.实验试剂采用浓度均大于99%的乙醇（酒香味）、吡啶（刺激性臭味）、乙酸戊酯（果香味）.其中乙醇与吡啶分别使用纯水稀释至体积分数为10%和0.05%；乙酸戊酯采用液体石蜡稀释至体积分数为0.2%[19].三种溶液都存在挥发性，且皆能被PID成功检测.三种气体极少量时，人体吸入不会产生毒害反应[19].
2.1.2 实验设计实验采用组块式设计[19].实验流程如下：采用五段气路，洗气瓶从左至右编号为1~5，分别装有纯水、乙醇、吡啶、乙酸戊酯和纯水，溶液均为20 mL.其中1路纯水作为恒定气路，始终保持通路；2~4路为嗅剂气路，5路为静息气路；2~5路通过上位机控制电磁阀、继电器依次导通进行气体传输.进行以下两组实验：a. 每段气路通气时间为60 s，四段气路依次通气，持续时间为240 s，重复实验5次[19]，记录实验过程中嗅剂的气体浓度；b. 每段气路通气时间为300 s，四段气路持续时间为1 200 s，重复实验5次，记录实验过程中嗅剂的气体浓度.
2.1.3 数据采集及分析通过上位机、嗅觉刺激器配合传输嗅剂气体，采用PID实时测量各嗅剂气体浓度，并记录数据，观察嗅剂气体浓度的变化情况；通过气体浓度下降值判断是否需要调节气体浓度.实验a的5次实验平均结果如图 6(a)所示，实验b的5次实验平均结果如图 6(b)所示.实验a中乙醇试剂曲线平稳，吡啶、乙酸戊酯嗅剂60 s内都有下降趋势.而实验b中，300 s内乙醇气体浓度由118 mg/L下降至110 mg/L，降低6.7%；吡啶气体浓度由14 mg/L下降至4 mg/L，降低71.4%；乙酸戊酯气体浓度由173 mg/L下降至36 mg/L，降低79.2%.由于三种嗅剂液体浓度和挥发性不同，对应的嗅剂气体浓度值及其下降情况也不尽相同，在实际应用中嗅剂气体浓度的变化会大大影响实验结果的精确性和可靠性.
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图 6 (a) 通气60 s，乙醇嗅剂、吡啶嗅剂和乙酸戊酯嗅剂的气体浓度曲线；(b)通气300 s，乙醇嗅剂、吡啶嗅剂和乙酸戊酯嗅剂的气体浓度曲线 Fig. 6 (a) Concentration changes of ethanol, pyridine and amyl acetate odorants within 60 s; (b) Concentration changes of ethanol, pyridine and amyl acetate odorants within 300 s |
实验1用于检测气路切换时间：启动嗅觉刺激器，每段气路依次通气时间为4 s，4段气路持续时间为16 s，重复实验5次.用AWM43600空气流量传感器搭配安捷列MSO7104A示波器记录气路切换时间.
实验2用于测试反馈调节所用时间：由2.1.3节结果可知，随着实验进程，嗅剂气体浓度大幅下降，因此需要进行嗅剂气体浓度调节.当气体浓度下降至目标值的90%时，通过上位机调节嗅剂气流和纯净气流的比例，使气体浓度恢复至目标值，记录其回复至最高值所需时间，重复实验5次.
2.2.2 实验结果气路切换时间的5次实验平均结果记录如表 1所示，通过控制电磁阀导通对嗅剂气路进行切换，每段气路通气4 s，即第一、二、三切换点分别在启动刺激器第4、8、12 s，经计算得气路切换平均耗时为75.2 ms.图 7为实验中切换气路上升沿示波器显示图，示波器电压差对应了气路切换时气流量瞬时变化情况.经过改进，气路切换平均耗时由1.07 s[19]降低至75.2 ms，在临床实验中，毫秒量级的气体切换时间对受试者可忽略不计.切换时间的减少可以降低不同气路切换状态的瞬时时间，减少对后续实验时受试者的无关刺激，提高了嗅觉刺激装置的精度.
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表 1 气路切换时间 Table 1 Time consuming of gas path switching |
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图 7 切换气路时电压差显示图 Fig. 7 Voltage difference display during switching the gas path |
乙醇、吡啶、乙酸戊酯嗅剂气体浓度的目标值分别定为118 mg/L、14 mg/L、173 mg/L.其中乙醇嗅剂300 s内下降6.7%，无需调节；吡啶、乙酸戊酯嗅剂分别在通气103 s、60 s时下降至目标值的90%，经5次实验平均值可得，吡啶、乙酸戊酯由目标值的90%调节至设定值的平均时间均需要13 s，如图 8所示.嗅剂气体浓度反馈调节模块实现了上位机调节嗅剂气体浓度的目的，为后续仪器自动化调节嗅剂气体浓度奠定基础.但进行临床实验时，若要达到实验过程中实时调节，调节时间应保持在毫秒量级.现有仪器受气体传输管道长度和传感器响应时间的限制，反馈调节时间较长，因此暂时只能作为实验间歇期的辅助调节.
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图 8 (a) 吡啶嗅剂和(b)乙酸戊酯嗅剂的气体浓度反馈调节 Fig. 8 Feedback adjustment of olfactory gas concentration for (a) pyridine and (b) amyl acetate odorants |
本文研究证明随着通气时间的延长，通往被试的嗅剂气体浓度发生了明显的下降，特别是吡啶、乙酸戊酯嗅剂气体，在实际应用中会大大影响实验结果的精确性和可靠性.经过改进，气路切换平均耗时由1.07 s[19]下降至75.2 ms，吡啶、乙酸戊酯由目标值的90%调节至目标值均需要13 s.本刺激系统在实时监测气体浓度的同时，可以自动给气、精准定量，并且由于仪器的密闭条件，可排除湿度、温度等外界因素干扰，提高了嗅觉实验的可重复性和可靠性，为将来嗅觉阈值的定义以及嗅觉实验的规范性提供了更多可能.
虽然本文的刺激器自动调节嗅剂气体浓度功能受传感器性能以及气路传输距离等客观因素的影响，调节时间较长，目前不能应用于fMRI动物嗅觉功能研究，但可用于对时间精度要求不高的锰离子增强磁共振功能成像（Manganese-Enhanced Magnetic Resonance Imaging，MEMRI）[24].将来本实验室将致力于提升该设备的气体浓度精确度和缩短浓度调节时间，为fMRI嗅觉脑功能研究和嗅觉功能精准测试提供可靠的设备支持.
利益冲突 无
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