1Departamento de Ingeniera ElectrnicaE.T.S.I. TelecomunicacinUniversidad Politcnica de Madrid

Ingeniera Neurosensorial

Tema 3.4

El olfato y el gusto

Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 2

ndice

Introduccin Fisiologa del olfato y el gusto Patologas del olfato y el gusto El olfato artificial (electrnico) El gusto artificial

2Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 3

Introduccin (I)

Olfato y gusto: parte de sistema sensorial qumico Interpretacin de olores y sabores Determinan la supervivencia diaria de muchas

especies Sentido qumico adicional:

Trigeminal o sentido qumico comn

El olfato es el ms desarrollado Y en comparacin con los otros sentidos?

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Introduccin (II)

Influencia ms all del olor (y el sabor) Estado de nimo Memoria Emociones Eleccin de pareja Sistema inmunitario y endocrino

Percepcin subjetiva (cualitativa y cuantitativa) Necesidad de una nariz y lengua electrnica?

3Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 5

Fisiologa del olfato (I)Qumica de los olores (I)

Olores son mezcla de multitud de molculas Relacin estructura molecular olor Factores determinantes:

Masa molecular (30 a 300 gmol-1) Interacciones internas (carga, tomos, polaridad,

rotacin estructural) Interacciones externas

Estructuras aromticas

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Fisiologa del olfato (II)Qumica de los olores (II)

4Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 7

Fisiologa del olfato (III)Qumica de los olores (III)

Investigacin en prediccin de olor Descripcin algebraica de las caractersticas

moleculares Descripcin cualitativa de las caractersticas

moleculares Simulacin por ordenador: relacin entre molculas

olorosas y sus receptores

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Fisiologa del olfato (IV)Anatoma y procesos qumicos bsicos (I)

Anatoma externa Fosa nasal Estructura anatmica

(hueso y cartlago) Dos conductos

nasales Molculas llegan por

fosas o conexin con cavidad bucal

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Fisiologa del olfato (V)Anatoma y procesos qumicos bsicos (II)

Estimulacin exclusiva a travs de molculas olorosas

Epitelio olfativo (5 cm2) Capa mucosa Neuronas olfativas

ciliadas Con capacidad de

regeneracin!!

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Fisiologa del olfato (VI)Anatoma y procesos qumicos bsicos (III)

6Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 11

Fisiologa del olfato (VII)Anatoma y procesos qumicos bsicos (IV)

En los cilios comienza la transduccin

Molculas olorosas se acoplan a protenas receptoras

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Fisiologa (VIII)Anatoma y procesos ... (V)

7Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 13

Fisiologa del olfato (IX)Anatoma y procesos qumicos bsicos (VI)

Para nosotros, la idea fundamental no es en s el proceso, sino el efecto de amplificacin de la seal

Altsima sensibilidad del sistema olfativo humano

Pero mucho menos que otros mamferos!

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Fisiologa del olfato (X)Procesos neurosensoriales superiores (I)

Los axones de las clulas mitrales constituyen el tracto olfativo que comunica el bulbo olfativo con el crtex olfativo

El crtex olfativo comunica con varias zonas del cerebro: Zonas superiores de procesamiento olfativo

(reconocimiento, discriminacin, percepcin, memoria)

Estructuras lmbicas (respuestas subconscientes, emociones, comportamiento, regulacin hormonal)

8Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 15

Fisiologa del olfato (XI)Procesos neurosensoriales superiores (II)

Receptores olfativos: Aproximadamente 1000 protenas diferentes Cada neurona olfativa slo genera una protena Distribucin aleatoria en el epitelio olfativo Mismos tipos de neuronas olfativas se conectan en

el mismo glomrulo!! Misma disposicin entre distintos sujetos Podemos detectar 100000 olores!! Cmo?

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Fisiologa del olfato (XII)Procesos neurosensoriales superiores (III)

Deteccin de olores: Explicacin relativamente reciente (Noviembre

2001) Combinaciones de activaciones en glomrulos

(mapa) Las excitaciones de cada receptor tambin tienen

correspondencia topolgica en crtex olfativo (mapa)

Procesos relacionados con la memoria y las emociones poco conocidos

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Fisiologa del olfato (XIII)Percepcin cuantitativa (I)

Problema fundamental: Cualidades sensoriales difcilmente medibles (la

concentracin no es un parmetro fiable) Intensidad percibida de olor:

No responde linealmente a concentracin Respuesta tpica sigmoidea Dos umbrales:

Umbral de deteccin 310-6 mg/l (citral)

Umbral de identificacin

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Fisiologa del olfato (XIV)Percepcin cuantitativa (II)

Intensidad percibida de olor: Dos comportamientos de la intensidad percibida:

Aumenta rpidamente con concentracin (notas altas) Bajo rango dinmico, alta volatilidad

Aumenta lentamente con concentracin (notas bajas) Alto rango dinmico, ms duraderos

Investigacin en desventaja frente a otros sentidos Tiempos de reaccin y adaptacin

Proporcionales a concentracin (potencia de) Glndulas del epitelio olfativo limpian

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Fisiologa del gusto (I)Anatoma y procesos qumicos bsicos (I)

Anatoma externa Cavidad bucal Lengua Papilas:

Circunvaladas Foliadas Filiformes Fungiformes

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Fisiologa del gusto (II)Anatoma y procesos qumicos bsicos (II)

Clulas nerviosas sensibles en las yemas gustativas

Tambin ciliadas Conexin del axn con l

crtex cerebral

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Fisiologa del gusto (III)Anatoma y procesos qumicos bsicos (III)

Estimulacin a travs de molculas sabrosas y composicin qumica bsica

Cuatro sabores bsicos: Dulce Salado Amargo Agrio (cido)

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Fisiologa del gusto (IV)Anatoma y procesos qumicos bsicos (IV)

Un quinto sabor: umami Procesos qumicos ms sencillos que en el olfato

cido (H+) Salado (Cl- Na+) Dulce (sacarosa, ...)

Caso especial: glutamato monosdico Complementado con textura, temperatura y, sobre

todo, olfato (70% de la percepcin del sabor)

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Fisiologa del gusto (V)Procesos neurosensoriales superiores

Ms simple que el olfato (muy dependiente de ste)

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Patologas (I)Tipos y causas

Tres tipos genricos: Prdida completa de capacidad de detectar olores o

sabores (anosmia o ageusia) Disminucin de capacidad (hiposmia o hipogeusia) Trastornos en la percepcin (anosmias o ageusias

especficas) Causas:

Infecciones Lesiones en la cabeza Exposicin a productos qumicos

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Patologas (II)Diagnstico y tratamiento

Diagnstico: medida de umbrales de sensibilidad Tratamiento:

Qumico Quirrgico Prtesis?... No por el momento, aunque hay algunos

detectores comerciales que cumplen esa misin

Futuro: Comprensin de la fisiologa y mecanismos

superiores

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El olfato artificial (I)Introduccin (I)

Definicin:

Una nariz electrnica es un instrumento que consiste en un conjunto de sensores electroqumicos con una

especificidad parcial y un sistema adecuado de reconocimiento de patrones, capaz de reconocer

olores simples o complejos.

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El olfato artificial (II)Introduccin (II)

Tiene sentido? Para prtesis? Aplicacin industrial?

Control de calidad alimentos y bebidas Diagnstico mdico Control ambiental Uso militar

Puede aproximarse a la sensibilidad del humano? No por ahora, pero... debera hacerlo?...

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El olfato artificial (III)Historia

Nada antes de 1920 En 1920 postularon primeras teoras (medicin de

carga) Aos 50: Primeros aparato experimentales

(sensores amperomtricos, termistores) Mediados de los 60: sensores de conductividad Aos 80: Concepto de nariz electrnica actual 1991: Primer workshop

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El olfato artificial (IV)Mtodos clsicos (I)

Cromatografa de gases Espectroscopa de masas

(separacin temporal por GC)

(separacin estructural por MS)

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El olfato artificial (V)Mtodos clsicos (II)

Olfatmetros Expertos Problemas:

Caros Lentos Subjetivos

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El olfato artificial (VI)Arquitectura (I)

Tpicamente

Suministro de

material oloroso

Cmaracon array

desensoresqumicos

Adaptacinde seal

de sensores

A/D Anlisis

VisualizacinMuestra

Patrones

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ndice

Introduccin Fisiologa del olfato y el gusto Patologas del olfato y el gusto Repaso + El olfato artificial (electrnico) El gusto artificial

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Repaso

Intro: Sentidos qumicos Supervivencia Mal parado en comparacin con otros sentidos Necesidad olfato electrnico?

Qumica de los olores: Molculas olorosas y caractersticas Relacin estructura-propiedades olorosas

desconocida

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RepasoQumica de los olores

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RepasoFisiologa del olfato (I)

Fisiologa del olfato: Epitelio olfativo, mucosa, neuronas ciliadas Glomrulos y clulas mitrales Crtex olfativo Proceso qumico y elctrico: amplificacin! Mapa de activacin en glomrulos y crtex Percepcin cuantitativa (2 comportamientos)

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RepasoFisiologa del olfato (II)

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RepasoFisiologa del olfato (III)

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RepasoFisiologa del gusto (I)

Fisiologa del gusto: Lengua, papilas gustativas, neuronas ciliadas Proceso qumico: ms sencillo (5 sabores simples) Percepcin del sabor:

Sabor Textura, temperatura Olor

Patologas

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RepasoFisiologa del gusto (II)

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RepasoFisiologa del gusto (III)

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RepasoNariz electrnica (I)

Definicin:

Parecida a biolgica en capacidad? Historia (concepto en los aos 80) Mtodos clsicos (GC, MS, humanos: lentos, caros)

Una nariz electrnica es un instrumento que consiste en un conjunto de sensores electroqumicoscon una especificidad parcial y un sistema adecuado de reconocimiento de patrones, capaz de reconocer

olores simples o complejos.

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RepasoNariz electrnica (II)

Tpicamente

Suministro de

material oloroso

Cmaracon array

desensoresqumicos

Adaptacinde seal

de sensores

A/D Anlisis

VisualizacinMuestra

Patrones

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El olfato artificial (VII)Arquitectura etapas previas (II)

Suministro de material oloroso: Sumamente difcil (evitar contaminacin y alteracin) Manual (el material se inyecta en la cmara)

Errores Lentitud

Automtico (gas inerte portador) Cmara de sensores

Ambiente controlado: Contaminantes, temperatura y humedad (tambin en el olfato

humano) Mecanismo de limpieza

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El olfato artificial (VIII)Arquitectura sensores (III)

Sensores Elemento clave de la nariz electrnica Idealmente basado en comportamiento biolgico ...pero... Nuestro conocimiento es limitado aproximacin

emprica Se usan los sensores disponibles y se modifican de

forma adecuada para cumplir requisitos

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El olfato artificial (IX)Arquitectura sensores (IV)

Requisitos de los sensores: Respuesta y recuperacin (razonablemente) rpidas Margen dinmico adecuado Respuesta lineal a la concentracin (idealmente) Respuesta reproducible Reversibilidad Baja sensibilidad frente a cambios ambientales (temperatura,

humedad, flujo recibido) Bajo coste y pequeo tamao Alta especifidad? ... No es imprescindible ... Basta con que

genere patrn diferenciable

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El olfato artificial (X)Arquitectura sensores (V)

Sensores clasificables por material o principio Tipos de sensores (segn material):

Materiales inorgnicos (semiconductores, xidos metlicos, etc.) [robustos, temperatura]

Materiales orgnicos (polmeros) [ms flexibles, temperatura ambiente]

Materiales biolgicos (enzimas, protenas, anticuerpos, etc.) [difciles de estabilizar]

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El olfato artificial (XI)Arquitectura sensores (VI)

Tipos de sensores (segn principio de deteccin): Medida de propiedades elctricas (corriente, tensin,

capacidad, etc.) Medida de cambios de masa Medida de cambios en las propiedades pticas

(absorcin, fluorescencia, reflectividad, etc.) Otros (electroqumicos, generacin de calor, etc.)

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El olfato artificial (XII)Arquitectura sensores (VII)

Sensores de conductividad (I) La absorcin de gases modifica la conductividad del

material activo: Semiconductor metal xido Polmeros conductores

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El olfato artificial (XIII)Arquitectura sensores (VIII)

Sensores de conductividad metal xido (II) Operan a altas temperaturas (200-400 C) Muy usados y disponibles comercialmente Sensibilidad 5-500 ppm La receta del material activo se disea para mejorar

la respuesta a olores especficos Problemas de deriva y

contaminacin

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El olfato artificial (XIV)Arquitectura sensores (IX)

Sensores de conductividad polmeros (III) Ms verstiles Operan a temperatura ambiente Alta sensibilidad (de 0,1 a 100 ppm) Propiedades no constantes entre partidas Muy sensibles a la humedad Tiempos de recuperacin ms lentos (el gas se

introduce en la muestra)

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El olfato artificial (XV)Arquitectura sensores (X)

Sensores piezoelctricos (I) Usan las propiedades piezoelctricas de los materiales

de soporte (frecuencia de resonancia sumamente estable)

Dos tipos: QCM (quartz crystal micro balance) SAW (surface acoustic wave)

Necesitan tambin material sensible (tpicamente polmeros)

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El olfato artificial (XVI)Arquitectura sensores (XI)

Sensores piezoelctricos QCM (II) Disco resonante con electrodos de metal a cada lado Recubrimiento de polmero Gas se adsorbe en superficie

y modifica masa se modifica la frecuencia

de resonancia Ej: fo = 10 MHz y Dm = 0,01%

Df = 1 KHz Uso inicial militar

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El olfato artificial (XVII)Arquitectura sensores (XII)

Sensores piezoelctricos QCM (III) Lineales en un amplio rango Detecta cambios de masa entre 1 ng. y 1 pg. Recuperacin se consigue con gas de referencia Insensibles a cambios en la temperatura Insensibles a cambios entre partidas (se mide la

frecuencia normalizada de cambio)

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El olfato artificial (XVIII)Arquitectura sensores (XIIII)

Sensores piezoelctricos SAW (IV) Se genera una onda

de superficie en unextremo que llegaal opuesto con undeterminado cambiode fase (funcin delgas adsorbido)

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El olfato artificial (XIX)Arquitectura sensores (XIV)

Sensores piezoelctricos SAW (V) Frecuencias mayores que en QCM (100 MHz) Igual capacidad de deteccin pero mayores cambios en

frecuencia Ms baratos de fabricar que los QCM

En general, los sensores piezoelctricos: Tienen problemas de ruido en funcin de la relacin

superficie-volumen Electrnica de deteccin ms compleja

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El olfato artificial (XX)Arquitectura sensores (XV)

Sensores basados en MOSFET (I) Estructuras Metal-xido-Semiconductor La puerta metlica

es la usada para deteccin (metalcatalizador)

Modificacin delas propiedadeselctricas delMOSFET

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El olfato artificial (XXI)Arquitectura sensores (XVI)

Sensores basados en MOSFET (II) Molculas olorosas reaccionan con el metal catalizador Escasez de materiales sensores Deteccin de algunas ppm Ventaja: Integracin en fabricacin de Ics Variaciones con el tiempo similares a los dispositivos

basados en conductividad

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El olfato artificial (XXII)Arquitectura sensores (XVII)

Sensores pticos (I) Se utilizan fibras pticas y

se miden cambios en propiedades pticas por la presencia de materialesqumicamente activos

Material activo contiene pigmentos cuya polaridad se altera al interaccionar con las molculas olorosas

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El olfato artificial (XXIII)Arquitectura sensores (XVIII)

Sensores pticos (II) Existen multitud de pigmentos usados en investigacin

biolgica sensores baratos Deteccin de ppb Insensibles a interferencias elctricas Reducido tamao Complejidad de la instrumentacin de medida Tiempo de vida de los pigmentos limitado

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El olfato artificial (XXIV)Arquitectura sensores (XIX)

Otros sensores Electroqumicos (oxidacin y reduccin del gas) Deteccin de calor (se mide la concentracin del

combustible detectando el incremento de temperatura en un proceso de oxidacin)

Sensores biolgicos Basados en micropalancas

Arrays de sensores: Ventaja: mayor rango ambiental y de sustancias Desventaja: mayor complejidad del sistema

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El olfato artificial (XXV)Arquitectura sensores (XX)

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El olfato artificial (XXVI)Arquitectura sensores (XXI)

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El olfato artificial (XXVII)Arquitectura sensores (XXII)

Ejemplo de salida de un array de 8 sensores

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El olfato artificial (XXVIII)Arquitectura sensores (XXIII)

Sensores del futuro Biolgicos? Necesitamos ms conocimiento de los procesos

olfativos biolgicos Aproximacin fuertemente pluridisciplinar

(bioqumica, biologa, fisiologa, biosensores, procesado de seales, reconocimiento de patrones, etc.)

Sistemas hbridos electrnicos y biolgicos

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El olfato artificial (XXIX)Arquitectura acondicionamiento y A/D

Adaptacin de seal de sensores Filtrado Disminucin de ruido Amplificacin

Conversin A/D Requisitos de frecuencia de muestreo Tamao de muestra

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El olfato artificial (XXX)Arquitectura - anlisis (I)

Identificacin del olor y cuantificacin Proceso digital de seal Reconocimiento estadstico de patrones

Slo el preproceso depende del sensor

Array de sensorestiempo

resp

ues

ta

Preproceso deseal

f1

f 2

Reduccin deDimensionalidad(parametrizacin)

?Toma de

decisiones

Adaptacin y realimentacin

Medidasdirectas

Medidasnormalizadas

f1

f 2

olor 1

olor 2

olor 3

Clasificacin

Vector decaractersticas

Clase de olor(medida de confianza)

Clase de olorPost-procesada

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El olfato artificial (XXXI)Arquitectura - anlisis (II)

Preproceso: Compensa desviaciones de los sensores Manipulacin de las salidas de los sensores Normalizacin Compresin de los transitorios Muy dependiente del sensor y de la

etapa previa de acondicionamientotiempo

resp

ues

ta

Preproceso deseal

Medidasdirectas

Medidasnormalizadas

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El olfato artificial (XXXII)Arquitectura - anlisis (III)

Extraccin de parmetros (I): Reduccin de dimensionalidad Extraccin de informacin relevante (eliminacin de

redundancia) Tpicamente se aplican

transformaciones lineales Tambin no lineales:

Transformaciones de Sammon Mapas de Cohonen

f1

Reduccin deDimensionalidad(parametrizacin)

f 2

Medidasnormalizadas

Vector decaractersticas

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Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 69

El olfato artificial (XXXIII)Arquitectura - anlisis (IV)

Extraccin de parmetros (II): Transformaciones lineales tpicas:

Anlisis de componentes principales (PCA: Principal Component Analysis) busca componentes de mayor varianza No tiene en cuenta etiquetas

Anlisis discriminante lineal(LDA: Linear discriminant analysis) busca proyecciones que maximizan la distancia entre

muestras de clases distintas

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El olfato artificial (XXXIV)Arquitectura - anlisis (V)

Clasificacin: Etapa previa de entrenamiento Mtodos clsicos:

Clasificacin bayesiana Construye fdp

K vecinos ms prximoc (KNN: K Nearest Neighbours) Calcula los ms prximos y decide

por mayora Redes neuronales (NN: Neural networks)

Medida de confianza f1olor 1

olor 2

olor 3

Clasificacin

Vector decaractersticas

f 2

Clase de olor(medida de confianza)

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El olfato artificial (XXXV)Arquitectura - anlisis (VI)

Toma de decisiones: Refinamiento de la decisin Si se dispone de informacin adicional:

Umbrales de confianza Coste asociado a los errores Etc.

Puede llegar a cambiar la decisin previae incluso determinar la no pertenenciade la muestra al repertorio de posibles

?Toma de

decisiones

Clase de olor(medida de confianza)

Clase de olorPost-procesada

Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 72

El olfato artificial (XXXVI)El olfato en un chip

SOC: System On Chip Integracin de elementos

electrnicos, qumicos y electromecnicos

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El olfato artificial (XXXVII)Aplicaciones (I)

Industria alimentaria Aplicaciones mdicas Industria farmacutica Monitorizacin ambiental y seguridad Militares Industria perfumera

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El olfato artificial (XXXVIII)Aplicaciones (II)

Industria alimentaria: El mayor mercado para la nariz electrnica Evaluacin de calidad Control de procesos de preparacin de alimentos Control de fermentacin Chequeo de frescura y control de caducidad Graduacin de bebidas alcohlicas Clasificacin de cafs, cervezas, licores, etc. Sustitucin de paneles de expertos (comparacin con

productos de referencia)

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El olfato artificial (XXXIX)Aplicaciones (III)

Industria alimentaria: Ejemplo de identificacin de cafs

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El olfato artificial (XL)Aplicaciones (IV)

Aplicaciones mdicas: Herramienta diagnstica (olores corporales):

Aliento Heridas Fluidos (sudor, orina, etc.)

Teleciruga?...

Industria farmacutica: Anlisis de materias primas de entrada Deteccin de contaminantes en reas de almacenamiento y

distribucin Determinacin de fuentes de olores desagradables

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El olfato artificial (XLI)Aplicaciones (V)

Monitorizacin ambiental y seguridad Desechos qumicos y nucleares necesidad de

identificacin de contaminantes Fugas de combustible Calidad del agua Calidad del aire Olores domsticos Monitorizacin de emisiones industriales Deteccin de explosivos y drogas

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El olfato artificial (XLII)Aplicaciones (VI)

Aplicaciones militares y espaciales Deteccin de agentes biolgicos y qumicos Deteccin de minas y explosivos abandonados Control ambiental en naves espaciales

Industria perfumera Identificacin de olores esenciales Evaluacin de fragancias Control de calidad

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El olfato artificial (XLIII)Sistemas comerciales (I)

E-nose Pico 2

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El olfato artificial (XLIV)Sistemas comerciales (II)

estcal.com y JPL

http://www.estcal.com/Products.html

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Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 81

El olfato artificial (XLV)Sistemas comerciales (III)

Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 82

El olfato artificial (XLVI)Sistemas comerciales (IV)

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Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 83

El olfato artificial(XLVII)Sistemas comerciales (V)

Ingeniera Neurosensorial. El olfato y el gusto 84

El olfato artificial (XLVIII)Sistemas comerciales (VI)

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El olfato artificial (XLIX)Ventajas e inconvenientes

Ventajas frente a la nariz biolgica: Genera una salida cuantitativa Es fcil de automatizar Puede usarse en anlisis en tiempo real Humanos entrenados son caros y su respuesta vara Productos qumicos peligrosos

Inconvenientes Sensibilidad a variaciones ambientales Reproducibilidad de resultados (deriva)

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El olfato artificial (L)Necesidades

Concentracin de la muestra sin prdida de olor Arrays ms sensibles para aplicaciones especiales Sistemas 100 veces mejores en los polmeros conductores

podran permitir una nariz artificial porttil equivalente a la humana

Sistemas de 10 a 100 veces ms rpido en tiempo de recuperacin que los actuales para aplicarse en muchas aplicaciones de mucho volumen.

Desviaciones menores del 5% en su tiempo de vida as como de una partida a otra

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El gusto artificial (I)Introduccin

Mismos principios que para el olfato artificial Diferencias:

Medio lquido Sustancias y fenmenos qumicos

Menos importantes que el olfato (desde el punto de vista de su potencia discriminativa)

Trabajos orientados a la fusin sensorial

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El gusto artificial (II)Aplicaciones y productos comerciales (I)

Deteccin de cualidades de vinos, agua mineral

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El gusto artificial (III)Aplicaciones y productos comerciales (II)

Array de centenares de sensores Cambios en el color de los

sensores Procesamiento de la imagen

para identificacin

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Filosofa

Hacen falta los sentidos para el aprendizaje? (HelenKeller)

Cuntos?... Fusin sensorial (por ahora slo aplicado a comida y

bebida). Olor a miedo huelen las emociones? Olores y memoria: Terapia olorosa? Aprendizaje de olores (bebs) Eleccin de pareja

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Preguntas ?