表證患者口腔氣味圖譜特征的電子鼻研究

表證患者口腔氣味圖譜特征的電子鼻研究

嗅覺(jué)是中醫(yī)四種診斷的組成部分，對(duì)中醫(yī)疾病和體征的診斷具有重要意義。然而由于傳統(tǒng)嗅診操作的主觀性和不便性,中醫(yī)嗅診在臨床上難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。近幾十年來(lái),隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,基于先進(jìn)的氣體傳感器陣列技術(shù)的電子鼻逐漸被運(yùn)用于醫(yī)學(xué)嗅覺(jué)診斷上。它不但具有客觀性強(qiáng)、非侵入、無(wú)損傷、操作簡(jiǎn)便快捷等特點(diǎn),更重要的是它獲得的是樣品氣味的整體信息,這與中醫(yī)整體觀念的思想是相符的。因此電子鼻技術(shù)的發(fā)展,可以為嗅診的研究和發(fā)展提供良好的技術(shù)手段。福建中醫(yī)藥大學(xué)客座教授吳青海是傳感器研究專(zhuān)家,在中國(guó)及美國(guó)從事集成電路、傳感器研發(fā)已達(dá)40余年,曾工作于世界傳感器研發(fā)中心凱斯西儲(chǔ)大學(xué)電子設(shè)計(jì)中心(CaseWesternReserveUniversityElectronicDesignCenter,CWRUEDC),近年來(lái)開(kāi)展基于薄膜型氣體傳感器陣列技術(shù)的醫(yī)用電子鼻研究。本課題組運(yùn)用吳青海教授研發(fā)的醫(yī)用電子鼻,進(jìn)行表證患者與健康青年學(xué)生的口腔呼氣的氣味圖譜研究,現(xiàn)將結(jié)果介紹如下。數(shù)據(jù)收集方法結(jié)果1.表1顯示患者口腔呼氣的外觀2.表1和表2顯示了患者在口腔呼氣方面的光譜表證患者口腔氣流的紡粘和表熱證的檢測(cè)結(jié)果能反映現(xiàn)實(shí)病性本研究所采用的電子鼻含有由8個(gè)薄膜型金屬氧化物氣體傳感器組成的傳感器陣列,獲得含有8條不同顏色響應(yīng)曲線的氣味圖譜,每條曲線是陣列內(nèi)每一種傳感器對(duì)同一被測(cè)氣味整體信息的響應(yīng)。每條曲線的振幅是對(duì)氣味反應(yīng)的強(qiáng)度。曲線從快速上升到平穩(wěn)不變所需時(shí)間稱(chēng)上升時(shí)間,這個(gè)時(shí)間越短表示反應(yīng)越快。在氣味去除后,每條曲線開(kāi)始下降,下降的過(guò)程稱(chēng)下降時(shí)間。曲線上升斜率是振幅與上升時(shí)間的比值。本研究采用“振幅”和“上升斜率”兩個(gè)參數(shù)作為電子鼻對(duì)被測(cè)氣味響應(yīng)的特征參數(shù)。前期實(shí)驗(yàn)表明,在健康狀態(tài)下,同一個(gè)體不同時(shí)段的氣味圖譜特征幾乎一致,不同個(gè)體間差異顯著。人體是一個(gè)氣味源。人體氣味的本質(zhì)特征是由遺傳物質(zhì)決定的。同時(shí),人體氣味是由人體在新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的,新陳代謝的變化會(huì)引起人體氣味的改變。本研究采集的是人體口腔呼氣,其氣味主要來(lái)源于口腔氣味、呼吸道呼出的氣味。它們均是揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的復(fù)雜混合物,是構(gòu)成人體氣味的一部分。表證是外邪經(jīng)皮毛、口鼻侵入機(jī)體,正氣抗邪于外的表現(xiàn)。由于外邪襲表,正邪相爭(zhēng)于表,阻遏衛(wèi)氣的正常宣發(fā),體表之氣會(huì)有一定的變化;肺主皮毛,皮毛受邪,內(nèi)應(yīng)于肺,肺氣失宣,鼻咽不利,呼吸之氣也必然會(huì)有所變化。因此,表證患者口腔呼氣的氣味與健康人存在差異。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的角度解釋,由于外邪襲表,機(jī)體的新陳代謝勢(shì)必受到一定的影響,這種影響是免疫細(xì)胞抗原與抗體及細(xì)菌相互作用的結(jié)果?？乖蛩麄兊慕到猱a(chǎn)物能影響常駐細(xì)菌菌群的群落,從而導(dǎo)致人體氣味發(fā)生相應(yīng)的改變。健康狀態(tài)下,人體氣血和調(diào),呼出氣味清淡無(wú)臭。外感表證時(shí),由于外邪侵?jǐn)_,肺衛(wèi)失宣,穢濁排除不利,因此呼出氣味較正常濃烈,或有臭穢。本電子鼻檢測(cè)結(jié)果與臨床表現(xiàn)是一致的。外感表證時(shí),無(wú)論是表寒證還是表熱證,均是外邪襲表,肺衛(wèi)失宣,穢濁排除不利,因此呼出氣味均較正常濃烈。熱為陽(yáng)邪,其性升散,寒為陰邪,其性清冷,臨床觀察顯示,一般氣味臭穢者,多屬實(shí)熱;氣味偏淡或微有腥臭者,多屬虛寒。因此,表熱證患者口腔氣味多較表寒證患者濃烈。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,本電子鼻對(duì)氣味的檢測(cè)結(jié)果能夠反映寒熱病性。綜上所述,本課題組首次運(yùn)用電子鼻技術(shù)采集表證患者和健康青年學(xué)生口腔呼氣的氣味圖譜,進(jìn)行中醫(yī)嗅診研究,研究結(jié)果顯示,本電子鼻對(duì)表證患者口腔呼氣的氣味特征的辨識(shí)及其寒熱病性的判定是較為敏感和準(zhǔn)確的,可以為中醫(yī)嗅診客觀化提供基礎(chǔ)研究,為中醫(yī)病證診斷提供新的工具和手段。但本研究尚屬起步階段,有待于進(jìn)一步深入研究。1.男女大學(xué)生年齡分布2010年9月至2012年1月在福州大學(xué)城各高校,選擇表證患者(青年學(xué)生)114例,男51例,女63例;男生年齡18-24歲,平均年齡為(20.16±1.271)歲;女生年齡18-23歲,平均年齡為(20.13±0.975)歲。同時(shí)選擇健康青年學(xué)生255名,男100名,女155名;男生年齡18-24歲,平均年齡為(20.08±0.971)歲;女生年齡17-23歲,平均年齡為(20.09±0.996)歲。各組性別構(gòu)成及年齡比較,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,提示兩組間具有可比性。2.病例納入標(biāo)準(zhǔn)各觀察對(duì)象均進(jìn)行常規(guī)體檢,內(nèi)容包括身高、體質(zhì)量、口腔健康狀態(tài)、血常規(guī)、肝功、腎功、空腹血糖、血脂、尿常規(guī)等。根據(jù)體檢報(bào)告單,以各項(xiàng)檢查均正常并且依從性良好者作為健康青年學(xué)生的納入標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)女生采集時(shí)間避開(kāi)月經(jīng)期。3.表內(nèi)診斷標(biāo)準(zhǔn)參照全國(guó)高等中醫(yī)藥院校規(guī)劃教材《中醫(yī)診斷學(xué)》中八綱辨證的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行辨證。4.表中的格式(1)患者依從性好,能配合科研工作;(2)所有病例均需兩名主治以上的中醫(yī)師確診。5.表中的排除標(biāo)準(zhǔn)(1)心、腦血管、肝、腎和造血系統(tǒng)等嚴(yán)重原發(fā)性疾病、精神病患者;(2)患者依從性不好而致資料不全或診斷不明者。1.氣室內(nèi)測(cè)量采用吳青海教授研發(fā)的基于第3代薄膜型氣體傳感器陣列技術(shù)的高靈敏度醫(yī)用電子鼻(Nanofilm-EnoseMedical001),其測(cè)量氣室內(nèi)置8個(gè)薄膜型金屬氧化物氣體傳感器組成的傳感器陣列,傳感器分別以A至H命名,其靈敏度可優(yōu)于0.1ppm。當(dāng)氣體通過(guò)傳感器陣列時(shí),8個(gè)傳感器同時(shí)對(duì)同一氣體進(jìn)行探測(cè),產(chǎn)生8條響應(yīng)曲線隨時(shí)間輸出,形成該被測(cè)氣體的特征圖譜,它是樣品中揮發(fā)成分的整體信息。該電子鼻可以直接檢測(cè)人體呼氣,無(wú)需氣味濃縮和任何處理。2.采樣時(shí)間及強(qiáng)度檢測(cè)參數(shù)如下:工作環(huán)境溫度15-35℃,相對(duì)濕度小于70%,樣品量500mL,進(jìn)氣流量200mL/min,采樣時(shí)間150s,延滯時(shí)間350s,采樣間隔時(shí)間600s。3.科研調(diào)查表設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的科研調(diào)查表,為每1例觀察對(duì)象建立檔案。為充分體現(xiàn)中醫(yī)四診信息和辨證思維規(guī)律,本科研調(diào)查表的設(shè)計(jì)涵蓋了姓名、性別、年齡、民族、籍貫等一般情況、身高、體質(zhì)量、體型、生活習(xí)慣、精神情志、疾病史、月經(jīng)史(女)及四診信息等內(nèi)容,力求信息的規(guī)范和統(tǒng)一。其中,四診信息的內(nèi)容設(shè)計(jì)參照“600常見(jiàn)癥狀的辨證意義”。4.科研調(diào)查表信息收集根據(jù)科研調(diào)查表的內(nèi)容,由2位經(jīng)培訓(xùn)的中級(jí)職稱(chēng)以上的中醫(yī)師,按照中醫(yī)傳統(tǒng)四診方法采集調(diào)查表信息,并做好記錄。5.中醫(yī)診斷理論根據(jù)中華中醫(yī)藥學(xué)會(huì)中醫(yī)診斷學(xué)分會(huì)推薦的“常見(jiàn)證診斷標(biāo)準(zhǔn)”,本研究采用證素辨證方法,參照《證素辨證學(xué)》,根據(jù)四診信息在診斷中的權(quán)重,采用積分的方法,判斷證素和中醫(yī)病理要素。一般由2位中級(jí)職稱(chēng)以上的中醫(yī)師分別辨證。6.氣體采集袋要求調(diào)查對(duì)象檢測(cè)前1h禁飲食,禁漱口。采用無(wú)味、帶吸嘴、消毒的一次性氣體采集袋,于采集調(diào)查表信息的當(dāng)日上午8:00-11:00采集口腔呼氣500mL。調(diào)整好電子鼻的工作參數(shù),將氣袋插入電子鼻的導(dǎo)氣管口,緩慢排入氣體,描繪氣味圖譜。7.健康青年學(xué)生圖譜特征選擇8條響應(yīng)曲線的振幅和上升斜率作為曲線特征,提取健康青年學(xué)生的圖譜參數(shù),分析表證患者的圖譜特征,探討圖譜曲線響應(yīng)與機(jī)體內(nèi)外因素的相關(guān)性。8.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件包建立數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)資料用N表示,計(jì)量資料用表示。計(jì)數(shù)資料的比較用χ2檢驗(yàn);計(jì)量資料兩樣本均數(shù)的比較用t檢驗(yàn),多個(gè)樣本均數(shù)的比較用單向方差分析,多重比較采用LSD(方差齊性時(shí))或Dunnett’sT3(方差不齊時(shí))檢驗(yàn)。x-±1.1各學(xué)生響應(yīng)曲線比較見(jiàn)表1。表證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的振幅顯著高于健康學(xué)生(P<0.01),響應(yīng)曲線C、F的振幅與健康學(xué)生比較,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。1.2響應(yīng)曲線b、d、e、g、h的變化見(jiàn)表2。表證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的上升斜率顯著高于健康學(xué)生(P<0.01,P<0.05),響應(yīng)曲線C、F的上升斜率與健康學(xué)生比較,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2.1是否健康學(xué)生的學(xué)習(xí)見(jiàn)表3。表寒證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的振幅顯著高于健康學(xué)生(P<0.05)。表熱證患者的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的振幅顯著高于健康學(xué)生(P<0.01,P<0.05)。表熱證患者的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、H的振幅顯著高于表寒證患者(P<0.05)。2.2生p.05,p,p見(jiàn)表4。表寒證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、G的上升斜率顯著高于健康學(xué)生(P<0.05,P<0.01)。表熱證患者的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的上升斜率顯著高于健康學(xué)生(P<0.01,P<0.05),表熱證患者的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、H的上升斜率顯著高于表寒證患者(P<0.05)。1.煙氣圖式的電子鼻建模技術(shù)電子鼻主要由氣體傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理及模式識(shí)別三大部分組成。其工作原理是利用氣體傳感器陣列獨(dú)特的性能來(lái)探測(cè)氣體/氣味,產(chǎn)生嗅覺(jué)響應(yīng);利用信號(hào)處理技術(shù)將嗅覺(jué)響應(yīng)轉(zhuǎn)換為視覺(jué)響應(yīng),顯示出被測(cè)氣體/氣味的一組隨時(shí)間變化的曲線族。電子鼻能夠從整體上把握氣體/氣味特征,每種(單一或復(fù)雜)氣體/氣味(含其不同的濃度)的響應(yīng)曲線族都有其特征,像每個(gè)人的指紋,獨(dú)一無(wú)二,稱(chēng)為“氣味圖譜”。通過(guò)對(duì)氣味圖譜的分析,把提取的特征參數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別,運(yùn)用一定的算法,最后完成對(duì)氣味/氣體的定性定量辨識(shí)。簡(jiǎn)言之,電子鼻的工作過(guò)程可歸納為:傳感器陣列→預(yù)處理電路→神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種算法→計(jì)算機(jī)識(shí)別。2.氣體傳感器檢測(cè)表證患者口腔部分本研究顯示,表證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應(yīng)曲線A、B、D、E、G、H的振幅和上升斜率均顯著高于健康學(xué)生,說(shuō)明電子鼻氣體傳感器對(duì)表證患者口腔呼氣的響應(yīng)強(qiáng)度和速度,均高于健康人,提示表證患者口腔氣味較健康人發(fā)生了變化,且較健康人氣味濃