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

嗅覺是中醫(yī)四種診斷的組成部分，對中醫(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,隨著傳感器技術(shù)的進步和發(fā)展,基于先進的氣體傳感器陣列技術(shù)的電子鼻逐漸被運用于醫(yī)學(xué)嗅覺診斷上。它不但具有客觀性強、非侵入、無損傷、操作簡便快捷等特點,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家,在中國及美國從事集成電路、傳感器研發(fā)已達40余年,曾工作于世界傳感器研發(fā)中心凱斯西儲大學(xué)電子設(shè)計中心(CaseWesternReserveUniversityElectronicDesignCenter,CWRUEDC),近年來開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。本課題組運用吳青海教授研發(fā)的醫(yī)用電子鼻,進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結(jié)果能反映現(xiàn)實病性本研究所采用的電子鼻含有由8個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)每一種傳感器對同一被測氣味整體信息的響應(yīng)。每條曲線的振幅是對氣味反應(yīng)的強度。曲線從快速上升到平穩(wěn)不變所需時間稱上升時間,這個時間越短表示反應(yīng)越快。在氣味去除后,每條曲線開始下降,下降的過程稱下降時間。曲線上升斜率是振幅與上升時間的比值。本研究采用“振幅”和“上升斜率”兩個參數(shù)作為電子鼻對被測氣味響應(yīng)的特征參數(shù)。前期實驗表明,在健康狀態(tài)下,同一個體不同時段的氣味圖譜特征幾乎一致,不同個體間差異顯著。人體是一個氣味源。人體氣味的本質(zhì)特征是由遺傳物質(zhì)決定的。同時,人體氣味是由人體在新陳代謝過程中產(chǎn)生的,新陳代謝的變化會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、口鼻侵入機體,正氣抗邪于外的表現(xiàn)。由于外邪襲表,正邪相爭于表,阻遏衛(wèi)氣的正常宣發(fā),體表之氣會有一定的變化;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,機體的新陳代謝勢必受到一定的影響,這種影響是免疫細胞抗原與抗體及細菌相互作用的結(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),呼出氣味清淡無臭。外感表證時,由于外邪侵擾,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。本電子鼻檢測結(jié)果與臨床表現(xiàn)是一致的。外感表證時,無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。實驗結(jié)果顯示,本電子鼻對氣味的檢測結(jié)果能夠反映寒熱病性。綜上所述,本課題組首次運用電子鼻技術(shù)采集表證患者和健康青年學(xué)生口腔呼氣的氣味圖譜,進行中醫(yī)嗅診研究,研究結(jié)果顯示,本電子鼻對表證患者口腔呼氣的氣味特征的辨識及其寒熱病性的判定是較為敏感和準確的,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,差異無統(tǒng)計學(xué)意義,提示兩組間具有可比性。2.病例納入標準各觀察對象均進行常規(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)體檢報告單,以各項檢查均正常并且依從性良好者作為健康青年學(xué)生的納入標準。同時女生采集時間避開月經(jīng)期。3.表內(nèi)診斷標準參照全國高等中醫(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.表中的排除標準(1)心、腦血管、肝、腎和造血系統(tǒng)等嚴重原發(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),其測量氣室內(nèi)置8個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)氣體通過傳感器陣列時,8個傳感器同時對同一氣體進行探測,產(chǎn)生8條響應(yīng)曲線隨時間輸出,形成該被測氣體的特征圖譜,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人體呼氣,無需氣味濃縮和任何處理。2.采樣時間及強度檢測參數(shù)如下:工作環(huán)境溫度15-35℃,相對濕度小于70%,樣品量500mL,進氣流量200mL/min,采樣時間150s,延滯時間350s,采樣間隔時間600s。3.科研調(diào)查表設(shè)計設(shè)計統(tǒng)一的科研調(diào)查表,為每1例觀察對象建立檔案。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)計參照“600常見癥狀的辨證意義”。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)的中級職稱以上的中醫(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)會中醫(yī)診斷學(xué)分會推薦的“常見證診斷標準”,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位中級職稱以上的中醫(yī)師分別辨證。6.氣體采集袋要求調(diào)查對象檢測前1h禁飲食,禁漱口。采用無味、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)與機體內(nèi)外因素的相關(guān)性。8.統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件包建立數(shù)據(jù)庫并進行統(tǒng)計分析。實驗數(shù)據(jù)計數(shù)資料用N表示,計量資料用表示。計數(shù)資料的比較用χ2檢驗;計量資料兩樣本均數(shù)的比較用t檢驗,多個樣本均數(shù)的比較用單向方差分析,多重比較采用LSD(方差齊性時)或Dunnett’sT3(方差不齊時)檢驗。x-±1.1各學(xué)生響應(yīng)曲線比較見表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,差異無統(tǒng)計學(xué)意義。1.2響應(yīng)曲線b、d、e、g、h的變化見表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,差異無統(tǒng)計學(xué)意義。2.1是否健康學(xué)生的學(xué)習(xí)見表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、信號預(yù)處理及模式識別三大部分組成。其工作原理是利用氣體傳感器陣列獨特的性能來探測氣體/氣味,產(chǎn)生嗅覺響應(yīng);利用信號處理技術(shù)將嗅覺響應(yīng)轉(zhuǎn)換為視覺響應(yīng),顯示出被測氣體/氣味的一組隨時間變化的曲線族。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,像每個人的指紋,獨一無二,稱為“氣味圖譜”。通過對氣味圖譜的分析,把提取的特征參數(shù)進行模式識別,運用一定的算法,最后完成對氣味/氣體的定性定量辨識。簡言之,電子鼻的工作過程可歸納為:傳感器陣列→預(yù)處理電路→神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種算法→計算機識別。2.氣體傳感器檢測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,說明電子鼻氣體傳感器對表證患者口腔呼氣的響應(yīng)強度和速度,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