表证患者口腔气味图谱特征的电子鼻研究

表证患者口腔气味图谱特征的电子鼻研究

嗅觉是中医四种诊断的组成部分，对中医疾病和体征的诊断具有重要意义。然而由于传统嗅诊操作的主观性和不便性,中医嗅诊在临床上难以发挥应有的作用。近几十年来,随着传感器技术的进步和发展,基于先进的气体传感器阵列技术的电子鼻逐渐被运用于医学嗅觉诊断上。它不但具有客观性强、非侵入、无损伤、操作简便快捷等特点,更重要的是它获得的是样品气味的整体信息,这与中医整体观念的思想是相符的。因此电子鼻技术的发展,可以为嗅诊的研究和发展提供良好的技术手段。福建中医药大学客座教授吴青海是传感器研究专家,在中国及美国从事集成电路、传感器研发已达40余年,曾工作于世界传感器研发中心凯斯西储大学电子设计中心(CaseWesternReserveUniversityElectronicDesignCenter,CWRUEDC),近年来开展基于薄膜型气体传感器阵列技术的医用电子鼻研究。本课题组运用吴青海教授研发的医用电子鼻,进行表证患者与健康青年学生的口腔呼气的气味图谱研究,现将结果介绍如下。数据收集方法结果1.表1显示患者口腔呼气的外观2.表1和表2显示了患者在口腔呼气方面的光谱表证患者口腔气流的纺粘和表热证的检测结果能反映现实病性本研究所采用的电子鼻含有由8个薄膜型金属氧化物气体传感器组成的传感器阵列,获得含有8条不同颜色响应曲线的气味图谱,每条曲线是阵列内每一种传感器对同一被测气味整体信息的响应。每条曲线的振幅是对气味反应的强度。曲线从快速上升到平稳不变所需时间称上升时间,这个时间越短表示反应越快。在气味去除后,每条曲线开始下降,下降的过程称下降时间。曲线上升斜率是振幅与上升时间的比值。本研究采用“振幅”和“上升斜率”两个参数作为电子鼻对被测气味响应的特征参数。前期实验表明,在健康状态下,同一个体不同时段的气味图谱特征几乎一致,不同个体间差异显著。人体是一个气味源。人体气味的本质特征是由遗传物质决定的。同时,人体气味是由人体在新陈代谢过程中产生的,新陈代谢的变化会引起人体气味的改变。本研究采集的是人体口腔呼气,其气味主要来源于口腔气味、呼吸道呼出的气味。它们均是挥发性代谢产物的复杂混合物,是构成人体气味的一部分。表证是外邪经皮毛、口鼻侵入机体,正气抗邪于外的表现。由于外邪袭表,正邪相争于表,阻遏卫气的正常宣发,体表之气会有一定的变化;肺主皮毛,皮毛受邪,内应于肺,肺气失宣,鼻咽不利,呼吸之气也必然会有所变化。因此,表证患者口腔呼气的气味与健康人存在差异。从现代医学的角度解释,由于外邪袭表,机体的新陈代谢势必受到一定的影响,这种影响是免疫细胞抗原与抗体及细菌相互作用的结果。抗原或他们的降解产物能影响常驻细菌菌群的群落,从而导致人体气味发生相应的改变。健康状态下,人体气血和调,呼出气味清淡无臭。外感表证时,由于外邪侵扰,肺卫失宣,秽浊排除不利,因此呼出气味较正常浓烈,或有臭秽。本电子鼻检测结果与临床表现是一致的。外感表证时,无论是表寒证还是表热证,均是外邪袭表,肺卫失宣,秽浊排除不利,因此呼出气味均较正常浓烈。热为阳邪,其性升散,寒为阴邪,其性清冷,临床观察显示,一般气味臭秽者,多属实热;气味偏淡或微有腥臭者,多属虚寒。因此,表热证患者口腔气味多较表寒证患者浓烈。实验结果显示,本电子鼻对气味的检测结果能够反映寒热病性。综上所述,本课题组首次运用电子鼻技术采集表证患者和健康青年学生口腔呼气的气味图谱,进行中医嗅诊研究,研究结果显示,本电子鼻对表证患者口腔呼气的气味特征的辨识及其寒热病性的判定是较为敏感和准确的,可以为中医嗅诊客观化提供基础研究,为中医病证诊断提供新的工具和手段。但本研究尚属起步阶段,有待于进一步深入研究。1.男女大学生年龄分布2010年9月至2012年1月在福州大学城各高校,选择表证患者(青年学生)114例,男51例,女63例;男生年龄18-24岁,平均年龄为(20.16±1.271)岁;女生年龄18-23岁,平均年龄为(20.13±0.975)岁。同时选择健康青年学生255名,男100名,女155名;男生年龄18-24岁,平均年龄为(20.08±0.971)岁;女生年龄17-23岁,平均年龄为(20.09±0.996)岁。各组性别构成及年龄比较,差异无统计学意义,提示两组间具有可比性。2.病例纳入标准各观察对象均进行常规体检,内容包括身高、体质量、口腔健康状态、血常规、肝功、肾功、空腹血糖、血脂、尿常规等。根据体检报告单,以各项检查均正常并且依从性良好者作为健康青年学生的纳入标准。同时女生采集时间避开月经期。3.表内诊断标准参照全国高等中医药院校规划教材《中医诊断学》中八纲辨证的相关内容进行辨证。4.表中的格式(1)患者依从性好,能配合科研工作;(2)所有病例均需两名主治以上的中医师确诊。5.表中的排除标准(1)心、脑血管、肝、肾和造血系统等严重原发性疾病、精神病患者;(2)患者依从性不好而致资料不全或诊断不明者。1.气室内测量采用吴青海教授研发的基于第3代薄膜型气体传感器阵列技术的高灵敏度医用电子鼻(Nanofilm-EnoseMedical001),其测量气室内置8个薄膜型金属氧化物气体传感器组成的传感器阵列,传感器分别以A至H命名,其灵敏度可优于0.1ppm。当气体通过传感器阵列时,8个传感器同时对同一气体进行探测,产生8条响应曲线随时间输出,形成该被测气体的特征图谱,它是样品中挥发成分的整体信息。该电子鼻可以直接检测人体呼气,无需气味浓缩和任何处理。2.采样时间及强度检测参数如下:工作环境温度15-35℃,相对湿度小于70%,样品量500mL,进气流量200mL/min,采样时间150s,延滞时间350s,采样间隔时间600s。3.科研调查表设计设计统一的科研调查表,为每1例观察对象建立档案。为充分体现中医四诊信息和辨证思维规律,本科研调查表的设计涵盖了姓名、性别、年龄、民族、籍贯等一般情况、身高、体质量、体型、生活习惯、精神情志、疾病史、月经史(女)及四诊信息等内容,力求信息的规范和统一。其中,四诊信息的内容设计参照“600常见症状的辨证意义”。4.科研调查表信息收集根据科研调查表的内容,由2位经培训的中级职称以上的中医师,按照中医传统四诊方法采集调查表信息,并做好记录。5.中医诊断理论根据中华中医药学会中医诊断学分会推荐的“常见证诊断标准”,本研究采用证素辨证方法,参照《证素辨证学》,根据四诊信息在诊断中的权重,采用积分的方法,判断证素和中医病理要素。一般由2位中级职称以上的中医师分别辨证。6.气体采集袋要求调查对象检测前1h禁饮食,禁漱口。采用无味、带吸嘴、消毒的一次性气体采集袋,于采集调查表信息的当日上午8:00-11:00采集口腔呼气500mL。调整好电子鼻的工作参数,将气袋插入电子鼻的导气管口,缓慢排入气体,描绘气味图谱。7.健康青年学生图谱特征选择8条响应曲线的振幅和上升斜率作为曲线特征,提取健康青年学生的图谱参数,分析表证患者的图谱特征,探讨图谱曲线响应与机体内外因素的相关性。8.统计学处理采用SPSS19.0统计软件包建立数据库并进行统计分析。实验数据计数资料用N表示,计量资料用表示。计数资料的比较用χ2检验;计量资料两样本均数的比较用t检验,多个样本均数的比较用单向方差分析,多重比较采用LSD(方差齐性时)或Dunnett’sT3(方差不齐时)检验。x-±1.1各学生响应曲线比较见表1。表证患者口腔呼气的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的振幅显著高于健康学生(P<0.01),响应曲线C、F的振幅与健康学生比较,差异无统计学意义。1.2响应曲线b、d、e、g、h的变化见表2。表证患者口腔呼气的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的上升斜率显著高于健康学生(P<0.01,P<0.05),响应曲线C、F的上升斜率与健康学生比较,差异无统计学意义。2.1是否健康学生的学习见表3。表寒证患者口腔呼气的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的振幅显著高于健康学生(P<0.05)。表热证患者的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的振幅显著高于健康学生(P<0.01,P<0.05)。表热证患者的气味图谱响应曲线A、B、D、E、H的振幅显著高于表寒证患者(P<0.05)。2.2生p.05,p,p见表4。表寒证患者口腔呼气的气味图谱响应曲线A、B、D、G的上升斜率显著高于健康学生(P<0.05,P<0.01)。表热证患者的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的上升斜率显著高于健康学生(P<0.01,P<0.05),表热证患者的气味图谱响应曲线A、B、D、E、H的上升斜率显著高于表寒证患者(P<0.05)。1.烟气图式的电子鼻建模技术电子鼻主要由气体传感器阵列、信号预处理及模式识别三大部分组成。其工作原理是利用气体传感器阵列独特的性能来探测气体/气味,产生嗅觉响应;利用信号处理技术将嗅觉响应转换为视觉响应,显示出被测气体/气味的一组随时间变化的曲线族。电子鼻能够从整体上把握气体/气味特征,每种(单一或复杂)气体/气味(含其不同的浓度)的响应曲线族都有其特征,像每个人的指纹,独一无二,称为“气味图谱”。通过对气味图谱的分析,把提取的特征参数进行模式识别,运用一定的算法,最后完成对气味/气体的定性定量辨识。简言之,电子鼻的工作过程可归纳为:传感器阵列→预处理电路→神经网络和各种算法→计算机识别。2.气体传感器检测表证患者口腔部分本研究显示,表证患者口腔呼气的气味图谱响应曲线A、B、D、E、G、H的振幅和上升斜率均显著高于健康学生,说明电子鼻气体传感器对表证患者口腔呼气的响应强度和速度,均高于健康人,提示表证患者口腔气味较健康人发生了变化,且较健康人气味浓