基于呼出氣體檢測(cè)口臭等級(jí)的電子鼻研究*

張 濤，薛瑩瑩，陳遠(yuǎn)濤，熊憶舟，于偉杰，張鈞煜，萬(wàn) 浩，張若彤，葉 瑋，王 平*

(1.浙江大學(xué)生物傳感器國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生儀學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院，上海 200011)

口臭是指從口腔中散發(fā)出的令人不愉快或令人討厭的氣味，嚴(yán)重影響個(gè)人的社交活動(dòng)[1]。已有研究表明，口臭的發(fā)病率在30%以上[2]，多達(dá)85%的病例是由牙周炎、牙齦炎或厚舌苔等口源性因素導(dǎo)致[3]。當(dāng)口腔衛(wèi)生或健康狀況出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，革蘭氏陰性菌等厭氧細(xì)菌會(huì)大量增殖，通過(guò)分解含硫氨基酸產(chǎn)生揮發(fā)性含硫化合物(Volatile Sulfur Compounds，VSCs)導(dǎo)致口臭[4]。其中硫化氫和甲硫醇作為口源性口臭的標(biāo)志物已經(jīng)被逐漸地應(yīng)用于臨床上對(duì)口臭的評(píng)估[5]，因此檢測(cè)口腔內(nèi)這兩種揮發(fā)性硫化物的種類和濃度，對(duì)口臭的診斷及進(jìn)一步治療有重要的意義。

當(dāng)前口臭的診斷方法主要包括感官評(píng)分法，氣相色譜法，便攜式氣相色譜儀和便攜式硫化物檢測(cè)儀等[6]。其中感官評(píng)分法是利用人的嗅覺(jué)器官-鼻子來(lái)評(píng)價(jià)口臭的強(qiáng)度，被認(rèn)為是口臭檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的為20世紀(jì)90年代Rosenberg提出的0~5分制感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，將口臭嚴(yán)重程度分為了6個(gè)等級(jí)[7]。但由于不同個(gè)體甚至是同一個(gè)體在不同狀態(tài)下嗅覺(jué)敏感度是有差異的，因此就有必要對(duì)辨嗅員進(jìn)行培訓(xùn)，以達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。氣相色譜法能對(duì)口腔呼出氣體中的VSCs進(jìn)行定性和定量分析，適用于需要精確知道VSCs種類和濃度的場(chǎng)合，但因設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，在臨床上的應(yīng)用并不常見(jiàn)。便攜式氣相色譜儀“Oral Chroma”以空氣作為載氣，能同時(shí)測(cè)量硫化氫、甲硫醇和二甲基硫三種硫化物的濃度；便攜式硫化物檢測(cè)儀“Halimeter”只能測(cè)量出口腔中VSCs的總濃度，無(wú)法區(qū)分硫化物的種類。作為商用的口臭診斷儀器，便攜式氣相色譜儀和硫化物檢測(cè)儀因?yàn)閮r(jià)格較高、便攜性差等因素，其使用范圍只能局限于口腔門(mén)診。

口臭會(huì)對(duì)個(gè)人形象帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響，而不少口臭患者卻沒(méi)有意識(shí)到自己患有口臭。隨著人們社交活動(dòng)越來(lái)越頻繁，設(shè)計(jì)一種具有個(gè)人或家庭使用前景的口臭標(biāo)志物檢測(cè)及口臭等級(jí)判別的電子鼻具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究利用氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Gas Chromatography-Mass Spectroscopy，GC-MS)建立了基于口腔呼出氣體中VSCs檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，分析了GC-MS測(cè)量結(jié)果與感官評(píng)分的關(guān)系并確定了不同感官評(píng)分間的VSCs濃度閾值。并以GC-MS的檢測(cè)結(jié)果作為傳感器篩選的前提，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套用于口臭標(biāo)志物定量檢測(cè)及口臭等級(jí)判別的電子鼻系統(tǒng)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用的材料及儀器包括:100 mL Tedlar采樣袋，GC-MS(QP2010 Plus，島津，日本)，GS-GasPro色譜柱(30 m×0.32 mm，安捷倫，美國(guó))，氣密性進(jìn)樣針(1 mL，島津，日本)，配氣儀(Gas Blender 100 Series，MCQ Instruments，意大利)，硫化氫標(biāo)準(zhǔn)氣體(1.06×10-7mol/mol)，甲硫醇標(biāo)準(zhǔn)氣體(1.04×10-7mol/mol)，二甲基硫標(biāo)準(zhǔn)氣體(1.0×10-7mol/mol)，高純氦氣(99.999%)，標(biāo)準(zhǔn)空氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 口腔檢查

口腔檢查過(guò)程在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔預(yù)防科進(jìn)行。受試者的入選標(biāo)準(zhǔn)為:①未患有全身系統(tǒng)性疾病的成年就診者；②受試前三個(gè)月未進(jìn)行牙周治療，包括預(yù)防性潔治、齦下刮除和牙周手術(shù)；③受試前兩周內(nèi)沒(méi)有抗生素服用史。所有受試者在接受檢查前未使用嗽口水、抽煙、飲酒及食用洋蔥、大蒜等辛辣食物，口腔檢查過(guò)程在上午8:30~12:00間進(jìn)行。

牙科醫(yī)生對(duì)入選標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的就診患者進(jìn)行了口腔健康檢查和感官評(píng)分。口腔健康檢查主要查看受試者是否患有牙齦炎、牙周炎或厚舌苔。感官評(píng)分由訓(xùn)練有素的辨嗅員對(duì)受試者的口臭等級(jí)作出評(píng)價(jià)，操作步驟為:受試者口含長(zhǎng)度為10 cm的一次性醫(yī)用無(wú)菌吸管的一端，吸管的另一端穿過(guò)屏風(fēng)中間的小孔到達(dá)辨嗅員鼻前約2 cm~3 cm處。測(cè)試時(shí)受試者先緊閉雙唇1 min，然后緩慢呼氣，辨嗅員根據(jù)聞到的氣味給出感官評(píng)分。采用0~5分制感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)口臭嚴(yán)重程度進(jìn)行等級(jí)量化:0分表示無(wú)口臭；1分表示幾乎沒(méi)有明顯的口臭；2分表示輕微但能明顯聞到的口臭；3分表示中等程度的口臭；4分表示強(qiáng)烈的口臭；5分表示非常難聞的口臭。

1.2.2 口氣樣本采集及GC-MS檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程

Tedlar采樣袋在使用前經(jīng)過(guò)了老化處理，以消除背景對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響?？跉鈽颖静杉瘯r(shí)首先將一次性無(wú)菌特氟龍管的一端與Tedlar采樣袋的進(jìn)氣口連接，受試者口含特氟龍管的另一端并緊閉嘴唇30 s，然后緩慢打開(kāi)采樣袋的閥門(mén)，受試者平穩(wěn)呼吸，通過(guò)特氟龍管向采樣袋內(nèi)緩慢呼氣，待收集滿100 mL口氣樣本后立即關(guān)閉采樣袋的閥門(mén)。一個(gè)成人每次呼吸會(huì)排出約500 mL氣體，其中前150 mL氣體是來(lái)自上呼吸道和鼻咽，后350 mL氣體來(lái)自肺部[8]，因此采集到的100 mL口氣樣本基本不會(huì)受到肺泡氣的干擾。每個(gè)采樣袋上會(huì)注明該患者的就診信息及感官評(píng)分。

檢測(cè)時(shí)GC柱溫箱的起始溫度設(shè)置為80℃，以40℃/min的升溫速率將柱箱溫度升至220℃，并在該溫度下保持2 min；采用分流進(jìn)樣方式，分流比設(shè)置為4，進(jìn)樣口的溫度設(shè)置為100℃；流量控制方式設(shè)置為恒壓模式，柱流量設(shè)置為2.59 mL/min，吹掃流量設(shè)置為3 mL/min。MS離子源的溫度設(shè)置為200℃，接口溫度設(shè)置為250℃，轟擊電子能量設(shè)置為70 eV；采用SIM模式進(jìn)行檢測(cè)，硫化氫、甲硫醇和二甲基硫的定量離子分別為m/z＝34、m/z＝47和m/z＝62，整個(gè)檢測(cè)程序的運(yùn)行時(shí)間為5.5 min。

氣體樣本進(jìn)行分析時(shí)首先將容量為1 mL的氣密性進(jìn)樣針扎進(jìn)采樣袋，來(lái)回推拉進(jìn)樣針的活塞3次，以去除死腔氣體；然后抽取1 mL樣本，迅速轉(zhuǎn)移至GC進(jìn)樣口，勻速推擠活塞直至全部氣體進(jìn)入GC中；最后點(diǎn)擊GC面板的“Start”按鈕后儀器便開(kāi)始分析。從總離子流圖(圖1)中可知硫化氫、甲硫醇和二甲基硫的保留時(shí)間分別為1.50 min、3.05 min和4.85 min。

圖1 硫化氫、甲硫醇和二甲基硫的總離子流圖

采用外標(biāo)法對(duì)口氣樣本中的VSCs進(jìn)行定量分析，三種硫化物的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示，由圖可知標(biāo)準(zhǔn)曲線具有良好的線性度(R2>0.995)。對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行回收率和精密度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示三種硫化物的回收率在92%~97%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)<6%，表明本文所建立的使用GC-MS對(duì)口氣樣本中的硫化氫、甲硫醇和二甲基硫進(jìn)行定量檢測(cè)的方法是可行的。

圖2 硫化氫、甲硫醇和二甲基硫的標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 臨床結(jié)果分析

2.1 臨床樣本統(tǒng)計(jì)

本文研究時(shí)共采集了102例臨床樣本，詳細(xì)信息如表1所示。

表1 臨床樣本的基本信息

102例患者口氣中的VSCs濃度(硫化氫、甲硫醇和二甲基硫的濃度和)分布在2×10-9~2 569×10-9之間，濃度值的中位數(shù)和四分位間距分別為159×10-9和277×10-9，感官評(píng)分范圍在0~4分之間，共5個(gè)等級(jí)。

感官評(píng)分是基于口腔呼出氣體中VSCs及其他致臭氣體給人嗅覺(jué)系統(tǒng)造成不愉悅程度的一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。已有研究表明，沒(méi)有一種純粹的氣體具有口臭的特征，實(shí)際的口腔異味由多種氣味分子組成，產(chǎn)生主要和次要的氣味[9]。進(jìn)一步地，采用Spearman相關(guān)分析法對(duì)GC-MS的測(cè)量結(jié)果與感官評(píng)分之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知GC-MS測(cè)量的硫化氫、甲硫醇以及VSCs濃度均與感官評(píng)分呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而二甲基硫濃度與感官評(píng)分之間不具有顯著相關(guān)性(P>0.05)。VSCs為三種硫化物的濃度和，若以VSCs*表示硫化氫和甲硫醇的濃度和，其與感官評(píng)分的相關(guān)系數(shù)明顯大于VSCs與感官評(píng)分的相關(guān)系數(shù)，表明口腔中存在的二甲基硫不是導(dǎo)致口臭的主要因素，因此可以將硫化氫和甲硫醇的濃度和作為評(píng)價(jià)口臭嚴(yán)重程度的指標(biāo)。此外，硫化氫濃度與感官評(píng)分的相關(guān)系數(shù)大于甲硫醇濃度與感官評(píng)分的相關(guān)系數(shù)，表明硫化氫是比甲硫醇更為關(guān)鍵的致臭氣體。

表2 GC-MS測(cè)量的各指標(biāo)與感官評(píng)分相關(guān)性分析

2.2 不同感官評(píng)分間的VSCs濃度閾值

本文采用受試者工作曲線分析方法確定不同感官評(píng)分間的VSCs濃度閾值。受試者工作曲線(Receiver Operating Characteristic Curve，簡(jiǎn)稱ROC曲線)又稱為ROC曲線，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究中以評(píng)估診斷的準(zhǔn)確性。在二分類問(wèn)題(例如“有病”或“無(wú)病”)中，診斷測(cè)試的決定通?；谀硺?biāo)記物是否超過(guò)閾值。對(duì)于未患病的個(gè)體，診斷測(cè)試可能給出陽(yáng)性結(jié)果，而對(duì)于患病的個(gè)體則可能給出陰性結(jié)果，靈敏度定義為患病個(gè)體被正確預(yù)測(cè)為患有疾病的概率，特異性定義為未患病個(gè)體能被正確預(yù)測(cè)為陰性的概率。這些概率隨標(biāo)記物閾值的變化而改變，ROC曲線針對(duì)所有可能的閾值繪制出靈敏度和1-特異度曲線，并通過(guò)ROC曲線下面積(AUC)來(lái)評(píng)估診斷效果[10]。當(dāng)AUC＝0.5時(shí)，表示診斷結(jié)果與隨機(jī)猜測(cè)一樣，沒(méi)有價(jià)值；當(dāng)0.50.9時(shí)，表示診斷效果極好。AUC面積衡量的是所有診斷閾值的靈敏度和特異度，但是無(wú)法提供診斷所需的最佳閾值，臨床上通常將約登指數(shù)(Youden’s Index，YI＝靈敏度＋特異性-1)最大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為最佳診斷閾值，此處?kù)`敏度與特異性之和最大[11]。

定義變量n和m，其中n表示感官評(píng)分值，m＝(2n＋1)/2。前面的分析已經(jīng)表明二甲基硫不是導(dǎo)致口臭的關(guān)鍵因素，因此后面提到的VSCs僅代表硫化氫和甲硫醇的濃度和。使用ROC曲線分析方法確定感官評(píng)分n分和n＋1分間的VSCs濃度閾值時(shí)，將102個(gè)臨床樣本中感官評(píng)分值小于m的樣本定義為一類，大于m的定義為另一類。例如確定感官評(píng)分0分和1分間的VSCs濃度閾值時(shí)，將評(píng)分為0分的樣本定義為一類，感官評(píng)分為1~4分的樣本定義為另一類，在ROC曲線上通過(guò)尋找約登指數(shù)最大的點(diǎn)來(lái)確定最佳的濃度閾值。由圖3可知采用ROC曲線分析方法對(duì)GC-MS測(cè)量的VSCs濃度值進(jìn)行閾值劃分時(shí)，ROC曲線均在參考線上方且AUC有意義(P<0.05)。除了在確定感官評(píng)分為2分和3分間的閾值時(shí)AUC小于0.8，在其余三個(gè)閾值處都表現(xiàn)出了較高的診斷價(jià)值，尤其是在確定3分和4分間的閾值時(shí)其AUC大于0.9，表現(xiàn)出了極好的診斷價(jià)值。表3列出了不同感官評(píng)分間的VSCs濃度閾值。

圖3 不同感官評(píng)分間VSCs濃度閾值的ROC曲線分析結(jié)果

由于感官評(píng)分的評(píng)價(jià)主體是人，即便辨嗅員經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練，在評(píng)價(jià)口臭的嚴(yán)重程度時(shí)仍存在一定主觀性，尤其是對(duì)0分和1分的評(píng)估容易互相交叉。從Rosenberg量表的描述來(lái)看，0分和1分給嗅覺(jué)系統(tǒng)帶來(lái)的感受幾乎沒(méi)有區(qū)別，因此臨床上通常將感官評(píng)分為0分和1分的患者定義為無(wú)口臭，感官評(píng)分大于1分的患者定義為有口臭。按照本文的分析結(jié)果(表3)，如果測(cè)量的VSCs濃度超過(guò)155×10-9時(shí)，那么可以認(rèn)為該患者患有口臭，這一閾值非常接近Halimeter生產(chǎn)廠商提供的診斷口臭的閾值(110×10-9)。

表3 不同感官評(píng)分間VSCs濃度閾值的診斷效果

3 電子鼻系統(tǒng)

3.1 電子鼻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由前面分析可知口臭患者呼出氣體中VSCs濃度在ppb級(jí)別，因此對(duì)傳感器的檢測(cè)下限、靈敏度、分辨率和特異性有極高的要求。導(dǎo)致口臭的關(guān)鍵惡臭氣體為硫化氫和甲硫醇，對(duì)二元混合氣體的定量分析，至少需要兩個(gè)氣敏特性不同的氣體傳感器[12]，因此本文選擇一個(gè)硫化氫和一個(gè)甲硫醇電化學(xué)傳感器組成傳感器陣列。電子鼻通過(guò)特氟龍接口與Tedlar采樣袋的進(jìn)氣口連接，并通過(guò)電磁閥控制氣路的切換實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和清洗。電子鼻系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 電子鼻系統(tǒng)的軟硬件流程圖

恒電位電路使電化學(xué)傳感器的參比電極與對(duì)電極保持固定的壓差，以提高傳感器的選擇性及輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。傳感器與痕量的硫化氫或甲硫醇發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧化電流，經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路后被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)放大和濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理。微處理器的ADC將經(jīng)過(guò)調(diào)理的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)串口發(fā)送到PC端的數(shù)據(jù)采集軟件，至此便能獲取電子鼻的輸出響應(yīng)譜圖。呼吸譜圖是一系列傳感器響應(yīng)的結(jié)果，電子鼻經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后可以通過(guò)模式識(shí)別算法對(duì)呼出氣體中的VSCs進(jìn)行定性和定量分析。

由于本文對(duì)痕量物質(zhì)的檢出能力和定量能力很重視，因此儀器檢出限是評(píng)價(jià)電子鼻性能的核心參數(shù)。電子鼻的檢出限是指目標(biāo)氣體在給定的置信區(qū)間(可接受的精密度與正確水平)能區(qū)別于儀器噪聲被定性檢出的最低濃度或含量。由前面GC-MS測(cè)量的結(jié)果可知，口腔呼出氣體中VSCs濃度在ppb級(jí)別，因此電子鼻的檢出限對(duì)口氣中痕量VSCs的識(shí)別至關(guān)重要。

采用三倍噪音值法計(jì)算檢出限，即利用已知低濃度樣品與空白樣品的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)被測(cè)樣品的響應(yīng)等于空白測(cè)量響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍時(shí)，此時(shí)被測(cè)樣品的濃度或含量便為儀器的檢出限，計(jì)算公式如下:

式中:DL表示儀器檢出限，N表示經(jīng)過(guò)多次測(cè)量的空白響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差，k表示傳感器在低濃度范圍時(shí)標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。

利用配氣儀將原始濃度的硫化氫(1.06×10-7mol/mol)和甲硫醇(1.04×10-7mol/mol)標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋成所需的濃度，分別測(cè)試電子鼻對(duì)這兩種氣體的檢出限。圖5(a)為通入10s濃度為50×10-9的硫化氫與空白響應(yīng)的對(duì)比，可見(jiàn)當(dāng)硫化氫濃度為50×10-9時(shí)，傳感器響應(yīng)值明顯高于三倍空白響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。將標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率及經(jīng)過(guò)多次測(cè)量的空白響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差代入上述計(jì)算式，可知電子鼻對(duì)硫化氫的檢出限為39×10-9；采取同樣的測(cè)試方法可知電子鼻對(duì)甲硫醇的檢出限為48×10-9。

呼出氣體中含有成分復(fù)雜的揮發(fā)性含氮化合物及揮發(fā)性有機(jī)化合物，本文所使用的電化學(xué)傳感器理論上只對(duì)含硫的還原性氣體交叉敏感，為了驗(yàn)證所使用的電化學(xué)傳感器是否具有優(yōu)異的特異性，使用遠(yuǎn)高于正常人呼吸背景濃度的氨氣和乙醇對(duì)電子鼻進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，硫化氫和甲硫醇的濃度為50×10-9，乙醇和氨氣的濃度為5 000×10-9，圖5(b)為甲硫醇傳感器在四種氣體下的響應(yīng)電壓曲線，可知即便氨氣和乙醇等干擾氣體的濃度為目標(biāo)氣體的100倍，但其響應(yīng)仍遠(yuǎn)小于接近檢出限濃度的目標(biāo)氣體，表明所使用的電化學(xué)傳感器具有優(yōu)異的特異性。

圖5 電子鼻的性能測(cè)試

3.2 電子鼻系統(tǒng)的定量分析

常規(guī)的模式識(shí)別算法通常需要進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理以提取特征，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以直接從輸入的原始數(shù)據(jù)中提取特征，不需要進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理[13]。一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能從較短的數(shù)據(jù)片段中提取有用的特征值[14]，很適合應(yīng)用于一維傳感器信號(hào)的分析，因此本文采用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)氣體的定性和定量檢測(cè)。

在電子鼻的定量算法模型構(gòu)建時(shí)，配制了7個(gè)濃度水平的VSCs(100×10-9、200×10-9、400×10-9、600×10-9、800×10-9、1 000×10-9、1 200×10-9)混合氣體樣本，每個(gè)VSCs濃度下甲硫醇和硫化氫設(shè)置9個(gè)不同的濃度比值(1∶0，4∶1，3∶1，2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，0∶1)，每個(gè)濃度比值重復(fù)測(cè)量三次，采集電子鼻的輸出響應(yīng)譜圖，因此共有7×9×3＝189個(gè)用于訓(xùn)練的樣本。

本文設(shè)計(jì)的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由輸入層、3個(gè)卷 積 模 塊(Conv1D＋Batch Normalization＋ReLU)、3個(gè)一維最大池化層(Maxpooling1D)、一個(gè)全局最大池化層(Global Max Pooling，GMP)和2個(gè)全連接層(Fully-Connected，F(xiàn)C)構(gòu)成(如圖6所示)。對(duì)采集的響應(yīng)譜圖去除基線后進(jìn)行10倍降采樣，每個(gè)波形截取295個(gè)點(diǎn)，然后將每個(gè)比值下的一組波形拼接成一個(gè)1×590的一維數(shù)組作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)。將三種不同大小的卷積核應(yīng)用于卷積層，三個(gè)卷積核的大小分別為1×7，1×5和1×3，步長(zhǎng)為1，每個(gè)卷積層后連接一個(gè)一維最大池化層進(jìn)行數(shù)據(jù)降維。全局最大池化層用來(lái)匯合卷積層提取的特征，其后與全連接層相接，對(duì)64個(gè)特征進(jìn)行合適的變換并與標(biāo)簽之間進(jìn)行回歸計(jì)算。y為每個(gè)輸入信號(hào)的標(biāo)簽，其中y1和y2分別表示甲硫醇和硫化氫濃度。

圖6 構(gòu)建定量算法的一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

利用配氣系統(tǒng)配制300×10-9、500×10-9、700×10-9和900×10-9四個(gè)濃度水平的VSCs對(duì)電子鼻進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)VSCs濃度下甲硫醇和硫化氫設(shè)置3個(gè)濃度比值(1∶2，2∶1，1∶1)，每個(gè)比值測(cè)量三次并獲取電子鼻的輸出響應(yīng)譜圖。將36個(gè)測(cè)試集的響應(yīng)曲線譜圖輸入定量算法模型進(jìn)行計(jì)算，利用式(2)計(jì)算預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間平均相對(duì)誤差，結(jié)果顯示模型計(jì)算出的VSCs(硫化氫和甲硫醇的濃度和)濃度和實(shí)際值之間的平均相對(duì)誤差為6.2%。

上式中AVE_E表示平均相對(duì)誤差，N表示測(cè)試樣本的個(gè)數(shù)，表示第i個(gè)樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果，表示第i個(gè)樣本的實(shí)際濃度值。

進(jìn)一步地，從臨床上采集20個(gè)口氣樣本同時(shí)進(jìn)行GC-MS和電子鼻定量檢測(cè)，以GC-MS的測(cè)量結(jié)果作為金標(biāo)準(zhǔn)，將電子鼻的檢測(cè)結(jié)果與GC-MS的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明該電子鼻檢測(cè)實(shí)際臨床樣本中VSCs濃度的平均相對(duì)誤差為11.4%。本文第3.2節(jié)通過(guò)ROC曲線分析方法確定了不同感官評(píng)分間的VSCs濃度閾值，從而獲取每個(gè)感官評(píng)分的VSCs濃度范圍，當(dāng)電子鼻完成實(shí)際樣本檢測(cè)后，可以根據(jù)其VSCs濃度所處的范圍確定該樣本的感官評(píng)分。每個(gè)采樣袋上事先標(biāo)注了辨嗅員給出的感官評(píng)分，以該評(píng)分作為金標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將電子鼻的評(píng)分與辨嗅員的感官評(píng)分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示電子鼻對(duì)口臭等級(jí)判別的正確率為80%。由于實(shí)際樣本中VSCs濃度極低，且背景成分極其復(fù)雜。與此同時(shí)，硫化氫和甲硫醇極易吸附在電子鼻的氣路中，從而增大檢測(cè)值與實(shí)際值的偏差，但11.4%的平均相對(duì)誤差和80%的口臭等級(jí)判別正確率已經(jīng)能足夠表明該電子鼻具有良好的定量及口臭分級(jí)作用，可以替代辨嗅員對(duì)口臭患者進(jìn)行感官評(píng)分。

3 結(jié)論

本文利用GC-MS對(duì)呼出氣體中的VSCs進(jìn)行了定性和定量檢測(cè)，通過(guò)相關(guān)性分析表明VSCs濃度值可以作為評(píng)估口臭等級(jí)的指標(biāo)，結(jié)合ROC曲線分析方法確定了不同感官評(píng)分的VSCs濃度范圍。在GC-MS測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，研制了一套基于電化學(xué)傳感器并結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的電子鼻，該電子鼻對(duì)硫化氫和甲硫醇的檢出限分別為39×10-9和48×10-9，并具有優(yōu)異的抗干擾性能。本電子鼻檢測(cè)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)品時(shí)候，測(cè)量結(jié)果和實(shí)際濃度之間的平均相對(duì)誤差為6.2%。實(shí)際口氣樣本檢測(cè)時(shí)，與GC-MS檢測(cè)結(jié)果比較，該電子鼻檢測(cè)實(shí)際臨床樣本中VSCs濃度的平均相對(duì)誤差為11.4%；以辨嗅員給出的感官評(píng)分作為金標(biāo)準(zhǔn)，該電子鼻對(duì)口臭等級(jí)判別的正確率為80%。

當(dāng)前臨床上通過(guò)口臭檢查輔助診斷口源性與非口源性疾病的研究得到了越來(lái)越多的重視，但僅對(duì)口臭進(jìn)行分級(jí)還不能有效地診斷疾病。進(jìn)一步的研究將對(duì)口臭患者和健康人的唾液以及舌苔中微生物的代謝組學(xué)進(jìn)行分析，篩選出潛在的口臭及口源性疾病的生物標(biāo)志物，并結(jié)合電子舌技術(shù)，研制對(duì)這些潛在標(biāo)志物具有特異性的傳感器。最終采用多傳感器融合算法對(duì)電子鼻與電子舌數(shù)據(jù)同時(shí)分析，建立更加準(zhǔn)確的口臭及口源性疾病診斷模型。