呼氣分析作為一種無創(chuàng)、便攜式健康診斷方法，因其具有方便、安全、簡單和避免不適等諸多優(yōu)點而廣受關(guān)注。呼氣分析能夠通過分析特定氣體的濃度、類型以及其它特征來診斷不同的疾病。在現(xiàn)有的呼氣分析技術(shù)中，電子鼻（eNose）分析方法因其靈敏度高、響應(yīng)速度快、實時監(jiān)測、使用方便、便攜等優(yōu)點，被認(rèn)為是用于快速呼氣篩查的理想之選。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京信息科技大學(xué)、長春理工大學(xué)的研究人員針對呼氣分析以及電子鼻技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，探討了人體呼氣成分在疾病診斷中的應(yīng)用以及現(xiàn)有呼氣分析技術(shù)，重點分析了用于呼氣分析的電子鼻技術(shù)及其面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。該綜述研究以“Research progress of electronic nose technology in exhaled breath disease analysis”為題，發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

圖1 通過電子鼻系統(tǒng)進(jìn)行無創(chuàng)呼氣分析的示意圖

呼氣分析技術(shù)

呼氣分析是一種極具前景的醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)。人類呼出的氣體中所含的數(shù)千種不同氣體是人體新陳代謝和暴露于外源性化合物的產(chǎn)物。這些呼出氣體的生物標(biāo)志物可以表征外部因素對人體健康的影響。通過檢測某些生物標(biāo)志物的相對水平，可以評估人體的健康狀況。

在呼氣分析檢測中，常用的方法包括氣相色譜（GC）、質(zhì)譜（MS）以及光腔衰蕩光譜（CRDS）分析。然而，這三種方法對實驗儀器和環(huán)境條件要求較高，并且設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，阻礙了其便攜性、小型化的發(fā)展以及在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。與上述方法相比，氣體傳感器分析方法可以快速獲得定性和定量的氣體檢測結(jié)果。基于電子鼻的呼氣分析技術(shù)具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、實時監(jiān)測、用戶友好等優(yōu)點。作為一種無創(chuàng)診斷模型，電子鼻為通過呼氣分析快速篩查疾病提供了一種理想的方法。

電子鼻系統(tǒng)由兩項關(guān)鍵技術(shù)組成：用于化學(xué)物質(zhì)檢測的氣體傳感器陣列和提供系統(tǒng)內(nèi)分析軟件模型的算法。

電子鼻系統(tǒng)的氣體傳感器

電子鼻技術(shù)依靠氣體傳感器來獲取氣體樣品的成分信息。為了精確檢測涉及復(fù)雜成分的呼吸相關(guān)疾病，需要將多個特定傳感器集成到傳感器陣列中以實現(xiàn)高精度檢測。在呼氣分析領(lǐng)域，傳感器陣列因其巨大的應(yīng)用潛力而得到認(rèn)可。在臨床實踐領(lǐng)域，幾種類型的氣體傳感器在電子鼻系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中包括：耐化學(xué)性傳感器，如金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）傳感器和導(dǎo)電聚合物（CP）傳感器；壓電傳感器，如石英晶體微量天平（QCM）傳感器和聲表面波（SAW）傳感器；電化學(xué)（EC）傳感器；光學(xué)傳感器。

圖2 用于電子鼻系統(tǒng)的典型氣體傳感器

圖3 常用的MOS傳感材料及其傳感機(jī)制

圖4 SAW和QCM傳感器示例

圖5 電化學(xué)和光學(xué)傳感器示例

電子鼻系統(tǒng)的模式識別算法

電子鼻系統(tǒng)的核心處理技術(shù)涉及通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對傳感器陣列獲得的氣體信息進(jìn)行定性或定量分析。為了應(yīng)對各種復(fù)雜氣體和痕量氣體的處理難題，研究人員們將適當(dāng)?shù)亩嘧兞糠治黾夹g(shù)整合到電子鼻系統(tǒng)的算法組件中，從而提高了多變量場景下的選擇性，有效緩解了現(xiàn)有氣體傳感器交叉靈敏度低和選擇性差的問題。此外，不同疾病的對應(yīng)標(biāo)志物檢測限不同，單個傳感器難以單獨(dú)滿足不同標(biāo)志物的檢測限，基于傳感器陣列則可以有效地解決這個問題。進(jìn)而，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對傳感器陣列獲得的氣體信息進(jìn)行定性或定量分析，以滿足電子鼻系統(tǒng)在呼氣分析中的實際應(yīng)用。

圖6 電子鼻系統(tǒng)的模式識別算法示例

電子鼻系統(tǒng)的開發(fā)

近年來，隨著電子鼻技術(shù)的不斷發(fā)展，其在食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等輕工業(yè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。各種商用和自主研發(fā)的電子鼻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。根據(jù)近年來的文獻(xiàn)分析，電子鼻系統(tǒng)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，包括早期癌癥篩查、細(xì)菌病原體鑒定、淺表傷口微生物分析、新冠肺炎（COVID-19）檢測、幽門螺桿菌呼氣分析等。未來，氣體傳感器陣列和智能算法的高度集成將為電子鼻系統(tǒng)在呼氣分析領(lǐng)域的應(yīng)用提供更廣闊的前景。

圖7 電子鼻系統(tǒng)示例

電子鼻系統(tǒng)的廣泛臨床應(yīng)用需要生理機(jī)制和傳感技術(shù)的同步發(fā)展，目前面臨的主要挑戰(zhàn)是在復(fù)雜的人類呼氣環(huán)境中實現(xiàn)選擇性檢測，同時避免其它揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）和濕度的影響。此外，為電子鼻系統(tǒng)中的氣體傳感器選擇合適的傳感材料和處理技術(shù)，應(yīng)以設(shè)備的預(yù)期用途和操作要求為指導(dǎo)。目標(biāo)模式識別算法的實現(xiàn)將能夠識別傳感器響應(yīng)信號與生理指標(biāo)之間的相關(guān)性，并可以提高呼出生物標(biāo)志物的魯棒性，以有效用于臨床診斷。展望未來，氣體傳感器陣列和智能算法的高度集成有望進(jìn)一步增強(qiáng)電子鼻系統(tǒng)在呼氣診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00594-0