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              研發快訊 | 匯馨傳感聯合浙大成功研發基于石墨烯嗅覺芯片的云邊協同AI電子鼻系統
              2023.04.17
              背景介紹

              氣味感知輔助診斷可以追溯到傳統中醫文化和古希臘文明。近年來的科學研究也證明了人體疾病的發生、發展以及體內微生物代謝的變化均會導致呼出氣中內源性無機和有機揮發性化合物種類和相對濃度的變化。呼氣診斷作為一種完全非侵入性檢測方式有望在個體健康監測及社區篩查中發揮巨大的價值。

              目前用于呼出氣分析的技術包括氣相色譜-質譜法(GC-MS),選擇性離子流管質譜法(SIFT-MS)、離子遷移譜(IMS)、激光光譜等。這些技術可準確測量呼氣中的VOC成分變化,但它們往往操作復雜、價格昂貴,不適合于個人健康監測及大規模社區篩查。同時,上述技術對呼出氣中的重要無機氣體檢測能力不足,無法實現呼吸道及消化道疾病痕量特征氣體NO,H2S,CO,H2的測量。

              隨著材料學及AI技術的發展,對復雜氣體具有感知識別能力的人工嗅覺技術不斷發展,具有超靈敏嗅覺感知能力的電子鼻技術有望用于識別人體呼出氣成分的微小改變。電子鼻不同于傳統的定量型氣體傳感器,它并非專注于檢測單個化合物,而是使用具有交互式響應能力的傳感陣列、通過AI感知呼氣指紋特征、并對疾病及其種類做出判斷。

              浙大化學系鄔建敏教授團隊在超靈敏石墨烯電子鼻領域開展了系統研究,提出了石墨烯為基礎材料的氣敏機理、發展了一系列對人體呼出特征氣具有超敏響應的陣列芯片。同時,浙大團隊聯合杭州匯馨傳感技術有限公司開展了從石墨烯嗅覺材料到芯片、模組、算法、軟件、設備等一系列電子鼻技術的工程化,基于云端的AI分析,實現了呼吸道感染及慢阻肺(COPD)等疾病的判別。該系統具有便攜、低功耗、云邊協同分析等特點,未來將在個人健康監測和社區大規模篩查中發揮重要的應用價值。

              近日Advanced Sensor Research期刊(Advanced Materials   姐妹刊)邀請了全球15個傳感領域的課題組撰寫稿件,探討傳感器技術在可穿戴設備,個人健康監測等領域的進展。團隊受期刊主編邀請發表了題為“A Mobile E-Nose Prototype for Online Breath Analysis”論文,代表浙大和匯馨傳感在人工嗅覺傳感領域處于國際第一梯隊的地位。這項工作也是大學實驗室與產業界的聯合模式共同推動創新技術真實服務社會的標志性事件。


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              工作亮點

              團隊提出了一種云邊協同便攜式電子鼻原型機。該原型機可以有效檢測和分析呼出氣體中揮發性化合物,為非侵入性疾病診斷提供系統的設計策略。其組件包括:氣室、微型泵、氣體傳感器陣列、數據采集和設備控制電路、Wi-Fi模塊以及結合測試和算法功能的軟件系統。

              電子鼻系統通過在線呼吸分析實時反饋個人健康狀態,其工作流程如圖1所示。當呼出氣通過電子鼻進行測試后,監測數據到達云端進行分析,分析結果可通過任意移動終端反饋到用戶。電子鼻可以連接到在線數據庫,用于在線存儲傳感器信號以豐富呼吸數據庫,同時也可實現在線模型調用以匹配分析需求。此外,云端在線學習也可使電子鼻的決策模型不斷升級優化。

              電子鼻的核心構成之一是氣體傳感器陣列。它可產生交叉響應,通過模式識別的方式對目標氣體進行區分。這項工作中,電阻式氣體傳感器陣列由項目團隊開發的八種石墨烯傳感材料HXS001-HXS008組成,這些材料可用于檢測痕量揮發性化合物,對不同氣體樣本產生不同的氣體指紋圖譜。

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              圖1 云邊協同呼氣分析電子鼻原型機示意圖

              a)電子鼻系統工作工作流程,b)電子鼻設計示意圖,c)傳感器陣列的電路設計,d)陣列測試結構件,e)氣室結構及其在呼氣后22秒時呼出氣質量分數體繪圖。


              以呼吸系統疾病為切入點,項目團隊開展了含401例受試者的在線呼氣測試研究。每位受試者要求至少禁食2小時,并在呼氣測試前用純凈水漱口,以防口腔氣體對測試的影響。在電子鼻原型機使用過程中,受試者僅需連續呼氣5秒完成呼氣采集,一次完整的測試耗時為4分鐘。

              通過在線呼氣測試,重點對以下三組樣本進行了分析:

              1)健康對照和呼吸系統疾病患者,

              2)健康對照和COPD患者,

              3)非感染型和感染型呼吸系統疾病的患者。


              (一)傳感陣列對氣體樣本的響應

              在響應的雷達圖(圖2)中可見,傳感陣列測得的呼氣響應對不同分類的樣本存在差異。我們對三組二分類的獨立樣本進行了非參數檢驗,陣列中50%以上的傳感位點在各分組中存在顯著差異,證明了原型機的應用可行性。圖2c-1~c-8的箱式圖表明,傳感陣列對不同呼氣樣品產生的響應存在個體差異,但在多數傳感位點(HXS001–HXS004,HXS008)中存在總體差異(p<0.05)。差異響應值可能與氣體種類和NO濃度的增減相關。

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              圖2 傳感器陣列對臨床EB樣本的響應

              a)健康對照和呼吸系統疾病患者,b)健康對照和COPD患者,c)非感染和感染型呼吸系統疾病患者的響應雷達圖。c-1~c-8)HXS001–HXS008響應的箱式圖。


              (二)電子鼻對呼氣樣本的分類分析

              在樣本的二分類分析中采用了多層感知器網絡開展不同分類的分析。多層感知器是一種前饋人工神經網絡模型,它將多個輸入數據集映射到單個輸出數據集。在7:3隨機分配訓練、測試集的條件下,分析結果顯示:健康對照組(174例)和呼吸系統疾病患者(227例)之間的分類總體準確率為80.7%,ROC曲線中曲線下面積(AUC)為0.902;健康對照組(174例)和COPD患者(100例)之間的分類總體準確率為89.1%,AUC為0.969;非感染型(89例)和感染型(117例)的呼吸系統疾病患者之間的分類總體準確率為86.0%,AUC為0.950。上述結果表明,便攜式電子鼻在非侵入式個人健康狀態監測和疾病風險預警方面具有巨大潛力,可能成為慢性呼吸道疾病的篩查工具。

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              圖3 臨床呼氣樣本的分類結果

              a)健康對照和呼吸系統疾病患者,b)健康對照和COPD患者,c)非感染和感染型呼吸系統疾病患者之間的預測擬概率。d–f)分別為a~c)的ROC曲線。


              呼出氣提供人體綜合生理狀況信息,使無創呼氣測試成為個性化健康管理的便捷、有效選擇?;谑┬嵊X傳感陣列的便攜式電子鼻原型機的初步應用證明了其云邊協同呼氣分析的可能性,可告知與呼吸系統疾病相關的個體化健康狀況。

              我們相信,通過電子鼻技術來建立早期、準確的疾病診斷和病程與診療效果監測將有望促進個性化醫療。同時,團隊也仍在改進所提出的電子鼻原型機,旨在開發更敏感的材料、篩選和擴展傳感陣列位點,以在復雜的氣體樣品中實現更高辨別能力、更高精度和更廣泛的應用。

              杭州匯馨傳感技術有限公司(杭州匯健科技有限公司全資子公司)為國內領先的人工嗅覺傳感器科技創新型公司。擁有陣列式氣體傳感器、模組、設備、軟件、算法等全鏈條研發及生產能力。本項工作中,便攜式電子鼻原型機的開發由浙江大學化學系、杭州匯馨傳感技術有限公司、阿克倫大學機械工程系(University of Akron)合作完成,臨床研究部分由杭州師范大學附屬醫院呼吸與危重癥醫學科、浙江大學醫學院附屬第二醫院普內科、浙江大學附屬邵逸夫醫院胸外科等協同完成。本項工作受到國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃、浙江省自然科學基金和匯健科技的支持。

              杭州匯健科技有限公司(以下簡稱“匯健科技”)成立于2016年11月,是一家集體外診斷、醫學檢驗、個人健康監測為一體的國家高新技術企業。匯健科技通過先進的半導體納米技術和人工智能算法,建立了高通量臨床質譜及人工嗅覺傳感兩大技術平臺;運用納米材料技術(MT)、高通量生 物檢測技術(BT)、數據庫及AI算法(IT),構建了基于“3T"的多組學多元樣本診斷及健康監測產品及服務平臺,有力賦能組學技術在液體活檢、組織活檢及呼氣篩查中的應用。

              匯健科技與國內外頂尖學術機構、醫療機構、產業鏈合作伙伴開展多個領域的密切合作,積極推動創新組學技術在醫學領域的科學研究、臨床實踐及應用轉化。其產品與服務將廣泛應用于腫瘤篩查、輔助診斷、預后判斷、用藥指導、手術指導、療效監測以及慢病管理等多個臨床場景。公司以感知-匯知-智慧為理念,打造技術驅動型醫療科創企業、服務全球醫療健康事業。

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