據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，印度尼西亞加查馬達(dá)大學(xué)（Universitas Gadjah Mada）的研究人員及Trisna Julian等人組成的研究團(tuán)隊，開發(fā)了一款低成本、非侵入、可快速“嗅出”新冠肺炎（COVID-19）的便攜式電子鼻（GeNose C19），該電子鼻集成了金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器陣列、優(yōu)化的特征提取方法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

2019年底，中國湖北省武漢市出現(xiàn)了新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引發(fā)的新冠肺炎（COVID-19），隨后全球200多個國家和地區(qū)相繼爆發(fā)新冠疫情，并不斷升級。COVID-19大流行嚴(yán)重威脅老年群體和免疫功能低下人群的生命。自疫情爆發(fā)以來，逆轉(zhuǎn)錄-定量聚合酶鏈反應(yīng)（RT-qPCR）方法一直被用于COVID-19常規(guī)性檢測及診斷。

發(fā)達(dá)國家的醫(yī)療資源豐富，大規(guī)模RT-qPCR檢測已成為其篩查和流行病學(xué)控制的一種普遍手段。然而，對于發(fā)展中國家，尤其是中低收入國家來說，這些檢測太奢侈了。但是，阻止大流行蔓延意味著要確保全球所有國家在有選擇地進(jìn)行隔離和控制的前提下，都有能力繼續(xù)進(jìn)行大規(guī)模和快速的篩查。

為了克服RT-qPCR作為篩查工具的局限性，一些臨床醫(yī)生和研究人員嘗試結(jié)合使用臨床體征和癥狀、實驗室檢測、影像學(xué)測量（例如胸部計算機(jī)斷層掃描）和多變量臨床預(yù)測模型，包括電子鼻，以及RT-qPCR來驗證臨床診斷結(jié)果。

在該項研究中，研究人員通過集成金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器陣列、機(jī)器學(xué)習(xí)分析和呼吸采樣設(shè)置，開發(fā)了一種便攜式呼吸分析儀——電子鼻，稱為“GeNose C19”（如下圖所示）。該定制系統(tǒng)被用于對印度尼西亞兩家醫(yī)院中兩組不同受試者（即RT-qPCR確診的COVID-19陽性患者組和陰性受試者組）的臨床測試進(jìn)行分析，以研究其區(qū)分這兩個不同受試組呼吸模式的潛力。研究人員檢查了四種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以確定所開發(fā)設(shè)備的最高可能精度。

利用集成人工智能（AI）的便攜式電子鼻GeNose C19快速、非侵入檢測COVID-19

用于COVID-19檢測的電子鼻GeNose C19

集成到電子鼻GeNose C19中用于“嗅出”COVID-19的電子和機(jī)械組件分為兩個主要部分（即傳感和呼吸采樣單元），如下圖a、b所示。前者由密封在微型化腔室中的化學(xué)電阻傳感器陣列、微型泵、三通電磁閥、電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。它們都被放置在一個3D打印的外殼中。后者包括一個高效空氣過濾器（HEPA）和一個由醫(yī)用級聚氯乙烯制成的一次性空氣采樣袋。這兩部分均單獨設(shè)計，然后通過外徑為4mm的柔性醫(yī)用級聚四氟乙烯（PTFE）管連接，以便在氣體傳感過程中保持氣流通暢（下圖c）。該裝置中，高效空氣過濾器連接在儲液袋和GeNose C19入口之間，濾出含新冠肺炎病毒的飛沫。此外，它還具有吸水元件，以消除對氣體傳感器干擾最大的水分子（圖d）。因此，只有目標(biāo)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）會進(jìn)入傳感室，因為病毒會被含有纖維墊的過濾器捕獲（圖e、f），并且防止其污染GeNose C19機(jī)器中整個空氣軌跡。

GeNose C19系統(tǒng)及其組件

呼吸氣體的傳感器特性

當(dāng)沒有呼吸通過管道進(jìn)入測試室時，首先測量傳感器基線值（即對應(yīng)環(huán)境條件的傳感器信號）。然后將它們作為對含揮發(fā)性有機(jī)化合物呼吸的輸出響應(yīng)信號的參考基數(shù)。氣體分子與化學(xué)電阻傳感器的活性層表面相互作用后，由于電阻降低，它們的輸出電壓增加。所有傳感器在40s內(nèi)同時進(jìn)行傳感測量，以達(dá)到其飽和階段。通常，對于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器來說，由于活性材料（例如N型二氧化錫）和氣體分子之間的氧化還原反應(yīng)，其電導(dǎo)率將在目標(biāo)氣體存在時發(fā)生變化?；诒砻婊瘜W(xué)吸附氧反應(yīng)的平衡位移對揮發(fā)性有機(jī)化合物的詳細(xì)傳感機(jī)制已在其它研究中進(jìn)行了描述。本研究中，材料表面的耗盡區(qū)由目標(biāo)揮發(fā)性有機(jī)化合物控制，導(dǎo)致自由電荷載流子（即在N型二氧化錫活性層的自由電子）從金屬氧化物半導(dǎo)體到氧的移動發(fā)生變化，反之亦然。

GeNose C19在COVID-19分析測試中的性能

GeNose C19被用于兩家醫(yī)院（即斯萊曼的Bhayangkara綜合醫(yī)院（RS Bhayangkara）和班圖爾的Bambanglipuro COVID-19特殊野戰(zhàn)醫(yī)院（RSLKC Bantul））的COVID-19分析測試，以研究其對檢測COVID-19的效力和功能。本次研究招募了83名受試者，其中確診為COVID-19陽性（病例組）的受試者43名，檢測為COVID-19陰性（對照組）的受試者40名（下圖）。其中，病例組因病情惡化排除了2名受試者，這兩名受試者被轉(zhuǎn)診至高水平的醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行測量的呼吸數(shù)據(jù)分析

本次研究方法在分析測試中進(jìn)行了評估，共涉及615個呼吸樣本，其中333個陽性樣本和282個陰性樣本。樣本分別來自43名COVID-19陽性患者和40名陰性受試者，并在印度尼西亞日惹特區(qū)的兩家醫(yī)院進(jìn)行了RT-qPCR確認(rèn)。研究者利用四種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（即線性判別分析、支持向量機(jī)、堆疊多層感知器和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）識別出性能最好的模式識別方法，并從測試數(shù)據(jù)集獲得較高的系統(tǒng)檢測精度（88%~95%）、靈敏度（86%~94%）和特異性（88%~95%）水平。本次研究結(jié)果表明，電子鼻GeNose C19可以作為一種非常有潛力的COVID-19快速篩查測試儀。