智慧電子鼻

清華大學電機系 溫偉志、劉彥彤、周廷奕、吳承駿、鄭桂忠
世創生物科技 邱仕文

智慧電子鼻,能將氣味資訊視覺化並予以分類,可應用各項領域中,改善人類生活
 

電子鼻發展概述

嗅覺不僅是生物五大感官之一,更是扮演生物生存的重要角色。嗅覺感知是藉由氣味物質激活嗅覺受器,傳送電訊號給大腦,藉此辨別氣味種類,本能上可以依賴嗅覺達到感知危險、尋找食物、標記地盤等作用。隨著文明發展及科技日新月異,嗅覺的應用也越來越廣泛,例如:藉由嗅覺分辨食物腐敗、辨別咖啡豆種類或訓練緝毒犬追查毒品等,在上述應用當中,精準的嗅覺判斷需要依賴長期訓練以及經驗累積,然而這過程不僅耗時、成本昂貴,且生物嗅覺對於氣味的判斷描述並無公正的標準,易受生物的生理、心理狀態影響,因此才會產生能將判斷結果以數據化、客觀方式表現的人工嗅覺系統。

人工嗅覺可追溯至1982年,英國Warwick大學的Persaud和Dodd在Nature期刊[1]中發表利用三個半導體組合成感測器陣列模擬哺乳動物的嗅覺系統,不同的感測器對於相同氣體具有不同反應,藉由排列組合的方式分辨氣體種類,文中提到:「電子鼻是結合微電子系統與簡單的嗅覺原理來分辨氣味,並在與氣味相關的工業中可做為品質控管的儀器。」發展至今,電子鼻系統可以迅速、精準判斷氣體,並給予氣味一個客觀評斷的標準,不僅在工業品管達到功效,更在生活中發展更多的應用。

圖一 氣味分子刺激嗅覺上皮細胞使神經突觸傳送電訊號給大腦皮質,形成嗅覺

結合人工智慧新一代電子鼻

嗅覺仰賴數百萬個嗅覺細胞與氣體反應後,傳送不同排列組合的電訊號形成嗅覺紋理,經由大腦分析並辨別氣體。同樣地,電子鼻系統仰賴感測器陣列與受測氣體產生程度不同的性質變化,藉由訊號介面電路擷取電子訊號,傳送至電腦後,經過訊號處理成為特定氣體的圖案(pattern)或稱電子指紋圖(electronic fingerprint),接著將這些指紋圖作為運算依據,與已建立好的資料庫做比對並進一步分類,藉此辨識受測氣體的種類以及濃度。
電子鼻系統不但可以將氣味資訊視覺化,進行客觀分析且能感測無色無味的氣體。隨著應用的越來越廣泛,電子鼻的需求也越來越繁雜,簡單的分類方式已無法順利解決問題,因此隨著人工智慧的引進,不僅大幅提升電子鼻的效能,在多種應用上亦達到比以往更好的成果。
人工智慧藉由儲存大量的先驗知識或是某種推理規則,達到近似於人類對於資訊的推理及判斷,在現今中不僅可以取代簡單的人力工作,甚至在數據量過多時,藉由龐大的硬體計算,能達到比人類更為出色的表現。近幾年隨著硬體設備的革新,人工智慧開始被大量運用在生活當中,例如:GOOGLE的搜尋系統讓搜尋更為便利、藉由攝影機判斷人物的身分或是近年在棋盤上縱橫沙場的AlphaGo等等,在電子鼻領域大量使用的機器學習方法亦屬於人工智慧的其中一環。
機器學習是基於統計學理論的學習演算法,主要處理大量且複雜的數據並藉由歸納整理得到規律,此特色被現今的電子鼻系統廣泛運用,當電子鼻得到各種氣體的電子指紋圖,需要即時或是進一步分析該數據,就得仰賴機器學習的演算法,例如:主成分分析法(PCA)、K-最鄰近分類法(KNN)等等,這些演算法不但使電子鼻更精準且迅速的運算,更使電子鼻的應用不再只是判斷單純的氣體種類。

圖二 結合人工智慧,電子鼻系統運作更接近人類嗅覺判斷

迅速、非侵入式檢查大幅加速臨床診斷

古時中醫有云:「望、聞、問、切」,醫生觀察病人的方式有百百種,而嗅覺也是診斷方式之一。由於使用鼻子判斷氣味異常可能過於主觀及依賴經驗判斷,此時電子鼻系統可以扮演當中重要的媒介,成為醫生診斷的根據之一。例如:糖尿患者酮酸中毒時口中會有腐敗的水果味、腎功能異常患者口中會有尿騷味或魚腥味,這些在口中產生異味的情形稱之為「病理型口臭」,雖然這些在診斷當中不足以成為主要根據,卻往往影響醫生決定是否進一步檢查。目前已有電子鼻在檢測受試者是否患有糖尿病與胃腸疾病的相關研究[2][3],證實電子鼻在這方面之應用可行性。
除了偵測病患異味情形,電子鼻更可以偵測醫生聞不到的病理,如肺炎病患所呼出的氣體就屬於其中之一。肺炎長年列為台灣十大死因之內,在105年甚至攀升至第三大死因,其嚴重性不容忽視。每當醫生發現病患有肺炎症狀時,會先根據經驗用藥減緩症狀,同時進行血液檢查或痰液培養檢驗,得知引發肺炎的菌種再對症下藥,這些過程需要花費三至五天,常會因為錯過黃金治療期而造成遺憾。在先前的研究發現,不同的肺炎菌種會在病人的肺裡分泌出特有的氣體,電子鼻不僅能偵測出這些氣體變化,更具有非侵入式、衛生、安全等特性,因此在臨床診斷中可以迅速辨別肺炎菌種,不僅大幅縮短診斷時間,也可以幫助醫師即時投藥進行治療。而除了上述所提的肺炎、糖尿病之外,電子鼻系統也被應用在辨別肺癌[4]、慢性阻塞性肺炎(COPD)[5]等等,相信在未來醫療診斷裡,電子鼻將扮演不可或缺的角色。

圖三 藉由非侵入式吹氣檢查協助醫生診斷

即時性環境監控提升生活安全性

環境中常見對人體具危害的氣體包含一氧化碳、二氧化碳、甲醛、臭氧等等,當大量吸入上述氣體時,輕者會造成頭痛、暈眩、氣喘,重者會造成腦部缺氧導致癱瘓或致死的憾事發生,因此立法院在民國100年11月08日三讀通過「室內空氣品質管理法」,立法原因提到:「每人每天約百分之九十時間處於室內環境中,有效改善室內環境品質,方可保障國民身體健康。」立法之後空氣品質的議題漸漸被重視,裝潢設計改善室內安全的需求大量上升,雖然主動的改善通風可確實提升空氣品質,但危險氣體的危害總是防不勝防,例如:即使將熱水器裝置在戶外,燃燒不完全而產生的一氧化碳也可能因為風向的關係,湧入居家環境中發生遺憾,或管線破裂導致瓦斯或天然氣外洩,使環境易燃氣體濃度過高導致氣爆的新聞也是時有所聞,因此被動的氣體監測也是重要的空氣品質管理之一。氣體監測不僅可以在第一時間偵測到危險氣體,顯示危險氣體的濃度變化,在超過標準濃度或是濃度不正常的上升時給予警訊以防災害發生。

危險氣體除了存在於特定場所,例如:礦場中的烷類、工廠排放的二氧化硫、馬路上的汽機車廢氣,也潛伏於居家或是任何一個地方,因此對於監測儀器的需求大幅增加。傳統氣體監測儀器往往造價昂貴且體積過大較適合定點安裝,相較之下,電子鼻系統的製造成本較低、易於大量製造,且體積較小具可攜性,不僅可以被廣泛運用在任何場所,更可以普及於大眾之中,隨時監測當前環境氣體是否存在危害,成為提升生活安全性的助力。

圖四 電子鼻迅速偵測危險氣體並提供警訊以防災害發生

國內智慧電子鼻技術研發現況

電子鼻具有前端感測器偵測氣體以及後端訊號分析,在結合人工智慧之後,除了分辨氣體種類及濃度之外,更能進一步處理複雜的分類問題。電子鼻可以藉由建立資料庫達到高準確率的辨識,並提供客觀的氣味評斷標準,不僅改善過去人為辨識的主觀性以及不確定性,更能精準偵測生物嗅覺無法聞到的氣體。再者,電子鼻系統前端感測器造價便宜且後端系統結構相對簡單,可以被量產並普及於大眾之中,大量使用可持續增加雲端資料庫數據,不僅增加系統的穩定度、持續調整系統,更可被應用在其他領域當中,可望在現今生活中成為一時之『嗅』。

國內已研發人工智慧電子鼻之相關技術多年,其中由清大電機系教授鄭桂忠研究團隊開發之人工智慧電子鼻系統,吹氣就能快篩檢測肺炎、肺癌,亦可以即時監控環境氣體;技術研發成果現已技轉世創生物科技公司,為國內第一家電子鼻之新創公司,為氣體感測產業注入一股新的活力。

 

Reference

[1] K. Persaud, G.H. Dodd. Analysis of discrimination mechanisms of the mammalian olfactory system using a model nose. Nature, 299 (1982), pp. 352-355
[2] W. Pinga, T. Yia, X. Haibao, S. Farong. A novel method for diabetes diagnosis based on electronic nose. Biosensors and Bioelectronics, 12 (1997), pp. 1031–1036
[3] A.D. Wilson. Recent Applications of Electronic-nose Technologies for the Noninvasive Early Diagnosis of Gastrointestinal Diseases. Proceedings, 2 (2018), 147
[4] R.F. Machado, D. Laskowski, O. Deffenderfer, T. Burch, Z. Shuo, P.J. Mazzone, T. Mekhail, C. Jennings, J.K. Stoller, J. Pyle, J. Duncan, R.A. Dweik, S.C. Erzurum. Detection of Lung Cancer by Sensor Array Analyses of Exhaled Breath. Respir.Crit. Care Med. (2005), 171
[5] P. Montuschi, N. Mores, A. Trové, C. Mondino, P.J. Barnes. The Electronic Nose in Respiratory Medicine. Respiration, 85 (2013), pp. 72-84

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊