CN113125509A - 基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，本发明设计了离体和在体生物混合系统，通过生物混合系统记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号，提取电位变化特征建立其与气味信息的对应关系，通过比较臭味物质的响应模式与臭味香味混合物的响应模式，实现人体臭味检测与香味对臭味的抑制效果评价。本发明方法模拟了哺乳动物感知气味的神经机制和生理结构，利用仿生传感技术提取出嗅上皮对气味的响应信息并进行解码，既保留信号的真实性、生物性又实现了气味信息的客观、定量分析，具有感官评价的可比性和可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及仿生传感技术领域，尤其涉及一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法。
背景技术
自然环境中，人类感受到的气味信息一般包含了大量不同的气味分子。研究发现，混合气味的刺激强度要小于其单种成分刺激强度的总和，这个现象说明一种气味分子有可能抑制其他气味分子的响应。实际上，通过一种气味去抑制另外一种气味感知的现象被称为气味掩蔽。大量香味物质已经被用于掩蔽一些臭味物质，如人体臭味、腐烂食物气味、烟味等。
在生物嗅觉系统中，气味感知最早发生于鼻腔中的嗅上皮。嗅上皮含有大量嗅感觉神经元，每个嗅感觉神经元表达一种气味受体，气味分子与受体结合后，气味信息以动作电位的方式传递到嗅球。嗅球是进行气味信息传递和整合的一级中转站，气味信号在嗅球中修饰处理后，由僧帽/丛状细胞传出纤维传递到嗅皮层，在嗅皮层解码后形成不同的气味感知。研究发现，气味不仅可以激活嗅感觉神经元，同时也可以抑制嗅感觉神经元，其抑制的可能机制包括：抑制环化核苷酸门控阳离子通道，抑制钙离子激活的氯离子通道，以及气味之间的拮抗作用。这些结果证明了气味掩蔽作用在嗅上皮就已经发生。
人体臭味包括口臭、腋臭、脚臭等，由皮肤表面细菌通过分解汗液、皮肤细胞、腺分泌物产生。为了减弱或掩盖臭味，不同成分的香水或除臭剂被设计用于掩蔽人体臭味，其掩蔽效果由专业的调香师进行主观评估。实际上，气味掩蔽作用的本质是感知的变化，而不是气味的消失。目前用于检测气味的技术如气相色谱分析只能分析化学种类，而电子鼻技术虽然模拟了生物嗅觉系统，但其传感机制与生物系统完全不同，其分析结果不能与人体感知结果进行比对。因此，目前缺少一种既可以客观定量地评价香水物质对人体臭味的掩蔽效果，又可以极大地模拟人体嗅觉掩蔽过程，与人体感知结果进行有效比对的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过基于离体嗅觉组织的生物混合系统或基于脑机交互技术的生物混合系统记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号；
(2)通过对电生理响应信号进行解码，实现人体臭味检测与掩蔽效果分析：不同位点的嗅上皮组织电生理响应信号由多个工作电极同步记录，通过分析全部通道的局部场电位LFP频率分布及某一频段内的平均能量，得到特定气味的响应向量；根据响应向量值的差异建立其与气味浓度的关系；根据不同气味刺激物之间响应向量的差异分析香水物质存在时对臭味物质的掩蔽效果，以此实现人体臭味检测与掩蔽效果评估。
进一步地，本发明构建一种基于离体嗅觉组织的生物混合系统，该系统以哺乳动物嗅上皮组织作为气味敏感元件，以微电极阵列芯片为二级换能器记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号；完整的嗅上皮组织贴附于芯片传感单元表面，与金电极接触，气味溶液加入至培养腔中，实时同步记录嗅上皮组织中不同位点的细胞胞外电位变化。
进一步地，基于离体嗅觉组织的生物混合系统中，将嗅上皮组织转移到微电极阵列芯片培养腔中，将组织压环放置于组织正上方，培养腔中持续通入氧饱和的Ringer’s溶液使组织保持活性；信号记录前，保证组织静置至少20min；开始信号记录时，用移液枪吸去Ringer’s溶液，加入50μL气味溶液进行刺激；完成刺激后，用氧饱和的Ringer’s溶液进行清洗至少3次，去除残余刺激物，恢复至少3min后加入新的气味溶液；利用多通道信号采集器的温度控制模块维持芯片培养腔温度在28℃；信号通过前置放大器放大1200倍，并进行滤波，采样频率1kHz，存储于电脑进行离线分析。
进一步地，本发明构建一种基于脑机交互技术的生物混合系统，该系统以哺乳动物嗅上皮作为初级气味感受器，气味信息通过嗅球和嗅皮层修饰处理后，将植入式微电极阵列包埋于鼻腔中的嗅上皮记录其电生理响应信号，通过对记录到的神经元信号进行分析解码，实现气味检测与分析。
进一步地，基于脑机交互技术的生物混合系统中，将大鼠头部电极接口与多通道神经信号采集系统的前置放大器相连，给气实验在有机玻璃室腔中进行，气味刺激通过手动给气实现：在滤纸上滴加0.1mL气味溶液，将滤纸放于玻璃皿中，通过机械臂将玻璃皿放于大鼠鼻腔前，停留5s，观察大鼠行为，若大鼠无探嗅行为，则不分析此次信号；单次气味刺激结束后，对室腔通风，避免残留气味对下次刺激的影响，等待5–15min后重复上述操作；信号通过前置放大器放大，并进行滤波，采样频率1kHz，存储于电脑进行离线分析。
进一步地，对嗅上皮进行气味刺激，刺激物包括二甲基二硫和异薄荷酮；气味原液先用二甲亚砜稀释到2M，再用Ringer’s溶液稀释到不同浓度；将不同浓度的异薄荷酮稀释液与特定浓度的二甲基二硫混合，用于分析不同浓度的香味对臭味的抑制效果；
加入10-5M二甲基二硫进行刺激，通过计算全部通道的delta波能量变化率作为气味响应特征，其中单个通道的delta波能量变化率计算公式为ΔP/P0，P0为气味刺激前delta波能量，ΔP为气味刺激后delta波能量与气味刺激前delta波能量的差值，进而得到气味响应向量；
通过计算加入异薄荷酮前后，二甲基二硫诱发的气味响应向量差值得到异薄荷酮对二甲基二硫的掩蔽系数MI，计算公式为：
其中ai(二甲基二硫)和ai(混合物)分别为第i个通道对二甲基二硫，二甲基二硫和异薄荷酮混合物的响应向量值，N为对气味产生响应的通道总数；MI数值越大，掩蔽效果越好，当MI达到1时，说明二甲基二硫已被完全掩蔽。
本发明相对于目前技术短板具有以下有益效果：本发明提供了一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，该技术极大地模拟了哺乳动物感知气味的神经机制和生理结构，利用仿生传感技术提取出嗅上皮对气味的响应信息并进行解码，既保留信号的真实性、生物性又实现了气味信息的客观、定量分析，具有感官评价的可比性和可靠性等特点。
附图说明
图1是本发明哺乳动物嗅上皮解剖结构示意图；
图2是本发明基于离体嗅觉组织的生物混合系统；
图3是本发明基于脑机交互技术的生物混合系统；
图4是本发明生物混合系统用于臭味物质(二甲基二硫)检测的响应信号；
图5是本发明生物混合系统受气味刺激前后信号的频谱分析结果；
图6是本发明生物混合系统用于臭味物质(二甲基二硫)及香味和臭味混合物(二甲基二硫和异薄荷酮)检测的响应图谱；
图7是本发明分析不同浓度的异薄荷酮对二甲基二硫掩蔽效果的结果图；
图中：1、鼻中隔的嗅上皮区域，2、微电极阵列芯片，3、嗅上皮组织，4、前置放大器，5、植入式微电极阵列。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作详细描述，但并不是限制本发明。
本发明提出离体和在体生物混合系统，通过生物混合系统记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号，提取电位变化特征建立其与气味信息的对应关系，通过比较臭味物质的响应模式与臭味香味混合物的响应模式，实现人体臭味检测与香味对臭味的抑制效果评价。
在本发明一个实施例中，提出一种基于离体嗅觉组织的生物混合系统，该系统的构建方法包含以下步骤：
(1)哺乳动物嗅上皮组织提取：成年SD大鼠腹腔注射过量麻药乌拉坦致死(30％，10mL/kg)后断头，将头部组织剥离去除后快速放入冰水混合的Ringer’s溶液冷却3min，Ringer’s溶液预先通95％O2/5％CO2至少20min。用骨科剪沿着中缝将左右头骨分离，暴露鼻中隔的嗅上皮区域1，如图1所示，用手术剪将鼻中隔上的嗅上皮组织剪下，快速放入28℃Ringer’s溶液复苏至少30min，Ringer’s溶液预先通95％O2/5％CO2至少20min。
(2)嗅上皮组织电生理记录：将步骤(1)中完成复苏的嗅上皮组织3转移到微电极阵列芯片2培养腔中，为了使之与工作电极紧密贴合，将组织压环(ALA HSG-5BD，MultiChannel Systems)放置于组织正上方，培养腔中持续通入氧饱和的Ringer’s溶液使组织保持活性。信号记录前，保证组织静置至少20min，使之与芯片进一步贴附。开始信号记录时，用移液枪吸去Ringer’s溶液，随后加入50μL气味溶液进行刺激。完成刺激后，用氧饱和的Ringer’s溶液进行清洗至少3次，去除残余刺激物，恢复至少3min后加入新的气味溶液。利用多通道信号采集器(MEA1060)的温度控制模块维持芯片培养腔温度在28℃。信号通过前置放大器4放大1200倍，并进行滤波(<500Hz)，采样频率1kHz，原始信号存储于电脑，并进行离线分析。基于离体嗅觉组织的生物混合系统结构如图2所示。
在本发明一个实施例中，提出一种基于脑机交互技术的生物混合系统，该系统的构建方法包含以下步骤：
(1)微电极阵列植入手术：称取SD大鼠体重，从腹腔注射戊巴比妥钠(5mL/kg)，等待5分钟，刺激大鼠脚趾，若无收缩反应则继续以下操作；用剃毛刀剃去大鼠头部毛发，将大鼠放置于立体定位仪上，用耳杆插入大鼠两侧外耳道，再将大鼠的上颚固定到适配器，调节适配器高度使大鼠颅骨处于水平方向，固定大鼠头部；在大鼠眼睛涂抹人工眼泪防止手术过程中眼球干涩，用碘酒对头部组织进行消毒后，再用酒精将碘酒擦洗干净；用解剖刀沿头骨中缝划开颅骨外的头部组织，并刮去颅骨上方覆盖的骨膜，暴露出头骨，确认bregma点，以bregma点为原点，将操作臂沿头骨中线向前推11-14mm，侧开1.5mm，标记约2×2mm的电极植入点，同时在对侧标记参考点，bregma点侧开2mm处标记接地点；用颅钻打磨标记的电极植入点，暴露出嗅上皮背面，同时在参考点和接地点位置钻孔；微推进器调零，将其固定于脑定位仪操作臂上，植入式微电极阵列5接口与Plexon前端放大接头Headstage连接，固定在微推进器上，移动操作臂至嗅上皮上方，分别将电极地线和参考线缠绕于参考和接地颅钉上，利用微推进器缓慢垂直植入，微电极阵列通过微推进器缓慢植入500μm深度。用牙科水泥覆盖电极表面，将电极固定于大鼠头部，实现长时神经信号记录。大鼠术后恢复一周，可进行气味检测性能测试。
(2)在体电生理记录：将大鼠头部电极接口与多通道神经信号采集系统的前置放大器相连，神经信号采集系统使用美国Plexon公司的128通道在体记录系统OmniPlex，采样率为1kHz，采集信号低频场电位LFP。给气实验在定制的有机玻璃室腔(30cm×25cm×30cm)中进行，实验前将大鼠放于室腔约30min，使其适应实验环境，减少因大鼠不适行为引起的噪声信号，实验过程中大鼠可自由移动。待大鼠适应实验环境，并处于安静状态，进行气味刺激。气味刺激通过手动给气实现：在滤纸上滴加0.1mL气味溶液，将滤纸放于玻璃皿中，通过自制的机械臂将玻璃皿放于大鼠鼻腔前，停留5s，观察大鼠行为，一般出现1–3s的探嗅行为，若大鼠无探嗅行为，则不分析此次信号。单次气味刺激结束后，对室腔通风，避免残留气味对下次刺激的影响，等待5–15min后重复上述操作。信号通过前置放大器放大，并进行滤波(<500Hz)，采样频率1kHz，存储于电脑，并进行离线分析。由于大鼠在夜晚较清醒，一般测试时间为晚上6:00–10:00。基于脑机交互技术的生物混合系统结构如图3所示。
基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，该方法包含以下步骤：
(1)嗅上皮组织电生理记录：通过基于离体嗅觉组织的生物混合系统或基于脑机交互技术的生物混合系统记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号；
(2)人体臭味检测与香味对臭味的抑制效果分析：对嗅上皮进行气味刺激，刺激物包括二甲基二硫和异薄荷酮，二甲基二硫是一种挥发性硫化物，是口臭的主要成分；异薄荷酮是具有薄荷味的单萜，是常用的香水成分。气味原液先用二甲亚砜稀释到2M，再用Ringer’s溶液稀释到不同浓度。将不同浓度的异薄荷酮稀释液与特定浓度的二甲基二硫混合，用于分析不同浓度的香味对臭味的抑制效果。加入10-5M二甲基二硫进行刺激，结果如图4所示，部分通道的LFP幅值明显增强，通过频谱分析结果，如图5所示，其增加的能量主要集中于5Hz以下，称为delta波。通过计算60个通道的delta波能量变化率作为气味响应特征，其中单个通道的delta波能量变化率计算公式为ΔP/P0，P0为气味刺激前delta波能量，ΔP为气味刺激后delta波能量与气味刺激前delta波能量的差值，进而得到包含60个特征值的气味响应向量。图6所示为10-5M二甲基二硫，10-5M二甲基二硫和异薄荷酮混合物诱发的气味响应图谱，其中60个通道的高度分别代表气味响应向量各值。进一步，通过计算加入异薄荷酮前后，二甲基二硫诱发的气味响应向量差值得到异薄荷酮对二甲基二硫的掩蔽系数(Masking index，MI)，计算公式为：
其中ai(二甲基二硫)和ai(混合物)分别为第i个通道对二甲基二硫，二甲基二硫和异薄荷酮混合物的响应向量值，N为对气味产生响应的通道总数。图7所示为浓度为10-7-10-2M的异薄荷酮对浓度为10-5M二甲基二硫的掩蔽效果，MI数值越大，掩蔽效果越好，当MI达到1时，说明二甲基二硫已被完全掩蔽。以上结果说明本发明可以有效、定量地评估香味对人体臭味的抑制效果，可以应用于辅助香水研发工作。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过基于离体嗅觉组织的生物混合系统或基于脑机交互技术的生物混合系统记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号；
(2)通过对电生理响应信号进行解码，实现人体臭味检测与掩蔽效果分析：不同位点的嗅上皮组织电生理响应信号由多个工作电极同步记录，通过分析全部通道的局部场电位LFP频率分布及某一频段内的平均能量，得到特定气味的响应向量；根据响应向量值的差异建立其与气味浓度的关系；根据不同气味刺激物之间响应向量的差异分析香水物质存在时对臭味物质的掩蔽效果，以此实现人体臭味检测与掩蔽效果评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，所述基于离体嗅觉组织的生物混合系统，该系统以哺乳动物嗅上皮组织作为气味敏感元件，以微电极阵列芯片为二级换能器记录嗅上皮组织对气味的电生理响应信号；完整的嗅上皮组织贴附于芯片传感单元表面，与金电极接触，气味溶液加入至培养腔中，实时同步记录嗅上皮组织中不同位点的细胞胞外电位变化。
3.根据权利要求2所述的一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，将嗅上皮组织转移到微电极阵列芯片培养腔中，将组织压环放置于组织正上方，培养腔中持续通入氧饱和的Ringer’s溶液使组织保持活性；信号记录前，保证组织静置至少20min；开始信号记录时，用移液枪吸去Ringer’s溶液，加入50μL气味溶液进行刺激；完成刺激后，用氧饱和的Ringer’s溶液进行清洗至少3次，去除残余刺激物，恢复至少3min后加入新的气味溶液；利用多通道信号采集器的温度控制模块维持芯片培养腔温度在28℃；信号通过前置放大器放大1200倍，并进行滤波，采样频率1kHz，存储于电脑进行离线分析。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，所述基于脑机交互技术的生物混合系统，该系统以哺乳动物嗅上皮作为初级气味感受器，气味信息通过嗅球和嗅皮层修饰处理后，将植入式微电极阵列包埋于鼻腔中的嗅上皮记录其电生理响应信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，将大鼠头部电极接口与多通道神经信号采集系统的前置放大器相连，给气实验在有机玻璃室腔中进行，气味刺激通过手动给气实现：在滤纸上滴加0.1mL气味溶液，将滤纸放于玻璃皿中，通过机械臂将玻璃皿放于大鼠鼻腔前，停留5s，观察大鼠行为，若大鼠无探嗅行为，则不分析此次信号；单次气味刺激结束后，对室腔通风，避免残留气味对下次刺激的影响，等待5–15min后重复上述操作；信号通过前置放大器放大，并进行滤波，采样频率1kHz，存储于电脑进行离线分析。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物混合系统的人体臭味检测与掩蔽效果评价方法，其特征在于，对嗅上皮进行气味刺激，刺激物包括二甲基二硫和异薄荷酮；气味原液先用二甲亚砜稀释到2M，再用Ringer’s溶液稀释到不同浓度；将不同浓度的异薄荷酮稀释液与特定浓度的二甲基二硫混合，用于分析不同浓度的香味对臭味的抑制效果；
加入10-5M二甲基二硫进行刺激，通过计算全部通道的delta波能量变化率作为气味响应特征，其中单个通道的delta波能量变化率计算公式为ΔP/P0，P0为气味刺激前delta波能量，ΔP为气味刺激后delta波能量与气味刺激前delta波能量的差值，进而得到气味响应向量；
通过计算加入异薄荷酮前后，二甲基二硫诱发的气味响应向量差值得到异薄荷酮对二甲基二硫的掩蔽系数MI，计算公式为：
其中ai(二甲基二硫)和ai(混合物)分别为第i个通道对二甲基二硫，二甲基二硫和异薄荷酮混合物的响应向量值，N为对气味产生响应的通道总数；MI数值越大，掩蔽效果越好，当MI达到1时，说明二甲基二硫已被完全掩蔽。
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