一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，涉及人体呼气气体检测技术领域，电子鼻包含传感器阵列

【技术实现步骤摘要】
一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法


[0001]本专利技术涉及人体呼气气体检测
，特别是涉及一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法
。

技术介绍

[0002]多囊卵巢综合征
(Polycystic Ovarian Syndrome
，
PCOS)
是一种常见的内分泌和代谢疾病，影响近5％
‑
20
％的育龄女性
。
其发病机制尚不清楚，但环境
、
遗传和生活方式等因素之间的相互作用可能参与了其发病过程
。
根据
2003
年鹿特丹标准
(PCOS
诊断的金标准
)
，如果女性出现以下三个特征中的两个，则患有多囊卵巢综合征：
1、
临床和生化指标显示雄激素过高；
2、
排卵障碍；
3、
卵巢超声检查显示多囊卵巢
。
[0003]尽管鹿特丹标准已在全球范围内得到认可，但它仍存在一些缺陷：
(a)
大多数年轻的多囊卵巢综合征患者伴有肥胖体征，使得经腹部超声检查变得困难；此外，在大多数情况下，因为他们是青少年，也不可能使用经阴道超声检查；
(b)
前卵泡数的估计是主观的，而且没有标准化，这与观察者之间的差异有关；
(c)
月经周期阶段和使用口服避孕药可改变多囊卵巢的形态；
(d)
高雄激素血症的诊断在临床上很困难，因为
Ferriman
‑
Gallwey
评分是主观的，而且由于雄激素实验室测试繁琐，生化评估也存在问题
。
因此，科学和临床研究致力于开发新的
、
可靠的
、
简单的和具有成本效益的多囊卵巢综合症检测诊断方法
。
[0004]“呼气检测”作为一种新型的无创检查方法，在医疗上多用于疾病的早期诊断，由于其快速
、
无创
、
易于被患者接受等优点，在医疗系统中越来越受到重视
。
人身体各个部位器官代谢产生的生物标志物会随着血液循环到达肺泡，并通过呼气排出体外，这个过程让人的呼出气体含有
1000
多种挥发性有机化合物，可使用电子鼻与气相色谱质谱联用仪
(GC/MS)
对这些特定挥发性代谢产物进行定量分析与比较，但
GC
‑
MS
具有一定的局限性，如昂贵
、
复杂
、
耗时和需要专家操作员等缺点
。

技术实现思路

[0005]为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，包括以下步骤：
[0006]S1、
通过电子鼻系统传感器阵列中的传感器对呼吸气体进行采集，获得多囊卵巢综合征患者与健康人呼吸气体的原始响应数据集
X
；
[0007]S2、
对原始响应数据集
X
进行预处理，得到样本集
X
s
；
[0008]S3、
对样本集
X
s
进行特征提取，得到特征提取后的样本集
X
m
；
[0009]S4、
对特征提取后的样本集
X
m
进行特征降维，生成新的特征样本集
X
m_pca
；
[0010]S5、
将新的特征样本集
X
m_pca
按照留一法进行交叉验证，并随机划分为训练样本集
X
train_pca
及测试样本集
X
test_pca
；
[0011]S6、
利用支持向量机算法对训练样本集
X
train_pca
进行训练，使用网格式搜索法进行超参数调优，得到最优参数组合；
[0012]S7、
绘制
ROC
曲线和箱线图，通过测量
ROC
曲线的
AUC
来确定模型性能，并根据约登指数计算训练样本集的
ROC
曲线截断值，然后对测试样本集
X
test_pca
中的多囊卵巢综合征患者与健康人进行分类识别，验证模型的预测性能
。
[0013]本专利技术进一步限定的技术方案是：
[0014]进一步的，步骤
S1
中，电子鼻系统包括依次串联的吹嘴
、
微型泵
、
流量计
、
传感器阵列
、
控制电路以及上位机；
[0015]吹嘴用于收集呼吸气体；流量计用于实时监测气体流量；微型泵受流量计反馈控制，用于使气体流速恒定；传感器阵列用于采集呼吸气体的原始响应信号；控制电路用于将原始响应信号传输给上位机；上位机接受并显示原始响应信号，且判断呼气样本的标准与否，并通过支持向量机算法程序对多囊卵巢综合征患者与健康人群的呼吸气体进行分类
。
[0016]前所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，传感器阵列包括
12
个气体传感器
、1
个温度传感器以及1个湿度传感器；传感器阵列在开始工作前首先预热
10min
，传感器阵列的工作电压设为
5V
，采样频率设为
1Hz。
[0017]前所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，步骤
S1
中，原始响应数据集
X
如下所示：
[0018][0019]其中，为第
k(k
＝1，2，3，
…
，
m)
个呼气样本在基线阶段某一时刻传感器对环境气的响应值，为第
k
个呼气样本在呼气阶段某一时刻传感器对呼气信号的响应值
。
[0020]前所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，步骤
S2
中，将每个传感器的检测值减去其基线值后再除以其基线值；
[0021]假设数据共有
N
F
个样本，每个样本有
N
K
个传感器，每个传感器检测的维数为
N
T
，稳定的基线阶段维数为
N
G
(N
G
＜
N
T
)
，第
F(F
＝1，2，3，
...
，
N
F
)
个样本第
K(K
＝1，2，3，
...
，
N
K
)
个传感器在时间
T(T
＝1，2，3，
......

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、
通过电子鼻系统传感器阵列中的传感器对呼吸气体进行采集，获得多囊卵巢综合征患者与健康人呼吸气体的原始响应数据集
X
；
S2、
对原始响应数据集
X
进行预处理，得到样本集
X
s
；
S3、
对样本集
X
s
进行特征提取，得到特征提取后的样本集
X
m
；
S4、
对特征提取后的样本集
X
m
进行特征降维，生成新的特征样本集
X
m_pca
；
S5、
将新的特征样本集
X
m_pca
按照留一法进行交叉验证，并随机划分为训练样本集
X
train_pca
及测试样本集
X
test_pca
；
S6、
利用支持向量机算法对训练样本集
X
train_pca
进行训练，使用网格式搜索法进行超参数调优，得到最优参数组合；
S7、
绘制
ROC
曲线和箱线图，通过测量
ROC
曲线的
AUC
来确定模型性能，并根据约登指数计算训练样本集的
ROC
曲线截断值，然后对测试样本集
X
test_pca
中的多囊卵巢综合征患者与健康人进行分类识别，验证模型的预测性能
。2.
根据权利要求1所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述步骤
S1
中，电子鼻系统包括依次串联的吹嘴
、
微型泵
、
流量计
、
传感器阵列
、
控制电路以及上位机；吹嘴用于收集呼吸气体；流量计用于实时监测气体流量；微型泵受流量计反馈控制，用于使气体流速恒定；传感器阵列用于采集呼吸气体的原始响应信号；控制电路用于将原始响应信号传输给上位机；上位机接受并显示原始响应信号，且判断呼气样本的标准与否，并通过支持向量机算法程序对多囊卵巢综合征患者与健康人群的呼吸气体进行分类
。3.
根据权利要求2所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述传感器阵列包括
12
个气体传感器
、1
个温度传感器以及1个湿度传感器；传感器阵列在开始工作前首先预热
10min
，传感器阵列的工作电压设为
5V
，采样频率设为
1Hz。4.
根据权利要求1所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述步骤
S1
中，原始响应数据集
X
如下所示：其中，为第
k(k
＝1，2，3，
…
，
m)
个呼气样本在基线阶段某一时刻传感器对环境气的响应值，为第
k
个呼气样本在呼气阶段某一时刻传感器对呼气信号的响应值
。5.
根据权利要求1所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述步骤
S2
中，将每个传感器的检测值减去其基线值后再除以其基线值；假设数据共有
N
F
个样本，每个样本有
N
K
个传感器，每个传感器检测的维数为
N
T
，稳定的基线阶段维数为
N
G
(N
G
＜
N
T
)
，第
F(F
＝1，2，3，
...
，
N
F
)
个样本第
K(K
＝1，2，3，
...
，
N
K
)
个传感器
在时间
T(T
＝1，2，3，
...
，
N
T
)
的基线处理后的传感器响应为：其中，
R
(F.K.T)
与
R
(F.K.t)
为第
F
个样本的第
K
个传感器在时间
T
和时间
t
的实际响应
。6.
根据权利要求1所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述步骤
S3
中，对样本集
X
s
进行特征提取的方法包括以下步骤：
S3.1、
计算样本集
X
s
中特征的均值
S3.2、
计算样本集
X
s
中特征的标准差
σ
；
S3.3、
通过下式对样本集
X
s
进行特征提取：其中，
X
m
为样本集特征提取后的数据
。7.
根据权利要求1所述的一种利用电子鼻检测多囊卵巢综合征的方法，其特征在于：所述步骤
S4
中，采用主成分分析法
PCA
对特征提取后的样本集
X
m
进行特征降维，包括以下步骤：
S4.1、
将步骤
S3
中特征提取后的样本集
X
m
组成对应的矩阵向量，并求该矩阵向量的协方差矩阵
C
；
S4.2、
计算协方差矩阵
C
的特征值，按大小顺序排列得
λ1≥
λ2≥
…
≥
λ
m
，对应特征向量为
β1，
β2，
…
β
m
，所求特征向量按顺序分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡雪峰，王海燕，章伟，包楚阳，刘嘉明，王晓茹，
申请(专利权)人：滁州怡然传感技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：