Naso elettronico, per la diagnosi ci vuole fiuto

Sono sempre più numerose le applicazioni dei “nasi elettronici” nel campo della diagnostica medica,
come è facile riscontrare fra le migliaia di riferimenti che si trovano su Google Scholar a questo proposito.
Sembra dunque che il fiuto clinico di questi apparecchi potrebbe in futuro rappresentare un efficace complemento, se non addirittura una alternativa, al tradizionale occhio clinico del medico. Del
resto è noto da tempo come il senso dell’olfatto aiuti a individuare determinate affezioni. Per esempio: il respiro di un bambino con infezione di streptococchi ha un sentore metallico, l’urina dei malati di diabete ha odore dolciastro, il loro respiro odora di acetone…

Ma cos’è un naso elettronico? È un apparecchio dotato di sensori che reagiscono alla presenza di determinate sostanze volatili fornendo segnali che vengono poi interpretati opportunamente da un sistema di elaborazione. L’origine di questi apparecchi si può far risalire ai rivelatori di fughe di gas e ai rivelatori di monossido di carbonio (CO) in uso da molti decenni. Ma un conto è individuare la presenza di una singola sostanza, un altro quella di fornire indicazioni relative a una varietà di sostanze. Per cui occorrono sensori in grado di esercitare un sufficiente grado di selettività a fronte della vastissima gamma degli odori di origine naturale e artificiale, fra cui appunto quelli di origine corporea che interessano la diagnostica medica.

Qui va detto che un tipico naso artificiale dispone al più di qualche decina di sensori, in numero assai inferiore a quelli, molti milioni, che si trovano nell’epitelio olfattivo del naso dell’uomo e che sono costituiti da repliche di alcune centinaia di recettori diversi in termini di sensibilità a differenti sostanze volatili. Per realizzare in pratica i sensori sono state esplorate varie tecniche. In uno dei primi lavori sul naso artificiale, pubblicato su Nature nel 1982 da K.Persaud e G. Dodd dell’università di Warwick, si sono utilizzati sensori costituiti da ossidi metallici semiconduttori, simili a quelli usati nei rivelatori di fughe di gas. Dimostrando fra l’altro come si possa ottenere una buona discriminazione fra un’ampia varietà di odori senza impiegare recettori dotati di elevata specificità, come è appunto il caso dei sensori usati tipicamente nei nasi elettronici, ciascun tipo dei quali risponde a una pluralità di sostanze volatili, ma non allo stesso modo per ciascuna di esse.

Sicché la selettività della risposta complessiva deriva da una sorta di “impronta olfattiva” caratteristica di ciascun odore, che viene messa in luce elaborando il complesso delle risposte dei sensori con metodi basati sulle teorie del riconoscimento di forme (pattern recognition). L’impiego di reti neurali, per esempio, consente di distinguere fra il profumo di un tipo o l’altro di frutta, dopo aver impiegato tecniche di addestramento (training) che consistono nel presentare in sequenza all’apparecchio una serie di campioni di un tipo e dell’altro, modificando ogni volta i parametri della rete perché fornisca la risposta desiderata.

In altre realizzazioni si sono impiegati sensori basati su transistori a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET), polimeri organici e polimeri compositi. In questi dispositivi la risposta conseguente all’assorbimento delle sostanze volatili si manifesta generalmente in variazioni della conduttanza elettrica, che vanno a costituire il segnale d’uscita del sensore. Ma vale la pena di menzionare anche la tecnica delle microbilance inerziali, che sono estremamente sensibili, in grado di apprezzare variazioni di massa dell’ordine del picogrammo. A tal fine si utilizza un minuscolo dischetto di quarzo sulla superficie del quale viene depositato un materiale sensibile che assorbe soltanto un determinato tipo di sostanze odorose. La variazione di massa viene rivelata misurando la variazione della frequenza di oscillazione del quarzo.

Alle ricerche in questo campo hanno contribuito numerosi gruppi di ricerca, alcuni dei quali operanti in Italia, come quelli dell’Università di Tor Vergata che fa capo ad Arnaldo d’Amico, dell’Università di Milano e dell’ENEA di Portici. Si capisce che le applicazioni pratiche dei nasi elettronici sono assai numerose, in particolare nell’industria alimentare per il riconoscimento della freschezza dei prodotti e per la rilevazione della presenza di contaminanti, come pure nell’industria farmaceutica e in quella della cosmesi. Ma i campi d’impiego potrebbero estendersi assai notevolmente – pensiamo per esempio a un frigorifero dotato di olfatto e quindi in grado di determinare lo stato di conservazione delle vivande al suo interno – se il costo di questi apparecchi (che oggi è di decine di migliaia di euro) venisse drasticamente ridotto. Come sembrano promettere le ricerche sulle tecnologie realizzative dei sensori e dell’elettronica associata impieganti polimeri organici, in corso al MIT e all’università di California a Berkeley.

Tornando infine alla diagnostica medica [1], gli studi a tale riguardo, come si è detto, sono numerosissimi [2]. Fra questi citiamo soltanto due recenti lavori di un gruppo di scienziati dell’università di Riga, presentati nel settembre 2013 al Congresso della European Respiratory Society di Barcellona. Uno di questi ha
visto l’impiego di un apparecchio commerciale, il Cyranose 320, per rivelare a posteriori la presenza di cancro al polmoni. Esaminando 475 persone, in parte volontari sani e in parte affetti da tumore o da altre affezioni ai polmoni, il naso elettronico ha individuato il 96% dei casi di cancro, con un 9% di falsi positivi. Un altro lavoro ha riguardato lo studio di determinati composti organici volatili (metanolo, etanolo e idrocarburi) presenti nel respiro di volontari sani e di pazienti con cancro ai polmoni o altre affezioni polmonari (polmonite e broncopneumopatia ostruttiva). Si è trovato così che nei malati di cancro i livelli di metanolo, etanolo, decano e dodecano nel respiro risultano decisamente inferiori rispetto a tutti gli altri, fornendo così una utile indicazione diagnostica in tempi assai più brevi delle analisi tradizionali.

BIBLIOGRAFIA
[1] http://spectrum.ieee.org/tech-talk/at-work/test-and-measurement/newsfor-nose-machines-use-odor-to-diagnose-disease.
[2] www.sensigent.com/products/Medical%20Applications.pdf.

Credits immagine: Genia Brodsky and Noam Sobel (The Weizmann Institute)/Wikimedia Commons

Questo articolo è stato pubblicato col titolo “Il fiuto per le diagnosi” sul numero di dicembre della rivista Sapere.

1 commento

  1. Vengono spiegate molto bene tutte le caratteristiche ma non viene dato il prezzo. Nella mia regione Friuli Venezia Giulia dove si compera?

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