Volatile organic compounds (VOCs) represent a novel but underexplored modality for emotion recognition. This paper presents a systematic evidence synthesis and exploratory investigation of VOC-based affective computing using low-cost sensors. Study 1, a systematic scoping review following PRISMA-ScR guidelines, analyzed 16 studies from 610 records across breath, sweat, skin, and urine biosources. Evidence indicates that stress and affective states are reflected in VOC signatures (aldehydes, ketones, fatty acids, sulfur compounds), though with considerable heterogeneity. Current research relies predominantly on laboratory-grade GC-MS or PTR-MS, while wearable sensors provide pattern-level outputs without compound-specific identification - a critical gap for practical systems. Study 2 (n=25) investigated whether low-cost TVOC sensors (BME688, ENS160) combined with physiological monitoring (HR, HRV, GSR) can detect laboratory-induced stress. Exploratory analysis revealed that high cardiovascular reactors exhibited elevated TVOC during arithmetic stress (d=1.38), though requiring replication in larger samples. Substantial interindividual variability emerged (CV>80%), with coupling patterns moderated by baseline emission levels and temporal lags of 30-80 seconds. Random Forest-based multimodal classification achieved 77.3% accuracy (5-fold CV). SHAP analysis indicated VOC sensors contributed 24.9% of model performance. Leave-one-subject-out validation yielded 65.3% accuracy, highlighting the need for individual calibration. This work provides three contributions: (1) comprehensive mapping of VOC biomarker evidence and technological gaps, (2) initial demonstration that low-cost sensors can capture stress-related VOC patterns in multimodal fusion, and (3) identification of key implementation challenges. Findings require replication in larger samples (n>=50).


翻译:挥发性有机化合物(VOCs)是情感识别领域中一种新颖但尚未被充分探索的模态。本文对基于VOC的情感计算进行了系统的证据综合与探索性研究,并采用了低成本传感器。研究1是一项遵循PRISMA-ScR指南的系统性范围综述,从610条记录中筛选出16项研究,涵盖了呼吸、汗液、皮肤和尿液等生物源。证据表明,压力和情感状态反映在VOC特征谱中(如醛类、酮类、脂肪酸、含硫化合物),但存在相当大的异质性。当前研究主要依赖于实验室级的GC-MS或PTR-MS,而可穿戴传感器仅提供模式层面的输出,缺乏化合物特异性识别——这是实用系统面临的一个关键缺口。研究2(n=25)探讨了低成本总挥发性有机化合物(TVOC)传感器(BME688, ENS160)结合生理监测(心率、心率变异性、皮电反应)能否检测实验室诱导的压力。探索性分析显示,高心血管反应者在算术压力期间表现出升高的TVOC水平(效应量d=1.38),但需要在更大样本中进行重复验证。研究发现了显著的个体间差异(变异系数CV>80%),其耦合模式受到基线排放水平和30-80秒时间滞后的调节。基于随机森林的多模态分类达到了77.3%的准确率(5折交叉验证)。SHAP分析表明,VOC传感器贡献了模型性能的24.9%。留一被试交叉验证的准确率为65.3%,突显了个体校准的必要性。本工作提供了三项贡献:(1)全面梳理了VOC生物标志物证据与技术缺口;(2)初步证明了低成本传感器在多模态融合中可以捕捉到与压力相关的VOC模式;(3)识别了关键的实施挑战。研究结果需要在更大样本(n>=50)中进行重复验证。

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