肺癌是目前全世界最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率和死亡率不斷上升。究其原因是肺癌病因不明，發(fā)病時(shí)間短、轉(zhuǎn)移快、惡性程度高，早期不易診斷，到中、晚期失去了手術(shù)機(jī)會(huì)，患者五年生存率僅為15%左右。早期發(fā)現(xiàn)可使患者五年內(nèi)生存率提高到70%～80%。所以早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期治療是提高肺癌生存率和降低死亡率的關(guān)鍵。肺癌早期通常無特殊癥狀，幾乎不被醫(yī)生和病人警覺，并且常用診斷方法難以做到早期發(fā)現(xiàn)、早期定性診斷。
目前，基于電子鼻的疾病診斷研究主要集中在有關(guān)腎病、糖尿病的早期診斷和一些細(xì)菌的類型與生長階段的識(shí)別。電子鼻的疾病診斷作為醫(yī)學(xué)診斷無損化的重要方向之一，已經(jīng)取得了很多成果，但目前還未有通過認(rèn)證的呼吸診斷儀器的報(bào)道。如何進(jìn)一步改進(jìn)肺癌的診斷技術(shù)、提高各種治療的療效等，已經(jīng)成為近期全世界腫瘤研究領(lǐng)域的重中之重。我國也把肺癌列為全國重點(diǎn)攻關(guān)課題。尋找一種更先進(jìn)的儀器和技術(shù)在局部組織發(fā)生癌變時(shí)即能發(fā)現(xiàn)和診斷，即是本電子鼻系統(tǒng)所要完成的工作。本文從相關(guān)病理的呼吸氣體的偵測(cè)和收集、氣體傳感器陣列的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)和模式識(shí)別技術(shù)的選擇等方面對(duì)電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。
1 電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識(shí)別氣體的電子系統(tǒng)。電子鼻主要由氣體取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)三種功能器件組成。電子鼻識(shí)別氣體的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣體都有不同的靈敏度，整個(gè)傳感器陣列對(duì)不同氣體的響應(yīng)圖案不同。正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)圖案識(shí)別氣味。
電子鼻典型的工作流程是：首先，利用呼吸氣體收集裝置(經(jīng)過呼吸氣體凈化和流量控制)把呼吸氣體吸取至裝有電子傳感器陣列的小容器室中;接著，把已初始化的傳感器陣列暴露到被測(cè)氣體中，當(dāng)揮發(fā)性化合物(VOC)與傳感器活性材料表面接觸時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)響應(yīng)，這種響應(yīng)被記錄并傳送到信號(hào)處理單元進(jìn)行分析，與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的大量VOC圖案進(jìn)行比較、鑒別，以確定氣體類型;最后，清洗氣沖洗傳感器活性材料表面以去除測(cè)畢的氣體混合物。在進(jìn)入下一輪新的測(cè)量之前，傳感器仍需再次初始化(即工作之前，每個(gè)傳感器都需用干燥氣或某些其他參考?xì)怏w清洗，以達(dá)到基準(zhǔn)狀態(tài))。電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本文從肺癌患者的呼吸氣體中與疾病有較大相關(guān)性的有病理意義的氣體的偵測(cè)、呼吸氣體收集裝置的設(shè)計(jì)、氣體傳感器陣列的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)和模式識(shí)別技術(shù)的選擇等方面進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)。
2.1 呼吸氣體的偵測(cè)
大約有200種以上的化合物已在人類的呼氣中被偵測(cè)出，其中某些氣體與肺癌相關(guān)，因此利用呼氣檢測(cè)疾病是可行的方法。其優(yōu)點(diǎn)是非侵入式、簡(jiǎn)單、快速，故具有極高的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿ΑＥc醫(yī)院結(jié)合，選取合適的氣敏傳感器與檢測(cè)方法，檢測(cè)肺癌患者的呼出氣體中苯乙烯、癸烷、十一烷等22種有機(jī)揮發(fā)性(VOCs)特征氣體的濃度是很有前景的肺癌無創(chuàng)傷診斷與監(jiān)護(hù)方法。
2.2 呼吸氣體收集裝置的設(shè)計(jì)
由于呼氣中所產(chǎn)生與肺癌相關(guān)的氣體濃度很低(通常在ppb層級(jí))，而傳統(tǒng)的呼氣檢測(cè)方式是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的呼氣采樣程序后，再以氣相色譜質(zhì)譜分析儀判定化合物種類，其分析過程必須將大量的呼氣樣品(約需3L的呼氣樣品)濃縮后，才可達(dá)到儀器能偵測(cè)的極限值。此方法不僅儀器昂貴、耗時(shí)且需大量的樣品檢體。而電子鼻所需的分析成本不高，且所需呼氣樣品量?jī)H10ml左右，操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)快速(數(shù)分鐘)。呼吸氣體的收集在電子鼻的肺癌早期診斷系統(tǒng)中占有極其重要的地位，氣體收集裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中箭頭表示清洗氣和呼吸氣體的流動(dòng)方向。整個(gè)氣體收集裝置經(jīng)過氣體清洗后，通過吹氣口將測(cè)試者的呼吸氣體呼入。經(jīng)過一系列的水分和無關(guān)氣體的清除后，通過流量計(jì)控制氣體的流速和微處理器的定時(shí)采集，再經(jīng)過加熱器除去非活性氣體。
2.3 氣體傳感器陣列的選取和優(yōu)化設(shè)計(jì)
在該電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是關(guān)鍵因素。影響氣敏傳感器性能的主要因素有材料及成模技術(shù)、應(yīng)用溶凝膠技術(shù)制備敏感模、工作狀態(tài)及工作環(huán)境等。此外，還要考慮初始過程響應(yīng)和氧分壓對(duì)氣敏傳感器特性的影響。
氣體傳感器陣列的性能直接決定了系統(tǒng)的識(shí)別能力、識(shí)別范圍、使用壽命等，因而如何構(gòu)成陣列以提高電子鼻系統(tǒng)的性能成為重要的研究課題。傳感器陣列的參數(shù)選擇主要是：陣列規(guī)模、傳感器類型及其選擇性、穩(wěn)定性、噪聲水平以及熱敏特性等。
