用于肺癌筛查的呼出气体检测电子鼻仪器模块化设计

摘要

肺癌已被公认为因肿瘤致死的头号病因。通过人体呼出气体检测肺癌，是一种无创、无标记、快速、低成本的新型诊断技术。本文提出了一种基于金属氧化物半导体传感器定制阵列的呼出气体检测电子鼻仪器的模块化设计方案，可实现高灵敏度检测呼出气体中若干类具有肺癌特异性的挥发性有机化合物，其检测下限达到ppb水平。通过临床实验，进一步验证了该仪器可以有效提高MOS-SAW复合传感器电子鼻系统在肺癌筛查应用中的灵敏度和特异性。
　　 本文首先介绍通过呼出气体检测人体疾病的成功案例，并总结近年来国际上通过呼吸诊断肺癌的仪器研究最新进展。其次，本文着重从该电子鼻的三个主要模块入手详细介绍仪器的研发工作。
　　 1.检测器模块：本文以对单个MOS传感器的气敏机理与数学模型的研究为基础，总结该类传感器的结构类型、信号检测电路设计与新型半导体气体传感器的特点及应用，并介绍了传感器阵列的组成与气室设计。
　　 2.气路与电路模块：从气体富集材料的特性展开，介绍了作为呼出气体检测电子鼻气路核心的富集与解吸附单元，研究了电子鼻仪器的气路结构设计；与实现气路结构功能密不可分的是仪器电路结构，本文进一步研究了传感器信号检测、气路部件的控制以及用户交互接口设计等三个方面的内容，并在此基础上提出了该电子鼻针对呼出气体分析的进样方案，总结了GC-MOS-SAW新型结构电子鼻的试验工作。
　　 3.嵌入式软件模块：本文研究了应用于电子鼻仪器的μC/OSⅡ嵌入式软件设计方案，并从仿真平台与触控终端两个方面阐述电子鼻仪器的图形化用户交互界面的设计方案。
　　 最后，本文介绍了对该电子鼻仪器的标定工作，以及在邵逸夫医院、浙一医院等大力支持下所开展的临床实验。实验采集并分析了47例肺癌患者和42例健康家属的呼出气体样本。通过融合MOS-SAW检测数据，对肺癌患者的检测灵敏度达到93.62％，特异性达到90.48％，基本满足应用于对肺癌患者临床诊断的需求，与网络应用相结合，有望成为一项针对肺癌高危人群快速筛查的仪器技术。