基于谐振型SAW传感器检测呼出气体诊断肺癌的电子鼻仪器设计

摘要

肺癌发病率近年来呈迅速上升趋势，由于早期诊断率低，肺癌已成为人类因肿瘤致死的首位病因；呼吸诊断因其无创、简便、快捷的特点，正逐渐成为一种新型的诊断方法。本文提出了一种基于谐振型声表面波传感器的呼吸检测电子鼻仪器，其实现了对呼吸中肺癌诊断标志物的高精度测定，检测下限达到ppb级；在临床实验中，该仪器实现了对肺癌患者和正常人的有效区分，为肺癌早期筛查、诊断开辟了新的途径。
　　 本文的内容主要分为三个部分：
　　 第一部分是传感器应用设计。首先，设计了一种可用于呼吸检测的谐振型声表面波传感器，其质量敏感度可达2.67kHz/ng，同时检测器的温度扰动噪声仅为10Hz；其次，根据肺癌诊断标志物的特点，提出了使用Tenax-TA结合气相色谱技术的对呼吸样本进行预处理的方法；再次，设计了与仪器相适应的分体式传感器气室，该设计实现了气相色谱气体分离系统与传感器的良好对接，并为传感器提供了稳定的外部环境。
　　 第二部分是仪器的电路及软件系统设计。设计了基于AT89S52以及MSP430F149的仪器控制及信号检测电路，其中控温电路的精度达到±0.01℃，传感器信号检测电路的频率检测精度达到±0.1Hz；编写了下位机程序，实现了仪器的自动化检测以及数据的采集与传输；设计、编写了上位机程序，在线状态下该程序可对下位机传递的数据进行实时显示、存储，并对仪器的工作状态进行控制；离线状态下，可对实验数据进行平滑、滤波等预处理，进而对诊断标志物进行特征提取，并最终根据诊断模型给出诊断结果。
　　 第三部分是基于本仪器进行的临床呼吸样本测试及其结果分析。在浙江大学附属邵逸夫医院的配合下，采集了42例肺癌患者及39例正常人的呼吸气体作为实验样本进行了临床实验。结合前期对肺癌诊断标志物的研究成果，提出了基于本仪器的呼吸诊断肺癌算法。实验结果表明，本仪器在肺癌诊断中的敏感度为83.3％，特异度为82.1％，已经可以用于肺癌检测，对开展肺癌筛查、提高肺癌早诊率具有显著的意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 肺癌及其危害

1.1.1 肺癌现状

1.1.2 肺癌的成因

1.1.3 肺癌的常规诊断方法

1.2 呼吸诊断

1.2.1 呼吸诊断的含义

1.2.2 呼吸诊断肺癌标志物的研究

1.3 电子鼻在呼吸诊断中的应用

1.3.1 电子鼻发展现状

1.3.2 电子鼻用于呼吸诊断

1.4 本文的研究内容

第二章 谐振型SAW传感器的应用设计

2.1 谐振型SAW气体检测器

2.1.1 声表面波技术

2.1.2 谐振型SAW传感器的工作模式

2.1.3 传感器配用电路设计

2.1.4 检测器温度敏感性测试实验

2.1.5 SAW传感器质量敏感特性实验

2.2 气体前处理

2.2.1 呼吸气体的采集

2.2.2 呼吸气体的富集与解析

2.2.3 分离系统的工作原理

2.2.4 分离系统的实现

2.3 气体检测头的设计

2.3.1 检测头的设计要求

2.3.2 检测头的设计实现

2.4 仪器的工作模式设计

2.4.1 样本测试模式

2.4.2 气路清洗模式

第三章 测量及控制电路系统设计

3.1 传感器信号检测电路

3.1.1 传感器信号检测电路设计

3.1.2 电路精度的标定及分析

3.2 传感器工作温度检测电路

3.2.1 传感器工作温度的需求分析

3.2.2 温度检测电路设计

3.2.3 温度检测电路的标定

3.3 传感器温度控制电路

3.3.1 影响控温精度的因素分析

3.3.2 传感器控温装置及电路设计

3.3.3 温控电路测试实验与分析

3.4 气体分离系统的控制电路

3.4.1 温度控制电路

3.4.2 电机控制电路

3.5 通讯电路设计

3.5.1 FTDI4323芯片介绍

3.5.2 电路实现

第四章 仪器控制及数据分析软件系统设计

4.1 仪器控制程序设计

4.1.1 频率测量电路控制程序

4.1.2 温度测量及控制电路程序

4.1.3 气体分离系统控制程序

4.2 数据采集及分析软件设计

4.2.1 通讯端口的自动识别

4.2.2 通讯协议实现

4.2.3 呼吸检测数据的存储

4.2.4 数据预处理

4.2.5 基于二阶差分的特征提取算法

4.2.6 基于人工神经网络的模式识别算法

4.2.7 其它功能

第五章 临床实验及肺癌诊断结果分析

5.1 临床实验方案

5.1.1 临床样本的采集

5.1.2 临床样本的电子鼻实验

5.2 肺癌诊断结果分析

5.2.1 仪器诊断肺癌的诊断模型

5.2.2 仪器肺癌诊断结果及分析

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及在硕士研究生期间的科研成果