呼吸检测电子鼻及其在肺癌诊断应用中的研究

摘要

肺癌是一种高恶性度的肿瘤，发病率呈快速上升趋势，因为缺少有效的早期诊断技术其死亡率亦高踞肿瘤前三甲。因此急需研制出可应用于临床的新型肺癌诊断技术。呼吸诊断方法是一种新型的无创伤的诊断技术，电子鼻技术能够提供自动、快捷、方便的检测技术，基于此两种技术，本文提出了新型肺癌呼吸诊断电子鼻的技术实现方法。该方法基于临床数据得出的诊断模型，利用声表面波传感器结合毛细管分离技术，实现了肺癌的快速、无创诊断，为早期诊断肺癌开辟了一条新的途径。 本文的主要研究内容： (一)肺癌呼吸诊断方法1)研究了肺癌的病理，阐述了肺癌细胞代谢过程中产生特异性标志物的可能。使用固相微萃取和气相色谱联用技术检测肺癌细胞和其他正常细胞离体时的代谢产物，比较了他们之间的共性和差异，找出了四种气体作为肺癌细胞代谢的特异性气体，根据气相色谱外标法确定了其中的两种为癸烷和十一烷。为呼吸检测肺癌提供了细胞水平的病理依据。 提出了肺癌细胞代谢产物中可能存在细胞水平的特征性标志物，并对这个可能性进行了实验的论证。设计了相关的实验方法，选择了顶空固相微萃取联用气相色谱技术对细胞培养液中的代谢产物进行检测。 得出了相关的实验结果，论证了肺癌细胞代谢中确实存在和正常细胞不同的代谢产物。异戊二烯在含量上要比正常细胞多。十一烷和癸烷可以用来区别肺癌细胞和正常细胞。在保留时间为1.6min到3.6min的区域里，不同肺癌细胞都有代谢产物，而正常细胞则没有。 进行了肺癌细胞代谢模型的探讨。根据实验现象的总结和对细胞癌变的一些理解，探讨了在细胞癌变过程中的各个阶段产生特征性标志物的可能，以及它们之间的相互关系。 2)研究了人体呼出气的收集和检测方法，根据实验统计结果确定了基于不同肺癌特征性标志物组合的诊断模型，研究了这些模型的诊断灵敏度和特异度。根据和肺癌细胞代谢特征性产物的对比，选择了癸烷和十一烷的组合作为诊断模型。基于该模型的诊断方法达到了80％左右的灵敏度和70％左右的特异度。ROC曲线下面积为0.8左右。实现了肺癌呼吸诊断方法，为诊断电子鼻的设计提供了临床数据。 (二)呼吸检测电子鼻1)研究制作了中心频率为120MHz，敏感区为0.5mm见方的声表面波质量温度传感器。其质量灵敏度达到1KHz/ng，温度灵敏度达到9KHz/℃。设计了基于此传感器的电子鼻气体质量检测器。实现了该检测器工作温度的精确控制(±0.02℃)，使得检测器基线噪声在40Hz以内。　>研究了声表面波质量温度传感器的设计原理，方法。对具体实现的声表面波传感器的基本特性进行了测试。实验结果显示，该传感器的实际表现基本达到了我们的设计要求。 >研究了利用该传感器制作高灵敏度质量检测器的设计方案。对该检测器的工作原理，工作方式进行了探讨。 >设计了温控反馈系统，对该系统的实际工作功率进行了数据分析，根据功率曲线调整了PID温控算法从而实现了传感器工作温度的精确控制和调节。 >论述了该检测器工作时存在的干扰因素，讨论了他们的屏蔽方法。设计了检测器的接口和封装2)研究了电子鼻的系统方案，确定了基于毛细管分离柱结合声表面波传感器的电子鼻检测系统，设计制作了该系统的软件和硬件，实现了对诊断方法中的特征性标志物的检测。 >根据实际要求对仪器的气路，电路系统进行了设计。标定了整个电子鼻系统的电路。标定了电子鼻系统对癸烷和十一烷的检测灵敏度分别为12Hz/ng和27Hz/ng，检测下限分别为10ng和4.5ng。线性检测范围分别为1Ong-2000ng和4.5 ng-400ng。 >对电子鼻系统的软件进行了设计。完成了各个模块的功能实现，对特征值提取的算法进行了设计并优化了参数。实现了呼吸检测肺癌的诊断方法。 3)研究了电子鼻的临床应用。对肺癌病人和正常人呼吸样本进行检测。通过对比基于热解析-GC-FID分析系统的临床实验数据，阐明了该电子鼻不但可以应用于肺癌临床诊断还可以应用于肺癌呼出气特征性标志物的研究。 >研究得出了呼吸气体预处理的不同会影响特征性标志物的检测。比较了基于固相微萃取和热解析预处理的临床实验结果。发现只有十一烷可作为特征性标志物同时出现。使用热解析-GC-FID检测系统测试了80例气体样本(40例为肺癌患者，4O例为正常人)，根据实验统计结果，选择了出峰时间为10.87O(十一烷)，17.867，2O.881，21.809和24.331的五种物质作为该系统的肺癌标志性物质。 >使用电子鼻诊断仪测试了10例气体样本(5例肺癌患者，5例正常人)，对比热解析-GC-FID检测系统的临床数据，发现选中的五种物质可以和电子鼻检测到的肺癌患者呼吸中的特征性物质一一对应(在出锋保留时间上相差1.3秒)。 根据我们目前的研究，基于有限样本量，确定了呼吸诊断肺癌的方法，为该方法的病理研究提供了实验数据。基于此设计了电子鼻系统实现了肺癌呼吸诊断的仪器化和标准化。为呼吸诊断早期肺癌打下了坚实的基础。

目录

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致谢

摘要

第一章绪论

1.1引言

1.1.1肺癌的危害及现状

1.1.2常规肺癌诊断方法和课题的提出

1.2呼吸诊断方法现状

1.2.1呼吸诊断的对象—挥发性、半挥发性有机气体

1.2.2呼吸诊断的发展

1.2.3肺癌的呼吸诊断方法

1.3检测呼吸中挥发性、半挥发性有机气体的方法和技术

1.3.1呼吸的收集和预处理

1.3.2挥发性、半挥发性有机气体的检测

1.4电子鼻诊断肺癌

1.4.1电子鼻诊断肺癌的意义

1.4.2电子鼻系统解决方案

1.5电子鼻应用于肺癌呼吸诊断方案的可行性研究

1.5.1基于金属氧化物气体传感器阵列的方案

1.5.2基于毛细管分离和声表面波气体传感器的方案

1.6研究内容

1.7参考文献

第二章肺癌细胞代谢的特征性标志物

2.1肺癌病因学研究

2.1.1肺癌诱因

2.1.2肺癌病理和组织类型分类

2.2细胞代谢产生特征性VOCs的病理分析

2.2.1活性氧与氧自由基在肺癌细胞代谢中的作用

2.2.2脂质过氧化作用

2.3离体细胞代谢产物的固相微萃取气相色谱联用测定

2.3.1细胞代谢产物的预处理——固相微萃取技术

2.3.2固相微萃取/气相色谱联用技术

2.3.3细胞的获取和离体培养

2.3.4细胞代谢产物的检测方法

2.4实验方案

2.4.1实验目的

2.4.2实验对象

2.4.3实验设计

2.5实验结果及分析

2.5.1相同类型肺癌细胞培养液分析结果对比

2.5.2不同类型肺癌细胞培养液分析结果对比

2.5.3肺癌细胞与其他细胞的对比

2.5.4肺癌细胞与同体肺部正常细胞对比

2.5.5肺癌细胞与肺部良性病变细胞对比

2.5.6实验现象总结及模型探讨

2.6本章小结

2.7参考文献

第三章人体呼出气中的特征性标志物

3.1实验方案

3.1.1实验目的

3.1.2实验方法

3.2肺癌病人的采集

3.2.1肺癌分期

3.2.2病人的采集信息

3.3肺癌病人呼吸的气相色谱法测定

3.3.1呼吸气体的收集

3.3.2呼吸气体的预处理——固相微萃取

3.4实验结果与分析

3.4.1肺癌病人检测结果

3.4.2正常人检测结果

3.4.3其它肺病病人检测结果

3.4.4统计结果分析

3.5特征性标志物的选取以及诊断模型研究

3.5.1诊断模型的特征性标志物组合确定

3.5.2不同特征性标志物组合的诊断结果测试

3.5.3肺癌呼吸检测特征性标志物的确定

3.5.4诊断方法

3.6本章小结

3.7参考文献

第四章声表面波检测器

4.1声表面波质量—温度传感器的设计制作

4.1.1声表面波技术

4.1.2设计方法

4.1.3设计参数

4.2声表面波质量—温度传感器的特性测试与分析

4.2.1传感器配用电路

4.2.2质量敏感特性

4.2.3温度敏感特性

4.3声表面波质量检测器

4.3.1检测器结构

4.3.2检测器工作原理

4.3.3检测器工作模式

4.4检测器工作温度控制及基线噪声

4.4.1温控器件的功率测试实验

4.4.2实际温控器件的功率模型

4.4.3检测器工作温度的控制

4.4.4检测器温度控制的精度及相应的基线噪声

4.5检测器的封装及接口设计

4.5.1检测器信号的干扰及屏蔽

4.5.2检测器接口设计

4.6本章小结

4.7参考文献

第五章肺癌诊断电子鼻的系统实现

5.1电子鼻系统的结构

5.2电子鼻的硬件系统设计

5.2.1气路设计

5.2.2电控系统

5.2.3电路实现

5.3电子鼻的硬件系统标定

5.3.1电路标定

5.3.2检测物标定

5.4电子鼻的软件设计

5.4.1软件框架

5.4.2模块功能

5.4.3具体实现

5.5呼吸诊断肺癌方法的软件实现

5.5.1特征值的提取

5.5.2诊断模型的算法实现

5.6本章小结

5.7参考文献

第六章肺癌诊断电子鼻的临床应用研究

6.1临床实验方案

6.2呼吸样本的热解析-GC-FID检测

6.2.1呼吸气体样本

6.2.2呼出气的预处理——Tenax预富集

6.2.3呼出气的检测——热解吸/气相色谱联用技术

6.3呼吸样本的电子鼻检测

6.3.1呼吸气体样本

6.3.2电子鼻检测

6.4结果分析

6.4.1热解析-GC-FID系统的检测结果

6.4.2电子鼻系统的检测结果

6.4.3电子鼻系统和热解析-GC-FID系统的比对

6.5本章小结

6.6参考文献

第七章总结与展望

7.1本论文主要工作的总结

7.1.1肺癌的呼吸诊断方法

7.1.2电子鼻诊断仪的研制

7.2本论文的创新工作

7.3存在的问题与改进意见

7.3.1存在问题

7.3.2改进意见

作者简介

博士研究生期间发布的论文和成果