学校代码：10255
学号：2131171
用于肺癌辅助诊断的电子鼻研究与设计
RESEARCH ON DESIGN OF AN ELECTRONIC NOSE FOR INSTRUMENT-AIDED DIAGNOSIS OF
LUNG CANCER
专业：电气工程
姓名：吴会彬
指导教师：赵曙光
答辩日期：2015年5月29日
东华大学信息科学与技术学院
College of Information Science and Technology
Donghua University
东华大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期：年月日
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不保密□。
学位论文作者签名：指导教师签名：
日期：年月日日期：年月日
用于肺癌辅助诊断的电子鼻研究与设计
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，肺癌成为人们健康和生命的严重威胁。肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键。目前临床尚缺乏简单有效的肺癌早期诊断及动态监测手段。呼吸气体诊断通过检测人体呼吸气体中挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOC)的成分变化来进行辅肺癌助诊断，因其无创、简便、快捷的特点，已经越来越多地得到了关注、研究和应用。由于它有助于尽早发现处于早期或可治疗阶段的肺癌，从而显著地降低肺癌的死亡率，有望成为一个新兴的肺癌早期诊断手段。
本文提出了一种基于金属氧化物半导体传感器的呼出气体检测电子鼻仪器的模块化设计方案，预期通过对呼吸中肺癌诊断标志物的高精度测定，可有效地区分正常人和肺癌患者，为肺癌的早期诊断提供一种新的辅助诊断工具。
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方面的仪器研发的最新进展。其次，本文着重从该电子鼻的四个方面较详细地介绍电子鼻的设计和仿真要点，分别是气敏传感器阵列与气室设计、肺癌辅助诊断电子鼻系统硬
件设计、电子鼻系统软件设计以及电子鼻系统的仿真实现与验证，仿真过程通过Protues软件实现，仿真结果证明该方案是可行的。
希望本文能够为肺癌辅助诊断电子鼻系统的研发和应用提供参考，特别是推动现有同类产品的改进和相关新产品的开发。
关键词：电子鼻，金属氧化物气敏传感器，肺癌，呼吸检测，辅助诊断
RESEARCH ON DESIGN OF AN ELECTRONIC NOSE FOR INSTRUMENT-AIDED DIAGNOSIS OF
LUNG CANCER
ABSTRACT
Incidence of lung cancer shows a rapid rise in recent years, and due to the low rate of early diagnosis, lung cancer has become a serious threat to people's health and life. Early diagnosis of lung cancer and screening in high-risk population is the key to reducing the mortality of lung cancer. It currently lacks simple and effective lung cancer early diagnosis and dynamic monitoring means on clinic. Breath detection diagnosis makes auxiliary diagnosis by detecting the component changes of the volatile organic compounds(VOC) in human respiratory gases. For its non-invasive, convenient, and fast features, breath diagnosis is gradually becoming a new diagnostic means. Due to early detection of lung cancer at an early and treatable stage, it reduces the mortality of lung cancer significantly. And it is expected to become a new means for early diagnosis of lung cancer.
In this thesis, a modular design of a novel breath detecting electronic nose based on metal oxide semiconductor(MOS) sensors is presented. Which implements high-precision detection of the lung cancer diagnostic markers in breath. It is expected that this e-nose can distinguishes lung cancer patients and normal people effectively, and provide a new diagnostic tool for early diagnosis of lung cancer.
To begin with, the thesis presents a few cases which successfully detect the human diseases through analysis of exhaled breath. It has also summarized a few latest progresses in international researches of instruments through respiratory diagnosis of lung cancer in recent years. Secondly, this thesis introduces the design and simulation of electronic nose in detail from four aspects.
Namely, the design of gas sensor array and gas chamber, the hardware design of Lung cancer diagnosis electronic nose system, the software design of electronic nose system and the simulation and verification of electronic nose system. The simulation process is carried out by Proteus. And the simulation results prove that this scheme is feasible.
It is expected that this thesis can provide reference value to the research and application of lung cancer diagnosis electronic nose system, and it can promote the development of existing products and related new products especially.
Wu Huibin (Electrical Engineering)
Supervised by Shuguang Zhao
KEY WORDS:Electronic Nose, Metal Oxide Semiconductor Gas Sensor, Lung Cancer, Breath Detection,auxiliary diagnosis
目录
摘要 ............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. I II 1绪论 (1)
1.1 课题研究背景与意义 (1)
1.2 课题国内外相关研究进展与现状 (5)
1.3 本文的研究内容与章节安排 (8)
2肺癌辅助诊断电子鼻设计的理论基础 (10)
2.1 肺癌的呼吸诊断方法 (10)
2.2 细胞代谢产生特征性VOCS的病理分析 (12)
2.3 VOC在肺癌诊断中的地位 (14)
2.4 电子鼻系统解决方案 (15)
2.5 本章小结 (16)
3气敏传感器阵列与气室设计 (17)
3.1 气敏传感器的分类 (18)
3.2 半导体气敏传感器 (19)
3.3 气敏传感器阵列设计 (23)
3.4 气室模块设计 (25)
3.5 本章小结 (26)
4肺癌辅助诊断电子鼻系统硬件设计 (27)
4.1 系统的结构和功能 (27)
4.2 进样系统 (30)
4.3 电控系统 (32)
4.4 通讯电路设计 (34)
4.5 电源电路 (37)
4.6 本章小结 (38)
5肺癌辅助诊断电子鼻系统的软件设计及仿真验证 (39)
5.1 程序的设计 (39)
5.2 程序的描述和功能 (40)
5.3 Proteus软件系统仿真整体方案 (45)
5.4 电子鼻系统仿真 (46)
5.5 仿真结果分析 (47)
5.6 本章小结 (49)
6总结与展望 (50)
6.1 总结 (50)
6.2 存在的问题与改进建议 (50)
6.3 展望 (52)
参考文献 (53)
攻读学位期间的研究成果 (56)
致谢 (57)
附录 (58)
1绪论
1.1 课题研究背景与意义
肺癌这种疾病的危害程度众所周知。20世纪初，肺癌在全世界是罕见的肿瘤。到了20世纪中期之后，从发达国家开始，肺癌渐渐地向发展中国家发展，并且它的发病率和死亡率极速上升。世界卫生组织在2001年曾经发布警告说，在过去的10年中，全世界肺癌的发病率每年以22%的速度上升，每年全球新增肺癌患者达120万人，其中死亡110万人。目前肺癌的发病率和死亡率已经排在各种恶性肿瘤的第一位[1]。
如图1.1所示为2009年世界卫生组织对全球范围内各个国家肺癌死亡率的作的统计。
图1.1 全球肺癌的死亡率统计
从该图可以看出，在2009年我国每10万公民中死于肺癌的人数是35-40人，而我国肺癌的发病率和死亡率还在呈继续上升的趋势，这是一个不可忽视的国情。如图1.2所示，国内专家预测到2033年，我国将会有1800万肺癌患者，这几乎相当于上海市的常住人口总数。有文献指出肺癌若能在早期得到及时治疗，患者五年后的存活率可以上升3-5倍，如图1.3所示[2]。
图1.2 肺癌的发病率及死亡率图1.3 五年生存率对比
临床上肺癌诊断的一般步骤为病人因为咳嗽、咯血等严重症状来院就诊，然后通过胸部X光或CT扫描评估肺内病变情况，再通过支气管镜、肺穿刺活检等手段来确定肺癌的病理类型。而如果在痰细胞检测中发现异型细胞，就表明肺癌的可能性增大很多。
现行的传统肺癌检测手段，如胸部X光、CT扫描、纤维支气管镜、肺部组织活检等均存在设备复杂、昂贵、耗时，对病人有损等缺点。并且无论是胸部X 光摄片还是CT扫描成像，在肺癌早期，病变组织都只呈现“淡淡的影像”，临床上很难在不通过穿刺活检的条件下，就确诊为癌变，因为肺部炎症在影像上也有类似的特征，因此目前在临床上采用多次检测，进一步跟踪病变组织在影像上的变化，这个过程一般为3个月。而一旦其在影像上呈现“致密”、“增大”的状态，此时确定的肺癌多已处于晚期，病人的状态已经岌岌可危。针对这个临床难题，近年来，国际上逐渐掀起对一项新的临床辅助诊断技术的研究，那就是通过分析研究人体的呼出气体来无创、快速、低成本地辅助诊断肺癌[3]。
肺癌有个显著的特点就是，发病患者在发病初期(也就是Ⅰ期，Ⅱ期)没有什么病症显现可以提醒，让患者及时就诊。往往当患者感觉到不舒适时，肺癌细胞已经扩散或者转移了(Ⅲ期，Ⅳ期)。
肺癌早期诊断的最大意义就是开展早期治疗，改善生存率。普遍认为Ⅰ和Ⅱ期的肺癌是可以外科切除的，前提是该患者有足够的肺功能储备或其它适合手术切除的医疗条件，如病理学分期为IA(T1N0M0)和IB(T2N0M0)，手术治疗的5年生存率分别为67%和57%[5]。但有症状的肺癌通常已属晚期(如ⅢA/B或Ⅳ期)，并且5年生存率较低<10%(或=10%)。根据美国国立肿瘤研究所(National Cancer Institute，NCI)的最近数据，只有15%的肺癌患者在确诊时仍是局限性的病变，而病变呈局限性的肺癌患者接受诊断和治疗，其5年生存率为49%。亦有资料表明：早期诊断和治疗的肺癌，通过手术治疗和化疗等治疗手段，其5年生存率由
20%(Ⅲ期)提高至70%(Ⅰ期)，进步十分的显著。而晚期肺癌患者由于癌细胞已经转移，手术治疗的效果并不好，只能通过化疗的方法控制癌细胞的扩散速度，并不能得到完全的治愈，而且五年后的存活率还不到20%。可见，肺癌的早期诊断和高危人群的筛选是降低肺癌死亡率的关键，因此研究人员都力求找到肺癌的早期诊断的方法，争取可以早诊断、早治疗从而大大降低肺癌患者的死亡率[4]。
要想通过常规诊断的方法确诊肺癌，过程非常复杂而且其中的一些检查还会对人造成伤害，费用也相对较高，因此常规的方法不利于大规模人口的普查，这往往容易耽误治疗一些人肺癌的最佳时期。因此研究出一种方便、快捷、对人体无损的辅助诊断方法诊断肺癌有很大的实用意义。基于呼吸检测诊断肺癌的广阔市场前景和研究内容的探索性我们希望能探索性地研究肺癌诊断的新型呼吸检测方法，完成医用电子鼻的设计。
电子鼻也被称为人工嗅觉系统，是模仿生物鼻的一种电子系统，主要用来分析、识别和检测复杂气味和大多数挥发性化学成分。电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉功能的一门学问。随着社会的发展，电子鼻在食品、化妆品、香料香烟质量评定与生产过程控制、环境气体污染监测、战争中毒气检测、能源化工、交通、医疗等方面变得越来越重要。因此，许多发达国家已把生物嗅觉机制及其功能的模仿--电子鼻技术开发研究列入优先发展的课题，该技术也成为电子领域的领先发展领域。
早在中国古代，中医就有通过“望、闻、问、切”的方法诊断人类疾病，其中，闻诊是通过嗅觉了解病人的口气、分泌物等的异常气味，来进行疾病诊断的一种诊法[5]。无独有偶在古希腊，内科医生也便已知道人体的呼出气体所包含的气味信息能提供疾病诊断的重要线索：人体呼出的带有水果味的丙酮的气体可表征糖尿病，肝病患者呼出气体将含有发霉的臭味，肾功能障碍将产生尿素的气味，而肺部脓肿将直接反映在呼出气体中带有腐烂的恶臭味[6]。
但是通过人类的嗅觉诊断疾病的能力是建立在深厚的经验的基础上的，这往往具有一定的主观性和不确定性，并且人类平均只拥有约100万个嗅觉感受器用于处理嗅觉刺激，而这仅仅是狗类的1%。这样看来人类嗅觉的灵敏度与分辨能力都相对较低，并且不能像机器一样持续的工作，因为人类会经常伴随嗅觉疲劳。鉴于这种情况，几千年后的今天电子技术已经比较发达，我们就试图寻找人体疾病与呼出气体中标志物成分的相关性，利用各种传感器或者传感器组合成阵列，结合现代自动化检测分析技术，设计能够代替甚至超越人体嗅觉能力的电子鼻检测仪器，来辅助诊断人体疾病。这样的仪器设计案例历史上以检测幽门螺旋杆菌感染与气道炎症为成功的代表。
现在人体呼出气体中大约有一千种以上的化合物已经被检测和确定，其中，饱和烷烃类有：乙烷、丁烷、戊烷、癸烷、十一烷等[7]；不饱和烷烃类有：异戊
二烯等；含氧的可挥发有机气体有：丙酮等；含硫的可挥发有机气体：乙基硫醇等；含氮的可挥发有机气体：氨气、二甲胺等。
人体的新陈代谢情况与疾病的形成，可通过鉴定呼出气体中的化学物质进行研究分析，因为肺脏内的血液能与肺泡中的空气快速达成平衡，而不须通过抽血检查。人体的呼出气体与疾病的关系非常明显，最典型的例子如：尿毒症的病情程度可通过呼出气体中的氨气浓度得到反映，糖尿病的病情进展则影响呼出气体中的丙酮含量；丁烷、癸烷、十一烷等气体成分在肺癌的诊断中有一定价值。
人体呼出气体中的某些化学成分是与密切疾病相关的，如表1-1所示。以下所述为典型常见疾病与人体呼气体所含成份的关系。
表1-1 人类疾病与呼出气体的关系
疾病呼出气体气体浓度
糖尿病丙酮50-400ppm
肝硬化硫醇、甲基硫醇0.1ppb
气喘一氧化氮80-100ppb
胰脏疾病氢气9.5-15ppm
脂肪过氧化乙烷、戊烷 2.5-547ppb
癸烷、甲基戊烷
100-400ppb
肺癌
十一烷、苯胺
支气管炎过氧化氢——
肾脏疾病二甲胺、三甲胺 1.5-2ppm
缺血性心脏病戊烷0.15-0.26ppm
急性心肌梗塞异戊二烯——
人体呼出气体的检测试验没有给病人带来创伤性的操作，也就不会给病人带来疾病之外的痛苦，有些仪器还可以做到实时动态的检测，更加及时地反映病情变化，这非常符合临床检验无创、快速的发展要求。
目前呼吸气体诊断的技术在医学诊断方面正在快速的发展和成熟，针对病人呼吸气体中有病理意义的气体成分，电子鼻系统的检测结果往往给医学专家提供判断基础依据，以期达到为医患双方提供方便、快捷、无损的帅选手段目的。2006年英国研究人员Fend等对电子鼻在肺结核检测中的应用进行了研究，采用电子鼻对330例肺结核患者及正常人的痰液进行检测，研究表明电子鼻具有检测临床标本肺结核的能力[8]。
现代电子技术发展速度飞快，越来越多的测试设备实现了智能化和数字化，
当前已经有类似的通过人体呼吸气体检测疾病仪器设计案例。通过搜集大量的相关资料和书籍，利用现代电子技术飞速发展的优势结合现实应用需要，选择合适的能够检测到人体呼出气体的气敏传感器型号，载基于单片机等微处理芯片编写相应功能的软件程序，可以制作满足需求的电子鼻。
1.2 课题国内外相关研究进展与现状
理想的早期辅助诊断工具应具有较好的敏感性和特异性、设备操作简单、可重复检测、成本较低等优点。现在，人们已在宫颈癌、肝癌、前列腺癌、大肠癌等恶性肿瘤领域建立了筛选和早期诊断的方法，并且明显降低了这类疾病的死亡率。但肺癌筛选方法仍主要是传统的X线、痰脱落细胞及纤维支气管镜检查等，由于这种检测过程比较繁琐，时间上有点长，不能够早期动态监测所以效果也不太理想。可以这样说过去传统的肺癌的筛查(尤其在高危人群中)所使用的筛选技术并没有有效地降低被筛选人群肺癌的死亡率。
呼吸气体诊断的方法通过检测人体呼出气体的成分变化，进而反映出对应的疾病组织细胞的代谢改变，已经逐渐成为一种非常具有发展前景的辅助诊断方法，正得到全世界各个国家的广泛重视，并且这有可能变成一种最新的诊断方法。在一些发达国家，如美国、德国、日本等已经纷纷在这方面投入了大量的资金进行研发工作。目前应用呼吸气体诊断疾病主要采用服用同位素标记的药丸配合光谱分析仪器，如胃幽门螺杆菌的呼气试验检测仪，此检测在医学领域里早已获得肯定，而相关方法在肺部疾病诊断中的应用还处于探索阶段。从理论上讲，呼吸气体诊断的关键在于根据病理依据确定与疾病对应的相关性的气体成分，即特征性气体成分。
早在1989年北大西洋公约组织就已经对电子鼻做了如下定义：电子鼻是多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置[9]。
20世纪90年代以来，科学家们进一步将传感器技术和人工神经网络、智能技术等技术结合到一起，此举极大的提高了人工嗅觉系统的灵敏度、可靠性，并在某种程度上抑制了传感器普遍存在的漂移。
现在，人工嗅觉系统--电子鼻检测仪器已经逐渐开始走向应用化和实用化。如Aomascan(英国)的“数字气味分析系统”，Alpha MOSSA(法国)的“Fox2000”和Neotronics scientific Ltd(英国)的“Nose”，已作为商品走入市场，其中CYRANO SCIENCES(美国)公司的CYRANO 320电子鼻已经设计成便携式，而且应用较为方便，还有美国EST公司研制的ZNose电子鼻，检测灵敏度更达到ppt级别[10]。
图1.4 快速VOCS检测仪ZNose
美国纽约医学院教授、MENSSANA Research公司的总裁Dr. Michael Phillips 所率领的研究团队利用气相色谱-质谱联用(GC-Ms)等技术手段区分肺癌患者和健康对照，并以此建立了基于呼出气体VOCS标志物的检测模型，其区分的结果明显，各项指标较为理想。研究团队已从2008年6月启动了“用于肺癌辅助诊断的呼吸检测试验(Breath Test Assay for the Adjunctive Detection of Lung Cancer)”的研究项目，在美国特拉华州、佛罗里达州、纽约州和华盛顿州的四个医疗机构开展临床实验，并将于2012年3月总结汇报呼出气体检测对于早期肺癌预警，降低肺癌死亡率的研究成果。如图1.5所示为MENSSANA公司的
Breath scanner[11]。
图1.5 MENSSANA公司的Breath scanner
2010年2月，英国克兰菲尔德大学的巴尔教授领导研究小组经过14年的研究，开发出了“嗅癌机(Breathotron)”，并已在英国的多家医院试用。该“嗅癌机”是一台基于混合金属氧化物半导体集成传感器的电子鼻检测仪器，通过鉴别患者呼出气体的化学气味，判断患有癌症的可能。研究小组表示，“嗅癌机”除了可以“嗅出”人体癌细胞的气味，还可以嗅出肺炎、肠道感染疾病和超级病菌梭状芽孢杆菌的“味道”，但使用它来临床诊断还处于试验阶段，并没有成熟的产品。
下图1.6所示为该嗅癌机Breathotron[12]。
图1.6 克兰菲尔德大学研发的嗅癌机Breathotron
2011年11月21日，在美国德克萨斯大学奥斯汀分校The University of Texas at Austin)的官方主页上刊登了一则关于低成本检测肺癌仪器“小黑盒(The 1ittle black box)”的报道，在Varghese教授看来，该装置可以用于优化对肺癌病人的化疗过程。病人需要服用含有同位素标记的溶液，这种溶液可以作用到代谢异常的肿瘤组织，从而可以实现更高灵敏度和特异性地检测患者呼出气体中被同位素标记的物质成分，随着肿瘤的生长发展，病人的呼出气体中将含有不同量的同位素。由此，临床医生可以把握治疗的进程，调整对病人的化疗剂量，一方面使病人不必承受过量的化学药物，另一方面还可以节省治疗的成本。如图1.7所示为该装置的发明人Philip Varghese教授与“小黑盒”[13]。
图1.7 Varghese教授与“小黑盒(The little black box)”
随着各种各样的传感器的问世以及计算机技术等的飞速发展，市场上商业化
的电子鼻越来越多。在国内也有一批科研人员专门从事肺癌辅助诊断电子鼻的研究工作，早前由于受当时技术条件的限制，电子鼻的发展比较缓慢。2007年由浙江大学科研人员历时10多年研制的一种只需呼口气就能诊断早期肺癌被誉为“电子鼻”的肺癌诊断仪通过了验证。
由浙江大学的科研人员研制的“电子鼻”肺癌诊断仪已经在临床上得到验证。浙大医学院附属邵逸夫医院曾经做过30例的临床测试，判断成功率近80％。鉴定专家委员会表示，通过检测呼吸气体来诊断肺癌这一重大突破性成果，能大大加快诊断过程，同时能降低费用和提高诊断准确率，是当前国际上最新和最前沿的研究领域，该研究成果已接近国际水平。据悉，电子鼻的开发和应用项目，最近已被列入浙江省重大科技攻关项目。
1.3 本文的研究内容与章节安排
电子鼻是一种集传感器、电子、计算机和人工智能等技术于一体的模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理实现对物质进行感知、分析和判断的电子系统。
本论文的主要研究内容是：
理解通过检测人体呼出气体进行肺癌辅助诊断的原理，根据肺癌医学诊断病理分析依据提出用于肺癌辅助诊断的电子鼻设计方案，并论证该方案。根据电子鼻设计方案进行具体的系统硬件设计和软件设计，通过Proteus软件进行仿真论证方案是可行的。针对无创筛查肺癌的应用需要，采用由金属氧化物半导体气敏传感器组成的检测阵列，设计仪器的气体进样管路与控制电路，从而形成基于单片机的电子鼻仪器。具体内容如下：
首先，基于对传感器模型的分析，按照一定的准则选取气敏传感器组成检测阵列，并设计可灵活应用于传感器阵列封装的气室模块。其次，开发电子鼻仪器的电路模块，并在此基础上，研究适应于呼出气体检测的仪器方案。
再次，编写单片机软件系统程序。根据所选用的气敏传感器的特性建立Proteus软件仿真工程文件，仿真验证该电子鼻设计方案的可行性。另外，从应用的角度分析，要使电子鼻仪器进入医院临床中使用并应用于体检筛查，可能仍然需要更大样本量诊断结果的支持，需要进一步的深入研究。
全文共分为六章，各章节内容安排如下：
第一章：该章为绪论部分。首先阐述了课题研究的背景与意义，其次介绍了肺癌辅助诊断电子鼻研究历史与现状，最后介绍了本文的主要研究内容与章节安排。
第二章：该章主要介绍了电子鼻设计的理论基础。首先肺癌的呼吸诊断方法
做了简介，然后对肺癌特征性标志物VOCs气体进行了介绍及病理性分析，说明了VOC在肺癌诊断中具有重要作用，最后介绍了本文中的电子鼻系统的设计方案及关键的数据采集与处理部分。
第三章：该章主要介绍了气敏传感器阵列与气室的设计，首先介绍了气敏传感器的分类，然后重点针对半导体气敏传感器做了介绍，最后介绍了多个传感器组成阵列和气室模块设计。
第四章：该章主要介绍了肺癌辅助诊断电子鼻系统硬件设计，首先从系统的结构和功能入手做了整体分析，然后分进样系统、电控系统、通讯电路、电源电路几部分做了重点介绍分析，体现出电子鼻硬件设计的主要内容。
第五章：该章首先介绍了肺癌辅助诊断电子鼻系统软件设计及仿真实现与验证，介绍了数据采集及处理的过程，主要描述了主程序的流程图和一些子程序的描述及功能介绍。然后通过Proteus软件强大的仿真功能，仿真实现整体电路系统。
第六章：本章是对全文的总结与展望。首先对本论文的研究工作进行了总结，总结了课题研究还存在的问题及改进建议，然后对课题下一步的研究工作做了进一步的展望。
2肺癌辅助诊断电子鼻设计的理论基础
肺癌辅助诊断电子鼻的设计涉及到医学诊断、电子科学与技术、通讯技术等多个学科的知识。从第一章的分析已经知道气体检测的应用场景非常多，比如比较常见的呼吸酒精含量检测来测试酒驾，目前许多国家都已经有研发出并在使用这类产品，所以疾病的呼吸检测是非常有发展前景的。呼吸气体诊断发展的关键是病理方面的依据和相应的检测方法，要寻找一种与疾病有较大相关性的呼吸气体成分作为目标检测气体，即特征性气体成分及可靠的检测方法，在此基础上研制出新型的检测仪器。随着现代医学诊断无损化的不断发展，呼吸诊断作为医学无损诊察的重要方式之一越来越受到人们的关注。
2.1 肺癌的呼吸诊断方法
现在已经使用中的呼吸诊断主要是在病理上找到一种或几种与疾病密切相关的呼吸气体成分进行分析检测并据此判断病情，一般说来要求设备简单，操作方便，对病人无损害而且准确度要高。
肺癌的呼吸诊断方法主要是依据病人呼出的气体中是否含有肺癌的特征性气体成分，肺癌特征气体成分的确定成为了肺癌呼吸辅助诊断方法的关键所在。1995.8-1996.10 Michael Phillips对108位病人，60人(34男)已确定肺癌和48人(29男)非肺癌呼吸道疾病对比，他们确定了肺癌患者中有22种V0CS挥发性有机气体。这22种VOCS可详细见图2.1，其中的有机气体成分对确定肺癌的贡献程度是自下而上增加的[14]。
2003年，Michael Phillips又重新确定了9种VOCS挥发性有机气体作为呼吸诊断肺癌的标志物。这9 种VOCS详见图2.2，其中的有机气体成分对确定肺癌的贡献程度是自下而上增加的。
苯乙烯
2，2，4，6，6-五甲基-庚烷
2-甲基庚烷
癸烷
十一烷
甲基-环戊烷
1-甲基-2-戊基-环戊烷
三氯氟甲烷
苯
1，2，4-三甲烷-苯
1，3-丁二烯，2-甲基-异戊二烯
3-甲基-辛烷
1-己烯
3-甲基-壬烷
1-庚烯
1，4-二甲基-苯
2，4-二甲基-庚烯
zkq 20151125
己醛
环己烷
1-甲基乙基-苯
赓醛
图2.1 Michael Phillips确定的22种肺癌呼吸特征气体成分癸烷
丁烷
十一烷
4-甲基-辛烷
1-甲基-2-戊基-环戊烷
1，4-二甲基-苯
戊烷
2，4-二甲基-庚烯
2，4-二乙烯
图2.2 Michael Phillips确定的9种肺癌呼吸特征气体成分