肺癌是目前全世界最常見的惡性腫瘤之一，其發病率和死亡率不斷上升。究其原因是肺癌病因不明，發病時間短、轉移快、惡性程度高，早期不易診斷，到中、晚期失去了手術機會，患者五年生存率僅為15%左右。早期發現可使患者五年內生存率提高到70%～80%。所以早期發現、早期診斷、早期治療是提高肺癌生存率和降低死亡率的關鍵。肺癌早期通常無特殊癥狀，幾乎不被醫生和病人警覺，并且常用診斷方法難以做到早期發現、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腎病、糖尿病的早期診斷和一些細菌的類型與生長階段的識別。電子鼻的疾病診斷作為醫學診斷無損化的重要方向之一，已經取得了很多成果，但目前還未有通過認證的呼吸診斷儀器的報道。如何進一步改進肺癌的診斷技術、提高各種治療的療效等，已經成為近期全世界腫瘤研究領域的重中之重。我國也把肺癌列為全國重點攻關課題。尋找一種更先進的儀器和技術在局部組織發生癌變時即能發現和診斷，即是本電子鼻系統所要完成的工作。本文從相關病理的呼吸氣體的偵測和收集、氣體傳感器陣列的選取及優化設計和模式識別技術的選擇等方面對電子鼻肺癌早期診斷系統進行了關鍵技術的設計，取得了良好的效果。

1 電子鼻肺癌早期診斷系統結構

電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來識別氣體的電子系統。電子鼻主要由氣體取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號處理系統三種功能器件組成。電子鼻識別氣體的主要機理是在陣列中的每個傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，整個傳感器陣列對不同氣體的響應圖案不同。正是這種區別，才使系統能根據傳感器的響應圖案識別氣味。

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氣體中，當揮發性化合物(VOC)與傳感器活性材料表面接觸時，產生瞬時響應，這種響應被記錄并傳送到信號處理單元進行分析，與數據庫中存儲的大量VOC圖案進行比較、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畢的氣體混合物。在進入下一輪新的測量之前，傳感器仍需再次初始化(即工作之前，每個傳感器都需用干燥氣或某些其他參考氣體清洗，以達到基準狀態)。電子鼻肺癌早期診斷系統結構如圖1所示。

2 電子鼻肺癌早期診斷系統的設計

本文從肺癌患者的呼吸氣體中與疾病有較大相關性的有病理意義的氣體的偵測、呼吸氣體收集裝置的設計、氣體傳感器陣列的選取及優化設計和模式識別技術的選擇等方面進行了關鍵技術的設計。

2.1 呼吸氣體的偵測

大約有200種以上的化合物已在人類的呼氣中被偵測出，其中某些氣體與肺癌相關，因此利用呼氣檢測疾病是可行的方法。其優點是非侵入式、簡單、快速，故具有極高的應用發展潛力。與醫院結合，選取合適的氣敏傳感器與檢測方法，檢測肺癌患者的呼出氣體中苯乙烯、癸烷、十一烷等22種有機揮發性(VOCs)特征氣體的濃度是很有前景的肺癌無創傷診斷與監護方法。

2.2 呼吸氣體收集裝置的設計

由于呼氣中所產生與肺癌相關的氣體濃度很低(通常在ppb層級)，而傳統的呼氣檢測方式是根據標準的呼氣采樣程序后，再以氣相色譜質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，才可達到儀器能偵測的極限值。此方法不僅儀器昂貴、耗時且需大量的樣品檢體。而電子鼻所需的分析成本不高，且所需呼氣樣品量僅10ml左右，操作簡單、反應快速(數分鐘)。呼吸氣體的收集在電子鼻的肺癌早期診斷系統中占有極其重要的地位，氣體收集裝置的結構如圖2所示。

圖2中箭頭表示清洗氣和呼吸氣體的流動方向。整個氣體收集裝置經過氣體清洗后，通過吹氣口將測試者的呼吸氣體呼入。經過一系列的水分和無關氣體的清除后，通過流量計控制氣體的流速和微處理器的定時采集，再經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化設計

在該電子鼻系統中，氣體傳感器陣列是關鍵因素。影響氣敏傳感器性能的主要因素有材料及成模技術、應用溶凝膠技術制備敏感模、工作狀態及工作環境等。此外，還要考慮初始過程響應和氧分壓對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的識別能力、識別范圍、使用壽命等，因而如何構成陣列以提高電子鼻系統的性能成為重要的研究課題。傳感器陣列的參數選擇主要是：陣列規模、傳感器類型及其選擇性、穩定性、噪聲水平以及熱敏特性等。