專利名稱：用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置。
背景技術：
據(jù)估計，全世界每年有60萬左右新增肺癌病人，肺癌為當前世界各地最為常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率在多數(shù)國家都有明顯增高的趨勢。肺癌五年后的存活率為14％，如果能夠在早期就得到診斷治療的話，五年后的存活率為48％，因此設計能夠無創(chuàng)地檢測早期肺癌病人的呼吸檢測儀器有很大的實用意義。目前臨床上，肺癌的常見診斷方法有X線檢查、電子計算機斷層掃描(CT)、磁共振斷層掃描(MRI)、痰脫落細胞檢查、纖維支氣管鏡檢查、經(jīng)皮肺穿刺活檢等，但是采用這些方法的設備龐大，并且昂貴，對病人的創(chuàng)傷大，需要熟練的操作人員，而且最重要的是不能進行早期診斷。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置，能夠?qū)σ伤圃缙诜伟┗颊吆粑械膿]發(fā)性有機氣體(VOC)進行定性和定量檢測。
為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案如下一、用于診斷早期肺癌的呼吸檢測方法先把疑似肺癌患者的呼吸氣體用固相微萃取頭進行預富集，再把吸附了有機氣體成分的固相微萃取針插入氣體熱脫附器，使之熱脫附，熱脫附后的有機氣體成分通過氣相色譜毛細管分離柱進行分離，使被測有機氣體按時間順序依次到達由一對高頻延遲線聲表面波傳感器做成的檢測器，由檢測器上的有機氣體敏感膜吸附，從而檢測到被測有機氣體成分，對檢測到的11種肺癌標志性有機成分，進行數(shù)據(jù)圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別，從而能夠診斷出肺癌患者。
二、用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置，包括固相微萃取頭、氣體熱脫附器、信號處理器、計算機。固相微萃取頭插入氣體熱脫附器，氣體熱脫附器出口接裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱的入口，毛細管分離柱的出口經(jīng)過檢測頭接口到達檢測頭的有機氣體敏感膜，產(chǎn)生的差頻信號傳入信號處理器后接計算機。
所述的檢測頭包括在128°Y切X傳播的LiNbO3做成的基底上用鋁膜做成兩組叉指電極通道，中間用鋁膜做成兩個2.5mm的延遲線，在一個延遲線上鍍一層100nm的聚異丁烯有機氣體敏感膜作為檢測通道，另一個不鍍膜作為參比通道，兩個通道產(chǎn)生的信號通過射頻放大器連接到混頻器，產(chǎn)生用于檢測的差頻信號，輸入差頻信號到信號處理器。
所述的檢測頭接口包括毛細管出口噴頭固定在加熱器上，毛細管分離柱通過噴頭連接到檢測頭上的有機氣體敏感膜，在噴頭的外側(cè)套上一個鋁合金做成的圓柱型導熱金屬套，其底部固定在加熱器上，在導熱金屬套的上部用隔熱材料做成一個熱絕緣帽子，在帽子上反扣檢測頭，從而形成一個非密閉的氣室，把檢測頭和3cm×3cm的半導體制冷片固定在一起，使半導體制冷片的冷面和檢測頭的底部通過導熱硅膠相連，半導體制冷片的熱面和散熱片通過導熱硅膠相連。
本實用新型具有的優(yōu)點是檢測器件小，檢測范圍寬，檢測靈敏度高，檢測快速，使用便捷，能對肺癌疑似人群作早期、無創(chuàng)的檢測。該新型呼吸檢測儀器由于能檢測氣體中的有機成分，也可在食品、化工、生物醫(yī)學、農(nóng)產(chǎn)品加工、中藥、空氣污染監(jiān)測等領域中對揮發(fā)性有機物進行定性和定量檢測。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。


圖1是本實用新型的基本結構原理圖；圖2是本實用新型的檢測頭的基本結構原理圖；圖3是本實用新型的檢測頭接口基本結構原理圖；圖4是旋轉(zhuǎn)滴涂技術制備薄膜過程原理圖；圖5是本實用新型的圖像處理過程原理圖；圖6是本實用新型的基線響應；圖7是本實用新型對一個肺癌患者呼吸氣體的響應曲線；圖8是本實用新型對不同濃度癸烷氣體的響應特征曲線。
圖中1、固相微萃取頭，2、氣體熱脫附器，3、裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱，4、檢測頭接口，5、檢測頭，6、信號處理器，7、計算機，8、128°Y切X傳播的LiNbO3做成的基底，9、射頻放大器，10、檢測通道，11、參比通道，12、有機氣體敏感膜，13、混頻器，14、毛細管出口噴頭，15、加熱器，16、圓柱型導熱金屬套，17、熱絕緣帽子，18、導熱硅膠，19、散熱片，20、半導體制冷片。
具體實施方式
1、本實用新型的具體結構
如
圖1所示，一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測方法的設備，包括固相微萃取頭1、氣體熱脫附器2、信號處理器6(頻率器1k～1MHz)、計算機7(PC機)。固相微萃取頭1插入氣體熱脫附器2，氣體熱脫附器2出口接裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱3的入口，裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱3的出口經(jīng)過檢測頭接口4到達檢測頭5的有機氣體敏感膜，產(chǎn)生的差頻信號傳入信號處理器6后接計算機7。
如圖2所示，所述的檢測頭5包括在128°Y切X傳播的LiNbO3做成的基底8上用鋁膜做成兩組叉指電極通道，在它們中間用鋁膜做成兩個2.5mm的延遲線，在一個延遲線上鍍一層100nm的聚異丁烯有機薄膜12作為檢測通道10，另一個不鍍膜作為參比通道11，兩個通道產(chǎn)生的信號通過射頻放大器9(型號MAX2650)連接到混頻器13(型號MC1496)，產(chǎn)生用于檢測的差頻信號，輸入差頻信號到信號處理器6。
如圖3所示，所述的檢測頭接口4包括毛細管出口噴頭14固定在加熱器15上，裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱3通過噴頭連接到檢測頭5上的有機氣體敏感膜12，在噴頭的外側(cè)套上一個鋁合金做成的圓柱型導熱金屬套16，其底部固定在加熱器15上，在導熱金屬套16的上部用隔熱材料做成一個熱絕緣帽子17，在帽子上反扣檢測頭5，從而形成一個非密閉的氣室，把檢測頭5和3cm×3cm的半導體制冷片20固定在一起，使半導體制冷片20的冷面和檢測頭5的底部通過導熱硅膠18相連，同時，半導體制冷片20的熱面和散熱片19通過導熱硅膠18相連。
當肺癌疑似病人的呼吸氣體被固相微萃取頭預富集后，吸附在固相微萃取頭上，在氣體熱脫附器中被脫附，由氮氣作為載氣，被送入毛細管分離柱分離。分離后的有機氣體成分依次通過檢測頭接口到達檢測頭，被檢測頭上的有機氣體敏感膜吸附，檢測頭產(chǎn)生頻率變化信號，通過和參比通道的混頻后得到差頻信號，差頻信號被信號處理器接受并處理后傳遞到計算機上進行最后的圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡分析。
2、本實用新型的制作方法(1)延遲線聲表面?zhèn)鞲衅鞯脑O計與制作選用128°Y切X傳播的LiNbO3單晶片作為聲表面?zhèn)鞲衅鞯膲弘娀椿?。經(jīng)拋光清洗后，沿用已廣泛應用于半導體集成電路領域的蝕刻技術，用鋁膜制成500nm厚，12.82um寬的叉指電極(IDT)和邊長為2.5mm的正方形延遲線。
設計參數(shù)如下(1)128°Y切X傳播的LiNbO3基片(2)IDT指寬，指間距為12.82um(3)孔徑w＝2.5mm(4)輸出對數(shù)為N1＝46對指(5)輸入對數(shù)為N2＝29對指(6)帶寬由Δf＝f0/N；f0＝78.1MHz，N＝46，可知帶寬Δf＝1.70MHz(2)有機氣體敏感膜12傳感器的制備選用氯仿和甲苯作為有機溶劑，質(zhì)量比1∶1，充分混合后，加入聚異丁稀(PIB)作為溶質(zhì)，在室溫，一個大氣壓下，制成質(zhì)量百分比為15％～20％的溶液，取0.4μL此種溶液滴涂于SAW傳感器表面，轉(zhuǎn)速為1500到2000轉(zhuǎn)每分鐘，旋轉(zhuǎn)60秒后涂膜結束，如圖4所示，。在涂膜的同時應該使涂膜空間內(nèi)有飽和的水蒸氣，因為這樣產(chǎn)生的薄膜具有多孔特性，能提高薄膜對VOC氣體分子的吸附能力。把涂完薄膜的傳感器放置在真空器皿中干燥，并把該器皿放入烘箱內(nèi)保持恒溫45℃至少2、3天以除去薄膜中的溶劑。這樣就完成了薄膜傳感器的制備。
(3)檢測頭5的制作使用前述的一個薄膜傳感器作為檢測通道10和一個未鍍膜的傳感器作為參比通道11，用正反饋電路使之振蕩，產(chǎn)生頻率信號。通過混頻器電路和低通電路后，產(chǎn)生差頻信號。用半導體制冷片20制成的制冷器對兩個傳感器的基底制冷，以便保持傳感器在室溫下工作。這樣就完成了檢測頭的制作，我們可以通過檢測差頻信號的變化，確定檢測到的揮發(fā)性有機物的含量。
(4)檢測數(shù)據(jù)的圖像處理方法圖5顯示了一種圖像識別的方法，用來診斷肺癌病人。一個肺癌病人理想的呼吸響應可以由標樣結果(表1)來確定，如圖5(a)所示。把這個虛擬傳感器陣列的理想響應轉(zhuǎn)換成極坐標表示，然后把肺癌病人的極坐標響應疊加上去，如圖5(b)所示。最后計算每種VOC響應的重疊面積。
(5)神經(jīng)網(wǎng)絡的設計每個VOC成分對應了1個參數(shù)，重疊面積。它包括兩個信息量頻率響應(Hz)和保留時間(mim)，頻率響應指的是VOC的濃度而保留時間指的是該VOC成分的種類。因為定標了11種特征的VOC成分，所以從SAW傳感器所得有11個輸入數(shù)據(jù)，而輸出的結果有3個，肺癌病人、健康人和疑似病人。人工神經(jīng)網(wǎng)絡采用的是BP-ANN。
在神經(jīng)網(wǎng)絡訓練時，定義了3個狀態(tài)第一，假如呼吸氣體內(nèi)不含有這11種肺癌特征VOC氣體的為健康人；第二，假如呼吸氣體內(nèi)只含有這11種肺癌特征VOC氣體的其中一種的為疑似病人；第三，假如呼吸氣體內(nèi)含有這11種肺癌特征VOC氣體的種類超過2種以上的為肺癌病人。

檢測儀器的原理延遲線聲表面波傳感器有質(zhì)量沉積效應，當有物質(zhì)沉積在延遲線上時，會改變聲波的傳播速度，從而改變傳感器的振蕩頻率，當傳感器表面的有機薄膜吸附氣體中的揮發(fā)性有機物時，傳感器頻率發(fā)生變化。通過檢測傳感器的頻率變化，就可以換算出揮發(fā)性有機物的含量。
氣相色譜毛細管柱具有理想的時間分離特性，傳感器響應的保留時間與每個化學成分經(jīng)過毛細管柱的時間相關聯(lián)，由于不同的化學成分在毛細管柱內(nèi)部涂覆膜里面運動的速率不同，毛細管柱能把注入口處的氣體樣本內(nèi)的化學成分分離成一個個獨立的成分。通過對每個響應保留時間的計算，就可以檢測出每種揮發(fā)性有機物。這樣就完成了對揮發(fā)性有機物定性和定量的檢測。
儀器的特性(1)穩(wěn)定性儀器在25分鐘內(nèi)的基線如圖6所示，采樣為每秒13個點。波動在100Hz以內(nèi)，通常我們的檢測時間為13分鐘。該結果表明儀器具有較高的穩(wěn)定性。
(2)檢測靈敏度圖7顯示儀器在檢測肺癌患者呼吸氣體時的頻譜響應。它對苯乙烯響應的靈敏度為3.24ng/Hz。
(3)檢測儀器的特性曲線及其特性參數(shù)檢測儀器對癸烷的標準響應曲線如圖8所示。對每種揮發(fā)性有機物都有不同的檢測下限，其中最好的檢測下限為對苯乙烯的1×10-8mol/L。傳感器的響應時間小于3秒(響應時間指到達峰值所用時間)，濃度高時相對略慢些。并且當測量高濃度VOC后，再測量低濃度時，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的濃度遲滯效應現(xiàn)象。該薄膜傳感器能長時間，反復使用，而且具有良好的重復性，這也是該傳感的一個特點。
權利要求1.一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置，包括固相微萃取頭(1)、氣體熱脫附器(2)、信號處理器(6)、計算機(7)；其特征在于固相微萃取頭(1)插入氣體熱脫附器(2)，氣體熱脫附器(2)出口接裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱(3)的入口，毛細管分離柱(3)的出口經(jīng)過檢測頭接口(4)到達檢測頭(5)的有機氣體敏感膜，產(chǎn)生的差頻信號傳入信號處理器(6)后接計算機(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置，其特征在于所述的檢測頭(5)包括在128°Y切X傳播的LiNbO3做成的基底(8)上用鋁膜做成兩組叉指電極通道，中間用鋁膜做成兩個2.5mm的延遲線，在一個延遲線上鍍一層100nm的聚異丁烯有機氣體敏感膜(12)作為檢測通道(10)，另一個不鍍膜作為參比通道(11)，兩個通道產(chǎn)生的信號通過射頻放大器(9)連接到混頻器(13)，產(chǎn)生用于檢測的差頻信號，輸入差頻信號到信號處理器(6)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置，其特征在于所述的檢測頭接口(4)包括毛細管出口噴頭(14)固定在加熱器(15)上，毛細管分離柱(3)通過噴頭連接到檢測頭(5)上的有機氣體敏感膜(12)，在噴頭的外側(cè)套上一個鋁合金做成的圓柱型導熱金屬套(16)，其底部固定在加熱器(15)上，在導熱金屬套(16)的上部用隔熱材料做成一個熱絕緣帽子(17)，在帽子上反扣檢測頭(5)，從而形成一個非密閉的氣室，把檢測頭(5)和3cm×3cm的半導體制冷片(20)固定在一起，使半導體制冷片(20)的冷面和檢測頭(5)的底部通過導熱硅膠(18)相連，半導體制冷片(20)的熱面和散熱片(19)通過導熱硅膠(18)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種用于診斷早期肺癌的呼吸檢測裝置。包括固相微萃取頭(1)、氣體熱脫附器(2)、信號處理器(6)、計算機(7)；其特征在于固相微萃取頭(1)插入氣體熱脫附器(2)，氣體熱脫附器(2)出口接裝在溫度控制箱中的毛細管分離柱(3)的入口，毛細管分離柱(3)的出口經(jīng)過檢測頭接口(4)到達檢測頭(5)的有機氣體敏感膜，產(chǎn)生的差頻信號傳入信號處理器(6)后接計算機(7)。先把疑似肺癌由檢測頭上的有機氣體敏感膜吸附，從而檢測到被測有機氣體成分的含量，對檢測到的11種肺癌標志性有機成分，進行數(shù)據(jù)圖像處理和神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別，從而能夠診斷出肺癌患者。本實用新型也可在食品、化工、生物醫(yī)學、農(nóng)產(chǎn)品加工、中藥、空氣污染監(jiān)測等領域中對揮發(fā)性有機物進行定性和定量檢測。
文檔編號A61B5/08GK2778198SQ20052010032
公開日2006年5月10日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權日2005年1月26日
發(fā)明者王平, 陳星 , 曹明富, 余皓 申請人:浙江大學