基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)

1、    基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte肺癌是目前全世界最常見的惡性腫瘤之一，其發(fā)病率和死亡率不斷上升。究其原因是肺癌病

2、因不明，發(fā)病時間短、轉(zhuǎn)移快、惡性程度高，早期不易診斷，到中、晚期失去了手術(shù)機會，患者五年生存率僅為15左右。早期發(fā)現(xiàn)可使患者五年內(nèi)生存率提高到7080。所以早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期治療是提高肺癌生存率和降低死亡率的關(guān)鍵。肺癌早期通常無特殊癥狀，幾乎不被醫(yī)生和病人警覺，并且常用診斷方法難以做到早期發(fā)現(xiàn)、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(guān)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(yī)學(xué)診斷無損化的重要方向之一，已經(jīng)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(shù)、提高各種治療的療效等，已經(jīng)成為近期全世界腫

3、瘤研究領(lǐng)域的重中之重。我國也把肺癌列為全國重點攻關(guān)課題。尋找一種更先進的儀器和技術(shù)在局部組織發(fā)生癌變時即能發(fā)現(xiàn)和診斷，即是本電子鼻系統(tǒng)所要完成的工作。本文從相關(guān)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(yōu)化設(shè)計和模式識別技術(shù)的選擇等方面對電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)進行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計，取得了良好的效果。1 電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣體的電子系統(tǒng)。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(tǒng)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(yīng)圖案不同。正是這種區(qū)別，才

4、使系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)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(jīng)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(dāng)揮發(fā)性化合物(VOC)與傳感器活性材料表面接觸時，產(chǎn)生瞬時響應(yīng)，這種響應(yīng)被記錄并傳送到信號處理單元進行分析，與數(shù)據(jù)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(zhǔn)狀態(tài))。電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所

5、示。                        2 電子鼻肺癌早期診斷系統(tǒng)的設(shè)計本文從肺癌患者的呼吸氣體中與疾病有較大相關(guān)性的有病理意義的氣體的偵測、呼吸氣體收集裝置的設(shè)計、氣體傳感器陣列的選取及優(yōu)化設(shè)計和模式識別技術(shù)的選擇等方面進行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)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(guān)，因此利

6、用呼氣檢測疾病是可行的方法。其優(yōu)點是非侵入式、簡單、快速，故具有極高的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。與醫(yī)院結(jié)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(fā)性(VOCs)特征氣體的濃度是很有前景的肺癌無創(chuàng)傷診斷與監(jiān)護方法。2.2 呼吸氣體收集裝置的設(shè)計由于呼氣中所產(chǎn)生與肺癌相關(guān)的氣體濃度很低(通常在ppb層級)，而傳統(tǒng)的呼氣檢測方式是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的呼氣采樣程序后，再以氣相色譜質(zhì)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

7、氣樣品量僅10ml左右，操作簡單、反應(yīng)快速(數(shù)分鐘)。呼吸氣體的收集在電子鼻的肺癌早期診斷系統(tǒng)中占有極其重要的地位，氣體收集裝置的結(jié)構(gòu)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(jīng)過氣體清洗后，通過吹氣口將測試者的呼吸氣體呼入。經(jīng)過一系列的水分和無關(guān)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(jīng)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(yōu)化設(shè)計在該電子鼻系統(tǒng)中，氣體傳感器陣列是關(guān)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(shù)、應(yīng)用溶凝膠技術(shù)制備敏感模、工作狀態(tài)及工作環(huán)境等。此外，還要考慮初始過程響應(yīng)和氧分壓對