基于雙信號肺癌呼出標(biāo)志物檢測系統(tǒng)及方法研究.pdf

1、肺癌是一種高危性惡性腫瘤,由于缺乏有效的早期診斷技術(shù),其死亡率已位居各類腫瘤之首。呼出氣體中的一些揮發(fā)性有機氣體與人體是否患有肺癌,甚至與肺癌的分期都有著密切的關(guān)系,可作為診斷肺癌的標(biāo)志物。與傳統(tǒng)的肺癌檢測方法相比,通過呼出氣體來進(jìn)行診斷不僅成本較低,更重要的是其具有無創(chuàng)性,并有望對早期的肺癌進(jìn)行篩查,從而能夠大大提高肺癌患者的生存率。目前,針對肺癌呼出氣體標(biāo)志物的檢測除氣相色譜儀、質(zhì)譜儀等大型儀器外,還有基于傳感器檢測技術(shù)的電子鼻/舌

2、等新興技術(shù)。大型儀器雖然精確,但價格昂貴;而目前研究中的電子鼻/舌,雖然其理論及加工工藝較為完善,但他們一般信號單一,適合對單一物質(zhì)進(jìn)行檢測,常用于工業(yè)領(lǐng)域,較難廣泛應(yīng)用于肺癌高危病人的篩查。本文立足于開發(fā)一種基于可見光(VL)和激光誘導(dǎo)熒光(LIF)的新型雙信號可視化檢測系統(tǒng)并建立其檢測方法,對肺癌氣體標(biāo)志物進(jìn)行快速的定性、定量檢測,為肺癌檢測及篩查提供一條新思路。本論文主要完成了以下幾個有特色的研究工作:
　　(1)構(gòu)建了一套

3、完整的VL-LIF雙信號肺癌氣體標(biāo)志物檢測系統(tǒng)
　　從VL-LIF雙信號模式的提出出發(fā),以五大關(guān)鍵性技術(shù)問題為中心,構(gòu)建了基于交叉響應(yīng)的傳感器陣列,詳細(xì)闡述了通過系統(tǒng)整體方案的設(shè)計,將整個復(fù)雜系統(tǒng)劃分成氣、光、機、電四大子系統(tǒng)來逐一構(gòu)建。綜合利用模塊化思想、理論模型計算、仿真設(shè)計實驗、分時復(fù)用技術(shù)等多種手段有效地解決了新型旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)氣室設(shè)計、檢測參數(shù)設(shè)定、光源形式構(gòu)建、運動精確定位、通訊接口連接等技術(shù)難點問題。最后,通過系統(tǒng)工程的

4、方式,將這四大部分有機的結(jié)合起來,在成功構(gòu)建了一套完整的VL-LIF雙信號肺癌氣體標(biāo)志物檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立了其工作流程,并對關(guān)鍵部件進(jìn)行誤差分析,通過編寫軟件進(jìn)行初步測試,達(dá)到預(yù)期要求,為后面的算法設(shè)計及實驗研究奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)申請了國家專利7項,已授權(quán)3項,其余4項公開。
　　(2)研究了基于雙信號的時頻多指標(biāo)特征值向量提取算法
　　從特征及其相關(guān)理論及概念出發(fā),在分別分析了VL信號和LIF信號的產(chǎn)生機制及重要特點

5、的基礎(chǔ)上,通過對雙信號進(jìn)行預(yù)處理,并綜合運用網(wǎng)格劃分、閾值分割等圖像處理手段及小波變換等數(shù)學(xué)工具對信號進(jìn)行了時頻分析,提出了基于雙信號的時頻多指標(biāo)特征值向量,獲得了包括可視化圖譜和熒光基元編碼在內(nèi)的特征向量多種輸出形式,并設(shè)計了相應(yīng)算法,為后續(xù)的氣體快速檢測提供依據(jù),奠定基礎(chǔ)。
　　(3)探索出了根據(jù)多指標(biāo)特征值向量的無監(jiān)督型模式識別方法并據(jù)此對系統(tǒng)識別檢測性能進(jìn)行測試研究。
　　根據(jù)系統(tǒng)雙信號的多指標(biāo)特征向量的特點,使用了

6、層次聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、無量綱化、主成分分析等方法對目標(biāo)氣體進(jìn)行了定性識別和定量檢測。探索出基于多指標(biāo)特征值向量的無監(jiān)督型模式識別方法。通過在實驗中對不同樣本條件下層次聚類的成敗原因及無量綱化方法的選擇做了比較詳細(xì)的分析和闡述,在分析雙信號對識別效果貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出了VL-LIF雙信號聯(lián)合特征,并根據(jù)大量重復(fù)實驗測試了系統(tǒng)及算法的識別檢測能力,結(jié)果表明定性識別正確率為100％,定量檢測正確率可達(dá)97.4%。將該系統(tǒng)及聯(lián)合特征提取、識別算法結(jié)