医用电子鼻传感器系统的发展

　　0　引　言

　　现代呼吸分析始于20世纪70年代,美国科学家LinusPauling等人用气相色谱法来分析人呼出的气体,定量地确定了约250种气体成分^[1]。现代医学也通过研究疾病的致病机理,有力地说明了患者呼出的某些气体成分确与身体某方面的疾病有关^[2]。这就使得通过分析人们呼出的气体成分来诊断疾病成为辅助传统临床诊疗的一种可行的方法。传统的气体检测及分析方法,如气相色谱法/质谱法(gas chromatography/mass spectrography, GC/MS)或采用高精密度的化学分析仪器,虽然准确度高,但耗时较长;然而,在医疗应用中,时间往往是诊断和治疗疾病的关键所在。自20世纪80年代,人们开始研究一种新的气体/气味检测装置——电子鼻(人工嗅觉系统),它能够实时检测气体/气味;将之用于医疗诊断,可以大大加快诊断过程,并能保证一定的准确度,同时,可以减少患者在等待诊断结果期间抗生素药物的滥用情况;此外,电子鼻采用非侵入性诊断方式,操作方便、便于移动。

　　电子鼻系统主要由三大模块组成——气体采集与传感器阵列、接口与信号预处理电路和模式识别系统。其中,气体传感器阵列是电子鼻系统的关键所在,直接决定整个电子鼻系统的性能。如,传感器的最低检测限决定了电子鼻能否检测出一些低浓度的气体成分;传感器的灵敏度决定电子鼻对痕量气体分子的瞬时敏感程度;传感器的漂移和温漂直接影响了采集数据的精度和可靠性;传感器的线性度制约着采集、记录和处理数据以及后续理论分析所采用的方法等。

　　医用电子鼻与通用电子鼻的区别在于,前者一般都是针对某种或某几种疾病而特定设计的,在传感器的选择以及数据分析和识别等方面具有特定的考虑。

　　1　常用的分立气体传感器

　　如果用电子鼻模拟人的嗅觉系统,那么,传感器阵列就相当于嗅细胞群。通常,传感器阵列可以由多个分立的广谱型传感器组成,也可以采用集成工艺制作专用的传感器阵列。电子鼻系统利用各个气敏器件对复杂成分气体都有响应却又互不相同的特性,使阵列输出信号所构成的高维空间蕴涵更加丰富的信息,并借助主成分分析、人工神经网络等数据处理方法对各种气体进行分析和识别。常用的几种分立气体传感器如表1所示。

　　①质量型气体传感器主要有2种:石英晶体微天平型(quartz crystalmicrobalance/quartzmicrobalance,QCM /QMB)和声表面波型(surface a-cousticwave, SAW)

　　2　医用电子鼻对传感器的特性要求

　　将电子鼻应用于疾病诊断的研究,国外已有若干较为成熟的成果(不只用于呼吸分析),如表2所列;并有少量实用产品问世,如美国电子鼻Cyranose320,售价大概是8000美元。