（生物医学工程专业论文）肺癌呼吸诊断特征气体的研究.pdf

a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fn o n - i n v a s i v ed i a g n o s i sh a sb e e no n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e si n t h ef i e l do fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n gf o ral o n gt i m e t h ed i a g n o s i so fl u n gc a n c e rb y d e t e c t i n gt h ev o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ( v o c s ) i nt h ee x h a l e db r e a t hi sq u i t e p r o m i s i n g t l l i sw o r ki sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h em e t h o dt od e t e c tt h ev o c si nt h e b r e a t ho fl u n gc a n c e rp a t i e n t s ，a n dt h ed e t e c t i o no fv o c si nt h em e t a b o l i s mo fl u n g c a n c e rc e l l s ，t of i n a l l ys u p p o r tt h er e s e a r c ho ft h ed e t e c t i o no fl u n gc a n c e rb y e l e c t r o n i cn o s e ( e n o s e ) t h e r ea r em a i n l yf o u rp a r t si nt h i st h e s i s ： f i r s t l y ，s o m es t u d i e so fl u n gc a n c e rb r e a t hd e t e c t i o na r o u n dt h ew o r l da r e i n t r o d u c e da n dt h ec o m p a r i s o no fr o u t i n el u n gc a n c e rd i a g n o s i sm e t h o da n de - n o s e b r e a t hd e t e c t i o nm e t h o di sm a d e p a t h o l o g ya n a l y s i so ft h ee x i s t e n c eo fs p e c i a lv o c s i nl u n gc a n c e r p a t i e n t s b r e a t ha n di nl u n g c a n c e rc e l l s m e t a b o l i c p r o d u c ti s i n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h es o l i dp h a s em i c r o e x t r a c t i o n g a sc h r o m a t o g r a p h y m a s ss p e c t r u m ( s p m e g c m s ) s y s t e mi su s e dt od e t e c ts p e c i a lv o c si nt h em e t a b o l i s mo fl u n g c a n c e rc e l l s b yc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tv o c si nt h em e t a b o l i s mo fd i f f e r e n tk i n d so f c e l l s ，3k i n d so fv o c sc a nb ev i e w e da st h eb i o m a r k e r so fl u n gc a n c e rc e i l s t h i r d l y ，d e t e c t i o na n dc o m p a r i s o no ft h ev o c si nl u n gc a n c e rp a t i e n t s b r e a t h ， i nn o r m a lh u m a n sb r e a t ha n di nc h r o n i cb r o n c h i t i sp a t i e n t s b r e a t ha r ed o n ew i t ht h e s p m e g c m ss y s t e m a n a l y s i so fs p e c i a lv o c si nl u n gc a n c e rc e l l sa n db r e a t ho f l u n gc a n c e rc e l l sc a nh e l pc o n f i r mt h em a r k e rv o c si nb r e a t ho fl u n gc a n c e rp a t i e n t s a tl a s t ，m e t h o do ft e n a xt aa d s o r p t i o n t h e r m a ld e s o r p t i o ni st e s t e do ng c s y s t e m a n di tt u r n so u tt h a tt h ek i n do fp r e - e n r i c h m e n tc a nb eu s e f u li nt h ee - n o s e s y s t e md e s i g n e di no u rr e s e a r c hg r o u p k e y w o r d s ：l u n gc a n c e r ，v o c s ，m e t a b o l i s mo fc e l l s ，b r e a t hd e t e c t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐凰啕 签字f 1 期：沙盼年6 月他日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐凤啮 签字日期：加。分年6 月l - 日 导师签名： 签字日期： 飘新 致谢 短暂的两年研究生生活能圆满结束，离不开许多老师和同学的帮助，在此表 示深深的谢意。 首先要真诚感谢我的导师王平教授两年来给予我的谆谆教导和热诚帮助。王 老师治学严谨、学识渊博，他开阔的思路、敏锐的科学思维、忘我的工作精神、 踏实的工作作风都给我留下了深刻的印象，不仅教会了我正确的治学态度和科学 的研究方法，更让我懂得了如何做人、做学问，这将对我今后的人生产生巨大的 影响。 感谢李蓉副教授在课题的实验部分给予我的巨大帮助和在平时生活中的关 心照顾。李老师扎实的专业知识、严谨细致的工作作风在课题实验进行中给了我 最直接的帮助。而且李老师为人谦和，对待学生和蔼可亲，巨大的人格魅力给了 我很大的触动。 特别要感谢的是我们课题组的陈星师兄在这两年里给予我课题的巨大帮助， 及课题组同学路德纪给我实验提供的帮助和意见，我们一起工作、讨论，组成了 一个很好的团队；同时要感谢邵逸夫医院的应可净院长、王永清主任医师、陈恩 国医生、张伟民医生、胡燕婕，陈池云、马国峰等人在样本采集与病理分析方面 给予的巨大帮助。另外也要感谢胡卫军、王丽江、徐莹、蔡华、刘清君、余晖、 尚丽丹等师兄、师姐和同学，感谢他们给我提供的帮助，感谢大家营造出良好的 实验室氛围。 最后，对于一直支持我的父母和朋友们致以我最诚挚的谢意，是他们一直鼓 励我向更高的目标前进。 真诚地感谢所有给予我关怀和帮助的人们! 徐凤娟 2 0 0 8 年夏于求是园 浙江人学硕：f ：学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 肺癌概述及其病因学研究 肺癌是最常见的肺原发性恶性肿瘤，绝大多数肺癌起源于支气管粘膜上皮， 就是由支气管长出表皮样、腺样、或未分化细胞组成的肿瘤，故亦称支气管肺癌。 2 0 世纪初，肺癌在全世界是罕见的肿瘤。但到2 0 世纪中叶以后，由发达国家开 始，渐至发展中国家，肺癌的发病率和死亡率迅速上升。世界卫生组织在2 0 0 1 年曾经发布警告说，在过去的1 0 年中，全球肺癌的发病率每年以2 2 的速度在 飞快上升，每年全球新增肺癌患者达1 2 0 万人，死亡11 0 万人。目前肺癌的发病 率和死亡率目前已经排在各种恶性肿瘤的第一位。2 0 0 2 年，全球肺癌新发病例 1 3 5 万，占所有癌症新发病例的1 2 4 ，与1 9 8 5 年相比，增加了5 1 ( 男性4 4 ， 女性7 6 ) 。2 0 0 2 年，全球因肺癌死亡的人口达1 1 8 万，占所有癌症死亡的1 7 6 。 肺癌发病率近年来呈迅速上升趋势，已成为人类因肿瘤致死的首位病因。美国每 年新增肺癌患病男性9 9 0 0 0 人、女性7 8 0 0 0 人，五年后幸存率仅为1 4 。 肺癌的确切病因至今尚欠了解。经过多年的大量调查研究，目前公认下列因 素与肺癌的病因有密切关系。 ( 一) 吸烟根据各国的大量调查资料都说明肺癌的病因与吸纸烟关系极 为密切。肺癌发病率的增长与纸烟销售量增多呈平行关系。纸烟中含有苯并芘等 多种致癌物质。实验动物吸入纸烟烟雾或涂抹焦油可诱发呼吸道和皮肤癌肿。有 吸烟习惯者肺癌发病率比不吸烟者高l o 倍，吸烟量大者发病率更高，比不吸烟 者高2 0 倍。 ( 二) 大气污染工业发达国家肺癌的发病率高，城市比农村高，厂矿 区比居住区高，主要原因是由于工业和交通发达地区，石油，煤和内燃机等燃烧 后和沥青公路尘埃产生的含有苯并芘致癌烃等有害物质污染大气有关。调查材料 说明大气中苯并芘浓度高的地区，肺癌的发病率也增高。大气污染与吸纸烟对肺 癌的发病率可能互相促进，起协同作用。 ( 三) 职业因素经多年的调查研究，目前已公认长期接触铀、镭等放射 性物质及其衍化物、致癌性碳氢化合物、砷、铬、镍、铜、锡、铁、煤焦油、沥 浙江人学顾l ：学位论文绪论 青、石油、石棉、芥子气等物质，均可诱发肺癌，主要是鳞癌和未分化小细胞癌。 ( 四) 肺部慢性疾病如肺结核、矽肺、尘肺等可与肺癌并存。这些病例 癌肿的发病率高于正常人。此外肺支气管慢性炎症以及肺纤维疤痕病变，在愈合 过程中可能引起鳞状上皮化生或增生，在此基础上，部分病例可发展成为癌肿。 ( 五) 人体内在因素如家族遗传，以及免疫机能降低，代谢活动、内 分泌功能失调等也可能对肺癌的发病起一定的促进作用。 1 2 肺癌病理和分类 肺癌的分布情况右肺多于左肺，下叶多于上叶。起源于主支气管、肺叶支气 管的肺癌称为中央型肺癌。起源于肺段支气管远侧的肺癌，位于肺的周围部位者 称为周围型肺癌。绝大多数肺癌起源于支气管粘膜上皮，但亦有少数癌肿起源于 肺泡上皮或支气管腺体。 癌肿在成长过程中一方面沿支气管壁延伸扩展，并穿越支气管壁侵入邻近肺 组织形成肿块，同时突入支气管内造成管腔狭窄或阻塞。癌肿进一步发展播散则 可从肺直接蔓延侵入胸壁、纵隔、心脏、大血管等邻近器官组织；经淋巴道、血 道转移到身体其他部位或经呼吸道播散到其他肺叶。癌肿的生长速度和转移扩散 途径取决于癌肿的组织学类型、分化程度等生物学特性。肺癌的组织学分类目前 尚无一致的意见，按癌细胞形态特征通常将肺癌分为下列主要几种类型： ( 一) 鳞状上皮细胞癌 简称鳞癌。在各种类型的肺癌中鳞癌最为常见，约占5 0 ，在男性则占8 0 。 患者年龄大多在5 0 岁以上，男性占多数，且有长期大量吸烟病史。鳞癌大多起 源于较大的支气管，常为中央型肺癌。鳞癌的分化程度高低不一，但一般生长较 为缓慢。支气管粘膜上皮细胞长期受纸烟等有害物质的刺激和损伤，首先引致纤 毛丧失和基底细胞鳞状化生。这种癌前期不典型增生病变可持续多年，然后演变 成为原位癌，再侵袭支气管壁的其他组织。在此阶段虽然痰液中可以查到癌细胞， 但尚未呈现临床症状。鳞癌的病程较长，较晚发生转移，且通常首先经淋巴道转 移，到晚期才发生血道转移。手术切除率较高，对放射及化学疗法的敏感度不及 未分化癌。 鳞状上皮细胞癌的形态学特征是细胞大，呈多边形，胞浆较多，核染色深。 2 浙jf ：人学硕i ! 学位论文绪论 分化程度较高者癌细胞呈复层排列，可见到细胞问桥和角化珠；分化程度中等者 细胞大，呈多边形，但无角化球和细胞间桥；分化程度低者则癌细胞呈小圆形或 梭形，排列无层次。电镜检查时见癌细胞具有张力原纤维和大量的桥粒等鳞状细 胞的特征，其电镜图像见图1 一l 。 ， 2 r， 谬 。 孪 礁 4 舒。：镶 ” 裁 。锈 。 。 。 谚 募 t 掰7， 毋冁聋 姜每等。 甓： 。 谚 、。 图1 - 1 鳞癌电镜图像 ( 二) 未分化小细胞癌 细胞形态类似燕麦穗粒，因而又称为燕麦细胞癌。未分化小细胞癌在各种类 型的肺癌中约占2 0 。发病年龄较轻，多见于男性，多数病人有吸烟史。一般起 源于较大支气管，大多为中央型肺癌。小细胞癌分化程度低，生长快，较早出现 淋巴道转移和侵入血管经血道转移到身体远处器官组织，因此在各类肺癌中，小 细胞癌的预后最差。小细胞癌对放射治疗和抗癌药物治疗敏感度高。 小细胞癌的细胞形态与小淋巴细胞相似，大小比较一致，密集成片，常有坏 死灶。细胞核大，染色深，一端较尖，形似麦粒，核仁小而多个，胞浆很少，胞 浆内可有嗜银神经分泌颗粒，能产生五羟色胺、促肾上腺素等多肽类激素，其电 镜图像如图l 一2 所示。 ( 三) 腺癌 图l - 2 小细胞癌电镜图像 浙江人学坝i 学位论文 绪论 腺癌大多起源于较小的支气管粘膜分泌粘液的上皮细胞，因此大多数腺癌位 于肺的周围部分，呈球形肿块，靠近胸膜。女性病人较为多见，发病年龄亦较小。 在各类肺癌中约占2 0 ，在女性则占5 0 。腺癌与吸烟无密切关系，一部分病 例癌肿发生在肺纤维疤痕病变的基础上。腺癌在早期一般没有明显的临床症状， 往往在胸部x 线检查时发现。癌肿生长较缓慢，但有的病例较早即发生血道转 移，较常在呈现脑转移症状后才发现肺部原发癌肿。腺癌对放射治疗敏感度差。 分化程度较好的腺癌主要由腺体结构组成，具有腺腔或分泌粘膜，有时呈乳 头状结构。分化程度低的腺癌可无腺腔结构，癌细胞集聚，呈片状或索状。腺癌 细胞一般较大，胞浆丰富，含有分泌颗粒或粘液泡，胞核较大，癌细胞表面可见 到丰富的微绒毛。电镜图像见图1 3 。 满 鬻糕 j k 。 图1 - 3 腺癌细胞电镜图像 ( 四) 细支气管肺泡癌 它是腺癌的一种特殊类型，发病率较低。在各类肺癌中约占3 ，女性较多 见。癌肿常位于肺野周围部分，分化程度好，生长缓慢，此型肺癌与肺部炎症引 致的疤痕病变可能有密切关系，细支气管肺泡癌起源于末梢细支气管和肺泡的上 皮组织。电镜检查显示具有腺癌细胞特征且胞浆内有嗜锇性板层小体，因此认为 癌细胞起源于i i 型肺泡细胞。细支气管肺泡癌大多呈孤立或多个圆形结节，常累 及胸膜，少数病例呈弥漫性浸润，遍及一个肺段、肺叶或双侧肺，形似肺炎或粟 粒性结核。癌细胞沿细支气管肺泡管和肺泡壁生长，常分泌粘液，一般呈单层排 列，不侵犯肺泡间隔，因而肺泡结构仍保持完整。细支气管肺泡癌很少经淋巴或 血道转移，但常侵累胸膜，产生胸水，或经气道广泛播散，引致呼吸功能衰竭。 ( 五) 未分化大细胞癌 黧黧雾一隧 一 浙江人学形! l j 学位论文绪论 此型肺癌不多见，约半数起源于较大支气管，癌肿体积较大。镜检癌细胞大， 大小不一致，呈多边形、圆形或梭形。胞浆丰富，胞核大，常见分裂相，不具有 腺癌或鳞癌细胞的特征。癌细胞排列不规则，呈片状或条索状。恶性度高，经淋 巴道或血道转移发生较早，有时在发现脑转移后才被发现，预后差。电镜图像见 图1 4 。 黟。 6 警 j 善。“妒。j 。 r 。 ? 4 ，瀚，警； ，。，荔 一荔熬r w 。， 引 置 j 菇j i t ；。 。 ；8 i 匆雾，j 。一 ； 8 4。 ? e 瓷。女 4 菇 一 。 兽 g +8 ，簟一* 。熟檄 鼍t ， 。 * 彰鬻 癣 玳 “ 、t ? m 图1 - 4 大细胞癌电镜图像 ( 六) 支气管腺瘤 支气管腺瘤是起源于支气管粘膜下粘液腺及腺管上皮细胞的一组原发性肺、 支气管肿瘤。发病率较低，仅占2 左右。这一组肿瘤生长缓慢，肉眼观察边界 清楚，但常侵蚀邻近组织，可发生远处转移。切除不彻底易局部复发，因此应列 为低度恶性肿瘤。支气管腺瘤常发生于较大支气管，肿瘤血管丰富，发病年龄小， 多见于女性。常见的临床症状为咳嗽、咯血和肿瘤阻塞支气管管腔引起的阻塞性 肺气肿、肺不张或肺部感染。支气管腺瘤包括支气管类癌、支气管囊性腺样癌、 粘液上皮样癌等几种类型。 此外，少数肺癌可以在同一肿瘤的不同部位存在不同的组织学类型。较常见 的是腺癌中有鳞癌组织，亦可在鳞癌中有腺癌组织或鳞癌与未分化小细胞癌并 存。这一类肺癌称为混合型肺癌。还有为数更少的病例，在同侧肺或两侧肺内同 时或先后呈现两个或多个原发性肺癌病灶，称为多发性原发性肺癌。这些癌灶组 织学类型互不相同，或组织学类型虽同，但病灶的起源部位不同，病变范围亦各 自独立存在。 半个世纪以来，人们一直在关注恶性肿瘤的临床分期问题，因为疾病预后和 病变范围的关系与一种现象密切相关，即只有局限性病变的病人的自然存活率或 明显恢复的比例高于病变已扩散到超过原发器官的病人，这一观察结果使得人们 浙江人学硕l ：学位论文绪论 将病人分为“早期”肿瘤和“晚期”肿瘤，但其实肿瘤的分期有着明确和严格的 标准。通过对肿瘤的分期，临床医生可决定对患者的治疗方式，最主要的是决定 施行根治性手术、姑息性手术或是不手术；再结合肿瘤的性质，争取多学科综合 治疗。 1 9 4 4 年，d e n o i x 首先提出需要一个灵活、可靠的癌症分期系统，并且随后 发展了一个t n m 系统来描述原发肿瘤的特征( 以“t ”为代表) 、区域淋巴结 情况( 以“n ”为代表) 和有或无远处转移( 以“m ”为代表) 。肿瘤细胞分化 程度是肿瘤分级的主要依据；级数越高，则恶性程度越高，反之则越低。对于每 个患者而言，准确的分期对决定治疗措施和判断患者的预后是非常重要的。肿瘤 临床分期的主要目的有两个：1 ) 有利于对一种明显的病变范围做出精确的明确 的描述，从而使研究者相互之间易于交流或自己易于复述( t n m 分类) ；2 ) 区 别不同患者所患肿瘤的病程进展，识别适合接收根治性手术的患者，并对患者的 预后做出初步的判断，其应有病理、组织学上的确诊和分类。目前，国际上通用 的肿瘤临床分期体系是t n m 分期体系一一“9 7 分期”。 t n m 分期体系中：t ( p r i m a r y t u m o r ) 表示原发的肿瘤，其后的数字的增加 表示肿瘤的大小局部受累的范围和程度；n ( r e g i o n a ll y m p hn o d e s ) 表示局部淋 巴结，包括胸内、斜角肌和锁骨上淋巴结，其后数字的增加表示受累的水平；m ( d i s t a n tm e t a s t a s i s ) 表示有无远处转移。以上t 、n 和m 系列的确定，传统方 法通过体格检查，影像学检查、内镜检查和( 或) 手术探查等手段进行。 下面是t n m 临床分期系统中t n m 的具体定义【1 l ； 1 、t ( 原发性肿瘤) t x ：隐形癌( 无法判断是否存在原发肿瘤；或是在痰或支气管洗液中发现 恶性细胞，但影像学检查和支气管镜检查未能见到肿瘤) 。 t o ：没有任何证据标明有原发肿瘤的存在。 t i s ：原位癌，指限于上皮层内的癌，没有突破基底膜向下浸润。 t 1 ：肿瘤最大直径在3 c m 或3 c m 以下，周围为肺组织或脏层胸膜所包围， 支气管镜检查叶支气管近侧未见肿瘤侵犯。 t 2 ：肿瘤的大小或范围具有一下任何一项特点：肿瘤最大直径大于3 c m ； 肿瘤侵犯主支气管，但其末端距离隆突出至少有2 c m 或以上；肿瘤侵犯壁 层胸膜；伴有肺不张或阻塞性肺炎并扩展到肺门去，但未累及全肺。 6 浙江大学硕上学位论文绪论 t 3 ：任何大小的肿瘤直接侵犯以下任何一处：胸壁( 包括肺上沟瘤) 、膈 肌、纵隔胸膜或壁层心包，或肿瘤位于主支气管，其末端距离隆突小于2 c m 但 未侵犯隆突，或伴有全肺的肺不张或阻塞性肺气肿。 t 4 ：任何大小的肿瘤侵犯以下任何一处：纵隔、心脏、大血管、气管、食 管、椎体或隆突。原发肿瘤在同一肺叶内出现一个及一个以上的卫星结节，伴有 恶性胸膜侵犯的肿瘤。 2 、n ( 区域淋巴结) n x ：无法对淋巴结作出评价。 n o ：没有区域淋巴结转移。 n 1 ：转移至同侧支气管周围淋巴结和( 或) 同侧肺门淋巴结和肺内淋巴结， 包括原发肿瘤直接侵犯。 n 2 ：转移至同侧纵隔淋巴结和( 或) 隆突下淋巴结。 n 3 ：转移至对侧纵隔、对侧肺门、同侧或对侧斜角肌或锁骨上淋巴结。 3 、m ( 远处转移) m x ：无法对远处转移作出评价。 m 0 ：没有远处转移。 m 1 ：有远处转移，包括同侧或对侧非原发肿瘤所在叶出现的孤立的癌性结 节。 4 、g ( 组织病理学分级) g x ：无法评价分化程度。 g 1 ：高分化。 g 2 ：中分化。 g 3 ：低分化。 g 4 ：未分化。 为了识别具有相似预后和治疗的患者，将有相同预后的不同t 、n 、m 组合 起来可分成一系列的病期，共可组成四个期，见表1 - 1 ： 7 浙江大学硕十学位论文绪论 表1 - 1 国际肺癌分期组合 分期tnm 隐形癌t xn om o 0 期t i sn om o iat l n om o l ib t 2n om o i ia t ln lm o h t 2n lm o 1 1b t 3n om o at 1 1 r 2n 2m o t 3n l 、n 2m 0 1 1 1 b a n y t n 3m o t 4 a n y nm 0 i v a n y t a n yn m l 根据肺癌国际分期的肺癌生存率见表1 2 ： 表l - 2 各期肺癌的五年存活率 分期五年生存率( ) o 9 0 ia6 7 i lb 5 7 i ia 5 5 u b3 9 1 i i a2 3 m i l i b 7 i v l 另外对于小细胞肺癌来讲，t n m 分期是否适合还存在争议，因此目前大多 数采用简单的二期分期发，即分为局限期和广泛期。 8 浙江大学硕1 ：学位论文绪论 1 3 肺癌常规诊断方法 肺癌的治疗效果在近十年中没有显著的提高，总的治愈率为1 0 左右。其中 主要原因是肺癌生物学特性十分复杂，恶性程度高，8 0 的肺癌患者在确诊时已 属晚期。肺癌的治疗应是手术、放疗、化疗、免疫及中药等多学科综合治疗。 临床上，肺癌的常见诊断方法有以下几种【2 5 】： ( 一) x 线检查 x 线检查是诊断肺癌最常用的重要手段。通过x 线检查可以了解肺癌的部位 和大小。早期肺癌病例x 线检查虽尚未能显现肿块，但可能看到由于支气管阻塞 引起的局部肺气肿、肺不张或病灶邻近部位的浸润性病变或肺部炎变。中央型肺 癌常显示肺叶或一侧全肺不张，靠近肺门区边缘不整齐或分叶状肿块和纵隔淋巴 结肿大影像。癌肿病灶中心部分坏死形成空洞者则显示肿块内有偏心性透亮区， 空洞壁厚，内壁凹凸不平，较少呈现液平面。周围型肺癌最常见的x 线表现为肺 野边缘部位孤立性圆形或椭圆形块影，直径从1 2 c m 到5 6 e m 或更大。块影 轮廓不规则，常呈现小的分叶或切迹，边缘模糊、毛糙，常发出细短的毛刺影。 病变进展后肿块周围尚可出现肺不张、肺炎、胸膜腔积液等征象。高电压摄片有 助于判明病变性质。靠近肺门区的癌肿大多为鳞状上皮细胞癌和未分化小细胞 癌，前者常伴有阻塞性肺炎、肺不张或肺实变，以及肺门或纵隔淋巴结肿大。大 多数腺癌和大细胞癌以及一部分鳞状上皮细胞癌和小细胞癌位于肺野边缘部位， 肺尖部癌肿大多为鳞状上皮癌。肿块直径大于4 e m 者常为鳞状上皮细胞癌，且 较常形成癌性空洞。细支气管肺泡癌的x 线表现大多为周围型孤立性结节状病 灶，范围较为广泛的结节状浸润，类似支气管或大叶性肺炎，有时呈现空洞。 胸部x 线透视观察膈肌运动情况，有助于判断膈神经是否被癌肿侵犯。标准 断层摄片可显示中央型肺癌支气管阻塞情况，区别肿瘤与炎变的影像，清楚地显 示肺癌块影和分叶状形态，肺门和纵隔淋巴结肿大情况，以及显示块影内有无钙 化病变。近年来电子计算机断层扫描( ct ) 已在临床上广泛推广应用。这种检 查方法能显示薄层横断面三维结构图像，避免病变与正常组织的影像互相重叠， 对早期发现一般x 线检查隐蔽区域( 如肺尖、膈上，脊柱旁、靠近胸壁胸膜，心 脏后方，纵隔等处) 的肺癌病变，明确纵隔淋巴结是否增大等，很有诊断价值。 ct 检查能显示直径不及5 m m 的肺部结节状病灶，因而可以早期发现肺原发性 9 浙江大学硕一l ：学位论文绪论 或继发性肿瘤。ct 对各种肺部病变具有很好的密度分辨能力，有助于识别病变 的性质和明确有无钙化灶。支气管造影能显示由于肿瘤造成的支气管腔边缘残 缺，充盈缺损，管腔中断或不规则狭窄，对支气管镜未能到达的起源于肺段或亚 段支气管的周围型肺癌或支气管腺瘤具有诊断价值。钡餐食管x 线检查有助于了 解纵隔和食管被肺癌侵犯的情况。肺血管造影术可判明癌肿是否侵犯左、右肺动 脉近段和左、右心房，有助于判定中央型肺癌切除的可能性，但目前已较少应用。 ( 二) 细胞学检查 多数原发性肺癌病人在痰液中可找到脱落的癌细胞，并可判定癌细胞的组织 学类型。因此痰细胞学检查是肺癌普查和诊断的一种简便有效的方法。起床后用 清水漱口，从肺深部咳出的新鲜痰液或经支气管镜冲洗吸出的支气管内分泌物均 可作为检查标本。多次痰细胞学检查可提高阳性率。中央型肺癌痰细胞学检查的 阳性率可达7 0 一9 0 ，周围型肺癌痰检的阳性率则仅约5 0 左右，因此痰细胞 学检查阴性者不能排除肺癌的可能性。鳞状上皮细胞癌大多位于较大的支气管， 肿瘤向管腔生长，表层癌细胞易脱落因而痰检阳性率高，判定组织学类型也较准 确。未分化小细胞癌痰检阳性率也高，但不易判定组织学类型。 肺癌转移到胸膜腔或心包腔，产生胸膜或心包腔积液的病例，抽取部分积液， 经离心处理后取沉淀作涂片检查，找到癌细胞，即可明确诊断。 ( 三) 支气管镜检查 支气管镜检查是诊断肺癌的一个重要措施。通过支气管镜可直接窥察支气管 内膜及管腔的病理变化情况。窥见癌肿或癌性浸润者，可采取组织供病理切片检 查，或吸取支气管分泌物作细胞学检查，以明确诊断和判定组织学类型。但支气 管腺瘤由于血管丰富，不宜作支气管镜活组织检查，以免引起大量出血。支气管 镜检查尚可观察隆突和支气管的位置、形态、宽度和活动度，必要时采取组织作 病理检查尚有助于了解病变的范围、切除术的可能性和肺切除的范围。过去使用 的硬管型支气管镜仅能窥见较大的支气管，对中央型肺癌的诊断价值较大。近 2 0 年来纤维光导支气管镜得到广泛应用，这种支气管镜管径较细，柔软可弯曲， 能伸入各个肺叶、肺段及大多数亚段支气管，并可应用细胞刷或在x 线电视透视 定位下于肺组织内放入活组织钳，采取供病理检查的标本，从而可提高支气管镜 检查的阳性率，对周围型肺癌早期诊断也很有帮助。 ( 四) 纵隔镜检查 l o 浙江大学硕一i ：学位论文绪论 主要用于判明中央型肺癌侵犯纵隔的范围。经胸骨切迹上缘短的横切口，沿 中线纵向切开颈部带状肌及气管前筋膜，用手指在无名动脉与主动脉弓的后方分 离气管前筋膜，到达气管隆突区，然后放入纵隔镜窥察肿大的淋巴结。通过穿刺 吸引或切取淋巴结供病理切片检查。纵隔淋巴结阳性者，特别是对侧纵隔淋巴结 已有转移或未分化肺癌是肺切除术的禁忌证。 ( 五) 经皮穿刺肺活组织检查 靠近胸壁的肿块或浸润性病变疑似周围型肺癌或弥漫型细支管肺泡癌，应用 其它诊断方法未能明确病变性质，病人的身体状况又不适宜作剖胸探查术的病 例，可采用经皮穿刺肺组织活检。在x 线电视透视下确定病灶的部位，在局部浸 润麻醉下在病人屏气时将穿刺针插入病灶中央部位，拔出针蕊，连接3 0 5 0 m l 注射器，在用力作负压吸引的同时转动穿刺针，然后迅速拔出穿刺针，将采集的 标本送作病理检查。经皮肺穿刺术后应密切注意有无并发气胸、血胸和咯血。周 围型肺癌病例检查的阳性率可达8 0 ，并发症的发生率也不高。转移到胸膜的病 变亦可经皮肤穿刺采取胸膜组织作病理检查。 ( 六) 转移病灶活组织检查 晚期肺癌病例已有锁骨上、颈部、腋下等处表浅淋巴结转移或出现皮下转移 结节者，可切取转移病灶组织作病理切片检查或穿刺抽取组织作涂片检查，以明 确诊断。 ( 七) 纵隔切开术 纵隔镜检查难于窥察位于主动脉弓水平下方左侧前纵隔的病变情况。少数中 央型肺癌病例为了避免剖胸术产生的不良后果，可考虑施行对身体创伤较少的纵 隔切开术。经左前胸胸骨第2 肋间切口，或骨衣下切除短段第2 或第3 肋软骨， 结扎胸廓内血管，将胸膜向外侧推开即可显露纵隔和肺门淋巴结，便于采取组织 供作病理检查。此种检查方法虽未被广泛采用，但对有些病例在制定治疗方案时 有一定的参考价值。 ( 八) 剖胸探查术 肺部肿块经多种方法检查和短期试探性治疗仍未能明确病变的性质，肺癌的 可能性又不能排除，如病人全身情况许可，应作剖胸探查术。术中根据病变情况 及病理组织检查结果，给予相应治疗。这样可避免延误病情致使肺癌病例失去早 期治疗的时机。 浙江大学硕i ：学位论文绪论 肺癌常规诊断方法要想确诊肺癌，过程十分复杂而且其中的一些检查还会对 人造成创伤，费用也相对昂贵，因此常规方法不利于大规模的普查，这往往容易 耽误治疗肺癌的最佳时期。有文献指出如果在肺癌早期得到诊断治疗，肺癌患者 五年后幸存率上升到4 8 ，因此研究出一种方便、快捷、无损的辅助诊断方法 诊断肺癌有较大的实用意义。基于呼吸检测诊断肺癌的广阔市场前景和研究内容 的探索性，结合浙江省自然科学基金，杭州市高新技术基金和国家自然科学基金 的项目资助，我们希望能探索性地研究肺癌诊断的新型呼吸检测方法，完成医用 电子鼻的设计。 1 4 呼吸肺癌诊断方法 随着人工嗅觉系统一一电子鼻技术开始走向实用化，目前在医学诊断上呼吸 气体诊断的技术不断发展成熟，以期真正达到为医患双方提供方便、快捷、无损 的诊察手段的目的。 呼吸气体诊断作为一种有很大发展前景的诊断方法正在世界各国越来越多 的重视，很多发达国家纷纷在这方面投入大量的资金。如美国t r i m e ds p e c i a l i t y 公司在生产利用检测服用同位素标记的药丸后产生特异性呼吸气体，进行胃幽门 螺杆菌检测的系列化仪器产品。英国西英格兰大学最近宣布，该大学与公司合作 将耗资4 0 亿美元，研究通过分析人打嗝产生的气体来诊断胃溃疡等疾病的仪器。 英国的敦提大学正在研究用呼吸诊断肠胃疾病、消化不良、艾滋病以及糖尿病的 系列化仪器以及英国西英格兰大学和敦提大学的研究等。我国上海第二医科大学 的附属仁济医院和浙江省中医院引进了美国的该仪器，价格很昂贵。其测量原理 主要包括：病人首先口服含有”c u r e a 的药剂，尿素酶与胃幽门螺杆菌( h p y l o r i ) 联合作用，将尿素分解成1 3 c 0 2 和氨气，1 3 c 0 2 被血流吸收。也就是说，如果胃 里有h p y l o r i ，血液二氧化碳中的1 3 c 1 2 c 比例就会增加。用色谱的方法测量人呼 吸中的1 3 c 1 2 c 含有的比例，就可以判断h p y l o r i 是否出现。由于这种方法采用 同位素测定所以精确度很高，这种方法的敏感性、特异性和诊断符合率可达到 9 7 左右。这种方法的关键是研究能够引发特异反应的药物。美国m e t a b o l i s m s o l u t i o n s 公司用1 3 c o c t a n o a t e 来测量胃排空过程，这种过程反映了人的胃消化 能力、新陈代谢能力等。敦提大学w o l f r a mm e i e r - a u g e n s t e i n 博士利用标记过的 浙江人学颂i ：学位论文绪论 醋酸盐分子( m a r k e ds o d i u ma c e t a t em o l e c u l e s ) ，同样可以诊断出人体的新陈代 谢情况，这种药物有可能用来诊断艾滋病、糖尿病、消化不良。这种方法的优点 是无创伤、设备简单、测量简便。 除了这种同位素方法之外，还有许多其他研究方法。如英国西英格兰大学研 究是采用人的打嗝气体，他们计划研制的传感器主要通过检测幽门螺杆菌产生的 一种挥发性化学物质来识别。而伦敦大学博克拜克学院( b i r k b e c kc o l l e g e ) 的研 究通过检测呼吸气体，来诊断幽门螺杆菌的出现，以及糖尿病等。m a t t h i a sl e c h n e r 等发现胃幽门螺杆菌还可以使病人呼出气中的硝酸盐水平增高1 6 1 。 事实上，气体检测的应用是很多的，与人类生物信息有关的检测比较常见的 有呼吸酒精含量的检测。如汽车司机的呼吸检测是十分重要的，目前许多国家都 有这种产品。可以看出，疾病的呼吸检测是极具发展前景的。呼吸气体诊断的发 展关键的是病理方面的基础和相应的检测手段，要寻找一种与疾病有较大相关性 的呼吸气体成分，即特征性气体成分及可靠的检测手段，在此基础上研制出新型 的仪器。 现在随着医学诊断无损化的不断发展，呼吸诊断作为医学无损诊察的重要方 式之一越来越受到人们的重视。现在的呼吸诊断主要是在病理上找到一种或几种 与疾病高度相关的呼吸气体进行分析并判断其病情，一般说来设备简单，操作方 便，对病人无损害而且准确度较高。 由于呼吸气体是一种混合气体，它不但含有空气的成分还有各种代谢产物。 这些代谢产物主要是血液中的物质通过呼吸作用排出体外的。因此，呼吸诊断在 一些代谢性疾病中首先得到应用如胃肠道疾病，糖尿病及肺癌等。目前呼吸气体 可用来检测或反应以下问题：胃肠疾病、瘘问题、感染、糖尿病、肝脏问题、肾 脏问题、肺部问题【7 】。 通过检测呼吸气体进行肺癌诊断的研究已经有很长历史了。1 9 7 1 年，p a u l i n g 最早采取特定装置收集人呼出的气体，提出正常人呼出气体中含有上百种皮克摩 尔量级( 1 0 j 2 m ) 挥发性有机气体成分( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 【8 】。 在此基础上，o n e i l l 采用气相色谱一质谱( g a sc h r o m a t o g r a p h y m a s ss p e c t r u m ， g c m s ) 联用的方法分析8 个肺癌病人呼出的3 2 份气体样本，提出了2 8 种呼 吸气体v o c s 作为候选的肺癌标志气体成分，大多是烷烃类和苯的衍生物【9 】。 1 9 9 5 8 1 9 9 6 1 0 ，m i c h a e lp h i l l i p s 同样采用气相色谱一质谱( g c m s ) 联用的方 浙江人学硕一 ：学位论文绪论 法对1 0 8 位病人的呼出气体进行检测，确定了肺癌患者呼出气体中有2 2 种v o c s ( 均为烷烃类和苯的衍生物) ，可以作为判别肺癌的标志性气体成分【1 0 】。 这2 2 种v o c s 可详细见图1 5 ，其中的有机气体成分对确定肺癌的贡献程度是有 下到上增加的。 s t y r e n ei e t l l e l l y l l ) e 1 1 z e f l e h e i ) t a n e 2 2 ，4 。6 。6 - p e n t a m e t h y l h e p t a n e ，2 m e t h y i d e c a n e b e n z e n e p r o p y l - u n d e c a n e c y c l o p e n t a n e m e t h y l c y c l o p r o p a n e 1 - m e t h y f 2 - t ) e n t y l - m e t h a n e t r i c n o r o f l u o r o - b e s l z e n e b e n z en e 1 ，2 4 4 dm e t h y l - 1 3 - b u t a dj e n e 2 m e t h y l - ( i s 0 1 ) se r i ej o c t a n e ，3 f l l e t h y l 1 - l l e x e i l e no n a n e 3 - m e t h y l 1 1 1 e p t e n e b e n z e n e 1 4 - d i m e t h y l h e p t a n e 。2 。4 - d i m e t i 1 y i h e x a n a l c v c i o h e x a n e b e n z e n e 1 - m e t h y l e t h e n y l h e p a t a n a l 苯乙烯 2 2 。4 6 ，6 五甲慕庚烷 2 甲基一j 受烷 癸烷 丙基一苯 + 烷 甲基一环戍烷 l 一甲基- - 2 - - 戌基一环戍烷 三氯氟甲烷 苤 1 2 ，4 - - 兰甲烷一苯 1 ，3 - - 丁二烯，2 一甲基一畀戍二烯 3 - - 甲基一辛烷 l 己烯 3 - - 甲慕一壬烷 l 一庚烯 1 4 一二甲基一苯 2 ，4 一二单基一赝烯 己醛 环己烷 卜甲基乙基一苯 庚醛 囹1 - 5m i c h a e lp h i l l i p s 确定的2 2 种肺癌呼吸特征气体成分 此后，p h i l l i p s 进一步扩大样本，对8 7 位肺癌病人，9 1 位其他肺病病人以及 4 1 位正常人呼出的气体进行检测，同时研究了其他疾病病人呼出气体中的 v o c s ，以及年龄对呼出气体中v o c s 的影响，最终确定了9 种烷烃和单甲基化 的烷烃作为判别肺癌的标志性气体成分【11 】。这9 v o c s 可详细见下图1 - 6 ， 其中的有机气体成分对确定肺癌的贡献程度是有下到上增加的。 铆d 婀搿e a s y i n t o 戮貔拓l b u t a i 坍 t r l i “a l 擀。3 - m a 拗 丁n d f 鬈a ￥铲、7 , - , d w i ( k t a n e 4 m 蹦h v l h t 馏啪。3 - m e t h y l h p i 建 l 孙驴 h 瑚辩。豁群i t 蝌蠹砖 p e n t a c l e d e c a m x 拳张械h 订 图1 - 6m i c h a e lp h i l l i p s 确定的9 种肺癌呼吸特征气体成分 1 4 烷境 三二烷烷烷烷十十辛己己葵 基基基基基基 烷甲甲甲甲烷甲烷甲 卜卜卜魔争戊卜 浙江大学硕_ i ：学位论文绪论 2 0 0 7 年m i c h a e lp h i l l i p s 对1 9 3 位原发性肺癌病人和2 l l 位正常对照者进行 g c m s 的试验，确定了1 6 种v o c s 作为呼吸诊断肺癌的标志物，其中的有机气 体成分对确定肺癌的贡献程度是有上到下增加的如下图1 7 所示。这1 6 种v o c s 与前期的结论( 即烷烃、甲基化烷烃、苯及其衍生物) 相差较多【1 2 】，其中 出现较多的芳香族有机物，给确定呼吸诊断肺癌的标志性v o c s 带来一定的困 扰。复旦大学的c h u n h u id e n g 等人用肺癌病人血液分析辅助对呼吸气体v o c s 进行了分析。他们采用s p m e 对肺癌病人和正常人的血液进行萃取，用g c m s 联用对血液中的挥发性成份进行分析，并将血液中挥发性成分与呼吸气体中 挥发性成分进行对比，选定了己醛和庚醛作为肺癌呼吸气体检测的标志性气体成 分【1 3 】。 篓芸漂燃笼篡啪螂阻2 潼；萋，器，二镳霭妻骛镒盐 纂篓景2 , m u j ：- y l 麓乙嗍，：蝉删蹴睢j 缛鼍冬童螽厩昏k h 别躲 h o 弦m c 螂。l i ，l 矗枷口钢劬 2 商睁1 3 甲啊嘲嘶i e 炮e ：备菇8 。”“。5 “ ! 鼍1 ，b 姆s 筻矗堍配p 而? ! 嗡m 1 5 ：j 0 1 ，m x l l 一二氢一 3 ，5 c 弦b 搬4 击档搴i ，4 - 如，3 ，垂觑l 。1 4 翻穗嘲破譬秘1 6 l2 ，。5 一环芑二佛一l ，4 一( 开环) 2 ，6 - 二( 1 ， ；莓! 曩戮瞄；是a 瓣戊酮 3 零哪强o m ，：妯掰觑k l ：j ；_ = 槲一附誓 呦口冲曲j e ” l i h 最亍香烯。一 。 畦耋燃一。一 隧笺鼙学。耀酸 ：i 皇：篓鬟当荨：。：兰。登融唧蝴1 ；互云荽兰苹葚：i 二琶兰烯 2 4 酝8 妇；乏5 曲a 础h 辨心7 ”2 ”1 图l 一7m i c h a e lp h i l l i p s 确定的1 6 种肺癌呼吸特征气体成分 在这一方面我们实验室也做了大量的工作，希望能研究出一