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來自西門子的革命性分析技術(shù)很快就可改善哮喘患者的生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)致命疾病的及早診斷并且使手術(shù)更為安全。西門子的目標(biāo)是打造一種能診斷癌癥、過敏和感染的通用型設(shè)備。

Maximilian Fleischer教授最近頻繁拜訪醫(yī)生有一個(gè)特殊的原因。作為位于慕尼黑的西門子中央研究院的研究人員，F(xiàn)leischer仔細(xì)觀察醫(yī)生們的工作，向他們?cè)儐柤膊≡\療方法——尤其是他們所采用的分析設(shè)備。“比如說，迄今為止依然沒有可靠的方式來對(duì)肺癌進(jìn)行早期檢測(cè)。等到癥狀出現(xiàn)，通常為時(shí)已晚。一般情況下，肺癌患者在確診后只能存活兩年時(shí)間。” Fleischer說道。然而，肺癌如果能在早期檢測(cè)出來，在很大程度上是可以治愈的。

肺結(jié)核的情況與之類似，作為一種危險(xiǎn)的肺部疾病，如果診斷過晚將會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。“對(duì)自身疾病不知情的患者具有長(zhǎng)期傳染性，這使周圍人員暴露于這種高傳染性疾病的風(fēng)險(xiǎn)之下。” Fleischer解釋道。世界衛(wèi)生組織（WHO）在一份的報(bào)告中預(yù)測(cè)，每天有3800人死于肺結(jié)核——大多數(shù)是在發(fā)展中國(guó)家。

盡管新發(fā)病人數(shù)正在減少，但是隨著越來越多的致病菌株對(duì)普通抗生素具有更強(qiáng)的抗藥性，該病的暴發(fā)性特征卻更趨明顯。因此，許多醫(yī)生希望能針對(duì)這種威脅生命的疾病找到及早診斷的簡(jiǎn)單、可靠方法，比如呼出氣體測(cè)試。這就是Fleischer團(tuán)隊(duì)致力于研究呼出氣體分析設(shè)備的原因所在。

“中國(guó)醫(yī)生早在兩千年前就知道通過人口中氣味的變化來判定疾病。” Fleischer解釋道。西方醫(yī)學(xué)在這個(gè)領(lǐng)域落在了后面。然而，自從權(quán)威醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》刊登了一篇狗能嗅出主人患有皮膚癌的報(bào)道后，事情發(fā)生了變化。

實(shí)際上，全球正在加緊研究能通過其判定具體疾病的人體呼出氣體。在大多數(shù)情況下，人們是對(duì)由許多高度復(fù)雜的分子組成的“雞尾酒”進(jìn)行分析檢測(cè)的，這些分子在健康人的呼出氣體中也可以發(fā)現(xiàn)，只是比例不同而已。

如今，大多數(shù)研究小組正在利用由8到10只探測(cè)器組成的陣列對(duì)這些可疑混合物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。“但是這種做法的效果不佳，”Fleischer表示。

有些疾病會(huì)在患者的呼出氣體中留下*的分子印跡。研究人員相信四極質(zhì)譜儀將使快速診斷成為可能。

為此，西門子研究人員采用了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)典分析方法——四極質(zhì)譜儀。當(dāng)呼吸樣氣進(jìn)入這種儀器，首先會(huì)遭受電離粒子的轟擊。這使得樣氣中的物質(zhì)帶有電荷。

帶電荷粒子然后通過電場(chǎng)，最終猛烈撞擊探測(cè)器。由于它們的質(zhì)量不*，它們?cè)陔妶?chǎng)的偏轉(zhuǎn)程度也不同。其結(jié)果是它們會(huì)撞向探測(cè)器的不同位置，生成具有特點(diǎn)的沖擊圖譜——好比指示疾病的指紋。

針對(duì)癌癥和肺結(jié)核患者的呼吸樣氣進(jìn)行的*測(cè)試結(jié)果非常樂觀。“但是為了確保這種方法真的奏效，我們還需要針對(duì)數(shù)百患者的呼吸樣氣進(jìn)行測(cè)試。”Fleischer表示。這種具有特點(diǎn)的氣體“雞尾酒”濃度可能會(huì)受到患者性別、年齡、種族、飲食習(xí)慣等的影響。

傳感器可感測(cè)多種分子，包括丙酮。

研究人員還想知道這種診斷方法是否對(duì)吸煙者有效。一旦這種新方法的初步效果得以確認(rèn)，事情的進(jìn)展就會(huì)很順利。這是因?yàn)樵贔leischer看來，將質(zhì)譜儀的尺寸縮小到行李箱般大小并針對(duì)醫(yī)療用途完善軟件僅僅是一項(xiàng)常規(guī)工程工作。與此同時(shí)，科學(xué)家們想更進(jìn)一步，看看這種新方法是否可用于診斷其他疾病。他們的目標(biāo)是打造一種適用于多種診斷用途的通用型設(shè)備。這種設(shè)備不僅應(yīng)識(shí)別不同的癌癥，還應(yīng)探測(cè)出過敏和感染。

Maximilian Fleischer教授正在研究適用于呼出氣體診斷的新材料。裝有呼出氣體樣本的試管為進(jìn)一步檢查提供了基礎(chǔ)。

能預(yù)測(cè)哮喘發(fā)作的測(cè)試。即將上市的一款適用于哮喘患者的設(shè)備算是Fleischer研究的呼出氣體分析儀器的先驅(qū)。它可探測(cè)出哮喘是否即將發(fā)作。此外，CD盒一般的尺寸讓哮喘患者可以輕松地把它隨身攜帶。

“基本上，為了了解哮喘患者的狀況，只需要確定患者呼出氣體中一種易探測(cè)出來的分子的比例。”Fleischer解釋道。這種物質(zhì)是一氧化氮（NO），在哮喘發(fā)作之前數(shù)小時(shí)它可升高到正常水平的5倍。因此，這種氣體可清晰揭示呼吸道的炎癥情況。

Fleischer的全新探測(cè)設(shè)備裝備有硬幣大小的傳感器，傳感器中含有酞菁藍(lán)顏料。這種還可用于染蛋的顏料與NO分子高選擇性地結(jié)合，因此改變了NO分子的電特性。“這是我們可以輕易測(cè)量出來的東西，”Fleischer說道。這是因?yàn)樘妓{(lán)顏料與裝備有場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的微芯片接觸。當(dāng)芯片上沒有NO分子聚集時(shí)，F(xiàn)ET會(huì)測(cè)到高電壓，并將信號(hào)發(fā)送至電子評(píng)估系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有非常高的靈敏度。正常情況下，人體呼出氣體中每10億分子中最多包含30個(gè)NO分子（30ppb），這種比例的形象說法就像一塊方糖融入一個(gè)大游泳池中。但是如果這個(gè)濃度上升到100ppb，傳感器就會(huì)探測(cè)到變化。目前尚處在原型階段的傳感系統(tǒng)對(duì)酒精、丙酮或口臭不起反應(yīng)。利用這種設(shè)備，哮喘患者可更好地預(yù)防哮喘發(fā)作，可以預(yù)防性地吸入大劑量支氣管擴(kuò)張劑和抗炎藥物。

西門子研究人員正在開發(fā)多種高靈敏度的呼出氣體分析測(cè)試方法。

另一種具有類似工作原理的傳感器可用于跑步或健身用途。這種設(shè)備不僅可顯示身體消耗碳水化合物、葡萄糖的情況，還可顯示燃燒脂肪的情況——比例是40:60。健身愛好者只需要對(duì)著手機(jī)大小的設(shè)備呼一口氣，就可檢測(cè)出呼出氣體中的丙酮濃度。

大多數(shù)人可能知道丙酮是一種溶劑，但它還是代謝副產(chǎn)物。“鍛煉時(shí)，呼出樣氣中的丙酮濃度達(dá)到約1 ppm（百萬(wàn)分之一）是理想的減重狀態(tài)。”Fleischer說道。生產(chǎn)這樣的傳感器不是問題。實(shí)際上，研究人員已經(jīng)注意到一家合作公司將批量生產(chǎn)這種小型設(shè)備。

利用光進(jìn)行組織分析。Fleischer團(tuán)隊(duì)關(guān)注的另外一個(gè)焦點(diǎn)是助力困難手術(shù)的測(cè)量技術(shù)。“譬如，在腦腫瘤手術(shù)過程中，這種功能將使醫(yī)生更容易區(qū)分健康和患病組織。”Fleischer指出。

利用常規(guī)的手術(shù)顯微鏡，很難進(jìn)行這種區(qū)分，而這可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如果醫(yī)生不能清除干凈患病組織，腫瘤還會(huì)再長(zhǎng)出來。如果組織清除過多，正常功能又會(huì)遭到破壞。Fleischer認(rèn)為，更好地了解組織結(jié)構(gòu)對(duì)于其他手術(shù)同樣重要，比如危及聲帶的喉部手術(shù)或存在失禁風(fēng)險(xiǎn)的前列腺手術(shù)。

西門子測(cè)量技術(shù)中心開發(fā)的用于食品質(zhì)量控制的設(shè)備可能會(huì)幫助提高手術(shù)準(zhǔn)確度。這種設(shè)備可確定肉的新鮮度或是哪種動(dòng)物的肉。但是它還可用在手術(shù)室中。圓珠筆大小的探頭中含有光纖組件，將近紅外光照向感興趣點(diǎn)。近紅外光穿透最上面的數(shù)毫米組織，與X光不同的是這種光*對(duì)身體無(wú)害。

近紅外光可提供組織結(jié)構(gòu)信息，并發(fā)送回探頭，然后傳輸至紅外分光儀。“哪個(gè)波長(zhǎng)的光線被吸收，哪個(gè)波長(zhǎng)的光線被反射，部分是由細(xì)胞壁的分子結(jié)構(gòu)決定的。”Fleischer解釋道。“由于腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)迅速，它們的細(xì)胞壁較之健康細(xì)胞不夠均勻——這種特性利用我們的方法可以進(jìn)行顯示。”當(dāng)來自傳感器的光達(dá)到腫瘤邊緣，可以亞毫米精度定位腫瘤交界區(qū)。

這種光傳感器已經(jīng)通過了酸性試驗(yàn)。在這種設(shè)備的幫助下，醫(yī)生現(xiàn)在能夠區(qū)分喉癌患者的健康組織和患病組織。此外，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的白鼠試驗(yàn)表明這種設(shè)備可以很好地確定腦瘤的邊界。然而，這種新方法還不能在腦瘤患者身上進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檫M(jìn)行這種操作的實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前還不能進(jìn)行*消毒。“必須在高壓和高溫下進(jìn)行清潔消毒，但是光學(xué)連接部件無(wú)法承受高溫高壓。”Fleischer說。

光傳感器把近紅外線導(dǎo)向檢查點(diǎn)。

如果未來的測(cè)試成功，科學(xué)家們打算研制一款能迅速消毒的設(shè)備。然后，就可以開始臨床試驗(yàn)。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，這種全新“手術(shù)室助手”的*批原型設(shè)備將在幾年內(nèi)問世。