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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，實現(xiàn)對致命疾病的及早診斷并且使手術(shù)更為安全。西門子的目標是打造一種能診斷癌癥、過敏和感染的通用型設備。

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

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

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普通抗生素具有更強的抗藥性，該病的暴發(fā)性特征卻更趨明顯。因此，許多醫(yī)生希望能針對這種威脅生命的疾病找到及早診斷的簡單、可靠方法，比如呼出氣體測試。這就是Fleischer團隊致力于研究呼出氣體分析設備的原因所在。

“中國醫(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)學在這個領(lǐng)域落在了后面。然而，自從權(quán)威醫(yī)學雜志《柳葉刀》刊登了一篇狗能嗅出主人患有皮膚癌的報道后，事情發(fā)生了變化。

實際上，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，人們是對由許多高度復雜的分子組成的“雞尾酒”進行分析檢測的，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只探測器組成的陣列對這些可疑混合物質(zhì)進行檢測。“但是這種做法的效果不佳，”Fleischer表示。

有些疾病會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實驗室的經(jīng)典分析方法——四極質(zhì)譜儀。當呼吸樣氣進入這種儀器，首先會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，最終猛烈撞擊探測器。由于它們的質(zhì)量不*，它們在電場的偏轉(zhuǎn)程度也不同。其結(jié)果是它們會撞向探測器的不同位置，生成具有特點的沖擊圖譜——好比指示疾病的指紋。

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

傳感器可感測多種分子，包括丙酮。

研究人員還想知道這種診斷方法是否對吸煙者有效。一旦這種新方法的初步效果得以確認，事情的進展就會很順利。這是因為在Fleischer看來，將質(zhì)譜儀的尺寸縮小到行李箱般大小并針對醫(yī)療用途完善軟件僅僅是一項常規(guī)工程工作。與此同時，科學家們想更進一步，看看這種新方法是否可用于診斷其他疾病。他們的目標是打造一種適用于多種診斷用途的通用型設備。這種設備不僅應識別不同的癌癥，還應探測出過敏和感染。

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一步檢查提供了基礎(chǔ)。

能預測哮喘發(fā)作的測試。即將上市的一款適用于哮喘患者的設備算是Fleischer研究的呼出氣體分析儀器的先驅(qū)。它可探測出哮喘是否即將發(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的全新探測設備裝備有硬幣大小的傳感器，傳感器中含有酞菁藍顏料。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量出來的東西，”Fleischer說道。這是因為酞菁藍顏料與裝備有場效應晶體管（FET）的微芯片接觸。當芯片上沒有NO分子聚集時，F(xiàn)ET會測到高電壓，并將信號發(fā)送至電子評估系統(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NO分子（30ppb），這種比例的形象說法就像一塊方糖融入一個大游泳池中。但是如果這個濃度上升到100ppb，傳感器就會探測到變化。目前尚處在原型階段的傳感系統(tǒng)對酒精、丙酮或口臭不起反應。利用這種設備，哮喘患者可更好地預防哮喘發(fā)作，可以預防性地吸入大劑量支氣管擴張劑和抗炎藥物。

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著手機大小的設備呼一口氣，就可檢測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，呼出樣氣中的丙酮濃度達到約1 ppm（百萬分之一）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)這種小型設備。

利用光進行組織分析。Fleischer團隊關(guān)注的另外一個焦點是助力困難手術(shù)的測量技術(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，很難進行這種區(qū)分，而這可能會產(chǎn)生嚴重的后果。如果醫(yī)生不能清除干凈患病組織，腫瘤還會再長出來。如果組織清除過多，正常功能又會遭到破壞。Fleischer認為，更好地了解組織結(jié)構(gòu)對于其他手術(shù)同樣重要，比如危及聲帶的喉部手術(shù)或存在失禁風險的前列腺手術(shù)。

西門子測量技術(shù)中心開發(fā)的用于食品質(zhì)量控制的設備可能會幫助提高手術(shù)準確度。這種設備可確定肉的新鮮度或是哪種動物的肉。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。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*對身體無害。

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。“哪個波長的光線被吸收，哪個波長的光線被反射，部分是由細胞壁的分子結(jié)構(gòu)決定的。”Fleischer解釋道。“由于腫瘤細胞生長迅速，它們的細胞壁較之健康細胞不夠均勻——這種特性利用我們的方法可以進行顯示。”當來自傳感器的光達到腫瘤邊緣，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。在這種設備的幫助下，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，實驗室進行的白鼠試驗表明這種設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行測試，因為進行這種操作的實驗設備目前還不能進行*消毒。“必須在高壓和高溫下進行清潔消毒，但是光學連接部件無法承受高溫高壓。”Fleischer說。

光傳感器把近紅外線導向檢查點。

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