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來自西門子的革命性分析技術很快就可改善哮喘患者的生活質量，實現對致命疾病的及早診斷并且使手術更為安全。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，Fleischer仔細觀察醫生們的工作，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，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。世界衛生組織（WHO）在一份的報告中預測，每天有3800人死于肺結核——大多數是在發展中國家。

盡管新發病人數正在減少，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，該病的暴發性特征卻更趨明顯。因此，許多醫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。西方醫學在這個領域落在了后面。然而，自從權威醫學雜志《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現，只是比例不同而已。

如今，大多數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典分析方法——四極質譜儀。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。由于它們的質量不*，它們在電場的偏轉程度也不同。其結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。

針對癌癥和肺結核患者的呼吸樣氣進行的*測試結果非常樂觀。“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，將質譜儀的尺寸縮小到行李箱般大小并針對醫療用途完善軟件僅僅是一項常規工程工作。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。

能預測哮喘發作的測試。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。它可探測出哮喘是否即將發作。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。這種物質是一氧化氮（NO），在哮喘發作之前數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，FET會測到高電壓，并將信號發送至電子評估系統。

該系統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。

大多數人可能知道丙酮是一種溶劑，但它還是代謝副產物。“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。”Fleischer說道。生產這樣的傳感器不是問題。實際上，研究人員已經注意到一家合作公司將批量生產這種小型設備。

利用光進行組織分析。Fleischer團隊關注的另外一個焦點是助力困難手術的測量技術。“譬如，在腦腫瘤手術過程中，這種功能將使醫生更容易區分健康和患病組織。”Fleischer指出。

利用常規的手術顯微鏡，很難進行這種區分，而這可能會產生嚴重的后果。如果醫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，更好地了解組織結構對于其他手術同樣重要，比如危及聲帶的喉部手術或存在失禁風險的前列腺手術。

西門子測量技術中心開發的用于食品質量控制的設備可能會幫助提高手術準確度。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構信息，并發送回探頭，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構決定的。”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。

這種光傳感器已經通過了酸性試驗。在這種設備的幫助下，醫生現在能夠區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“手術室助手”的*批原型設備將在幾年內問世。