随着现代医学科技的发展和多学科的交叉融合,作为医学研究前沿的重大疾病早期诊断技术也在不断突破和创新。尤其是用于重大疾病诊断的呼吸生物标记物(Biomaker)技术得到了快速发展。医学研究表明,呼吸气体中的化学标识物含量可以反映人体的代谢状况及健康状况,当人体的脏器或组织损伤病变之后,其功能变化会引起相应代谢产物的改变。这些代谢产物能够通过气血屏障进入肺部,从而引起呼出气组分的改变,最终表征为排出体外的某些特定气体浓度升高,因而这些特定气体可以作为一些疾病的生物标志物。传统用于呼吸检测的气相色谱-质谱(GC-MS)的分析方法可以将呼吸气体标志物的测量精度达到ppb乃至ppt量级,但是该方法耗费时间长,仪器体积庞大,成本较高,目前只适宜于实验室研究,无法进入实质的临床阶段,很难实现仪器的便携化而走入社区及家庭。光腔衰荡光谱(Cavity Ring-down Spectroscopy, CRDS)技术作为一种高精度、超灵敏的光谱吸收测量方法,具有测量结果不受入射光强起伏影响、有效光程长及测量准确度高、灵敏度高等优点,有望成为未来呼吸气体分析领域的首选技术。本文以糖尿病的呼吸标志物丙酮为测量对象,针对丙酮吸收光谱的特异性,选择合适的激光光谱波段作为系统的入射光源,设计并搭建基于CRDS技术的丙酮分析系统硬件平台,详细分析了各模块的选择依据,完成原理验证；经测定,该系统的空腔稳定性达0.4%,测量人体呼吸状态下的系统稳定性达1.4%,重复性高；在该系统下测量了实验室空气的衰荡信号,计算在空气中的吸收率为5.95±0.25×10-4；初步测量健康人体呼吸丙酮含量,为实现糖尿病的无创检测奠定基础。全文一共分为五章：第一章较为详细地介绍了呼吸气体分析的医学背景、课题研究意义及国内外发展现状；第二章主要介绍了CRDS技术的工作原理及自行设计搭建的基于CRDS技术呼吸丙酮分析系统,对系统的光源、衰荡腔、信号探测及数据处理等各方面进行了详细地分析；第三章中测量空腔下的衰荡时间信号,计算反射镜的反射率,空腔稳定性达0.4%,重复性高；进行了丙酮气体的初步测量；在该系统下测量了实验室空气的衰荡信号,空气的吸收率为5.95±0.25×10-4；测量了健康人体呼吸气体,测量人体呼吸状态下的系统稳定性达1.4%,.初步分析了健康人呼吸丙酮含量,实验结果表明本文所设计的仪器运行良好,可实现人体呼吸丙酮的测量,为糖尿病的无创检测奠定基础。第四章里主要从光学干扰、检测电路干扰和信号噪声这三个角度对系统误差进行分析。第五章对基于CRDS技术的呼吸丙酮气体分析系统进行总结与讨论,并对下一步的工作进行了规划。