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肺癌相关的肿瘤标志物在肺癌的早期诊断、病理分型、疾病分期、疗效评估和指导预后等方面起着重要的作用。常用的肺癌相关肿瘤标志物有癌胚抗原（CEA）、细胞角蛋白19片段（CYFRA21-1）、神经元特异性烯醇化酶（NSE）、胃泌素释放肽前体（ProGRP）和糖类抗原125（CA125）。
针对肺部不明肿块的穿刺活检技术，目前最常用的是CT引导下的肿块穿刺活检术。但是对于有胸外科手术指征的肺部占位患者，CT引导下肺穿刺活检不是优先推荐，这种情况下可以通过直接手术切除后再做病理分析来明确诊断。CT引导下穿刺活检的并发症包括肺内或胸腔内出血、气胸、针道肿瘤种植转移等，但这些并发症的发生率很低。此外，还可以在支气管镜下通过超声定位（EBUS）对肺部肿块进行穿刺活检。
肺癌诊断的“金标准”是病理诊断，通过免疫组化方法对不同标志性蛋白的表达水平进行评估，有助于准确鉴别肿瘤的组织类型。此外，免疫组化检测PD-L1蛋白的表达水平也是判断肺癌患者免疫治疗获益的主要指标。
具有不同基因突变的肺癌患者可以采取的治疗措施及预后存在巨大差异，因此有必要在初始治疗前或更换治疗药物时检测肺癌患者的基因突变情况及动态变化情况，帮助医生准确选择适合的靶向药物并判断预后。
肺癌的诊断分为临床诊断和病理诊断。临床诊断是医生根据临床经验和相关辅助检查结果作出的疾病诊断，带有一定的主观性和经验性。病理诊断则是病理科医生针对手术/活检组织进行病理学检查所给出的组织病理学诊断。只有将两者结合才能更全面地获取病情信息，制订完备的诊疗方案。