用于医学检查的太赫兹检测技术
发表时间 2018-10-25 10:23 来源 本站原创

  赵源萌左剑王梦颖张存林*

  (太赫兹光电子学教育部重点实验室首都师范大学物理系 100048)

  摘要

  太赫兹波是波长介于微波与红外之间的电磁波,它具有很多优势,比如穿透性强、量子能量低等。太赫兹光谱成像技术可用于检测生物医学组织样本,其独特的优点使之在医学检查中能发挥重要作用,逐渐展现出了巨大的发展潜力。目前,国内外已有不少太赫兹生物医学的理论和应用研究成果,本文重点阐述几种用于医学检查的太赫兹检测技术。

  1.引言

  太赫兹波(Terahertz Wave) 指频率范围在0.1~10太赫兹的电磁波,其中的太赫兹(THz)代表1012赫兹。太赫兹波也被称作T射线,在电磁频谱中处于微波和红外线之间的区域。太赫兹波所处频段使它具有一系列独特的电磁特性,比如穿透性强、量子能量低等。自然界中很多物质的大分子振动和转动频率位于太赫兹波段,在太赫兹波段表现出强烈的吸收和谐振。太赫兹波不仅可以探测到物质组成的元素,还可以测定物质的分子结构。太赫兹技术可提供关于物质的物理、化学及波谱特性,分子、量子互作用过程等信息,为包括生物医学在内的很多学科提供了新的研究手段和方法。

  太赫兹检测技术应用于医学检查有很多优势。太赫兹波量子能量低,太赫兹光谱可以研究分子系统而不受探测工具的干扰,太赫兹波谱技术允许将样品直接加入光路中,并在时域中显示直观的相干响应,而且易于达到高信噪比。太赫兹技术已被用来成功表征DNA和蛋白质,验证了其探测分子间相互作用的能力。在医学影像中太赫兹技术可以避免电离辐射引起的损伤,还具有比微波毫米波更高的成像分辨率。典型的太赫兹成像系统产生辐射的波长在80微米至3毫米的范围内,比可见光谱或红外线的波长要长,不太容易在生物组织内散射。采用纳米颗粒造影剂探针进行太赫兹成像,再结合磁共振成像或计算机断层成像等技术,能增强测量的灵敏度和检测结果的精确性。许多癌症的水分浓度比正常组织高,水对太赫兹波吸收强烈,太赫兹光谱成像技术对水灵敏度高,这有助于区分太赫兹波和组织之间的相互作用,也有利于生物体的在体检测,它作为一种新的无创诊断方法,已在癌变组织早期诊断等医学检查方面表现出巨大的发展潜力与诱人的技术前景。

  目前国内外已经开展了一系列与太赫兹生物医学相关的研究工作。众多研究者利用太赫兹光谱成像技术的优势进行医学检查方面的研发,取得了丰硕的成果,该领域已逐渐成为国内外研究的一个热点。本文随后章节将重点阐述几种用于医学检查的太赫兹检测技术。

  2. 用于医学手术的手持太赫兹仪器

  在乳腺癌手术中,为了用太赫兹技术进行肿瘤边缘的术中评估,研究人员开发了手持式太赫兹成像探头,如图1所示。该仪器使用光电耦合发射器和接收器来产生和检测带宽范围在0.1~2THz的脉冲。太赫兹脉冲光束通过硅透镜和里斯莱棱镜系统聚焦到探头尖端,然后被反射回来,再经过往复扫描和受控旋转,产生长度为8mm的成像窗口。

  图1 手持式太赫兹成像探头

  这样的手持式太赫兹成像探头已被成功应用于从伦敦GUY医院37名乳腺癌患者的乳房切除术中,通过对从新鲜切除的标本中获得的组织样本进行研究,在太赫兹脉冲反射中观察到了脂肪、纤维和癌变扩散组织等典型脉冲响应,如图2所示。研究人员确定了一系列的特征参数,用以更明确地区分三种不同组织。图3所示的是上述三种主要乳腺组织类型的脉冲积分、特定功率、最大振幅、半高宽等四个参数的平均值。

  图2用手持式太赫兹成像探头从乳腺癌切除组织中观察到三种关键组织类型的典型脉冲图

  图3三种组织类型的四个参数平均值条状图

  从上面的图2、图3中可以看出,通过手持太赫兹探头可以很容易地检测到脂肪组织和癌变组织之间的差异,但不易区分纤维组织与癌变组织。通过图3中的脉冲积分和半高宽最大值,我们可以看到在纤维组织和癌变组织之间,特征参数的平均值有较小的差异。将主成分分析方法应用于全时域太赫兹脉冲数据,再用线性判别分析预测单个样本的组织类型,得到的结果如表1所示,检测的敏感度达90%,特异度达到80%。

  表1手持式太赫兹成像探头采集数据的线性判别分析

  我们可以看到目前太赫兹技术已发展到便于灵活应用的阶段,已研发出如上所述的太赫兹探头,并在临床环境中达到了良好性能水平,这种用于医学检查的手持式太赫兹成像探头很有发展前景。由于成像窗口小,它只能扫描小体积的组织,这是一个限制。在不久的将来能通过对边缘进行多次测量,用太赫兹探头扫描完整的肿瘤切除标本。

  3. 太赫兹医学图像增强技术

  太赫兹成像的一个优点是可以获得比许多其他成像技术更好的生物医学组织图像对比度,许多研究已经证明了太赫兹技术在测量不同生物医学组织的差异时的灵敏度。然而,有时我们很难获取新鲜生物医学组织。在生物医学组织保存中,通常采用福尔马林和冷冻的方式。有实验验证表明,生物医学组织中的福尔马林会降低对比度以及不同组织的吸收系数,冷冻样品也会减少吸收系数。虽然减少之后剩余的对比度仍然足以区分组织类型,但是可以使用包括暗场技术、相位成像和增加造影剂在内的一些技术来改善图像对比度。

  在被引入太赫兹波段之前,暗射成像被用于增强可见光和近红外波段图像的对比度。该技术检测散射或偏离主波束传播方向的太赫兹波,图像由样品散射的太赫兹波形成,样品周围区域无需照明,因此图像的背景是完全黑暗的。暗场技术的结构简明,具有优异的对比性增强性能,特别有助于增强新鲜的、未染色的生物组织样品对比度。

  相位成像是使用干涉仪结构的成像技术。沿着干涉仪的两个臂传播的太赫兹波被设置为具有π的相位差,当照射没有任何细节的样品平面区域时,相位差将保持为π,而在其他具有细节的地方,由于不同折射率相位差会发生变化,所形成的图像的背景将是黑色的。类似于暗场技术,太赫兹相位成像技术也非常适合生物医学样品。

  增加造影剂也可以改善太赫兹医学图像的质量。据报道,金纳米棒(GNRs)可用于增强太赫兹癌症诊断技术的对比度,当注射到组织中并用辐射源照射时,将在GNR的表面上产生等离子体极化子,将导致GNR周围的水温上升,从而提供更强的太赫兹信号。GNR经过特定制作更可能被癌细胞吸收,因此,在癌变组织中将会实现更强烈的反射信号。

  4. 讨论与结语

  用于医学检查的太赫兹检测技术还处于起步阶段,今后国内外研究将致力于该技术的发展,以在术中诊断等方面更好地应用太赫兹技术,不断提高检测的辨识能力,改进现有技术。在手术中使用这种技术有几个挑战,例如该区域存在血液和其它流体,影响太赫兹检测的实施和准确性等,将需要进一步的研究。生物组织太赫兹检测技术拥有良好的临床运用前景,现有太赫兹光谱成像的原理多是利用不同组织样品中水含量的差异来区别不同性质状态的组织样品,而造成组织拥有不同状态与性质的原因不仅是水含量,还应与组成细胞的生物大分子种类、含量及所处的状态等多种因素密切相关,如何获得这些因素的太赫兹信息以便更好的区分不同的组织类型和状态值得进一步研究。

  现在该方向多数研究还处于离体检测阶段,难以在肿瘤早期将病变的组织和细胞分辨出来,随着太赫兹源功率的提高、探测器灵敏度的增加和其它辅助手段的引入,癌症早期活体检测也极有可能实现。该方向的研究目的最终都是为了临床运用并更好地服务于人类的生命健康,具有良好应用前景的技术方法将尽早进入临床运用阶段,充分发挥太赫兹检测技术在医学检查中运用的潜力。