太赫兹波成像特性：对不同状态生物组织的研究成果

生物组织太赫兹波成像的研究根据生物组织状态的不同可以分为石蜡包埋组织、新鲜组织、冰冻组织和经多次冰冻—解冻后的组织。这些生物组织与太赫兹波相互作用呈现不同的特性。不同状态生物组织对太赫兹波吸收的不同主要由不同状态生物组织成分和细胞结构差异引起。这类研究的思路一般为：测量不同状态生物组织的太赫兹波谱和成像、采用病理学方法对不同状态生物组织的成分和细胞结构进行分析、结合病理学结果分析太赫兹波谱和成像差异的原因。

在石蜡包埋生物组织和新鲜生物组织的太赫兹波谱及成像研究方面,水含量分析和细胞结构分析是常用方法,当前的研究表明水含量的差异是导致两类组织对太赫兹波吸收差异的主要原因。2011年,Park等[2]在兔子上制备了肝癌模型,并分别进行了0.1~2 THz内新鲜的肝肿瘤组织、健康肝组织和石蜡包埋组织的太赫兹波谱及成像研究。实验结果中,石蜡包埋组织对太赫兹波的吸收远小于新鲜的肝组织和肿瘤组织。实验中采用苏木精—伊红染色法(HE染色法)对石蜡包埋组织进行了染色,并对其细胞密度和蛋白质成分进行了分析,结果表明,新鲜的肝组织和肿瘤组织对太赫兹波的吸收主要由水引起,水含量起主导作用。而经脱水后的石蜡包埋组织对太赫兹波的吸收较小,主要由组织的细胞密度和蛋白质成分决定。此后,在对生物组织太赫兹波吸收特性分析中,研究人员对细胞结构的分析也常常采用HE染色,染色后经过显微镜分析可以得到细胞密度、细胞尺寸和细胞间质尺寸等细胞结构信息。

生物组织是否冰冻和经历多次冰冻—解冻后,其对太赫兹波的吸收存在巨大差异,因此不同冰冻状态下病变组织的太赫兹波谱和成像特性研究也是当前太赫兹波生物检测的热点之一。

2013年,Sim等[57]首次研究了低温冰冻和室温环境下组织的太赫兹波谱及成像差异。他们在-20℃冰冻条件下和20℃室温条件下分别分析了离体口腔癌组织在0.2~1.2 THz内的太赫兹波谱和成像特性。结果如图7-12(a)所示,组织冰冻条件下对太赫兹波的吸收小于新鲜组织,这是由于水分子在冰冻状态下对太赫兹波的吸收小于液态下对太赫兹波的吸收。并且实验发现,虽然室温条件下多次平均后口腔癌组织对太赫兹波的吸收大于正常组织,但结果中两者的太赫兹吸收波谱具有大面积的重叠。而低温冰冻条件下,虽然口腔癌组织和正常组织对太赫兹波的吸收大大降低,但是两种组织对太赫兹波的相对吸收差异比常温条件下大。在0.6~1.2 THz内,两者的太赫兹吸收波谱几乎没有重叠。进一步地,研究人员又分别在低温冰冻和常温条件下对口腔癌症组织进行了成像分析,从而得出结论,对于口腔癌组织的太赫兹波成像检测,常温条件下水分吸收过大,区分不明显,而低温冰冻条件下具有更大区分度。

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图7-12　不同条件下各类组织的太赫兹响应

2016年,香港中文大学Emma团队的He等[58]研究了经多次冰冻和解冻循环后的猪肉肌肉组织和脂肪组织对太赫兹波的吸收差异。研究人员分别研究了新鲜的、缓慢冰冻后缓慢解冻、缓慢冰冻后快速解冻、快速冰冻后缓慢解冻和快速冰冻后快速解冻的猪肉肌肉组织和猪肉脂肪组织在太赫兹波段的吸收系数和折射率。实验结果如图7-12(b)所示,不同速度的冰冻和解冻状态会使肌肉和脂肪组织在太赫兹波段的吸收系数和折射率产生不同的变化。对于肌肉组织,冰冻或者解冻的速度越快其在太赫兹波段的折射率变化越大。而对于脂肪组织,冰冻速度对其折射率影响不大,解冻速度对折射率有较大影响,并且冰冻速度越快,折射率变化越大。因此,这个实验说明多次冰冻和解冻对组织的太赫兹波谱特性有一定影响,在生物太赫兹波成像中应注意这个问题,要确保实验条件的相同;另一方面,利用对组织不同速度的多次冰冻和解冻可以增强组织太赫兹波谱的差异,有潜力应用于高灵敏度和高对比度的太赫兹波生物组织成像。

2017年,Park[59]等研究了正常组织和癌转移淋巴结组织的太赫兹波谱及成像差异。他们在-20℃冰冻条件下和20℃室温条件下分别测试了两种组织的太赫兹波谱及成像。实验结果如图7-12(c)所示,室温条件下两者的太赫兹时域波谱几乎相同,而在低温冰冻条件下,两者的太赫兹时域波谱具有一定差异。研究表明,由于室温下两种组织中液态水分含量高,其对太赫兹波的吸收较高,导致两者的太赫兹时域波谱差异较小,而冰冻条件下排除了液态水的干扰,两者可以区分。研究人员进一步采用光谱集成处理技术对其太赫兹波成像结果进行处理,使两者的差异更大,从而实现了高对比度的正常组织和癌症转移淋巴结组织的太赫兹波成像。