光学太赫兹辐射源在生物组织检测中的应用

太赫兹波在生物医学研究上具有独特的电磁特性,如低能性、水敏感性、指纹谱特性等,这些特性使太赫兹波成像技术在生物医学检测领域具有广阔的应用前景。太赫兹波成像从诞生到发展的短短十多年间已经开展了十多种不同病灶的检测与研究,如图7-33所示为不同种类生物组织的太赫兹波成像检测研究趋势。

图7-33　不同生物组织的太赫兹波成像检测研究

1999年首次太赫兹波医学应用探索研究至今[102],太赫兹波成像技术在生物医学领域已经成功对以下生物组织进行了研究。

(1)癌症组织

2001年,T.Löffler等[103]首先对犬皮肤癌组织进行了太赫兹波成像研究,此后,癌症的太赫兹波成像检测技术愈发得到关注。2003年,Woodward等[104]对皮肤癌的基底癌细胞进行了太赫兹波成像检测,该工作是首次对人体癌症组织进行太赫兹波成像,其检测出的癌症位置与病理学分析结果一致,表明太赫兹波成像可以用于癌症组织的检测。2004年,在红外、毫米波与太赫兹国际会议上,Wallace等[105]首次报道了乳腺癌组织的太赫兹波成像结果,实验结果表明,正常乳腺组织和乳腺癌组织对太赫兹波具有明显的吸收差异,利用太赫兹波成像技术可以实现两种组织的区分和检测。2007年,Enatsu等[106]对石蜡包埋的肝癌组织进行了太赫兹波成像研究,发现在太赫兹波段正常组织的折射率和吸光系数较为稳定,而肝癌组织的折射率和吸光系数具有明显梯度变化,从而可以实现两者的成像识别。2009年,Son Joo Hiuk团队[107]将金纳米棒颗粒注入癌变组织,并照射红外光增强热效应,在此条件下,实现高对比度的太赫兹波成像。2010年,Brun等[108]对10μm厚的切片组织进行了反射式太赫兹波成像,并且利用复折射率对成像结果进行聚类分析实现了正常组织和癌症组织的识别。

2011年,Miura等[109]开发了一套宽波段的太赫兹检测系统,并利用该系统对肝癌组织进行了1~6 THz的成像检测,研究了癌症组织检测过程中的波段优化问题,结果显示3.6 THz处可以获得最佳对比度。2011年,Joseph等[110]采用具有高输出功率的气体太赫兹激光器对人体皮肤癌组织进行了成像研究,分别在1.47 THz和1.67 THz的输出频率下实现了400μm和500μm左右的成像分辨率,利用图像中太赫兹波透射率的差异实现了癌症组织的识别。2011年,Jung等[111]采用反射式太赫兹波成像系统实现了宫颈癌的检测,健康组织和癌症组织对太赫兹波的反射幅值差为5%左右。2011年,Wahaia等[112]对正常结肠组织和癌变组织进行了太赫兹波成像研究,分别检测了新鲜的和石蜡包埋的两种组织。结果发现,石蜡包埋的癌症组织也可以利用太赫兹波实现识别,说明除了水分以外还有其他影响因素对太赫兹波癌症检测起到了作用。2011年之后,太赫兹波成像技术又拓展到了口腔癌、脑肿瘤等不同组织和不同状态下的癌症组织的成像检测。在国内,天津大学、中国人民解放军陆军军医大学(第三军医大学)、上海理工大学、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、浙江大学等多家单位的研究人员也开展了癌症组织的太赫兹波谱及成像检测研究,主要包括皮肤癌[113]、胃癌[114]、肺癌[115]等。

(2)烧伤组织

2008年,Taylor等[116]采用反射式太赫兹波成像系统对二级烧伤的猪肉组织进行了成像检测,成像中心频率为500 GHz左右,成像结果中能清晰显示烧伤导致的环状区域。

(3)角膜组织

2010年,Singh等[117]利用太赫兹波对水分子及其结构的敏感性研究了角膜中水分子的微观动力学过程,分析了太赫兹波成像技术在角膜疾病检测中的应用前景。2011年,Bennett等[118]分析了太赫兹波用于眼科疾病检测的可能性及原理,分别测量了不同水分含量的猪眼角膜在不同频率下的反射率,并建立了太赫兹波与角膜组织相互作用的理论模型。(www.xing528.com)

(4)脑组织

2009年,Png等[119]对冰冻的人脑组织进行太赫兹波成像和初步研究,从而开始了太赫兹波成像技术在脑科学领域的应用研究。同年,Bakopoulos等[120]搭建了基于非线性光学的可调谐太赫兹源并将其应用于脑组织成像。2011年,Son Joo Hiuk团队[41]在红外、毫米波与太赫兹国际会议上首次报道了脑肿瘤太赫兹波成像检测的初步研究。2014年,国内第三军医大学冯华团队[121]对石蜡包埋的脑缺血组织进行了太赫兹波谱的检测研究,从而开启了国内太赫兹波在神经外科检测领域的研究,并且第三军医大学分别与中国工程物理研究院和天津大学等单位开展合作,促进了国内太赫兹波神经外科检测技术的研究和发展。2016年,Yamaguchi等[122]也报道了新鲜脑肿瘤的太赫兹波成像研究,实现了高对比度的肿瘤成像检测。在国内,第三军医大学、天津大学、中国工程物理研究院、上海理工大学、华中科技大学等单位也开展了脑胶质瘤等脑组织病灶的太赫兹波谱及成像研究。

(5)牙齿组织

2009年,Sim等[123]研究了人体牙釉质和牙本质在太赫兹波段的折射率和吸收系数,结果表明,两者对太赫兹波的吸收比较接近,但是牙釉质的折射率大于牙本质。2010年,Schirmer等[124]将太赫兹波成像技术应用于牙科的结晶度检测。2012年,Hinmer等[125]采用太赫兹波谱分析了湿润牙齿和牙本质对太赫兹波的吸收,并实现了检测过程中的频率优化。

(6)骨组织

2005年,Stringer等[126]研究了人体骨密质组织对太赫兹波的吸收特性,比较了太赫兹波检测结果和CT、核磁共振等检测结果的差异,结果表明太赫兹波检测技术可以实现非侵入式的骨组织检测。2010年,Emma团队的Kan等[127]对关节炎膝盖软骨组织进行了太赫兹波成像的研究,并且利用太赫兹波在不同层骨组织中的反射延迟实现了软骨内部的检测。2012年,Jung等[128]采用太赫兹时域光谱技术实现了关节炎软骨组织中不同位置水分的测量,并分析了不同深度软骨组织在太赫兹波段的折射率和吸收系数,从而实现了软骨内部水含量的定量检测。

(7)淋巴结组织

2017年,Park[129]等研究了癌症转移淋巴结组织的太赫兹波谱及成像结果,结果表明在低温冰冻条件下,太赫兹波成像能够实现癌症转移淋巴结组织与正常组织的区分,并采用集成光谱技术实现了图像中癌变组织的识别。

(8)皮瓣组织

2017年,Bajwa[130]等采用太赫兹波谱成像检测技术实现了对修复外科手术后皮肤下的皮瓣组织存活的评估,并且在老鼠身上成功进行了在体检测。