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太赫茲技術在醫療領域的研究現狀與應用前景 (IV)

來源 : 中國醫療設備雜誌2018年第7期
update : 2018/08/23
3 太赫茲成像技術
太赫茲醫療成像是太赫茲技術中一個非常有價值的方向之一。太赫茲獨特的光譜特性、穿透性、高解析度、安全性,使它能更好的區分生物病變組織和正常組織,讓太赫茲成像方式在醫療領域中備受重視[33]。
 
3.1 生物軟組織的應用
太赫茲波成像技術在診斷癌症方面具有可行性,可以安全地且區分度良好的對早期癌變生物組織進行成像,所以近十幾年來已經成為癌變生物組織成像領域探索研究的熱門。
 
早在2002 年,Woodward 等[34] 初次對皮膚和其他癌症進行了太赫茲脈衝掃描成像。實驗結果表明,因為癌變組織比正常組織含水量多,且水分子等極性分子會大量吸收太赫茲波,可使正常組織、癌變組織和炎症組織在太赫茲波成像結果中可以易於區分,從而使太赫茲波對癌變組織成像能有重大的現實意義。2004 年,Wallace 等[35] 也做了太赫茲波成像技術對正常組織與腫瘤組織的鑒別實驗,結果進一步證明了健康組織和腫瘤組織在太赫茲反射信號中有不同的回波特性,且與實際病理的分析結果基本一致。
 
2009 年,Ashworth 等[36] 應用太赫茲透射光檢測了105 個來自於20 名患者的乳腺組織。其中用到的太赫茲波頻段為0.15~2.0 THz。研究者將獲取的生物組織分為3 類:乳腺癌、健康纖維乳腺組織、健康脂肪組織。分別檢測這3 種組織的折射率和吸收係數,實驗結果表明其中乳腺癌是3 種樣本中較高的。研究人員用脈衝響應函數來類比3 種生物組織在太赫茲波段的光譜特性,推測應用太赫茲波成像測樣本時的脈衝回應。實驗結果與推測的結果基本吻合,乳腺癌組織、健康纖維乳腺組織、健康脂肪組織這3 種樣本間存在明顯的差異。正常組織和乳腺癌的差異主要是因為增加的折射係數,還有一小部分是因為增加的吸收係數。這些實驗結果對太赫茲醫學成像設備有很大説明。
 
2010 年,Brun 等[37] 利用太赫茲時域光譜對胰腺導管癌切片和肺癌樣本進行成像,0.8~1.2 頻段的太赫茲,將它們一定範圍內的平均折射率進行聚義分類,並探索研究微小的細胞結構與太赫茲波之間的關聯。實驗研究表示不僅正常組織與癌變組織之間存在差異,且癌症組織之間也存在部分差異。研究人員應用PCA 分析方法更進一步分析大資料,分析表明正常的生物組織和癌變組織間的光譜差異和癌變組織間的部分差異不是同一來源。
 
2011 年,Joseph等[38] 研究了透射式太赫茲波對新鮮腫瘤生物組織成像檢測,實驗結果表明腫瘤組織與正常組織的透過率差異性能達到60%,也表明了該技術對診斷腫瘤有無限的實施可能性。2012 年,國內天津大學的何明霞等[39] 也探索研究了太赫茲波對癌症的相關成像研究,希望結合生物感測器和掃描探針提高成像解析度,取得了很好的成果。同年,Wahaia 等[40] 用太赫茲時域光譜和連續波太赫茲對人類健康的結腸組織和發生癌變的結腸組織進行成像。實驗結果表明發生病變的生物組織會比健康的生物組織有更高的吸收係數和折射率。研究人員通過使用兩種方法處理生物組織,雖然癌變組織比健康組織含水量高,但是這不是造成差異的唯一因素,此次研究對診斷結腸癌做出了有利貢獻。2015 年,Tyler 等[41] 提取了一名40 歲女性的乳腺癌細胞,為了排除水吸收對太赫茲波的影響,製成脫水樣品進行成像,見圖1。由於癌症細胞的結構變化,有更強的對比度(較暗的顏色),可以區別纖維和脂肪組織。
 
2015 年,Lu 等[42]科研團隊對冷凍的病變肝細胞進行成像,見圖2,在太赫茲全息成像中可以明顯的看出細胞纖維化,這是肝硬化的跡象,如果不及時適當的干預會發展成肝癌細胞,應用太赫茲成像可以發現早期的病變細胞,及時作出治療。2016年,Venckecicius 等[43] 科研團隊利用太赫茲成像系統對浸在石蠟中的脫水人體結腸組織進行高解析度的反射式和透射式成像,通過分析,病變組織和正常組織存在高達23%的差異。這個結論與之前新鮮細胞的一致,證明了無論是新鮮的還是脫水的細胞組織,利用太赫茲成像,都能分辨出癌變。同時也得出來癌組織含水量較高並不是在太赫茲圖像裡區別于正常組織的唯一因素。這次研究加強了太赫茲技術對結腸癌檢測的可行性,並系統的建立了基於太赫茲對比元素的資料庫。
 

圖1 乳腺癌的病理學圖像和太赫茲圖像(引自文獻[41])
注:①②③④均為乳腺癌組織的局部放大100倍後的圖像。


圖2 病變肝細胞光學圖與處理後的太赫茲全息圖(引自文獻[42])
注:a.光學圖;b.太赫茲全息圖。
 
太赫茲波對燒傷組織成像應用的也非常廣泛,臨床檢測方法對燒傷組織有一定弊端,在鑒定燒傷時不及時且不準確。由於燒傷組織含有流動液體,並且液體的成分變化對太赫茲波的敏感性使其成為鑒定燒傷組織熱門方法。上世紀90 年代初,研究者就對動物皮膚進行燒傷對比成像實驗[44],實驗結果表明,健康組織和燒傷組織含水量有差異,因此反射率不同,通過差異可以觀察燒傷部位的大體形狀。Bajwa 等[45] 利用太赫茲成像技術對燒傷的活體鼠進行成像。在不同時間下,對燒傷部位進行成像的圖片(圖3),可以看出不同時間下顯示“十字形”的清晰程度,利用太赫茲波第一次能在血瘀處成像,展現了太赫茲成像技術在醫學領域的先進性。Arbab 等[46-47] 利用太赫茲時域光譜技術,繼續觀察了活鼠燒傷後的傷口痊癒的情況,通過分析不同時間的燒傷組織,不僅能夠檢測出燒傷深度,還能推測傷口癒合的時間。從實驗可以看出,太赫茲時域光譜技術在鑒定燒傷和測評癒合結果方面有很強的可行性和巨大潛力。
 
圖3 燒傷後不同時間時的太赫茲成像結果太赫茲成像圖(引自文獻[45])
 
2008 年,研究人員用太赫茲波對燒傷的雞胸皮膚進行照射[48],由於不同部位的燒傷程度不同,所以反射回來的太赫茲脈衝在相位和幅度上都不一致。太赫茲波照射雞胸皮膚利用反射波資訊還原燒傷深度的圖像,見圖4a。燒傷深度與反射的射線成反比,燒傷程度越深的地方反射射線少,即顏色深的地方。太赫茲波照射雞胸皮膚後反射波的波形,燒傷程度最深的部位反射波形變形也最大,見圖4b。
 
圖4 太赫茲反射波形成像圖(引自文獻[48])
注:a.雞胸皮膚;b.太赫茲反射圖像。

3.2 生物硬組織的應用
太赫茲技術還可以應用於牙齒、骨骼等生物硬組織成像,這些硬組織的含水量少,所乙太赫茲成像過程中受水吸收能量的影響更小,能夠獲得清晰的生物硬組織結構資訊。

早在2003 年,Crawley 等[49] 對牙釉質進行了太赫茲波三維成像(圖5),其解析度達到了10 μm,實驗結果表明,利用太赫茲三維成像對牙齒疾病的診斷具有可行性。由於牙齒骨骼含水量較低,太赫茲波可以能穿透其結構,並且比CT、X 射線的成像對比度更高。

圖5 牙釉質太赫茲波三維成像(引自文獻[49])
注:a.光學顯微照片;b.太赫茲成像。
 
2006 年,Pickwell 等[50]對牙齒進行太赫茲脈衝成像,實驗結果能夠準確預測早期齲齒發病的程度和位置,並且可以獲取清晰的三維成像。2012 年,法國Bessou 等[51] 利用頻段為0.3~2.75 THz 波對乾燥的人體骨骼成像。實驗結果顯示高頻段的太赫茲波更易受骨組織吸收,因此我們要用較低頻段的太赫茲對骨組織進行成像。對比光學照片、X 射線照片和太赫茲照片,通過實驗測量,可以得到骨組織在太赫茲頻譜吸收和折射率的參數資訊,從而獲得骨組織密度分佈情況,這個是X射線不能做到的,體現了太赫茲成像的優勢(圖6~8)。
 
圖6 人類腰椎圖像(引自文獻[51])
注:a.光學照片;b.X射線圖片;c.太赫茲圖片。


圖7 人類顱骨圖像(引自文獻[51])
注:a.光學圖片;b.X射線圖片;c.太赫茲圖片。


圖8 人的右髖骨圖像(引自文獻[51])
注:a.光學圖像;b.X射線成像圖;c.太赫茲圖片。