第十二章 太赫兹成像在生物医学中的应用.pdf

第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用 12.1 发展机遇 太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率 和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展 内窥镜来观察体内的上皮表层。 太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1 所示。利用太赫兹反射式成 像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利 用太赫兹技术还可以探测 X 射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成 像。 12.2 应用潜力 太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但 不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、 皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特 征。图 12-1 就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典 型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c) 中给 出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c) 对 200-300μm 米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a) 中所无法看到的肿 瘤范围。将(d)和(e) 中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可 以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。 图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像 12.3 基本原理 太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm ）成像的潜力，因为它的成像对 比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供 一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对 声波的反射和吸收，其分辨率极限为 500μm 。目前，研究人员有可能实现太赫兹 技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或 表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限 制在 1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采 用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的 是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。 太赫兹成像可以提供组织表层下 1-2cm 的信息，而这一深度取决于组织中的 水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信 号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测 器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。 12.4 太赫兹在生物医学中的应用 在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相 抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树 木年代学、病理学等的有力工具。 12.4.1 树密度测绘 树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要 经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研 究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代 学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况 及过去几个世纪的森林燧石信息。 太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛 3 榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将 14×14×1.7mm 大小的样品作烘干处理。然而，又由于周围储藏环境的问题，空气中的湿气会被木 材重新吸收，最终导致被测样品中还有水分分布，其中水含量约占样品总重的 12%。 山毛榉横剖面的太赫兹图像，如图 12-2 所示。其中，a 图为山毛榉切片的太赫 兹图像，b 图为利用重量/体积法所得到的密度图，c 图为a 图部分的吸收曲线图。 从图中可以看出，树木年轮清晰可见。图中黑色的区域表示后来长出来的木材部 分。由于其密度很大，因而它对太赫兹有较小的透明度。而图中灰白色的区域则表 示早先生长的树木结构，由于它具有很大的细胞腔和较薄的细胞壁，所以它们太赫 兹有很好的透过性。 图 12-2 山毛榉切片的太赫兹图像及其密度图、吸收曲线图 太赫兹成像能为树木密度的