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太赫兹技术生物医学论文-生物医学论文-医

学论文

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1太赫兹波的特性

太赫兹波所处的“承前启后”的独特频段使其具有很多独特的性质，包

括高透性、低能性、指纹谱性以及相干性。高透性是指太赫兹对许多

介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视

成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补;低能性，顾名思

义是指太赫兹光子能量很低，只有4．1meV(毫电子伏特)，对人体级

生物体十分安全;指纹谱性则是源于不同的分子对太赫兹的吸收及色

散特性不同，形成特有的“指纹谱”，每一种物体都有其独特的区别于

其他物体的“指纹谱”;太赫兹是由相干电流驱动的偶极子振荡或由相

干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生的，因此具有相干性，用

于太赫兹成像技术，可获得更高的空间分辨率及更深的景深等，目前

太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米。

2太赫兹在生物医学工程领域的应用

太赫兹的上述特性使其在生物医学工程的各个方面有着人的应用前

景。其应用主要有以下几个方面:太赫兹生化检测、太赫兹医学成像

诊断、太赫兹组织检测、太赫兹治疗以及太赫兹医学通信。

2．1太赫兹生化检测

利用太赫兹波对生物分子的灵敏度和特异性，将太赫兹技术用于研究

生物分子的结构和功能信息，可在分子层面上为疾病的诊断和治疗提

供理论依据。太赫兹生化检测主要是对化学及生物大分子的检测，太

赫兹波能够用来研究如范德华力或者分子间氢键作用力等生物分子

间相邻分子的弱作用力。太赫兹波对脱氧核糖核酸

(DeoxyribonucleicAcid，DNA)构形和构象的变化非常敏感，也可以通

过太赫兹光谱进行基因分析或无标记探测。许多学者都开展了这方面

的研究。Grant等于1978年研究了太赫兹与氨基酸溶液的相互作用，

通过分析证实了这种作用是介于分子振动和转动模式之间的一种作

用。Kutteruf等用太赫兹光谱技术对固态短链肽序列进行了研究，研

究表明在1～15THz光谱范围内包含了体系的很多光谱和结构信息，

如分子固相结构和与序列相关的分子信息等。Arora等采用太赫兹时

域光谱技术，在水相中对通过聚合酶链式反应得到的DNA样品进行

了无标记定量检测。Brucherseifer等通过时间分辨太赫兹技术证明了

复数折射率取决于DNA的结合状态。太赫兹生化检测方面的研究尚

处于起步阶段，还有待加强，尤其是对不同生物大分子的太赫兹光谱

特性建立相应的特征谱库是一项庞大而艰辛的工作，需要生化领域的

学者加强相关的研究工作。

2．2太赫兹医学成像诊断

太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具发展前景的方向之一。太

赫兹成像作为一种新颖的成像方式在医学上的应用近年来备受青睐。

太赫兹波在医学研究中具有独特的优越性:对细胞间质水有很高的敏

感性;对人体无害;空间分辨率高，可达几十微米，能够很清晰的看到

一些病变组织的病灶，结合一些微结构器件可以得到高品质的图像。

太赫兹成像的原理是将太赫兹波透过成像样本后，其包含了样品的复

介电常数的空间分布信息强度和相位信息，将这些信息保存下来并进

行分析处理就可以得到样品的图像。从1995年Hu和Nuss首次提出

逐点扫描式太赫兹时域光谱成像技术以来，一系列新的太赫兹成像技

术相继被提出，如太赫兹实时成像、太赫兹层析成像和太赫兹分子成

像等。2002年Woodward等首先使用了太赫兹脉冲成像技术对基底

细胞癌开展了体内与体外的研究，利用不同组织对太赫兹波的吸收特

性不同来区分健康组织和癌变组织。2007年Enatsu等利用THz－TDS

系统对石蜡封装的肝癌样品开展了研究，在1．5THz频率处选择折射

率和吸收系数进行成像，得出癌变组织的密度小于健康组织，对太赫

兹的折射率和吸收系数较小的结论。2008年Taylor等在直接检测的

基础上使用反射脉冲太赫兹波成像系统对猪皮肤烧伤样本成像，得到

了高分辨率的图像。2011年MiuraY等利用透射式成像技术，证明了

在3．6THz频率处对肝癌组织成像对比度较为显著。目前太赫兹射线

图像分析的关键在于提高分析速度，提高太赫兹射线系统的性能(如

低成本和便携性)，加强相关图像及信号处理技术如小波变换技术的

研究。此外，随着THz3－D(三维)立体成像技术的发展，在不久的将

来在医疗中利用TCT(THz层析成像)替代现在的XCT(X射线层析