太赫茲技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

太赫茲技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

侯海燕，符志鵬，李光大，楊建英，麻開旺

河南科技大學(xué)(洛陽，471000)

方面研究，E-mail: beiting_1983@163.com

【摘要】太赫茲技術(shù)幾年來得到迅速地發(fā)展，其獨(dú)特的性質(zhì)使得它在諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。該文介紹了太赫茲波的特性與它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，包括太赫茲在生化檢測、醫(yī)學(xué)成像診斷、組織檢測、治療以及醫(yī)學(xué)通信中的應(yīng)用。同時還分析了太赫茲技術(shù)在該領(lǐng)域存在的問題和發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】太赫茲生化檢測；太赫茲醫(yī)學(xué)成像診斷；太赫茲組織檢測；太赫茲治療；太赫茲醫(yī)學(xué)通信

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.009

作者簡介：侯海燕，講師，從事信號處理、生物控制及生物醫(yī)學(xué)工程

文章編號：【中圖法分類號】O433.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A1674-1242(2015)02-0099-05

Abstract【】THz technology is developing fast nowadays. The special properties of THz make it useful in many areas. In this paper, we introduce the properties of THz and its application in biomedical engineering, including biochemical detection, imaging diagnosis, tissue detection, therapy and medical communication. In addition, we analyze the problems and developing trend of THz in these fields.

收稿日期：(2015-03-04)

The Application of THz Technology in the Area of Biomedical Engineering

HOU Haiyan, FU Zhipeng, LI Guangda, YANG Jianying, MA Kaiwang

Henan University of Science and Technology( Luoyang, 471000)

【Key words】THz biochemical detection, THz imaging diagnosis, THz tissue detection, THz therapy, THz communication

0　引言

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz之間的電磁輻射。在電磁波譜上位于紅外和微波之間，從理論和研究方法上說處于從電子學(xué)向光子學(xué)的過度。太赫茲兩側(cè)的微波和紅外技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而太赫茲技術(shù)由于受輻射源、探測器以及相關(guān)的功能元器件發(fā)展的限制，一直以來基本處于實(shí)驗(yàn)探索階段。近二十多年來，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，太赫茲技術(shù)的發(fā)展迎來了無限的可能，而其在諸如生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、天文、遙感、軍事等諸多領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景也引起各國政府及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視。美國麻省理工學(xué)院將太赫茲科技評為改變未來世界的十大技術(shù)之一；日本政府近年來對太赫茲科研的投入經(jīng)費(fèi)每年都超過一千萬美元，并于2005年1月8日將太赫茲科技列為國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)之首；國內(nèi)中科院、首都師范大學(xué)等機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)的研究。

本文介紹了太赫茲波的特點(diǎn)以及與其相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，并著重介紹了太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，包括太赫茲生化檢測、太赫茲醫(yī)學(xué)成像診斷、太赫茲組織檢測、太赫茲治療以及太赫茲醫(yī)學(xué)通信。

1　太赫茲波的特性

太赫茲波所處的“承前啟后”的獨(dú)特頻段使其具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，包括高透性、低能性、指紋譜性以及相干性。高透性是指太赫茲對許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對不透明物體進(jìn)行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補(bǔ)；低能性，顧名思義是指太赫茲光子能量很低，只有4.1 meV(毫電子伏特)，對人體級生物體十分安全；指紋譜性則是源于不同的分子對太赫茲的吸收及色散特性不同，形成特有的“指紋譜”，每一種物體都有其獨(dú)特的區(qū)別于其他物體的“指紋譜”；太赫茲是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩或由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生的，因此具有相干性，用于太赫茲成像技術(shù)，可獲得更高的空間分辨率及更深的景深等，目前太赫茲顯微成像的分辨率已達(dá)到幾十微米[1]。

2　太赫茲在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

太赫茲的上述特性使其在生物醫(yī)學(xué)工程的各個方面有著誘人的應(yīng)用前景。其應(yīng)用主要有以下幾個方面：太赫茲生化檢測、太赫茲醫(yī)學(xué)成像診斷、太赫茲組織檢測、太赫茲治療以及太赫茲醫(yī)學(xué)通信。

2.1太赫茲生化檢測

利用太赫茲波對生物分子的靈敏度和特異性，將太赫茲技術(shù)用于研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能信息，可在分子層面上為疾病的診斷和治療提供理論依據(jù)。太赫茲生化檢測主要是對化學(xué)及生物大分子的檢測，太赫茲波能夠用來研究如范德華力或者分子間氫鍵作用力等生物分子間相鄰分子的弱作用力。太赫茲波對脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid，DNA)構(gòu)形和構(gòu)象的變化非常敏感，也可以通過太赫茲光譜進(jìn)行基因分析或無標(biāo)記探測[2]。

許多學(xué)者都開展了這方面的研究。Grant等[3]于1978年研究了太赫茲與氨基酸溶液的相互作用，通過分析證實(shí)了這種作用是介于分子振動和轉(zhuǎn)動模式之間的一種作用。Kutteruf等[4]用太赫茲光譜技術(shù)對固態(tài)短鏈肽序列進(jìn)行了研究，研究表明在1～15 THz光譜范圍內(nèi)包含了體系的很多光譜和結(jié)構(gòu)信息，如分子固相結(jié)構(gòu)和與序列相關(guān)的分子信息等。Arora等[5]采用太赫茲時域光譜技術(shù)，在水相中對通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)得到的DNA樣品進(jìn)行了無標(biāo)記定量檢測。Brucherseifer等[6]通過時間分辨太赫茲技術(shù)證明了復(fù)數(shù)折射率取決于DNA的結(jié)合狀態(tài)。

太赫茲生化檢測方面的研究尚處于起步階段，還有待加強(qiáng)，尤其是對不同生物大分子的太赫茲光譜特性建立相應(yīng)的特征譜庫是一項(xiàng)龐大而艱辛的工作，需要生化領(lǐng)域的學(xué)者加強(qiáng)相關(guān)的研究工作。

2.2太赫茲醫(yī)學(xué)成像診斷

太赫茲成像技術(shù)是太赫茲科學(xué)與技術(shù)中最具發(fā)展前景的方向之一。太赫茲成像作為一種新穎的成像方式在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用近年來備受青睞。太赫茲波在醫(yī)學(xué)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)越性：對細(xì)胞間質(zhì)水有很高的敏感性；對人體無害；空間分辨率高，可達(dá)幾十微米，能夠很清晰的看到一些病變組織的病灶，結(jié)合一些微結(jié)構(gòu)器件可以得到高品質(zhì)的圖像。

太赫茲成像的原理是將太赫茲波透過成像樣本后，其包含了樣品的復(fù)介電常數(shù)的空間分布信息強(qiáng)度和相位信息，將這些信息保存下來并進(jìn)行分析處理就可以得到樣品的圖像。從1995年Hu和 Nuss[7]首次提出逐點(diǎn)掃描式太赫茲時域光譜成像技術(shù)以來，一系列新的太赫茲成像技術(shù)相繼被提出，如太赫茲實(shí)時成像[8]、太赫茲層析成像[9]和太赫茲分子成像[10]等。

2002年Woodward等[11]首先使用了太赫茲脈沖成像技術(shù)對基底細(xì)胞癌開展了體內(nèi)與體外的研究，利用不同組織對太赫茲波的吸收特性不同來區(qū)分健康組織和癌變組織。2007年Enatsu等[12]利用THz-TDS系統(tǒng)對石蠟封裝的肝癌樣品開展了研究，在1.5 THz頻率處選擇折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行成像，得出癌變組織的密度小于健康組織，對太赫茲的折射率和吸收系數(shù)較小的結(jié)論。2008年Taylor等[13]在直接檢測的基礎(chǔ)上使用反射脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)對豬皮膚燒傷樣本成像，得到了高分辨率的圖像。2011年Miura Y等[14]利用透射式成像技術(shù)，證明了在3.6 THz頻率處對肝癌組織成像對比度較為顯著。

目前太赫茲射線圖像分析的關(guān)鍵在于提高分析速度，提高太赫茲射線系統(tǒng)的性能(如低成本和便攜性)，加強(qiáng)相關(guān)圖像及信號處理技術(shù)如小波變換技術(shù)的研究。此外，隨著THz 3-D(三維)立體成像技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來在醫(yī)療中利用TCT(THz層析成像)替代現(xiàn)在的XCT(X射線層析成像)將成為可能[15-16]。

2.3太赫茲組織檢測

太赫茲波的光子能量較低，是X射線光子能量的1% , 此能量值低于各種化學(xué)鍵的鍵能。在太赫茲輻射下，被檢物質(zhì)不會因電離而破壞, 因此非常適用于針對人體或其他生物樣品的活體檢查。另外，水對太赫茲輻射有極強(qiáng)的吸收，所以該輻射不會穿透人體的皮膚, 對人體是非常安全的。

Bennett等[17]將反射式太赫茲成像和光譜技術(shù)應(yīng)用到眼科研究中，研究發(fā)現(xiàn)太赫茲反射率與角膜含水量近似成正比，反射率隨頻率的增大而單調(diào)遞減。Png等[18]使用太赫茲光譜鑒別正常和患病的腦組織樣本。Sim等[19]采用太赫茲時域光譜技術(shù)對人牙齒的琺瑯質(zhì)和牙本質(zhì)的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)濕潤樣本對太赫茲的吸收率高于干燥樣本，研究為硬組織臨床應(yīng)用提供了重要信息。Wallace等[20]對基底細(xì)胞癌18例體外樣本和5例活體樣本進(jìn)行了太赫茲脈沖成像，研究表明，癌變組織與正常組織的太赫茲譜圖性質(zhì)間存在差異。

對于太赫茲組織檢測，首先要加強(qiáng)對于病理組織和正常生理組織的太赫茲光譜和太赫茲圖像的特征識別的研究；其次要深入研究不同組織不同水分含量對太赫茲波的吸收作用；此外，還要探索太赫茲活體組織檢測技術(shù)。

2.4太赫茲治療

太赫茲雖然光子能量很低，但作為一種電磁輻射，仍具有輻射效應(yīng)，可以為疾病治療提供理論依據(jù)。

2002年Hadjiloucas等[21]研究了酵母細(xì)胞在太赫茲輻射下的生長率問題，輻射參數(shù)為 0.2～0.35 THz和5.8 mW/cm2，輻射時間30～150 min不等，實(shí)驗(yàn)表明太赫茲輻射能夠促進(jìn)細(xì)胞生長，并且呈現(xiàn)出了一定的統(tǒng)計規(guī)律。2005年，Ostrovskiy等[22]預(yù)測太赫茲輻射可能會加快燒傷修復(fù)，為證實(shí)假設(shè)，他們分別對表面燒傷和深度燒傷的病人進(jìn)行太赫茲輻射，輻射參數(shù)為0.15 THz和0.03 mW/cm2，每天進(jìn)行7～10 次治療，每次 15 min，結(jié)果表明太赫茲輻射能夠加速外皮形成，縮短了皮膚的修復(fù)時間。2008年Kirichuck等[23]首次對活體大鼠展開太赫茲生物效應(yīng)的研究，他們認(rèn)為太赫茲輻射能夠引起血小板的功能活動，并且與性別有關(guān)。Androvov和Kirichuk等[24]采集了健康人和患有心絞痛的病人的全血，一組進(jìn)行太赫茲輻射，另一組作為參照組，輻射參數(shù)為0.24 THz和1 mW/cm2，輻射持續(xù)時間為15 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為太赫茲輻射組血黏度下降，紅細(xì)胞變形能力增加。2010年，Gerald等[25]對人類皮膚的成纖維細(xì)胞展開了研究，他們將樣品置于溫度可控的箱體中，用 2.52 THz的氣體激光器進(jìn)行時間不等的照射，并用傳統(tǒng)的MTT法檢測照射后細(xì)胞活性，研究表明2.52 THz的輻射對哺乳動物的細(xì)胞熱效應(yīng)顯著，因此可以用太赫茲熱效應(yīng)預(yù)測傳統(tǒng)的熱損傷模型。

目前，用于涉及太赫茲治療的研究實(shí)驗(yàn)多為動物實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的臨床試驗(yàn)還很有限，距離現(xiàn)實(shí)可用的臨床治療設(shè)備還有很長的路要走。

2.5太赫茲醫(yī)學(xué)通信

隨著醫(yī)院信息系統(tǒng)的不斷完善，醫(yī)學(xué)診斷數(shù)據(jù)的豐富，病歷信息數(shù)據(jù)庫的不斷增大，醫(yī)生在診斷病人病情的時候不但要根據(jù)現(xiàn)有的檢測診斷數(shù)據(jù)，還要參考病人的以往病歷，而現(xiàn)有的信息交互方式已經(jīng)逐漸無法滿足這龐大的醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)的傳輸。太赫茲技術(shù)的出現(xiàn)，恰好可以解決這方面的困境。

太赫茲通訊技術(shù)與微波通信相比太赫茲通訊的優(yōu)勢在于具有傳輸?shù)娜萘看螅l段比微波通信高出l至4個數(shù)量級, 可提供高達(dá)10 GB/s的無線傳輸速率；波束更窄，方向性更好；具有更好的保密性及抗干擾能力；由于太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小, 其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)。太赫茲通訊技術(shù)與光通信相比其優(yōu)勢在于光子能量低，大概是光子能量的1/40，能量效率更高；具有很好的穿透沙塵、煙霧的能力，可以在更加惡略的環(huán)境下保證通信的可靠性。這對于極端環(huán)境下的醫(yī)療通信如戰(zhàn)地醫(yī)院、邊遠(yuǎn)山區(qū)醫(yī)療救助等條件下的通信具有無可比擬的優(yōu)勢。因此，發(fā)展太赫茲通訊技術(shù)對于醫(yī)院信息化建設(shè)乃至遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展都將是一個極大的助力。

目前，太赫茲通信在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用尚無相關(guān)報道，主要是因?yàn)樘掌澩ㄐ偶夹g(shù)本身尚處于初級階段，但是相關(guān)的試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)有所發(fā)展。2004 年，Kleine OT等[26]首次采用室溫半導(dǎo)體太赫茲調(diào)制器通過太赫茲通信信道發(fā)送聲音信號，用經(jīng)改進(jìn)的常規(guī)太赫茲時域光譜裝置，在75 MHz寬帶的太赫茲脈沖序列上傳送25 kHz的信號。同年，Liu TA等[27]利用光導(dǎo)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了模擬音頻信號通信實(shí)驗(yàn)。2004年，日本NTT公司的T.Nagatsuma等[28]搭建了120 GHz的亞太赫茲無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s的數(shù)據(jù)率。2005年，Mueller等[29]描述了采用太赫茲波源和Schottky肖特基二極管調(diào)制器和探測器的寬帶寬通信數(shù)據(jù)鏈路。2008年，Braunschweig太赫茲通信實(shí)驗(yàn)室[30]在0.3 THz頻率上成功實(shí)現(xiàn)6 MHz帶寬模擬彩色視頻基帶信號的傳輸，實(shí)驗(yàn)距離超過22 m。

太赫茲通信技術(shù)發(fā)展的研究趨勢在于以下幾個方面：一是繼續(xù)研究高功率的太赫茲源；二是加強(qiáng)太赫茲波傳輸性能的研究；三是要研究合適太赫茲信道傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)和調(diào)制器件；最后還要進(jìn)一步優(yōu)化高靈敏的太赫茲探測技術(shù)[31]。此外，還要開展太赫茲通信技術(shù)在醫(yī)院信息化建設(shè)中的應(yīng)用的前瞻性研究，為將來能夠成熟應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

3　總結(jié)

太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用存在五個方面的問題：一是太赫茲技術(shù)發(fā)展本身的不成熟，如太赫茲輻射源、探測器及相關(guān)的功能元器件技術(shù)仍不完善；二是太赫茲信號易受特定環(huán)境的影響，如對溫度的敏感和易被水分吸收，這很大的限制了醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)和診斷；三是分子的太赫茲光譜特征有待進(jìn)一步研究的確定；四是太赫茲醫(yī)學(xué)成像信息中如何甄別正常的生理信息和病例信息；五是在于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是一個交叉學(xué)科，因此其研究需要匯集各科室專家對診療效果進(jìn)行評估。

因此，需要在加強(qiáng)太赫茲基礎(chǔ)技術(shù)的研究同時，呼吁生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者積極利用太赫茲技術(shù)對樣本進(jìn)行分析，豐富分子特征圖譜；加強(qiáng)太赫茲圖像處理技術(shù)的研究；加強(qiáng)各領(lǐng)域尤其是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域及太赫茲技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流。

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