太赫茲成像技術(shù)在腫瘤檢測中的應(yīng)用

施辰君，吳 旭，彭 滟

太赫茲成像技術(shù)在腫瘤檢測中的應(yīng)用

施辰君，吳 旭，彭 滟*

上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093

太赫茲(THz)波是頻率位于0.1 THz～10 THz的電磁波。因其具有非電離性，以及可與多數(shù)生物分子產(chǎn)生共振響應(yīng)等特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力，尤其在腫瘤檢測方面。太赫茲成像技術(shù)作為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一種新的成像技術(shù)，吸引國內(nèi)外多個(gè)研究小組對其開展深入研究。本文列舉分析了多種太赫茲成像技術(shù)在腫瘤檢測的應(yīng)用，其中可分為太赫茲掃描成像、太赫茲層析成像、太赫茲全息成像以及太赫茲近場成像，介紹了這些成像方式的基本原理以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后對太赫茲成像技術(shù)在生物領(lǐng)域的未來做出展望。

太赫茲脈沖成像；連續(xù)波太赫茲成像；太赫茲層析成像；太赫茲全息成像；太赫茲近場成像

1 引 言

太赫茲(Terahertz，THz)波是指頻率位于0.1 THz至10 THz范圍內(nèi)的電磁波。由于其非電離性、高穿透性、高分辨率、可與多數(shù)生物分子產(chǎn)生共振響應(yīng)獲得分子指紋譜等特性，在多個(gè)領(lǐng)域均具有重大的應(yīng)用潛力[1-8]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，太赫茲成像技術(shù)作為一種新的成像技術(shù)，相比傳統(tǒng)方法中的核磁共振和X射線方法，可有效避免活體檢查時(shí)的輻射損傷，且常用的遠(yuǎn)場太赫茲光斑的空間分辨率最高可達(dá)50 μm[9]，有望實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷中病理組織的無損快速成像，因此國內(nèi)外多個(gè)研究小組對其開展了深入研究。

由于癌癥等病變組織的結(jié)構(gòu)、密度、含水量等生理學(xué)參數(shù)與正常組織不同，導(dǎo)致太赫茲波透過這些樣本后，其產(chǎn)生的光學(xué)參數(shù)變化也不同。因此通過對光學(xué)參數(shù)構(gòu)建圖像，即可對生物樣本成像。目前的研究主要利用兩種太赫茲波源來獲取樣品的光學(xué)參數(shù)：太赫茲脈沖源和連續(xù)波太赫茲源。以太赫茲脈沖為輻射源的成像技術(shù)通過透過樣本的太赫茲脈沖復(fù)介電函數(shù)的空間分布信息建立圖像，因此可以獲得樣本的多光譜成像[10]，而利用連續(xù)波太赫茲源的成像技術(shù)則通過透過樣本的單頻太赫茲波建立圖像，與太赫茲脈沖源相比，其系統(tǒng)簡單，太赫茲波強(qiáng)度更高，數(shù)據(jù)處理速度更快，但圖像信息只與太赫茲波強(qiáng)度、相位相關(guān)[11]。目前的研究中，基于這兩種太赫茲源的成像技術(shù)主要包含太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像、太赫茲層析成像、太赫茲全息成像以及太赫茲近場成像這四大類。太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像通過逐點(diǎn)掃描獲取樣本每一個(gè)點(diǎn)的光學(xué)參數(shù)來建立太赫茲圖像，其分辨率取決于系統(tǒng)的光斑直徑和掃描步長，因此對于獲取高分辨率的成像，其耗時(shí)較久。太赫茲層析成像主要將太赫茲成像技術(shù)與層析重構(gòu)算法相結(jié)合，通過收集透過樣本不同方向的太赫茲波來構(gòu)建三維太赫茲圖像，以顯現(xiàn)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)樣本的三維成像[12]。太赫茲全息成像則使用面陣測量器件收集樣品被照明區(qū)域的太赫茲波信號(hào)，因此相比其他成像方式的逐點(diǎn)掃描，其成像速度被大幅度提升[13]。其中，脈沖太赫茲全息成像通常利用電荷耦合器件(CCD)獲得被照明區(qū)域的THz時(shí)域圖形，而連續(xù)太赫茲數(shù)字全息使用熱釋電探測器或微測熱輻射計(jì)等被照明區(qū)域的光波前信息數(shù)字全息圖。太赫茲近場成像基于近場太赫茲倏逝波對樣品近場區(qū)域掃描成像，該方法能突破光學(xué)衍射極限，獲得低至納米級空間分辨率的精細(xì)圖像[14-15]。

目前，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，國內(nèi)外各個(gè)課題組基于這四種技術(shù)進(jìn)行了生物組織或癌癥等生物樣本的成像研究，如圖1所示，根據(jù)Web of Science 檢索結(jié)果，近五年來(2015.1-2019.12)，國際上基于太赫茲成像技術(shù)的癌癥研究有154項(xiàng)，其中，太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像占主導(dǎo)地位，共有相關(guān)工作126項(xiàng)(82%)，其他成像中，層析成像的相關(guān)工作10項(xiàng)(6%)，全息成像的相關(guān)工作6項(xiàng)(4%)，近場成像相關(guān)工作12項(xiàng)(8%)。

2 太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像

太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像是一種傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲成像技術(shù)，通過逐點(diǎn)掃描透過樣本的太赫茲波，獲取樣本每個(gè)點(diǎn)的太赫茲波光學(xué)參數(shù)，并以此構(gòu)建太赫茲圖像。其中，以太赫茲脈沖作為輻射源能獲取的參數(shù)有時(shí)域上的光學(xué)延遲、最小脈沖函數(shù)min、脈沖后時(shí)間(time post pulse，TPP)等，也有頻域上的吸收系數(shù)、折射率、反射率等；以連續(xù)太赫茲波作為輻射源的成像系統(tǒng)使用的是單頻連續(xù)波源，其單頻點(diǎn)輻射強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于脈沖太赫茲源[11]，但同時(shí)也限定了其只能對單個(gè)頻率的特征識(shí)別，且獲取的光學(xué)參數(shù)僅與太赫茲波的強(qiáng)度和相位相關(guān)。

2.1 基于脈沖太赫茲源的太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像

在以太赫茲脈沖的時(shí)域信息為主的生物醫(yī)學(xué)成像研究方面，2001年，英國Toshiba Research Europe Ltd.的Cole等人[16]基于時(shí)域峰值對人體皮膚進(jìn)行了活體成像。根據(jù)所得太赫茲數(shù)據(jù)繪制了皮膚角質(zhì)層的厚度和水合度，給出了橫截面圖像。2002年到2004年間，英國劍橋大學(xué)的Woodward等人[17-19]基于TPP、太赫茲吸收系數(shù)和最小脈沖函數(shù)min等技術(shù)對人體皮膚癌、離體基底細(xì)胞癌進(jìn)行了成像，分辨率可達(dá)350 μm。2004年，英國TeraView公司的Wallace等人[20]基于最大脈沖函數(shù)max和TPP對體外和體內(nèi)基底細(xì)胞癌進(jìn)行了成像，在太赫茲圖像中確定的疾病區(qū)域與病理組織學(xué)相關(guān)性很好，面積誤差約10%。2006年，英國TeraView公司的Fitzgerald等人[21]基于最大脈沖函數(shù)max和最小脈沖函數(shù)min對人體乳腺腫瘤切片進(jìn)行了成像，圖像上的腫瘤區(qū)域與所有22個(gè)樣品的顯微結(jié)果的相關(guān)系數(shù)大于0.82。2009年，中國香港中文大學(xué)的Huang等人[22]基于最大脈沖函數(shù)max對老鼠心臟進(jìn)行了成像，圖像能清晰區(qū)分心臟部分，圖像分辨率約為125 μm。2010年，中國香港中文大學(xué)的Kan等人[23]基于時(shí)域峰峰值和峰谷值對切除的兔股骨進(jìn)行成像，并證明反射之間的光學(xué)延遲可以對軟骨內(nèi)特定組織的厚度進(jìn)行定量測量，THz光學(xué)延遲與組織學(xué)厚度之間的相關(guān)性達(dá)0.81。2012年，西澳大利亞大學(xué)的Fitzgerald等人[24]對乳腺組織切片的時(shí)域太赫茲信號(hào)進(jìn)行主成分分析降維，以此進(jìn)行成像，圖像分辨率約266 μm。2013年，韓國延世大學(xué)的Oh等人[25]基于時(shí)域峰峰值，通過加入甘油作為增強(qiáng)劑，對人造腫瘤組織進(jìn)行成像，圖像分辨率達(dá)250 μm。該團(tuán)隊(duì)于2014年又基于時(shí)域峰-峰值計(jì)算了樣本的反射率[26]，以此進(jìn)行腦組織切片樣本的成像，圖像分辨率為250 μm。其腦組織的可視圖、太赫茲反射圖和核磁共振圖如圖2所示，通過THz的反射率，腫瘤的情況能清晰地反映出來。

圖1 四種太赫茲成像技術(shù)研究的占比分布情況

圖2 不同腫瘤程度的腦組織成像結(jié)果[26]

同時(shí)，也有將脈沖的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化轉(zhuǎn)為頻域信號(hào)，以頻域信息為主的生物醫(yī)學(xué)成像研究。2007年，新西蘭奧塔哥大學(xué)的Ho等人[27]基于折射率進(jìn)行了緩釋片成像以研究胞衣厚度，其圖像分辨率達(dá)200 μm。同年，日本大阪大學(xué)的Enatsu等人[28]基于折射率和消光系數(shù)對石蠟包裹的肝癌組織進(jìn)行了成像，分辨率為1 mm。2008年，英國利物浦大學(xué)的Shen等人[29]基于吸收系數(shù)進(jìn)行了片劑成像，以研究片劑包衣層厚度和界面均勻性，其分辨率最高可達(dá)150 μm。同年，美國加州大學(xué)-圣塔芭芭拉的Taylor等人[30]基于折射率進(jìn)行了燒傷豬皮的成像，其分辨率為1.5 mm。2009年，日本理化學(xué)研究所的Hoshina等人[31]基于吸光度進(jìn)行了冰凍生物組織成像，同時(shí)也通過時(shí)域脈沖的時(shí)間延遲進(jìn)行成像，圖像分辨率達(dá)200 μm。2010年，日本東京醫(yī)科齒科大學(xué)的Brun等人[32]采集了癌癥組織的折射率數(shù)據(jù)，通過使用聚類方法對提取的折射率數(shù)據(jù)進(jìn)行分割來生成光譜圖像，其圖像分辨率達(dá)50 μm。2013年，英國劍橋大學(xué)的May等人[33]基于表面折射率進(jìn)行藥物片劑成像，以研究片劑的硬度和表面密度分布，其圖像分辨率為200 μm。

同年，美國普林斯頓大學(xué)的Sim等人[34]基于折射率對口腔癌組織進(jìn)行了成像，他們在-20 ℃以及室溫條件下，提取了0.5 THz處的折射率進(jìn)行成像，成像結(jié)果如圖3所示，從-20 ℃時(shí)的成像可以看出，患病區(qū)域具有較低折射率，且與組織學(xué)診斷的患病區(qū)域?qū)?yīng)，其圖像分辨率為250 μm。2015年，美國阿肯色大學(xué)的Bowman等人[35]基于反射系數(shù)對石蠟包裹的乳腺腫瘤組織進(jìn)行了高分辨率成像，分辨率最高達(dá)50 μm。2016年，日本佳能R&D研發(fā)中心的Yamaguchi等人[36]基于復(fù)折射率對老鼠腦腫瘤進(jìn)行成像，分辨率為500 μm。2018年，中國河南工業(yè)大學(xué)的蔣玉英等人[37]基于THz功率譜進(jìn)行了小麥麥芽糖成像，圖像分辨率達(dá)100 μm。

圖3 六個(gè)口腔樣品的(a) 光學(xué)圖像；(b) -20 ℃的THz圖像；(c) 室溫THz圖像；(d) 組織病理學(xué)圖像。THz圖像反映樣本在0.5 THz的折射率，在組織學(xué)圖像中癌變區(qū)域用藍(lán)色環(huán)標(biāo)記[34]

2.2 基于連續(xù)波太赫茲源的太赫茲遠(yuǎn)場掃描成像

目前，也有較多利用連續(xù)波源進(jìn)行太赫茲掃描成像的生物醫(yī)學(xué)研究。2011年，葡萄牙波爾圖大學(xué)的Wahaia等人[38]使用了基于太赫茲量子級聯(lián)激光器的透射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，收集了人體正常結(jié)腸組織和結(jié)腸癌組織在0.76 THz處的信號(hào)進(jìn)行成像，其系統(tǒng)的光斑直徑為1 mm。同年，美國馬薩諸塞州洛厄爾大學(xué)的Joseph等人[39]使用了透射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)對非黑色素瘤皮膚癌進(jìn)行成像，其使用了CO2光泵浦遠(yuǎn)紅外氣體激光器在1.39 THz和1.63 THz處產(chǎn)生的連續(xù)波源，分辨率分辨為390 μm和490 μm。韓國食品研究所的Lee等人[40]以固態(tài)振蕩器(0.1 THz Gunn二極管)和倍頻器搭建了工作頻率為0.2 THz的透射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)對食品中的異物進(jìn)行成像，圖像分辨率為400 μm。2012年，美國馬薩諸塞州洛厄爾大學(xué)的Joseph等人[41]使用CO2光泵浦遠(yuǎn)紅外氣體激光器搭建了工作頻率在0.58 THz的反射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，收集了非黑色素瘤皮膚癌的共偏振和交叉偏振信號(hào)進(jìn)行成像，圖像分辨率為100 μm。2013年，美國馬薩諸塞州洛厄爾大學(xué)的Doradla等人[42]基于CO2光泵浦遠(yuǎn)紅外氣體激光器搭建反射式連續(xù)太赫茲波系統(tǒng)，收集了人體結(jié)腸組織在0.584 THz處的共偏振和交叉偏振信號(hào)進(jìn)行成像，圖像分辨率為100 μm。2016年，美國馬薩諸塞州洛厄爾大學(xué)的Martin等人[43]也使用了工作頻率為0.58 THz的CO2光泵浦遠(yuǎn)紅外氣體激光器搭建反射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，收集了非黑素瘤皮膚癌組織的共偏振和交叉偏振信號(hào)，圖像分辨率達(dá)150 μm。2018年，中國第三軍醫(yī)大學(xué)的Yang等人[44]使用工作頻率為2.52 THz的光泵浦連續(xù)波THz氣體激光器(FIRL100, Edinburgh Instruments Ltd, UK)搭建透射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，通過THz吸收的差異對4種細(xì)菌的菌落進(jìn)行區(qū)分成像，圖像分辨率達(dá)100 μm。2019年，中國天津大學(xué)的Wu等人[45]也使用2.52 THz的光泵浦連續(xù)波THz氣體激光器(FIRL100, Edinburgh Instruments Ltd, UK)搭建反射式連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)對老鼠模型的腦膠質(zhì)瘤組織成像，如圖4所示，太赫茲圖像中顯示的腫瘤區(qū)域的體積和位置與相應(yīng)的核磁共振，視覺和病理學(xué)圖像相似，圖像分辨率為200 μm。

圖4 腦組織的(a) 核磁共振圖像；(b) 體內(nèi)視覺圖像；(c) THz反射圖像；(d) 新鮮切片視覺圖像；(e) 病理學(xué)染色圖像。其中樣本1~3號(hào)患有腫瘤，4號(hào)沒有腫瘤[45]

3 太赫茲層析成像

太赫茲層析成像是在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲成像基礎(chǔ)上，通過從不同角度采集樣本的太赫茲信號(hào)，然后使用層析算法重構(gòu)出樣本信息空間分布的三維太赫茲成像，以此研究樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在生物醫(yī)學(xué)方面，基于太赫茲層析成像的研究還處在起步階段，目前僅有少數(shù)成像研究報(bào)道。比如，2012年，法國波爾多大學(xué)的Bessou等人[46]將工作頻率在0.110 THz的連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)與三維斷層掃描結(jié)合，用于研究干燥的人類骨骼。通過太赫茲吸收可以清晰地分辨出海綿狀骨中的致密骨，但與X射線相比，其分辨率較低，僅為2.7 mm。2018年，中國北京科技大學(xué)的Li等人[47]將工作頻率在0.279 THz的連續(xù)太赫茲波系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)相結(jié)合，對雞的骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維斷面成像，結(jié)果表明，雞尺骨內(nèi)的致密骨頭和海綿狀骨頭能通過太赫茲吸收清晰區(qū)分，系統(tǒng)的光斑直徑為0.94 mm。

由于厚生物樣本含有大量水分或其他物質(zhì)影響，太赫茲波能量較低，無法穿透這些樣品，因此生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的層析成像還在起步階段，僅有上述少量研究。

4 太赫茲全息成像

太赫茲全息成像是在傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲成像基礎(chǔ)上，將太赫茲波的探測器替換為不同面陣式探測工具進(jìn)行探測，其中，對于脈沖太赫茲源，面陣式探測器通常采用CCD，而對于連續(xù)波太赫茲源，面陣式探測器通常采用熱釋電探測器或微測熱輻射計(jì)等工具。因此相比傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲成像的逐點(diǎn)掃描，太赫茲全息成像可以一次性獲得整個(gè)樣本的二維電場分布，成像時(shí)間大幅縮短。

目前也有一部分基于太赫茲全息成像的生物醫(yī)學(xué)成像研究。比如，2015年，中國北京科技大學(xué)的Rong等人[48]使用工作頻率在2.52 THz的連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，通過熱電陣列檢測器收集樣本光束與非散射參考波之間的干涉，形成全息圖，觀察淡水藻類脫水過程，分辨率為100 μm。同年，中國北京科技大學(xué)的Rong等人[49]使用連續(xù)太赫茲波同軸數(shù)字全息進(jìn)行了人類肝細(xì)胞癌組織的吸收和相移分布的成像，其采用了工作頻率為2.52 THz的連續(xù)波太赫茲系統(tǒng)，并使用熱電陣列探測器收集太赫茲信號(hào)，通過亞像素移位和外推增強(qiáng)了重建的分辨率，如圖5所示，其分辨率最高達(dá)158 μm。2016年至2017年，中國首都師范大學(xué)的Guo等人[50-51]應(yīng)用太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)對牛、羊和豬肉組織進(jìn)行了成像，可分辨脂肪和瘦肉組織，并通過多次成像觀察組織的脫水過程。他們使用脈沖太赫茲波源并用CCD探測太赫茲信號(hào)，同時(shí)應(yīng)用圖像重建算法消除太赫茲波的衍射影響，進(jìn)一步提高太赫茲圖像的清晰度，使分辨率達(dá)到32 μm。

5 太赫茲近場成像

太赫茲遠(yuǎn)場成像的空間分辨率受制于衍射極限(/2)，而太赫茲近場成像則通過檢測樣本表面附近區(qū)域的近場太赫茲倏逝波，因此其分辨率不受衍射限制，而取決于所用微型探針大小。太赫茲近場成像具體可分為兩種模式：近場照明和近場收集。前者是THz波經(jīng)過微型探針針尖后產(chǎn)生近場太赫茲波再照射樣本，然后遠(yuǎn)場收集信號(hào)；后者則是通過微型探針直接近場探測遠(yuǎn)場THz波照射在樣品表面產(chǎn)生的倏逝場或?qū)①渴艌鐾ㄟ^微型探針轉(zhuǎn)化為傳播場再遠(yuǎn)場探測[12]。

目前也有部分生物醫(yī)學(xué)成像研究是基于太赫茲近場成像的，由于目前近場照明模式無法提供足夠強(qiáng)度的光源，因此近場成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要使用近場收集模式。2004年，德國BESSY研究中心的Schade等人[52]演示了一種太赫茲掃描近場紅外顯微鏡，其使用脈沖太赫茲系統(tǒng)作為太赫茲源，通過InSb晶體檢測穿透樣品的THz信號(hào)，通過透射率對植物葉片和牙齒樣本進(jìn)行了成像，其分辨率為130 μm。2013年，中國東南大學(xué)的陳華等人[53]使用太赫茲光纖掃描近場成像系統(tǒng)，對人體肝癌組織使用吸收系數(shù)進(jìn)行成像研究，其太赫茲源為頻率在0.300 THz的連續(xù)太赫茲波源，使用肖特基探測器檢測太赫茲信號(hào)。其成像結(jié)果與病理學(xué)結(jié)果一致，圖像分辨率為100 μm。2015年，該課題組基于太赫茲管的近場成像系統(tǒng)對人體結(jié)腸組織進(jìn)行了成像[54]，同樣使用0.300 THz的連續(xù)太赫茲波系統(tǒng)并使用肖特基探測器檢測太赫茲信號(hào)，通過近場掃描吸光度能清晰區(qū)分癌癥組織與正常組織，且通過病理染色檢查在大小和形狀上的識(shí)別非常吻合，如圖6所示，圖像分辨率達(dá)100 μm。同年，中國臺(tái)灣大學(xué)的Tseng等人[55]使用太赫茲近場透射成像系統(tǒng)進(jìn)行了裸鼠體內(nèi)的耳朵內(nèi)血管成像，其使用了0.340 THz的連續(xù)太赫茲波源，并使用肖特基探測器檢測太赫茲信號(hào)，得到的圖像分辨率為100 μm。2016年，美國猶他大學(xué)的Fawole等人[56]使用太赫茲向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(terahertz vector network analyzer，TVNA)，其配備的Virginia二極管擴(kuò)頻器提供了0.75 THz至1.10 THz的太赫茲信號(hào)，通過金屬、特氟龍和石英三種探針分別連接號(hào)角天線以檢測太赫茲信號(hào)，對老鼠的大腦切片、傘形樹小葉和黃粉蟲翅膀成像。結(jié)果表明，太赫茲近場成像對不同區(qū)域能做出清晰區(qū)分，這項(xiàng)工作的分辨率最高可達(dá)75 μm。2018年，中國長春理工大學(xué)的孫衛(wèi)東等人[15]搭建了基于光電導(dǎo)微探針的近場太赫茲系統(tǒng)，使用了脈沖太赫茲源并用光電導(dǎo)微探針采集信號(hào)，通過時(shí)間延遲分辨豬肉組織的不同區(qū)域，分辨率達(dá)到了16.5 μm。

圖5 人類肝細(xì)胞癌組織的(a) 全息數(shù)據(jù)采集后的樣品照片；(b) 在選定探測器位置獲得的歸一化全息圖；(c) 重構(gòu)吸收分布a(x,y)；(d) 重構(gòu)相移分布φ(x,y)[49]

6 總結(jié)與展望

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于太赫茲波的諸多特性，基于太赫茲波的各種成像方式正被不同課題組不斷深入研究。大部分研究使用傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場太赫茲掃描成像，也有研究從對遠(yuǎn)場太赫茲成像進(jìn)行改進(jìn)的角度出發(fā)，比如結(jié)合層析算法而產(chǎn)生的太赫茲層析成像，以此進(jìn)行三維太赫茲成像和斷層太赫茲成像；同時(shí)也有更換探測方式，通過面陣測量樣本的太赫茲波而產(chǎn)生的太赫茲全息成像，來大幅減少測量所需要的時(shí)間。另外，部分研究使用太赫茲近場成像，從而突破衍射限制獲得更高空間分辨率。這些研究發(fā)展出不同的成像方法，對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不同種類樣本進(jìn)行了成像研究。

圖6 結(jié)腸組織的THz近場圖像以及病理染色切片的相應(yīng)顯微照片[55]

目前，太赫茲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)上的成像研究主要集中在對癌組織的研究，已證明了太赫茲成像技術(shù)在癌癥診斷上的可行性。但是，這些研究主要都是基于癌組織與正常組織之間由于水分因素產(chǎn)生的吸收、折射等差異，所以無法準(zhǔn)確識(shí)別癌癥類別。目前已有研究證實(shí)部分癌癥標(biāo)識(shí)物在太赫茲波段存在特征吸收[57-58]，因此未來通過對標(biāo)識(shí)物的太赫茲成像來實(shí)現(xiàn)對癌癥的診斷，將具有更大的潛力。

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Applications of terahertz imaging technology in tumor detection

Shi Chenjun, Wu Xu, Peng Yan*

Shanghai Key Lab of Modern Optical System, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

The proportion of current research on different terahertz imaging technologies

Overview:Terahertz (THz) wave exhibits many features including non-ionizing, non-invasive, phase-sensitive to polar substances, spectral fingerprinting, relatively good resolution, coherent detection properties, and penetration capabilities. For tumor detection, traditional imaging methods such as magnetic resonance imaging and computerized tomography will cause radiation damage to biotissue, while THz imaging can provide quick, non-destructive, and accurate imaging of biotissue. Two kinds of terahertz sources are mainly used: pulse THz wave source and continuous THz wave source. Pulse THz wave source provides multi-dimensional information for the analysis of sample, while continuous THz wave source can only provide amplitude or phase images for delineation different areas. But imaging system using continuous THz source are more concise compared to that using pulse THz source. Currently, based on these two THz sources, there are four kinds of imaging technologies:

1) THz far-field scanning imaging is the most commonly used, where THz signal is collected by scanning the sample point by point and then images are constructed by these data. The resolution depends on the spot diameter and step size of the scanning, therefore, long measuring time are required for high-resolution imaging.

2) THz tomography combined THz far-field imaging system with tomography algorithm. By collecting the THz signal from different angle of sample, and then using the algorithm for analysis, 3D images of sample can be obtained. Internal structure of the sample can be observed by THz tomography. However, it will take much more time to measure the signal from different angle.

3) For THz holography, different array detectors, such as charge coupled device, pyroelectric detector, and microbolometer, are used in THz far-field imaging system. Instead of point-by-point measurement of common far-field THz imaging system, THz digital holography collects the THz signal of the whole sample at once, which greatly reduce the measurement time.

4) THz near-field imaging method collects the signal of evanescent field near the sample surface and uses these data to calculate images. So, THz near-field imaging can break the diffraction limit (/2) and provides the resolution three magnitudes higher than THz far-field imaging.

In the paper, we introduced the studies of these four THz imaging technologies done by different groups worldwide. At last, we presented the prospect of terahertz imaging technology applied in biomedical field.

Citation: Shi C J, Wu X, Peng Y. Applications of terahertz imaging technology in tumor detection[J]., 2020,47(5): 190638

Applications of terahertz imaging technology in tumor detection

Shi Chenjun, Wu Xu, Peng Yan*

Shanghai Key Lab of Modern Optical System, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

Terahertz radiation is an electromagnetic wave whose frequency is in the range of 0.1 THz～10 THz. With its many features such as non-ionizing and resonance to many biomolecules, THz wave has great potential applications in biomedical field, especially in tumor detection. Terahertz imaging technology, as a new imaging technology in biomedical field, is studied by many research groups around the world. In this paper, we listed and analyzed many terahertz imaging methods in tumor detection, including terahertz scanning imaging, terahertz tomography, terahertz holography, and terahertz near-field imaging. We introduced the basic principle of these imaging methods and the works done by different groups worldwide. At last, we presented the prospect of terahertz imaging technology applied in biomedical field.

terahertz pulse imaging; continuous-wave terahertz imaging; terahertz tomography imaging; terahertz holography imaging; terahertz near-field imaging

National Key R & D Plan "Development of Major Scientific Instruments and Equipment" (2017YFF0106300), National Natural Science Foundation--Outstanding Youth Foundation (61922059), Youth Top Talent Development Plan, and Shanghai Rising-Star Program (17QA1402500)

TN29；R318.6

A

施辰君，吳旭，彭滟. 太赫茲成像技術(shù)在腫瘤檢測中的應(yīng)用[J]. 光電工程，2020，47(5): 190638

10.12086/oee.2020.190638

: Shi C J, Wu X, Peng YApplications of terahertz imaging technology in tumor detection[J]., 2020, 47(5): 190638

* E-mail: py@usst.edu.cn

2019-10-24；

2020-03-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFF0106300)；國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金(61922059)；上海市青年拔尖人才開發(fā)計(jì)劃；上海市啟明星人才計(jì)劃(17QA1402500)

施辰君(1996-)，男，碩士研究生，主要從事太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。E-mail：scj0117@outlook.com

彭滟(1982-)，女，教授，主要從事太赫茲波的產(chǎn)生和調(diào)控，以及太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。E-mail：py@usst.edu.cn

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