太赫茲醫(yī)學(xué)成像研究進(jìn)展

嚴(yán)芷瑤，黃婉霞，黃青青，鄒 逸，朱禮國(guó)，施奇武*

太赫茲醫(yī)學(xué)成像研究進(jìn)展

嚴(yán)芷瑤1，黃婉霞1，黃青青1，鄒 逸2，朱禮國(guó)2，施奇武1*

1四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610064；2中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽(yáng) 621900

太赫茲波所具有的無(wú)損性以及大量生物分子在太赫茲頻段的指紋特性，使其在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。本文首先簡(jiǎn)要概述了太赫茲的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)手段，其次分別介紹了太赫茲在離體、活體組織中成像的研究現(xiàn)狀。生物組織中的水會(huì)對(duì)太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)吸收，使得成像對(duì)比度受限。目前，為了減少組織中的水對(duì)成像的影響，針對(duì)離體組織的太赫茲成像大多需要進(jìn)行切片、脫水等預(yù)處理，活體中的成像則主要應(yīng)用在淺表組織。文章重點(diǎn)介紹了活體成像中有望提高太赫茲成像對(duì)比度的納米粒子造影劑，最后對(duì)太赫茲醫(yī)學(xué)成像的發(fā)展進(jìn)行了展望。

太赫茲；醫(yī)學(xué)成像；對(duì)比度；造影劑

1 引 言

太赫茲波(Terahertz, THz)是指頻率在0.1 THz～10 THz(1 THz=1012Hz)，波長(zhǎng)介于30 μm～3000 μm的電磁波，其位于微波與紅外波之間，是電子學(xué)向光學(xué)的過渡區(qū)。太赫茲波具有許多優(yōu)點(diǎn)，讓它在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。首先，由于大量生物分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷能級(jí)位于太赫茲頻段，并且表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散，使得具有“指紋”特性的物質(zhì)便于鑒別[3]。其次，太赫茲的光子能量很低(1 THz為4.1 meV)，沒有像X射線一樣的電離性質(zhì)，對(duì)生物組織不會(huì)造成明顯的電離危害，且太赫茲波對(duì)許多非金屬、非極性材料具有較強(qiáng)的穿透能力。

但是水會(huì)強(qiáng)烈吸收太赫茲波，從而造成活體太赫茲成像對(duì)比度嚴(yán)重下降，這限制了太赫茲成像在活體中的應(yīng)用。目前主要的解決方法有幾類：一是對(duì)離體組織進(jìn)行冷凍、干燥、切片或脫水來減少水的影響[4-7]；二是在活體組織中通過一些手段來增強(qiáng)太赫茲波在體內(nèi)的成像對(duì)比度和深度，如在生物體內(nèi)使用內(nèi)窺鏡[8]、吸收率低的生物相容材料[9]以及成像造影劑[10-13]等。

本文針對(duì)太赫茲醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分別介紹了目前太赫茲波用于離體組織和活體組織成像的研究進(jìn)展，特別是近年來發(fā)展的太赫茲醫(yī)學(xué)成像造影劑，最后對(duì)太赫茲醫(yī)學(xué)成像未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 太赫茲成像技術(shù)手段

自Hu等[14]首次提出基于太赫茲時(shí)域光譜的成像方式以來，太赫茲成像技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。一般來說，根據(jù)使用的激光光源不同，太赫茲成像系統(tǒng)可以分為太赫茲時(shí)域光譜(脈沖)成像系統(tǒng)和連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)。

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)是基于太赫茲脈沖的產(chǎn)生和檢測(cè)，脈沖擁有較寬的頻帶且持續(xù)時(shí)間非常短，能夠直接測(cè)量經(jīng)過樣品的太赫茲波的振幅和相位信息，通過一定變換后得到樣品的各項(xiàng)特性。太赫茲成像的探測(cè)方式有反射與透射兩種，一般的醫(yī)學(xué)成像由于組織含水量較多限制了穿透深度，更多使用的是反射式系統(tǒng)的淺表目標(biāo)成像。如圖1(a)所示[4]，飛秒激光器產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過分光系統(tǒng)后，一束作為產(chǎn)生光經(jīng)過太赫茲發(fā)射元件產(chǎn)生太赫茲輻射，由樣品表面反射后得到樣品信息；另一束則作為探測(cè)光通過探測(cè)元件獲得相應(yīng)的太赫茲時(shí)域波形，經(jīng)過傅里葉變換得到太赫茲波幅值與相位信息后就可以獲得該點(diǎn)處樣品的特定參數(shù)，再通過控制二維平移臺(tái)獲得樣品各個(gè)點(diǎn)的信息從而得到掃描圖像。連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)則通常在較窄的頻段工作，是利用了組織內(nèi)部缺陷的邊緣對(duì)太赫茲波的散射效應(yīng)，通過影響其強(qiáng)度的分布來進(jìn)行成像。如圖1(b)所示[15]，連續(xù)太赫茲波光源經(jīng)過斬波器后再經(jīng)過透鏡聚焦，經(jīng)過樣品后再被聚焦到探測(cè)器上獲取樣品的強(qiáng)度信息，同樣通過控制二維平移臺(tái)最終得到掃描圖像。

圖1 太赫茲成像系統(tǒng)示意圖。(a) 太赫茲反射成像系統(tǒng)[4]；(b) 連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)[15]；(c) 太赫茲數(shù)字全息成像系統(tǒng)[16]

以上所述常用的兩種成像系統(tǒng)都采用了逐點(diǎn)掃描的成像方式，通常是在二維移動(dòng)的平臺(tái)上進(jìn)行的，有時(shí)存在采集時(shí)間較長(zhǎng)的問題。所以目前還發(fā)展了許多新的成像技術(shù)，比如太赫茲數(shù)字全息術(shù)就是將太赫茲成像與數(shù)字全息術(shù)相結(jié)合，通過CCD相機(jī)等光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的記錄介質(zhì)提取全息圖像的信息，再通過計(jì)算機(jī)模擬再現(xiàn)。圖1(c)所示為典型的實(shí)驗(yàn)裝置圖[16]，太赫茲波首先通過十字定向耦合器得到物光和參考光，參考光通過拋物面鏡聚焦后與物光發(fā)生干涉，得到樣品的全息圖像并由CCD相機(jī)記錄，再通過計(jì)算機(jī)對(duì)參考光進(jìn)行模擬再現(xiàn)，從而能夠快速獲取全息成像圖。

除此之外，近年來還有一些新的成像技術(shù)如太赫茲近場(chǎng)成像、計(jì)算機(jī)輔助斷層等在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域得到了應(yīng)用。太赫茲成像系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一些典型應(yīng)用如表1所示。

3 太赫茲離體組織成像

由于太赫茲波會(huì)被水強(qiáng)烈吸收，導(dǎo)致太赫茲在活體中的成像對(duì)比度嚴(yán)重惡化。所以許多研究選擇含水量較少的成像目標(biāo)，或通過對(duì)離體組織進(jìn)行預(yù)處理去除水分，得到成像對(duì)比度較高的太赫茲成像效果。

牙齒是人體內(nèi)含水量較少的組織[17]，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)太赫茲波能夠有效檢測(cè)齲齒。傳統(tǒng)的齲齒檢測(cè)一般直接觀察目標(biāo)顏色、透明度等信息，以至于很難發(fā)現(xiàn)早期的齲齒，太赫茲成像有利于早期齲齒的發(fā)現(xiàn)與治療。例如，2003年，劍橋大學(xué)的David等[18]使用太赫茲脈沖成像系統(tǒng)成功構(gòu)造了牙齒組織的三維圖像，并且可以準(zhǔn)確直接地測(cè)量牙釉質(zhì)厚度。

同樣，太赫茲成像技術(shù)還可以應(yīng)用于眼科領(lǐng)域。加州大學(xué)洛杉磯分校的Bennett等[19]通過分辨率為1.2 mm的太赫茲反射成像系統(tǒng)在0.2、0.4、0.6、0.8和1太赫茲頻率處對(duì)離體豬角膜組織的水分流失過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太赫茲波的反射率與水含量濃度呈近似線性關(guān)系(圖2)，且斜率隨頻率的增加單調(diào)遞減，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于判斷角膜是否病變的臨床診斷。

表1 太赫茲醫(yī)學(xué)成像的應(yīng)用

圖2 (a) 體外含水角膜的光學(xué)圖像和太赫茲圖像；(b) 體外豬角膜圖像，含水量分別為(左上至右下)：84.74%、78.64%、75.27%、70.25%和66.06%[19]

此外由于癌癥細(xì)胞結(jié)構(gòu)相對(duì)于正常細(xì)胞會(huì)發(fā)生變化，太赫茲波能夠有效檢測(cè)出離體組織中的癌癥細(xì)胞。2015年，Rong等[5]利用太赫茲數(shù)字全息技術(shù)對(duì)健康和癌變的冷凍肝臟切片進(jìn)行了成像，該系統(tǒng)的分辨率為158 μm。由太赫茲全息圖像(圖3)可以明顯看到肝細(xì)胞的纖維化，也就是即將產(chǎn)生肝硬化的跡象，說明通過太赫茲醫(yī)學(xué)成像能夠進(jìn)行早期的癌癥診斷，并達(dá)到及時(shí)治療的目的。

圖3 (a) 人體肝癌組織的光學(xué)照片；(b) 經(jīng)過處理的太赫茲全息圖[5]

阿肯色大學(xué)的Tyler等[4, 6]則使用分辨率為50 μm的太赫茲反射成像系統(tǒng)在0.1 THz~4 THz范圍內(nèi)對(duì)脫水的乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)太赫茲成像可以成功區(qū)分正常的乳腺組織與癌變組織(圖4)。研究還在太赫茲脈沖成像系統(tǒng)上比較了太赫茲反射與透射成像模式，結(jié)果顯示組織黏附、厚度偏差等引起的相位變化對(duì)組織特性的計(jì)算影響較小，相比之下，反射成像顯示出更高的成像分辨率和靈敏度，并且能夠顯示不同密度癌細(xì)胞之間的對(duì)比。

雖然太赫茲離體組織成像能夠?qū)ι锝M織進(jìn)行有效診斷，但這些處理的手段的缺點(diǎn)是顯而易見的，首先適用于活體成像研究，存在很大的局限性；其次脫水和冷凍等手段可能會(huì)改變組織的生物結(jié)構(gòu)，不利于精確診斷[23]。

圖4 浸潤(rùn)導(dǎo)管癌的(a) 病理圖像；(b) 太赫茲時(shí)域圖像；(c) 1.5 THz頻域圖像；(d) 2.0 THz頻域圖像[4]

圖5 (a) 新鮮切除的腫瘤組織；(b) 相應(yīng)的太赫茲圖像[26]

4 太赫茲活體組織成像

基于異常組織和正常組織在水分含量和組織結(jié)構(gòu)上可能存在差異，太赫茲波能夠通過成像方式進(jìn)行分辨。例如，癌變或其他病變組織由于血管增多或水腫會(huì)導(dǎo)致組織含水量較高，太赫茲波能夠?qū)⒒铙w或新鮮組織中的癌癥組織區(qū)分開來。但是大多生物組織都存在于水環(huán)境或含有水的環(huán)境中，太赫茲波在透射過程中會(huì)不斷衰減，導(dǎo)致其很難穿透一定厚度的生物樣品，所以相關(guān)研究主要針對(duì)數(shù)百微米以內(nèi)的淺表組織，例如燒傷、皮膚病診斷等領(lǐng)域[24-25]。

目前，在神經(jīng)外科手術(shù)中，使用常規(guī)的術(shù)中診斷工具，如MRI或熒光光譜成像等傳統(tǒng)成像技術(shù)很難清晰地識(shí)別腫瘤邊界，而太赫茲成像在腫瘤邊緣的識(shí)別中則具有很大的潛力。Wallace課題組[26]分別在體內(nèi)外用便攜式太赫茲脈沖成像系統(tǒng)在0.1 THz~3 THz對(duì)基底細(xì)胞癌的多個(gè)樣本進(jìn)行了成像，發(fā)現(xiàn)癌變組織與正常組織的差異明顯(圖5)，且所得到的成像對(duì)比度足以判斷癌變組織的邊界。增加系統(tǒng)的頻率可以提高分辨率，但會(huì)降低穿透深度，當(dāng)頻率為3 THz時(shí)，系統(tǒng)的橫向分辨率為150 μm。這項(xiàng)研究也首次證明太赫茲成像可以在體內(nèi)檢測(cè)癌癥。

通過太赫茲脈沖成像系統(tǒng)在0.15 THz~2.0 THz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行成像，太赫茲?rùn)z測(cè)腫瘤邊緣的可行性也在新鮮切離的乳房組織中得到了檢驗(yàn)[27-28]，研究結(jié)果表明，太赫茲脈沖成像可以應(yīng)用于乳腺腫瘤的術(shù)前和術(shù)中定位，能夠最大限度地保護(hù)正常組織不被切除。圖6顯示了新鮮切除乳腺腫瘤體外太赫茲脈沖成像結(jié)果。同樣，太赫茲圖像中觀察到的對(duì)比度的來源主要與異常組織中水分含量的增加有關(guān)。波爾多大學(xué)的Quentin等人[22]還在0.3 THz~0.6 THz頻段用分辨率為1 mm的太赫茲反射成像系統(tǒng)對(duì)新鮮的乳腺腫瘤進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明這個(gè)頻段的太赫茲波也能夠較好地區(qū)分組織，為在這個(gè)波段的太赫茲近場(chǎng)成像打下基礎(chǔ)。

太赫茲對(duì)術(shù)中惡性腦腫瘤的診斷同樣取得了顯著的進(jìn)展。韓國(guó)首爾延世大學(xué)的Oh等[29]通過分辨率為250 μm的太赫茲反射成像系統(tǒng)在0.3 THz~1.3 THz頻段對(duì)新鮮的大鼠全腦組織(正常大腦與腦膠質(zhì)瘤)進(jìn)行成像，并與MRI結(jié)果進(jìn)行比較(圖7)，發(fā)現(xiàn)二者吻合度較好，腫瘤區(qū)域的反射強(qiáng)度均大于正常組織。其次，研究還發(fā)現(xiàn)太赫茲成像還對(duì)大腦的灰質(zhì)區(qū)與白質(zhì)區(qū)有較好的區(qū)分，能夠用于研究大腦的定性結(jié)構(gòu)。2016年，該課題組通過該系統(tǒng)對(duì)新鮮小鼠和人體的腦膠質(zhì)瘤組織樣本，以及活體小鼠進(jìn)行了成像[30]，證明太赫茲反射成像對(duì)腦組織腫瘤的邊緣的識(shí)別和描繪具有較高的靈敏度，從而能夠在手術(shù)中劃定腫瘤邊界，進(jìn)行全切除手術(shù)。

天津大學(xué)的Wu等[15]同樣用橫向分辨率為600 μm的連續(xù)波太赫茲反射成像系統(tǒng)，以2.52 THz的頻率在活體小鼠腦內(nèi)進(jìn)行了太赫茲成像，發(fā)現(xiàn)太赫茲成像除了與其它成像方式吻合較好以外，由于能夠反映周圍的水腫區(qū)域，太赫茲波顯示的區(qū)域要更大。此外他們還利用分辨率為2 mm的太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)對(duì)新鮮切除的小鼠腦組織，在0.6 THz~2.8 THz頻率處成像，結(jié)果表明，隨著太赫茲波頻率的增大，癌癥組織與正常組織的差值也隨之增大，因此能夠?yàn)槟[瘤的切除提供良好依據(jù)。

圖6 (a)，(b) 通過兩種不同的太赫茲波形處理方法計(jì)算的太赫茲圖像；(c) 組織的病理學(xué)檢查圖像[28]

圖7 小鼠腦(腦膠質(zhì)瘤)的光學(xué)、MR以及太赫茲圖像[29]

燒傷導(dǎo)致傷口的內(nèi)部和周圍存在水腫和炎癥，所以還可以通過太赫茲成像來診斷燒傷的深度和范圍。加州大學(xué)洛杉磯分校的Tewari等[31]利用太赫茲反射成像系統(tǒng)，觀察了活體鼠燒傷后創(chuàng)面內(nèi)外水腫的形成，發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)間下觀察的圖像由于水含量的變化呈現(xiàn)出不同的清晰程度。華盛頓大學(xué)的Hassan等[32]則用太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)在0.1 THz~1 THz頻段對(duì)大鼠的燒傷組織的活檢樣本進(jìn)行了成像，成像光斑直徑為2 mm。他們發(fā)現(xiàn)不同燒傷等級(jí)的太赫茲反射率不僅與組織中的總含水量一致，而且與皮膚層結(jié)構(gòu)的密度有關(guān)，圖像中離散的正常皮膚結(jié)構(gòu)(如微血管系統(tǒng)、汗腺和毛囊)數(shù)量和大小的減少也可以作為判斷燒傷等級(jí)的依據(jù)。因此對(duì)于磨損、割傷之類含水量變化較少的疤痕，太赫茲成像也能通過結(jié)構(gòu)之間的差異觀測(cè)到對(duì)比情況，來區(qū)分疤痕的類型和監(jiān)測(cè)愈合的情況[21]。

圖8 小鼠耳朵的太赫茲透射近場(chǎng)成像。(a) 光學(xué)圖片；(b) 顯示實(shí)測(cè)透射率的原始太赫茲近場(chǎng)圖像；(c) 處理后的歸一化太赫茲透射圖像[20]

圖9 口腔樣本的(a) 光學(xué)圖像；(b) -20 ℃太赫茲成像和(c) 室溫太赫茲成像；(d) 病理學(xué)圖像(組織學(xué)圖像中癌區(qū)以藍(lán)色圈標(biāo)記)[33]

由于太赫茲波在體內(nèi)的穿透深度的限制，大部分研究都只針對(duì)體表組織的反射成像，透射成像則一般只在較薄的組織中進(jìn)行。臺(tái)灣大學(xué)的Tseng等[20]利用分辨率為500 μm的太赫茲近場(chǎng)透射成像系統(tǒng)在0.34 THz對(duì)裸鼠耳組織進(jìn)行了活體成像，圖像中的血管可以被清晰分辨，同時(shí)該系統(tǒng)還可以定量監(jiān)測(cè)血液吸收系數(shù)的變化，以對(duì)體內(nèi)血液中的生理變化進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)(圖8)。

針對(duì)太赫茲波在活體組織中穿透深度有限的問題，研究人員提出了一些改進(jìn)方法。例如，由于太赫茲波被冰吸收的速率大大低于液態(tài)水，快速冷凍樣品既可以保持細(xì)胞和組織的完整結(jié)構(gòu)，也能增加太赫茲波的穿透深度。2013年普林斯頓大學(xué)的Sim等[33]通過太赫茲反射成像系統(tǒng)在0.2 THz~1.2 THz范圍對(duì)口腔腫瘤進(jìn)行了成像，該系統(tǒng)的分辨率為0.25 mm(圖9)。通過在-20 ℃下冷凍組織成像以消除新鮮組織血液中水分的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷凍組織的口腔癌和正常粘膜之間太赫茲頻譜的差異比室溫太赫茲成像更大，說明冷凍組織的太赫茲成像在區(qū)分癌變組織和周圍組織方面具有更高的敏感性。

除此之外，增加太赫茲波在體內(nèi)的穿透深度還可通過將生物相容且太赫茲吸收率較低的滲透增強(qiáng)劑(THz-PEA)滲透入表皮中。如將甘油作為THz-PEA時(shí)，太赫茲波在活體中的反射信號(hào)大約是不添加甘油的兩倍[9]?；蛘呖梢灾圃煲环N微型內(nèi)窺鏡，內(nèi)置到人體后能夠進(jìn)行體內(nèi)的太赫茲反射成像，這樣的內(nèi)窺鏡信噪比高，頻譜寬，與傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)相似[8]。

5 太赫茲醫(yī)學(xué)成像造影劑研究

增強(qiáng)太赫茲活體成像對(duì)比度的另一種較為有效的方法就是使用特殊的造影劑來提高成像的對(duì)比度。像磁共振成像(MRI)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描、正電子發(fā)射斷層掃描和使用熒光或生物發(fā)光的光學(xué)成像技術(shù)等方法類似。造影劑通常用于增強(qiáng)健康和病理組織區(qū)域或分子的圖像對(duì)比度，通過使用造影劑，將有可能通過靶向腫瘤和使用更高的太赫茲頻率來提高癌癥診斷的敏感性，這將使成像分辨率大幅度提高。

自2008年來太赫茲的生物成像造影劑被提出[34]以來，許多可以被用作太赫茲成像造影劑的納米材料得到了研究與應(yīng)用。金納米棒(gold nanorods, GNRs)作為研究較多的造影劑之一，它沿長(zhǎng)軸的等離激元共振具有由可見光到近紅外區(qū)連續(xù)可調(diào)諧的等離子體波長(zhǎng)，使其可用于不同激發(fā)波長(zhǎng)特別是在近紅外區(qū)的成像(圖10)。同時(shí)GNRs的表面易修飾，還可以很容易地與各種生物基團(tuán)或是化學(xué)分子結(jié)合以實(shí)現(xiàn)功能化，且GNRs不易發(fā)生光漂白，這使得它們能夠成為非常穩(wěn)定的造影劑。

由于納米粒子的尺寸比太赫茲波長(zhǎng)小3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此納米粒子與太赫茲波之間幾乎不會(huì)產(chǎn)生相互作用，但太赫茲波的吸收、反射等特性對(duì)水或含有大量水的細(xì)胞的溫度變化很敏感，GNRs就是通過光熱效應(yīng)來升高周圍環(huán)境的溫度，從而增強(qiáng)太赫茲波的反射強(qiáng)度。如圖11，通過近紅外激光照射GNRs時(shí)，由于GNRs的局域表面等離共振效應(yīng)，在近紅外光頻率與GNRs的共振頻率相近時(shí)，表面等離激元共振產(chǎn)生的熱能會(huì)使周圍的液體環(huán)境快速升溫，溫度的升高改變了水分子和氫鍵的振動(dòng)模式，從而提高了GNRs所在區(qū)域?qū)μ掌澆ǖ姆瓷鋸?qiáng)度。基于該機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射式太赫茲成像信號(hào)的增強(qiáng)。

2009年首爾大學(xué)的Oh等[10]首次使用了GNRs作為太赫茲的生物成像造影劑，從人表皮樣癌細(xì)胞系(A431)中提取細(xì)胞，分別針對(duì)有GNRs和沒有GNRs的細(xì)胞通過掃描分辨率為500 μm的太赫茲反射成像系統(tǒng)進(jìn)行成像(圖12)，并利用波長(zhǎng)為800 nm的近紅外光照射激發(fā)GNRs表面等離共振產(chǎn)生光熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于GNRs引起的太赫茲波的反射或吸收可以忽略不計(jì)，所以從水中反射的太赫茲信號(hào)無(wú)論有無(wú)GNRs都基本相同。但如果同時(shí)用近紅外激光照射含有及不含有GNRs的細(xì)胞樣品，添加了GNRs的癌細(xì)胞對(duì)太赫茲信號(hào)反射振幅增加了20%。

此后研究人員進(jìn)一步將成像對(duì)象由細(xì)胞擴(kuò)大為活體小鼠，通過在GNRs上進(jìn)行一定的分子修飾實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的靶向。經(jīng)由小鼠靜脈注射，在24 h后開展成像實(shí)驗(yàn)[35]，并與近紅外成像(NAI)做了對(duì)比[36]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太赫茲成像可以分辨出靶向腫瘤的位置和大小；將不同器官組織切除取出后則可以看到造影劑的分布(圖13)，其中腫瘤、肝臟和脾臟中含量較多，說明造影劑會(huì)通過小鼠的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)腫瘤，在被腎臟清除前會(huì)先殘存在肝臟和脾臟中。

由此可以看到，利用納米粒子造影劑能夠進(jìn)一步提高成像的對(duì)比度，從而實(shí)現(xiàn)更高對(duì)比度的活體組織成像診斷[37]。

雖然使用GNRs作為太赫茲成像造影劑可以明顯提高成像對(duì)比度，但是其在制備過程中，通常會(huì)使用具有生物毒性的表面活性劑分子(如CTAB)作為模板。為了進(jìn)一步提高其臨床應(yīng)用性能，四川大學(xué)的Huang等[13]使用二氧化硅對(duì)GNRs進(jìn)行包覆，并且在前列腺癌細(xì)胞中用太赫茲反射成像系統(tǒng)進(jìn)行太赫茲成像實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，二氧化硅的包覆能夠同時(shí)提高GNRs的生物相容性、穩(wěn)定性以及細(xì)胞吞噬的性能，并且對(duì)太赫茲的反射信號(hào)有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，從而大大提高了GNRs作為太赫茲成像造影劑的應(yīng)用前景。

圖10 長(zhǎng)徑比為(a) 3.2；(b) 4.0；(c) 4.2的GNRs透射電鏡圖；(d) (a)～(c)的紫外可見吸收光譜[10]

圖11 GNRs增強(qiáng)太赫茲成像原理示意圖[21]

圖12 有無(wú)GNRs的癌細(xì)胞太赫茲成像。(a) 光學(xué)圖像；(b)沒有紅外輻射照射下的圖像；(c) 紅外輻射照射下的圖像[10]

圖13 體內(nèi)和體外腫瘤的太赫茲圖像。(a)，( b) 體內(nèi)腫瘤的光學(xué)圖像；(c) 體內(nèi)腫瘤的太赫茲圖像；(d) 腫瘤、肝臟、脾臟、腎臟和大腦切片的光學(xué)圖像；(e) 切片的太赫茲圖像[36]

除了GNRs以外，還有一些納米材料被研究作為太赫茲的醫(yī)學(xué)成像造影劑。首爾大學(xué)的Lee等[11]使用了納米氧化釓顆粒作為太赫茲成像的造影劑，并通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測(cè)量了氧化釓顆粒的光學(xué)常數(shù)。氧化釓最初被認(rèn)為是適合MRI的多功能造影劑，但因?yàn)檠趸弻?duì)太赫茲波能產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，比水的吸收強(qiáng)度還要大約3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以它也能作為太赫茲成像的造影劑，且成像對(duì)比度較高，并且隨著氧化釓顆粒尺寸減小，成像的對(duì)比度也會(huì)更高。Cristian等[38]通過對(duì)氧化釓納米顆粒進(jìn)行一定的修飾，在MRI與太赫茲成像中進(jìn)行了細(xì)胞成像對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧化釓對(duì)MRI圖像對(duì)比度的影響有限，但太赫茲的成像對(duì)比度會(huì)隨著納米粒子濃度的增加而增強(qiáng)，可以看到更好的效果。

Zhang[12]使用了超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIO)作為太赫茲生物成像的造影劑，在0.2 THz頻點(diǎn)的連續(xù)太赫茲波反射成像系統(tǒng)上進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)的分辨率為500 μm。通過外加交變磁場(chǎng)的激勵(lì)，由于磁熱效應(yīng)，SPIO會(huì)加熱周圍的水環(huán)境，升溫造成太赫茲波反射信號(hào)增強(qiáng)，從而提高太赫茲成像的對(duì)比度。首爾大學(xué)的Park等[39]則將SPIO用作為太赫茲成像與MRI的一種雙成像造影劑進(jìn)行了比較，并在小鼠體內(nèi)利用分辨率為250 μm的太赫茲反射成像系統(tǒng)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。圖14顯示，二者都顯示出了腫瘤的形狀，表現(xiàn)為太赫茲反射強(qiáng)度的增加和MRI圖像的變暗，且兩者的信號(hào)強(qiáng)度均隨SPIO的濃度而增大。結(jié)果表明，二者都具有良好的成像分辨率，但太赫茲成像可用于對(duì)手術(shù)過程中的監(jiān)測(cè)，相較于MRI成像具有無(wú)損、實(shí)時(shí)、可視的特點(diǎn)。

圖14 含或不含納米粒子的前列腺癌細(xì)胞及對(duì)照組。(a) 光學(xué)圖像；(b) 在沒有近紅外激光照射的情況下獲得的太赫茲圖像；(c) 近紅外激光照射后獲得的太赫茲圖像[13]

圖15 小鼠體內(nèi)腫瘤注射SPIO 24小時(shí)后的太赫茲(上)及MRI圖像(下) [37]

阿肯色大學(xué)的Bowman等人[40]則提出以碳基納米顆粒作為乳腺癌太赫茲成像的潛在造影劑，不像GNRs、SPIOs那樣需要外部的激勵(lì)，碳基納米顆粒通過吸收太赫茲波產(chǎn)生的熒光效應(yīng)能夠直接進(jìn)行對(duì)比成像。研究人員分別使用了微米金剛石、納米金剛石(NDs)和納米尺度洋蔥狀碳(OLC)經(jīng)過掃描分辨率為400 μm的太赫茲脈沖成像系統(tǒng)在0.1 THz~4 THz頻段進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，OLC與太赫茲信號(hào)的相互作用最明顯，并且易被功能化修飾從而選擇性地靶向癌細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)成像。但由于對(duì)OLC的生物毒性的研究較少，他們只在乳腺腫瘤模型中進(jìn)行了成像研究[41]，在新鮮組織中的測(cè)試還需要進(jìn)一步的研究。

6 總結(jié)與展望

太赫茲成像具有的無(wú)損性以及大量生物分子在太赫茲頻段的指紋特性使其具有許多傳統(tǒng)成像方式所不具備的特殊優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別生物組織結(jié)構(gòu)，并有可能在如腫瘤切除等手術(shù)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前已在離體組織和部分淺表活體組織成像中得到應(yīng)用。但是生物組織中主要存在的水分會(huì)對(duì)太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，影響成像對(duì)比度，導(dǎo)致太赫茲成像在活體內(nèi)的應(yīng)用受到限制。發(fā)展太赫茲成像造影劑有望改善或解決該問題。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步發(fā)掘更高效、穩(wěn)定且生物安全性高的太赫茲成像造影劑，有望促進(jìn)太赫茲醫(yī)學(xué)成像的快速發(fā)展和臨床應(yīng)用。

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Research progress of terahertz medical imaging

Yan Zhiyao1, Huang Wanxia1, Huang Qingqing1, Zou Yi2, Zhu Liguo2, Shi Qiwu1*

1College of Material Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610064, China;2Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China

Visual and terahertz images of whole brain of rats with glioma

Overview:Terahertz, ranging from 0.1 THz to 10 THz, is situated in the frequency regime between optical and electronic techniques. Recently, with the rapid development of terahertz technology, it is widely applied in several fields such as material science, physics, chemistry, biology, and medicine. Due to the unique characteristics including low photon energy, excellent penetration ability through non-conducting materials and distinctive molecular fingerprints identification, terahertz medical imaging has become a promising imaging modality to date. It has been a significantly complementary medical imaging method, compared to other methods like magnetic resonance imaging (MRI), computed X-ray tomography (CT) and positron emission tomography (PET). And there has been an increasing interest in terahertz imaging for medical applications within the last few years, meanwhile, more and more terahertz imaging studies are being reported. In this review, we present a brief introduction on the terahertz imaging systems, and the applications of terahertz medical imaging from in vitro to in vivo.The essential mechanisms of terahertz medical imaging are based on the differences in water content and structural variations of tissues. But the abundant water in living tissues will strongly absorb terahertz wave, and lead to severely deteriorated imaging contrast. As a result, the terahertz medical imaging is mainly used in vitro or epidermal tissues. In most cases, the in vitro tissues should be pretreated with the processes including frozen sections, paraffin sections and so on. Many tissues have been studied by terahertz medical imaging in both human and animal models. Particularly, cancerous tissues of digestive system, reproductive system, integumentary system and respiratory system are focused. Brain, liver, breast tumors, for example, have been studied after different pretreatments. Fresh tissues directly excised from these tumors are also utilized to assess both water content and structural variations. While applied in vivo, skins are the main detected projects due to the penetration limit caused by water. In addition, some other methods have also been proposed to promote the application of terahertz medical imaging in the living body, such as endoscopy and penetration enhancing agents. Particularly, the nanoparticles contrast agents for terahertz medical imaging have been developed recently. This review concluded investigation of these contrast agents, including gold nanorods, gadolinium oxide nanoparticles, and superparamagnetic iron oxide nanoparticles. It seems that these contrast agents could enhance the imaging contrast largely, and would promote the application of terahertz medical imaging in vivo. Finally, the future development of terahertz medical imaging is prospected.

Citation: Yan Z Y, Huang W X, Huang Q Q,. Research progress of terahertz medical imaging[J]., 2020,47(5): 190721

Research progress of terahertz medical imaging

Yan Zhiyao1, Huang Wanxia1, Huang Qingqing1, Zou Yi2, Zhu Liguo2, Shi Qiwu1*

1College of Material Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610064, China;2Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900, China

Terahertz wave has non-destructive nature and fingerprint characteristics for a large number of biomolecules, thus has a good application prospect in the field of medical imaging. In this review, we presented a brief introduction on the terahertz medical imaging systems, and the applications of terahertz medical imaging in biological tissues from in vitro to in vivo. Terahertz wave can be strongly absorbed by water, then the terahertz imaging contrast will be severely deteriorated in vivo. So the terahertz medical imaging was mainly used for detecting epidermal tissues or biological tissues with pretreatments, including excision, dehydration and so on. This review also concluded the recent development of nanoparticle contrast agents for improving the contrast of terahertz imaging in vivo. Finally, the future development of terahertz medical imaging was predicted.

terahertz; medical imaging; contrast; contrast agents

TN29；R318.6

A

嚴(yán)芷瑤，黃婉霞，黃青青，等. 太赫茲醫(yī)學(xué)成像研究進(jìn)展[J]. 光電工程，2020，47(5): 190721

10.12086/oee.2020.190721

: Yan Z Y, Huang W X, Huang Q Q,Research progress of terahertz medical imaging[J]., 2020, 47(5): 190721

* E-mail: shiqiwu@scu.edu.cn

2019-12-05；

2020-03-09

嚴(yán)芷瑤(1997-)，女，碩士研究生，主要從事納米功能材料制備與應(yīng)用的研究。E-mail：754368485@qq.com

施奇武(1985-)，男，博士，副教授，主要從事釩鈦氧化物制備、相變性能與機(jī)制；材料與太赫茲波交互作用的研究。E-mail：shiqiwu@scu.edu.cn

版權(quán)所有?2020中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所