太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用

太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面应用 太赫兹波 teraliertz wave 通常是指频率为 0 1 一 10 0TH 的电磁波 该波段介于微波和红外线之间 因此低频太赫 兹波也称作亚毫米波 而高频部分则称作远红外线 太赫兹波 具有微波和红外线的优点 实现了二者功能的互补 首先 太 赫兹波信号具有良好的时间分辨率 但同时与微波相比还具有 很好的空间分辨率 很多生物大分子的振动和转动能级都位于 该波段 因此太赫兹波具有在生物医学领域应用的基础 其次 太赫兹波具有定的穿透性 能穿透陶瓷和塑料等物质 因此能 够探测定深度的生物组织信息 最为重要的是 太赫兹波的光 子能量极小会像 x 射线样产生电离效应 小会对生物组织和机 体造成破坏 太赫兹波的这些特点使其在生物医学领域的应用 逐渐得到重视 并取得了定的进展 在众多生物医学领域的研究中 肿瘤的诊断治疗无疑是研 究的重点之 2011 年 CA 临床医师癌症杂志 两次更新了全 球及美国癌症统计数据 癌症患者人数明显上升 癌症己成为发 达国家的首位死亡原囚 发展中国家的第 2 位死亡原囚 癌症 的早期诊断及早期治疗是提高肿瘤治愈率和降低肿瘤患者死亡 率的关键所在 尽管影像学检查是肿瘤早期诊断的重要手段之 一 但病理学检查 H 以来是肿瘤诊断的金标准 该方法在定程 度上受病理医生诊断经验的影 向 并有定的创伤性 小能作 为肿瘤筛查或者常规检查项目 囚此 寻找相对安全 便捷 特异度和敏感度均佳的肿瘤诊断方法 H 是肿瘤预防 诊断和 治疗领域的难题 本文总结了太赫兹成像技术在肿瘤检测领域的诸多进展 以期提供个新的视角和方向 对临床肿瘤检测方法进行有益的 探索 1 1 太赫兹光谱成像的原理太赫兹光谱成像的原理 根据太赫兹源的不同 太赫兹系统分为连续波形和脉冲波 形 连续波使用的是固定频率 需要的太赫兹波能量相对较大 对太赫兹源和探测都有定的要求 脉冲波形系统频碧范围较宽 较容易实现 应用也较为广泛 其中太赫兹时域光谱技术 teraliertz time domain spectroscopy Thz TDS 是发展最早 应用较为成熟的技术 连续型和脉冲型波的探测原理基本相同 即己知波形的太赫兹波透过样品或从样品反射后包含了样品复 介电常数的空间分布 采集并处理透射或反射过来的太赫兹波 的强度和相位信息 就能得到样品的空间分布和组成特性 再 进一步进步通过数字处理就叫得到图像 根据样品探测方式不同 太赫兹系统分为透射式和反射式 两种 图 1 所示为透射式系统 反射式系统结构与此类似 只 是其探测的是从样品反射的信号 两种系统的工作原理相同 即山锁模飞秒激光器发射的激光脉冲被分束器分成两束 束为抽 运光 用来激发发射元件而产生太赫兹波 另束为探测光 用来 探测太赫兹脉冲的电场振幅 延迟线 delay line 的作用在于 保持两束光的光程差相等 而斩波器 chopper 和锁相放大器 lock in amplifier 的作用是消除环境噪声对信号进行放大 控制装置控制整个系统的机械运行 最终将采集的数据传至计 算机 computer 实验得到的数据分为时域和频域两种形式 相应地对应时域成像和频域成像 反射式检测相对耗时少 操 作方便 同时山于太赫兹光谱在 1 THz 以上 叫以实现更高分 辨率的成像 囚此在医学临床应用和快速检测方而更具有潜力 太赫兹光谱成像技术的优势体现在其具有指纹识别的特点 主要应用在毒品 危险品及生物大分子等的检测方而川 许多 分子之间弱的相匀作用力 生物分子的骨架振动以及品体中品 格的低频振动吸收止好位于太赫兹波频段范围 而 I I 太赫兹 波对探测物质结构存在的微小差异和变化非常敏感 即特异性 较强 汪帆等困总结了太赫兹在生物大分子研究中的应用 运 用该技术叫以研究蛋自质 糖类和核酸等的结构和动力学特性 太赫兹波应用于癌变成像的特异性应体现在数据分析中 即分 析小同癌变组织叫能具有小同的生物大分子结构 这也是口前 研究者止在努力探寻的方向 虽然现有技术的敏感度还小能达 到显微镜水平 20 一 200 微米 但随着该技术均理论和实验日 渐成熟 相信其检测的特异度和敏感度都会有所提高 太赫兹成像技术用于肿瘤检测的医学依据 方而也是基于 肿瘤细胞新陈代谢田盛 核酸等大分子的含量较止常组织多 Li 等 fu7 通过分子动力学模开 证实了 nNA 双链中存在着大量 的活跃低频声子模式 囚此 太赫兹波对肿瘤组织中 nNA 的频 繁结构变化非常敏感 这也是太赫兹波用于检测肿瘤具有特异 性的原囚之 另方而 细胞癌变的病囚在于细胞的异常增殖 该过程需要物质基础 囚此细胞中细胞器含量增加 山此带来 的细胞中水含量和 水状态的变化能被太赫兹波敏感地捕捉到 2 2 太赫兹成像技术在肿瘤研究领域的应用太赫兹成像技术在肿瘤研究领域的应用 2 1 皮肤基底细胞癌 basal cell carcinoma BCC BCC 是皮肤癌最常见的类刑之 多见于头皮和而部等部位 囚为 BCC 位置表浅 叫以避开太赫兹波传播的景深限制 所以 是太赫兹成像技术应用较早的领域之 2002 年 Woodward 等 cc 首次报道了太赫兹脉冲成像技术在皮肤及相关癌症检测中 的应用 研究结果显示山于太赫兹波对极性分子如水分子等敏 感 囚此通过该技术研究皮肤中的水化程度 以及术前精确检 测肿瘤边缘 叫以很好地 x 分肿瘤 炎性反应以及止常组织 这研究成果小仅为太赫兹波医学检测首开先河 同时也为以后 的研究奠定了基石出 为 I 史好地从理论上解释所得 iJ IYJ i 线和 ICI 像 2004 年 Wallace 等叫又做了进步的验证实验 口的之是验证太 赫兹成像技术对肿瘤组织和止常组织的 Ix 别能力 口的之二 是探索该方法能否简化术前对肿瘤边缘的鉴定工作 研究者对 18 个体外和 5 个活体 BCC 样本进行了成像实验 结果表明肿瘤 组织和健康组织反射出的太赫兹波特性小同 肿瘤组织的脉宽 较宽 而 I I 太赫兹波成像中的肿瘤 Ix 域与病理诊断的结果 吻介性较好 相对于脉冲式太赫兹成像系统 连续式太赫兹成像系统操 作简单 成本较低 2011 年 Josepli 等 Uo7 探讨了连续刑透射 式太赫兹波用于皮肤 BCC 检测的叫行性 在实验中 所使用的 频率为 1 39 和 1 63 THz 采用新鲜的肿瘤组织 并在 24 li 内完成实验 实验中 将样本置于 pH 平衡的 0 9 氯化钠溶 液中以防比组织脱水 成像分辨率在 1 4 THz 时为 0 39 uuu 在 1 6 THz 时为 0 49 uuu o 为了进行进步的评估 样品均经苏木精一伊红染色处理 实验结果表明 在所有测量 样本中 太赫兹波透过率下降的 Ix 域均对应着组织病理学上 的肿瘤 Ix 域 其中止常组织和肿瘤组织的透过率差异达 60 囚此认为该方法用于术前确定肿瘤界限是叫行的 2 2 乳腺癌生物组织中的应用 水分对太赫兹波的吸收较大 如果止常和病变组织含水分 过多 则太赫兹成像的差别并小明显 山于乳腺中多为脂肪组 织 含水量较少 太赫兹成像的差别较大 囚此乳腺癌的检测 也是 THz 成像的应用领域之一 2006 年 Fitzgerald 等 fizz 对 22 例经 37 甲醛溶液固定的 乳腺癌组织标本进行太赫兹波检测实验 实验装置为脉冲刑反 射式 频率范围为 0 1 一 3 THz 平均功率为 100 nW 单个 标本大小为 20 uuu X 20 uuu 实验时间 0 835 THz IYJ 成像能够提 n 诊断的准确性 2011 年 Miura 等利用 GaP 太赫兹源 频碧范围为 1 一 6 THz 对 转移性川癌进行成像研究 证实了上述研究结果 太赫兹成像技术在