2023太赫兹医学成像

2023太赫兹医学成像

太赫兹（太赫兹=1012Hz）光谱学由于其独特的功能，如活细胞的非

侵入性和无标记鉴定和医学成像，在生物医学研究中显示出巨大的潜力。

太赫兹（THz）医学成像已在体外和体内得到广泛探索，并已证明有可能

成为补充现有医疗的独特工具成像方法。太赫兹医学成像在体内的一个

根本限制是水对太赫兹的强烈吸收。已经提出了一些智能纳米粒子作为

成像造影剂，这提出了一种克服恶化的方法活体中的太赫兹成像对比度。

近年来，新型太赫兹成像方法的发展应促进体内应用，如太赫兹全息成像

和近场成像。太赫兹（THz）辐射在医学成像中引起了相当大的关注由于

其非电离和光谱指纹特征。迄今为止，大多数研究集中在体外和离体物

体上，因为体内水过度吸收太赫兹波，导致图像质量下降。

太赫兹辐射通常定义为电磁频谱的0.1-10THz（3.33-333厘米）

-1波数，或波长为30-3000pm）,它位于电磁频谱的微波和红外区域

之间。在过去的十年中，已经开发了众多太赫兹源，探测器和透射或反射

技术来探索光子学和电子学之间的"太赫兹差距"。5并已广泛应用于化学、

材料科学、生物医学、安检等应用6和沟通。太赫兹辐射具有适合生物医

学研究的独特性质，特别是可以激发低频分子振动，包括氢键、范德华或

其他非键相互作用。当太赫兹辐射通过生物分子传播时，每个生物分子在

太赫兹范围内产生其特征性的光谱振动特征。"太赫兹指纹"可用于基于太

赫兹光谱测量来识别和表征物体。同时，太赫兹成像在原位组织检测中显

示出区分正常组织和病理组织的关键优势。太赫兹光谱仪器和成像系统是

探测、分析和成像的必要条件。太赫兹光谱仪可以获得样品的振幅和相位

信息，可以转换为光学参数，如折射率、消光系数等，方便研究光学性质。

9现在，生物研究中普遍使用的太赫兹光谱主要有三种类型，包括傅里叶

变换光谱（FTSX光混合光谱仪和太赫兹时域光谱（THz-TDS\

傅里叶变换光谱

太赫兹共振光谱在过去受到限制，直到探索新的来源和探测器。最近，具

有更高光谱和空间分辨率的新型FTS已被用于亚太赫兹范围10-25厘米）

的细菌细胞表征-1）作为研究分子共振最常用的技术，FTS具有极宽频谱

覆盖范围的突出优势，通常从100GHz到5THz,尽管其信噪比（SNR）

相对较差。详细的介绍可以在之前关于FTS的评论中找到。

.光混合光谱仪

混光光谱仪通常包含一个GaAs感光体，其上用两个频偏激光器对叉指金

属电极进行图案化以产生连续波。典型光混合光谱仪的示意图如图所示该

系统包含两个光混合器，分别作为发射器和接收器。光混合光谱仪的分辨

率为500MHz,具体取决于频率步长，其动态范围也很高，通常在70.80

THz左右为0-1dB,在40.50THz时为1-0dB。因此，可以直接在透射

光谱中观察到不同的特征，而无需进一步计算相关的光谱参数。虽然这种

技术需要很长的测量时间，但由于其巨大的频谱密度和出色的频率分辨率,

它被认为是高精度、廉价且简单易懂的。

太赫兹时域光谱系统

太赫兹-TDS使用宽带太赫兹辐射的短脉冲，通常使用超快激光脉冲产生。

15通常,THz-TDS系统包含一个飞秒激光器，其补充速率接近100MHz,

以进一步产生一系列100fs激光脉冲。在1s的积分时间内，THz-TDS

系统的SNR在50到60THz之间的带宽中介于2和5dB之间。采

集时间为1min时，典型THz-TDS系统的频谱分辨率为50GHz0

当脉冲序列被分束器分成泵浦光束时，会产生太赫兹辐射和用于门控探测

器的探测光束.可以获得太赫兹电场，包括作为时间函数的振幅和相位信息。

因此，THz-TDS系统提供了时间分辨光谱分析，可以有效地抑制一些常见

的噪声源。

3.太赫兹成像系统

最近，太赫兹成像系统由于可视化和高安全性的关键优势而迅速发展，特

别是在医学领域。这里将介绍两种常见的太赫兹成像系统，包括太赫兹脉

冲成像（TPI）系统和连续波（CW）太赫兹成像系统。

3.1.太赫兹脉冲成像系统

TPI系统可以实现透射和反射模式下的成像。例如，TPI反射系统一般包

含飞秒脉冲激光器，18使用偏置的光电导天线操作以产生太赫兹脉冲，然

后将其收集、准直并聚焦到样品上。之后，收集反射和反向散射的太赫兹

脉冲并聚焦到无偏光导天线上，用于激光门控太赫兹检测。与TPI反射系

统不同，太赫兹波穿透TPI透射系统中的样品。在TPI反射检测中，太赫

兹波形在样品表面上的许多点上采集，并记录为每个像素的光学时间延迟

的函数。因此，TPI系统可以提供三维信息：x轴和y轴分别描述垂直和

水平尺寸，z轴代表延时尺寸。18尽管TPI系统需要长时间的扫描，但它

可以在时域中记录太赫兹波形，包括强度和相位信息，可用于获取目标的

更多详细信息。

3.2.连续波太赫兹成像系统

CWTHz成像系统还可以实现透射和反射模式下的成像。这无花果。2乙

举例说明了一个CWTHz反射成像系统该系统在感光体中将两个CW激

光器进行光混合。2两个高于带隙（可见光或近红外）波长的混合会产生

跳动，可以调制太赫兹差分频率下光电导开关的电导。此外，远红外激光

也可以用作光源。21与CWTHz透射成像系统不同，CWTHz波在CW

THz反射成像系统中对样品表面产生反射。22对于CW系统，由于源频

谱较窄，有时只有强度信息有用，因此数据结构和后处理相对简单，也使

其仅限于应用。同时，仅通过激光二极管就可以驱动整个CW系统，因此

可以使其更加紧凑和便宜。

4.太赫兹光谱在细胞检测中的应用

快速准确的检测对于早期诊断、细胞活性监测和人类保健极为重要。现有

的细胞检测方法主要依赖于标记技术，如流式细胞术、荧光分子断层扫描

和多光子显微镜，具有高灵敏度、高精度和选择性。然而，这些方法不可

避免地需要化学或生物标记，例如荧光团或核素，这会直接影响活细胞的

生物活性和功能，从根本上将现有细胞检测的能力限制在分子水平分辨率。

更重要的是，尽管包括各种光学、电化学和压电技术在内的无标记电池检

测方法已得到广泛应用，但潜在的辐射危害和有限的灵敏度仍然使它们引

起争议。总体而言，生命科学迫切需要一种无标记和非侵入性细胞活力进

化的替代方法。基于新兴仪器，高分辨率太赫兹光谱正在发展成为一种光

学、非侵入性、无标记和无试剂的技术，可用于活细胞的检测和鉴定。由

于其独特的功能，太赫兹光谱在活细胞检测

4.1.癌细胞的太赫兹光谱

自2010年以来，癌症是最常见的死亡原因，也是全世界死亡的主要原因

之一。23对于癌症治疗，早期诊断和定期监测是降低死亡率的有效方法。

最近，基于特征性癌症谱线鉴定的太赫兹脉冲光谱法实现了早期癌细胞的

微小变化监测。正常和患病组织细胞之间表观光学性质的区别在各个阶段

的肿瘤鉴定中具有重要意义。此外，新型高光谱和空间分辨率的太赫兹光

谱系统在测量细胞单层微小变化方面的应用得到了证明，实现了对癌细胞

的定量分析。重要的是，太赫兹系统在水合物状态下在人类癌细胞中的应

用已被广泛报道。活细胞中的水合状态已被证明与各种细胞活动有关。与

正常细胞相比，癌细胞中的自由水更多，结合水更少。重要的是，细胞水

合作用程度随着癌细胞恶性程度的增加而增加，这表明细胞内水合作用可

能是致癌的主要因素。已经解释说，增加水合作用可以促进细胞内过程的

加速，例如呼吸，这可以增强癌细胞使用营养物质的竞争优势。在过去的

十年中，越来越多的证据表明太赫兹光谱在检测癌细胞细胞内水合作用方

面具有优势。首先，细胞内水分子的弛豫过程和分子间拉伸振动模式在皮

秒或亚皮秒范围内，与太赫兹波的范围完全匹配。因此，已经证明电池的

介电响应可以通过太赫兹光谱。其次，太赫兹光谱可用于评估肿瘤细胞的

水合状态，无需复杂的氢化/笊置换或低温处理。第三，太赫兹波的电子能

量低，因此在测量肿瘤细胞的过程中不会造成明显的损伤，可以观察细胞

在生理条件下的水合状态。第四，太赫兹时域衰减全反射(THzTD-ATR)

光谱可以克服太赫兹波在液相环境中的强吸收，适用于肿瘤细胞中游离水

含量的检测。因此，太赫兹光谱非常适合通过信号特征识别癌细胞，实时

监测微小的结构变化，并通过研究肿瘤细胞中的细胞内水动力学来了解肿

瘤细胞的活性。整个过程具有实时、快速、无标记、无创等特点，有望开

发出新型临床分析工具。

4.2.血细胞的太赫兹光谱

有关体内必需物质和废物的定性和定量信息的血液常数可以促进包括癌

症在内的多种疾病的早期诊断。然而，太赫兹光谱对特征血细胞的研究在

文献中尚未广泛发现。由于太赫兹辐射被水高度吸收，水是血液的主要成

分之一，血液的太赫兹光谱由水决定，没有任何对临床应用有用的特定光

谱特征。事实上，在50-650厘米之间没有发现血清和水之间的光谱差异.

尽管如此，研究人员进一步研究了各种血细胞的光谱特征，试图找到特定

类型生物细胞的某些特征。研究表明，不同的血细胞在太赫兹范围内具有

其光谱特征，并且可以在太赫兹信号和母细胞浓度之间获得优异的线性,

展示了一种对血细胞进行定性和定量分析的新方法。同时，随着太赫兹辐

射在临床上应用的兴趣和前景日益浓厚，我们需要确保人体细胞中的能量

吸收不会对细胞造成损害。

4.3.细菌的太赫兹光谱

随着太赫兹技术在细菌检测中的应用越来越多，主要结构成分对整个细菌

或抱子特征的贡献的研究已经提出。基于细菌或泡子的小尺寸和低吸收系

数，太赫兹辐射可以在整个物体中传播，使细菌成分有助于物体的太赫兹

特征。31随后，在细菌、泡子和细菌成分方面进行了广泛的研究，以实现

对细菌的定性和定量分析。

细菌或泡子的光谱特征主要由细菌成分决定，如DNA、二毗咤酸（DPA）

和代谢物。特别是，细菌细胞和泡子的DNA对于它们的太赫兹特征可能

是必不可少的。一项研究发现，枯草芽泡杆菌DNA和泡子揭示了太赫兹

光谱中的共同特征。32此外，基于大肠杆菌DNA和细胞在吸收光谱中的

明显相似性，已经清楚地证明了DNA对细胞整体光谱的显着贡献，并进

一步归因于DNA中氢键的强吸收。

还详细研究了DPA的光谱特征。作为芽徇杆菌抱子的独特成分，越来越

多的证据表明可以通过DPA检测来检测芽泡杆菌抱子。DPA在苏云金芽

抱杆菌和球状芽抱杆菌之间具有共同的光谱特征。具体而言，DPA粉体在

1.54THz处的明显光谱特征与枯草芽抱子在1.538THz的特征峰一致。

同样，对细胞内代谢物的研究也表明，枯草芽泡杆菌细胞和细胞内代谢物

在太赫兹范围内具有独特的吸收特征，3这可能归因于细胞内代谢物中核

黄素的强烈吸收。35然而，尽管枯草芽泡子和细胞的吸收光谱密切相关,

但由于胞子比营养细胞具有更紧凑的结构，因此存在显着特征。

细菌的光谱特征也得到了普遍的研究。使用布鲁克FTIR光谱仪的初步研

究表明，透射光谱可以在1.7K的温度下测量3cm-1和10厘米-1

用于欧文氏草本杆菌和枯草芽泡杆菌冻干细胞。此外，FTS的频率范围为

10-25cm-1足够灵敏，可以揭示不同环境、不同类型细菌以及活细菌和

死细菌中生物细胞的特征光谱特征。372013年，构建了高分辨率0.3GHz

亚太赫兹振动频谱传感器原型，使所需的样品含量从毫克级到纳克级。

此外，还实现了细菌的定性和定量分析，检测限为104CFUML-1

通过太赫兹纤维通过太赫兹生物传感器获得，达到了现有检测方法的灵敏

度。太赫兹等离子体天线还根据它们在太赫兹范围内的不同介电响应实现

了对不同细菌的定量检测。此外，使用太赫兹超材料.采用基于550pm高

电阻硅衬底SRR图谱的太赫兹超材料对固相和液相细菌进行高灵敏度检

测。太赫兹生物传感的另一个应用是深入了解活细菌和死细菌之间的光谱

差异，这是由于细胞成分结构的不可逆转化的结果。

4.4.前瞻性意见

尽管在细胞和细菌的临床检测方面具有巨大的潜力，但太赫兹光谱仍处于

发展的早期阶段。"光谱指纹数据库”是识别未知物体的先决条件。但是，

建立一个能够突破瓶颈的标准化检测系统非常重要。另一方面，研究人员

很难解决从复杂背景中筛选目标光谱指纹并消除干扰信号的问题。尽管现

有的傅里叶变换红外光谱和太赫兹-TDS系统未能满足要求，但太赫兹等

离子体天线和超材料可以在太赫兹范围内基于其不同的介电响应来实现。

因此，建立高灵敏度、高特异性太赫兹传感器将是太赫兹波用于细胞检测

的未来发展方向。

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5.太赫兹光谱和成像在组织中的应用

5.1.组织的太赫兹光谱

随着人们对开发太赫兹技术的兴趣日益浓厚，它促进了太赫兹光谱可

用于检测和区分健康、脱水、烧伤和病理组织。由于在亚皮秒到皮摄农的

水面上和生物分子的振动运动在同一时间尺度上操作的前所未有的能力,

太赫兹光谱允许对这些动态进行时间分辨。止匕外，太赫兹光谱还允许测量

振幅和相位信息，这与组织的吸收系数和折射率直接相关。由于这些特点，

太赫兹光谱显示出其在组织检测方面的潜力。然而，新鲜组织的主要成分

是水，例如皮肤组织（按体积计为-70%），在太赫兹频率（u一个=300厘

米-1,在1.5THz\42为了避免水的强光吸收效应，已经开发了不同的

组织制备方法，例如石蜡，冷冻和福尔马林固定组织。最近，来自癌症患

者的石蜡包埋组织似乎显示出比健康组织更高的吸收系数和折射率.，此外,

还经常测量快速冷冻组织以减少水的影响，大量数据显示阿尔茨海默氏症

患者的组织比正常组织表现出更少的吸收。同样，对水的强光吸收只导致

几毫米在生物组织中的渗透，因此太赫兹体内光谱的应用仍然停留在生物

组织的表面。同时，强吸水性也是有益的，因为它为软组织造影提供了一

种灵敏的方法。在各种皮肤组织中可以显示出显着不同的吸收系数和折射

率，5具体而言，健康皮肤、发育不良痣和非发育不良痣的不同介电参数

清楚地表明了早期、无创诊断色素性皮肤痣的可能性。

5.2.组织的太赫兹成像

基于太赫兹透射的成像已被用于检杳水、生物分子和生物组织的动力学。

与组织的太赫兹光谱类似，基于太赫兹透射的成像通常在冻干组织或薄组

织切片（WOpm）上进行。47-49该方法的主要问题是受组织的水合水平

和形态的影响很大，降低了测量的准确性。对于这些因素，反射几何形状

是生物组织的体内和体外太赫兹测量的首选。

已经开发了几种基于反射的太赫兹成像系统，用于生物组织的非侵入性检

测，广泛用于比较含水量变化，诊断特定类型的癌症以及评估烧伤组织的

深度和严重程度。由于血管或水肿增加，癌组织或其他病变组织可能含有

更高的含水量，因此太赫兹成像已显示出区分组织类型的潜力。同时，通

过TPI反射系统区分了大鼠组织之间的不同健康器官。此外，最近的一项

模拟研究发现，InN增强太赫兹成像能够根据微小的含水量变化对早期皮

肤癌进行超高灵敏度诊断。50

使用太赫兹成像系统也清楚地解析了血管和角膜组织的含水量，有望在体

内长期监测血液变化和定量测量角膜组织含水量。此外，福尔马林固定后

各种组织之间的差异仍然显着，这表明这种差异不仅是由于含水量的变化,

而且是由于结构的变化。此外，基于较高的太赫兹反射强度，新鲜的人早

期胃癌组织已与正常粘膜区分开来，与病理图像非常吻合，但印戒细胞癌）.

值得注意的是，使用CWTHz数字在线全息术在吸收和相移分布（无花果。

5乙）.55更重要的是，通过拒绝菲涅耳反射而没有来自玻璃-空气界面的样

品信息，非黑色素瘤皮肤癌的交叉偏振太赫兹图像清楚地显示了肿瘤的大

致位置。由于穿透深度有限，太赫兹体内成像主要应用于表皮组织，并取

得了多项有意义的突破。均匀地，吸水率在塑造人体皮肤层模型中的可变

角度椭圆偏振法或偏振反射计太赫兹光谱中起着主导作用。57,58实验上，

通过太赫兹体内成像清楚地观察到大鼠皮肤烧伤中反射信号的动态变化，

这满足了皮肤烧伤评估的迫切需求。50更重要的是，它有可能将太赫兹成

像整合到常规内窥镜系统中，从而推动太赫兹技术在临床应用的发展。59

目前，该假说已依次通过四道程序进行，显示了结直肠癌的敏感筛查。对

于组织检测，太赫兹成像具有巨大的临床应用潜力，与传统成像方法（如

X射线扫描、磁共振成像（MRI）等相比，其关键优势是没有辐射危害。

此外，对于浅表肿瘤，太赫兹成像的穿透深度比MRI更匹配，具有实时、

无损和可视化的临床成像检测能力，可以与太赫兹光谱或内窥镜系统相结

合。尽管取得了这些令人印象深刻的突破，但太赫兹技术在组织检测方面

仍然存在一些固有的局限性，其中最严重的是处理和保存样品的形式化标

准不完善。

太赫兹技术应用的生物安全性

随着太赫兹技术的快速发展，研究太赫兹辐射的生物效应在器官、组

织、细胞和生物分子的水平上变得越来越重要。在生物体水平上，太赫兹

辐射可以引起多种影响，但它会带来轻微的潜在健康危害。太赫兹辐射能

否威胁生物安全尚无定论。根据本研究，太赫兹辐射的生物效应取决于辐

照参数，包括频率、功率和时间等，以及生物目标的类型。特别值得关注

的是，高功率密度下的太赫兹辐射会引起热效应，这对于充分理解生物效

应至关重要。虽然典型太赫兹实验室常用的太赫兹脉冲太低，不会造成严

重影响，但妥善保护实验人员的安全是非常必要的。尽管太赫兹技术在生

物医学研究中显示出巨大的潜力，但在该技术能够广泛应用于临床之前,

仍有一些挑战需要解决。首先，太赫兹波的检测灵敏度不能满足活细胞检

测的特殊要求，因为物理衍射极限和太赫兹波长(0.03-3mm)大于活细

胞检测的微米甚至纳米级分辨率。因此，如何突破衍射极限，提高检测灵

敏度始终是太赫兹技术在生物检测中面临的技术瓶颈。其次，太赫兹波检

测的特异性受到检测环境条件复杂性的限制。生物样本中往往含有不同的

活细胞，细胞内外都有大量的大分子，总能产生一些严重的信号干扰，导

致信号干撷口目标的湮灭。因