第十二章 太赫兹成像在生物医学中的应用

第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用

12.1 发展机遇

太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展内窥镜来观察体内的上皮表层。

太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1所示。利用太赫兹反射式成像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利用太赫兹技术还可以探测X射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成像。

12.2 应用潜力

太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特征。图 12-1就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c)中给出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c)对200-300μm米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a)中所无法看到的肿瘤范围。将(d)和(e)中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。

图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像

12.3 基本原理

太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm）成像的潜力，因为它的成像对比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对声波的反射和吸收，其分辨率极限为500μm。目前，研究人员有可能实现太赫兹技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限制在1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。

太赫兹成像可以提供组织表层下1-2cm的信息，而这一深度取决于组织中的水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。

12.4 太赫兹在生物医学中的应用

在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树木年代学、病理学等的有力工具。

12.4.1 树密度测绘

树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况及过去几个世纪的森林燧石信息。

太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将14×14×1.7mm3

大小的样品作烘干处理。然而，又由于周围储藏环境的问题，空气中的湿气会被木材重新吸收，最终导致被测样品中还有水分分布，其中水含量约占样品总重的12%。

山毛榉横剖面的太赫兹图像，如图 12-2所示。其中，a图为山毛榉切片的太赫兹图像，b图为利用重量/体积法所得到的密度图，c图为a图部分的吸收曲线图。从图中可以看出，树木年轮清晰可见。图中黑色的区域表示后来长出来的木材部分。由于其密度很大，因而它对太赫兹有较小的透明度。而图中灰白色的区域则表示早先生长的树木结构，由于它具有很大的细胞腔和较薄的细胞壁，所以它们太赫兹有很好的透过性。

图 12-2 山毛榉切片的太赫兹图像及其密度图、吸收曲线图

太赫兹成像能为树木密度的研究提供次年轮的分辨率。与喷砂处理方法相比，由于太赫兹成像是非破坏性的，所以这些样品可以被重复进行实验探测。另外，由于太赫兹辐射对人体无害。所以用太赫兹波来观测比用X射线直接扫描更具优势。由于它对水的高灵敏度，太赫兹辐射可以用来探测发现在树木和其他生物样品中的水沉淀物。

12.4.2植物生理学

1. 监测植物中水的流动

高大植物中的远距离水运输的物理机制至今仍是未解之谜。由于单靠毛细作用力是不能将水分从树的根部输运到100m高的树叶中的，所以人们猜测是内聚力的

功劳，即由水分的蒸腾作用将水从地面有效的吸到树木高处。而且经大量的实验结果证明蒸腾作用对植物中的水分输运具有举足轻重的作用。然而，根据最新的实验结果导致人们对内聚力理论的正确性产生了怀疑。这主要是由于两项测量技术所得到实验结果与内聚力理论表现出了明显的不一致。这两项技术分别是木质压力探针和压力腔。

显而易见，这项工作需要更多的关于植物中水分流速的精确实验数据。利用核磁共振技术可以有效的研究水分的蒸腾作用，而且已经有人利用此项技术研究了处于蒸腾状态下的玉米，所得到的结果是玉米中的水分流速率可达2mm/s。但是这项技术不好的一面是，它的成本太高，用起来不划算。

太赫兹成像技术为监测植物中水输运注入了新的活力，它是基于太赫兹辐射对水的高灵敏性。水在1THz范围内的吸收光谱如图12-3（a）所示，从图中可以看出，在频率窗口内，没有特征吸收峰，而且吸收强度会随着频率的增加稳定增强。虽然大家都认同是由于水分子的集体平移导致是它对太赫兹无特征吸收，但相关的具体机制仍还存有争议。1THz对应的吸收系数是235cm-1。根据这个值，我们就能得出太赫兹信号的衰减是关于水膜厚度函数（简单起见，可以忽略反射损耗），如图 12-3（b）所示。从中我们也可以得到这样一个结论：理想的生物样品都应该含有一定量的水分，而相应的水膜厚度则在100到200μm之间。而实际当中的大部分树叶都能很好地符合这个标准。

图 12-3图（a）水的吸收光谱，图（b）太赫兹信号的衰减是有关水膜厚度的函数

大多数情况下，关于植物的太赫兹研究必须限制为单个树叶。所以，在植物不