太赫兹技术及其在生物医学工程中的应用

太赫兹技术及其在生物医学工程中的应用

侯海燕，符志鹏，李光大，杨建英，麻开旺

河南科技大学(洛阳，471000)

方面研究，E-mail: beiting_1983@163.com

【摘要】太赫兹技术几年来得到迅速地发展，其独特的性质使得它在诸多领域有着广阔的应用前景。该文介绍了太赫兹波的特性与它在生物医学工程领域的应用，包括太赫兹在生化检测、医学成像诊断、组织检测、治疗以及医学通信中的应用。同时还分析了太赫兹技术在该领域存在的问题和发展趋势。

【关键词】太赫兹生化检测；太赫兹医学成像诊断；太赫兹组织检测；太赫兹治疗；太赫兹医学通信

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.009

作者简介：侯海燕，讲师，从事信号处理、生物控制及生物医学工程

文章编号：【中图法分类号】O433.1

【文献标志码】A1674-1242(2015)02-0099-05

Abstract【】THz technology is developing fast nowadays. The special properties of THz make it useful in many areas. In this paper, we introduce the properties of THz and its application in biomedical engineering, including biochemical detection, imaging diagnosis, tissue detection, therapy and medical communication. In addition, we analyze the problems and developing trend of THz in these fields.

收稿日期：(2015-03-04)

The Application of THz Technology in the Area of Biomedical Engineering

HOU Haiyan, FU Zhipeng, LI Guangda, YANG Jianying, MA Kaiwang

Henan University of Science and Technology( Luoyang, 471000)

【Key words】THz biochemical detection, THz imaging diagnosis, THz tissue detection, THz therapy, THz communication

0　引言

太赫兹波是指频率在0.1～10 THz之间的电磁辐射。在电磁波谱上位于红外和微波之间，从理论和研究方法上说处于从电子学向光子学的过度。太赫兹两侧的微波和红外技术已经非常成熟，而太赫兹技术由于受辐射源、探测器以及相关的功能元器件发展的限制，一直以来基本处于实验探索阶段。近二十多年来，随着相关技术的进步，太赫兹技术的发展迎来了无限的可能，而其在诸如生物、化学、医学、天文、遥感、军事等诸多领域的广阔应用前景也引起各国政府及相关研究机构的重视。美国麻省理工学院将太赫兹科技评为改变未来世界的十大技术之一；日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年1月8日将太赫兹科技列为国家支柱技术十大重点战略目标之首；国内中科院、首都师范大学等机构也开展了相关的研究。

本文介绍了太赫兹波的特点以及与其相关的应用领域，并着重介绍了太赫兹技术在生物医学工程领域的应用研究，包括太赫兹生化检测、太赫兹医学成像诊断、太赫兹组织检测、太赫兹治疗以及太赫兹医学通信。

1　太赫兹波的特性

太赫兹波所处的“承前启后”的独特频段使其具有很多独特的性质，包括高透性、低能性、指纹谱性以及相干性。高透性是指太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补；低能性，顾名思义是指太赫兹光子能量很低，只有4.1 meV(毫电子伏特)，对人体级生物体十分安全；指纹谱性则是源于不同的分子对太赫兹的吸收及色散特性不同，形成特有的“指纹谱”，每一种物体都有其独特的区别于其他物体的“指纹谱”；太赫兹是由相干电流驱动的偶极子振荡或由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生的，因此具有相干性，用于太赫兹成像技术，可获得更高的空间分辨率及更深的景深等，目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米[1]。

2　太赫兹在生物医学工程领域的应用

太赫兹的上述特性使其在生物医学工程的各个方面有着诱人的应用前景。其应用主要有以下几个方面：太赫兹生化检测、太赫兹医学成像诊断、太赫兹组织检测、太赫兹治疗以及太赫兹医学通信。

2.1太赫兹生化检测

利用太赫兹波对生物分子的灵敏度和特异性，将太赫兹技术用于研究生物分子的结构和功能信息，可在分子层面上为疾病的诊断和治疗提供理论依据。太赫兹生化检测主要是对化学及生物大分子的检测，太赫兹波能够用来研究如范德华力或者分子间氢键作用力等生物分子间相邻分子的弱作用力。太赫兹波对脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid，DNA)构形和构象的变化非常敏感，也可以通过太赫兹光谱进行基因分析或无标记探测[2]。

许多学者都开展了这方面的研究。Grant等[3]于1978年研究了太赫兹与氨基酸溶液的相互作用，通过分析证实了这种作用是介于分子振动和转动模式之间的一种作用。Kutteruf等[4]用太赫兹光谱技术对固态短链肽序列进行了研究，研究表明在1～15 THz光谱范围内包含了体系的很多光谱和结构信息，如分子固相结构和与序列相关的分子信息等。Arora等[5]采用太赫兹时域光谱技术，在水相中对通过聚合酶链式反应得到的DNA样品进行了无标记定量检测。Brucherseifer等[6]通过时间分辨太赫兹技术证明了复数折射率取决于DNA的结合状态。

太赫兹生化检测方面的研究尚处于起步阶段，还有待加强，尤其是对不同生物大分子的太赫兹光谱特性建立相应的特征谱库是一项庞大而艰辛的工作，需要生化领域的学者加强相关的研究工作。

2.2太赫兹医学成像诊断

太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具发展前景的方向之一。太赫兹成像作为一种新颖的成像方式在医学上的应用近年来备受青睐。太赫兹波在医学研究中具有独特的优越性：对细胞间质水有很高的敏感性；对人体无害；空间分辨率高，可达几十微米，能够很清晰的看到一些病变组织的病灶，结合一些微结构器件可以得到高品质的图像。

太赫兹成像的原理是将太赫兹波透过成像样本后，其包含了样品的复介电常数的空间分布信息强度和相位信息，将这些信息保存下来并进行分析处理就可以得到样品的图像。从1995年Hu和 Nuss[7]首次提出逐点扫描式太赫兹时域光谱成像技术以来，一系列新的太赫兹成像技术相继被提出，如太赫兹实时成像[8]、太赫兹层析成像[9]和太赫兹分子成像[10]等。

2002年Woodward等[11]首先使用了太赫兹脉冲成像技术对基底细胞癌开展了体内与体外的研究，利用不同组织对太赫兹波的吸收特性不同来区分健康组织和癌变组织。2007年Enatsu等[12]利用THz-TDS系统对石蜡封装的肝癌样品开展了研究，在1.5 THz频率处选择折射率和吸收系数进行成像，得出癌变组织的密度小于健康组织，对太赫兹的折射率和吸收系数较小的结论。2008年Taylor等[13]在直接检测的基础上使用反射脉冲太赫兹波成像系统对猪皮肤烧伤样本成像，得到了高分辨率的图像。2011年Miura Y等[14]利用透射式成像技术，证明了在3.6 THz频率处对肝癌组织成像对比度较为显著。

目前太赫兹射线图像分析的关键在于提高分析速度，提高太赫兹射线系统的性能(如低成本和便携性)，加强相关图像及信号处理技术如小波变换技术的研究。此外，随着THz 3-D(三维)立体成像技术的发展，在不久的将来在医疗中利用TCT(THz层析成像)替代现在的XCT(X射线层析成像)将成为可能[15-16]。

2.3太赫兹组织检测

太赫兹波的光子能量较低，是X射线光子能量的1% , 此能量值低于各种化学键的键能。在太赫兹辐射下，被检物质不会因电离而破坏, 因此非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。另外，水对太赫兹辐射有极强的吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤, 对人体是非常安全的。

Bennett等[17]将反射式太赫兹成像和光谱技术应用到眼科研究中，研究发现太赫兹反射率与角膜含水量近似成正比，反射率随频率的增大而单调递减。Png等[18]使用太赫兹光谱鉴别正常和患病的脑组织样本。Sim等[19]采用太赫兹时域光谱技术对人牙齿的珐琅质和牙本质的特性进行了研究，发现湿润样本对太赫兹的吸收率高于干燥样本，研究为硬组织临床应用提供了重要信息。Wallace等[20]对基底细胞癌18例体外样本和5例活体样本进行了太赫兹脉冲成像，研究表明，癌变组织与正常组织的太赫兹谱图性质间存在差异。

对于太赫兹组织检测，首先要加强对于病理组织和正常生理组织的太赫兹光谱和太赫兹图像的特征识别的研究；其次要深入研究不同组织不同水分含量对太赫兹波的吸收作用；此外，还要探索太赫兹活体组织检测技术。

2.4太赫兹治疗

太赫兹虽然光子能量很低，但作为一种电磁辐射，仍具有辐射效应，可以为疾病治疗提供理论依据。

2002年Hadjiloucas等[21]研究了酵母细胞在太赫兹辐射下的生长率问题，辐射参数为 0.2～0.35 THz和5.8 mW/cm2，辐射时间30～150 min不等，实验表明太赫兹辐射能够促进细胞生长，并且呈现出了一定的统计规律。2005年，Ostrovskiy等[22]预测太赫兹辐射可能会加快烧伤修复，为证实假设，他们分别对表面烧伤和深度烧伤的病人进行太赫兹辐射，辐射参数为0.15 THz和0.03 mW/cm2，每天进行7～10 次治疗，每次 15 min，结果表明太赫兹辐射能够加速外皮形成，缩短了皮肤的修复时间。2008年Kirichuck等[23]首次对活体大鼠展开太赫兹生物效应的研究，他们认为太赫兹辐射能够引起血小板的功能活动，并且与性别有关。Androvov和Kirichuk等[24]采集了健康人和患有心绞痛的病人的全血，一组进行太赫兹辐射，另一组作为参照组，辐射参数为0.24 THz和1 mW/cm2，辐射持续时间为15 min，实验结果为太赫兹辐射组血黏度下降，红细胞变形能力增加。2010年，Gerald等[25]对人类皮肤的成纤维细胞展开了研究，他们将样品置于温度可控的箱体中，用 2.52 THz的气体激光器进行时间不等的照射，并用传统的MTT法检测照射后细胞活性，研究表明2.52 THz的辐射对哺乳动物的细胞热效应显著，因此可以用太赫兹热效应预测传统的热损伤模型。

目前，用于涉及太赫兹治疗的研究实验多为动物实验，相关的临床试验还很有限，距离现实可用的临床治疗设备还有很长的路要走。

2.5太赫兹医学通信

随着医院信息系统的不断完善，医学诊断数据的丰富，病历信息数据库的不断增大，医生在诊断病人病情的时候不但要根据现有的检测诊断数据，还要参考病人的以往病历，而现有的信息交互方式已经逐渐无法满足这庞大的医学信息数据的传输。太赫兹技术的出现，恰好可以解决这方面的困境。

太赫兹通讯技术与微波通信相比太赫兹通讯的优势在于具有传输的容量大，频段比微波通信高出l至4个数量级, 可提供高达10 GB/s的无线传输速率；波束更窄，方向性更好；具有更好的保密性及抗干扰能力；由于太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小, 其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。太赫兹通讯技术与光通信相比其优势在于光子能量低，大概是光子能量的1/40，能量效率更高；具有很好的穿透沙尘、烟雾的能力，可以在更加恶略的环境下保证通信的可靠性。这对于极端环境下的医疗通信如战地医院、边远山区医疗救助等条件下的通信具有无可比拟的优势。因此，发展太赫兹通讯技术对于医院信息化建设乃至远程医疗的发展都将是一个极大的助力。

目前，太赫兹通信在医学中的应用尚无相关报道，主要是因为太赫兹通信技术本身尚处于初级阶段，但是相关的试验系统已经有所发展。2004 年，Kleine OT等[26]首次采用室温半导体太赫兹调制器通过太赫兹通信信道发送声音信号，用经改进的常规太赫兹时域光谱装置，在75 MHz宽带的太赫兹脉冲序列上传送25 kHz的信号。同年，Liu TA等[27]利用光导开关，实现了模拟音频信号通信实验。2004年，日本NTT公司的T.Nagatsuma等[28]搭建了120 GHz的亚太赫兹无线通信系统，实现了10 Gb/s的数据率。2005年，Mueller等[29]描述了采用太赫兹波源和Schottky肖特基二极管调制器和探测器的宽带宽通信数据链路。2008年，Braunschweig太赫兹通信实验室[30]在0.3 THz频率上成功实现6 MHz带宽模拟彩色视频基带信号的传输，实验距离超过22 m。

太赫兹通信技术发展的研究趋势在于以下几个方面：一是继续研究高功率的太赫兹源；二是加强太赫兹波传输性能的研究；三是要研究合适太赫兹信道传输的调制技术和调制器件；最后还要进一步优化高灵敏的太赫兹探测技术[31]。此外，还要开展太赫兹通信技术在医院信息化建设中的应用的前瞻性研究，为将来能够成熟应用打下基础。

3　总结

太赫兹技术在生物医学工程领域的应用存在五个方面的问题：一是太赫兹技术发展本身的不成熟，如太赫兹辐射源、探测器及相关的功能元器件技术仍不完善；二是太赫兹信号易受特定环境的影响，如对温度的敏感和易被水分吸收，这很大的限制了医学检验和诊断；三是分子的太赫兹光谱特征有待进一步研究的确定；四是太赫兹医学成像信息中如何甄别正常的生理信息和病例信息；五是在于生物医学领域是一个交叉学科，因此其研究需要汇集各科室专家对诊疗效果进行评估。

因此，需要在加强太赫兹基础技术的研究同时，呼吁生物医学相关领域学者积极利用太赫兹技术对样本进行分析，丰富分子特征图谱；加强太赫兹图像处理技术的研究；加强各领域尤其是生物医学工程领域及太赫兹技术领域的学术交流。

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