1 引 言

太赫兹(Terahertz radiation，THz)又被称为太赫兹波或T射线，在电磁波谱中位于微波和红外线之间，其频率范围在0.1 THz～10 THz(1 THz=1012 Hz，或1 THz =4.14 meV光子能)，波长范围在30 μm～3 mm，如图1所示。上世纪80年代以前，太赫兹研究受限于缺乏有效的太赫兹光源和检测方法，相对于微波和红外线的研究进展缓慢，被称为“Terahertz Gap”(太赫兹空隙)。随后，飞秒激光的出现提供了突破口[1]，太赫兹技术迅猛发展至今，在生物医学、质量控制、安保国防、环境监测和航空航天等领域前景开阔。太赫兹技术综合了电子学和光子学的特点，涉及多个领域，属于典型的交叉学科。

在生物医学领域上，研究热点集中在对生物有机分子或组织的检测与识别，主要是由于太赫兹技术具有下述特点：1) 生物分子间及分子内的低频运动(氢键、分子振动、分子转动、范德瓦尔斯力等)频谱落在太赫兹波段内，通过分析识别这些活动产生的独特的太赫兹特征光谱(spectral fingerprint)，可以辨别不同的生物分子[2]；2) 对于像塑料、纸张等这些非极性分子材料具有穿透性。太赫兹波可以穿过大多数这些材质的外包装，无损检测包装内的物质[3]；3) 极性分子展现出了对于太赫兹波较高的吸收性。其中水分子表现出强烈的吸收性，这是一柄双刃剑，一方面可以利用癌组织与正常组织不同的水含量来准确区分，另一方面由于水的吸收性较高，可能影响结果的准确性[4]；4) 与临床常用的X光相比，太赫兹光子辐射能低了数个能量级，具有非电离特性，不会造成电离损伤[5]，可更安全地用于活体检测；5) 相对于其他的光谱技术，太赫兹技术具有更好的时间和空间分辨率，更高的信噪比[6]，因此其可以应用于研究生物有机分子的运动模式。近年来太赫兹相关研究数量逐渐增加，如图2所示。目前根据不同的检测方式和信号处理方法，太赫兹技术可分为太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术两大类[7]。本文介绍了太赫兹技术在医学领域的应用，近年来的研究进展及难点，探讨了该技术的应用前景及发展方向。

2 太赫兹成像技术对疾病的诊断应用

近年来，随着太赫兹在各个领域研究的进展，研究者对其在医学科学上有了较多的探索，如表1所示。Hu和Nuss最早报道了太赫兹时域光谱成像[8]。太赫兹成像技术主要是基于病变组织和正常组织的水含量不同，水对太赫兹的高吸收性使得不同水含量的太赫兹成像具有差异；其次是基于组织本身的成份变化，如肝硬化细胞的结构改变也可以引起太赫兹成像的变化[9]。因其是新兴高科技技术，相关技术及资料还处于探索中，主要的体内成像试验相对较少，多数是动物实验和皮肤、乳腺等浅表组织试验，例如皮肤烧伤、皮瓣移植、牙齿缺损、乳腺癌等疾病鉴别方面；体外试验集中在对离体组织良恶性的鉴别(直肠肿瘤、乳腺肿瘤、皮肤肿瘤等)组织水肿等方面，成像结果再与病理组织学进行比较，然后评价太赫兹成像对疾病诊断的准确性、敏感性和特异性。

图1 电磁频谱中的太赫兹域Fig. 1 Terahertz band in the electromagnetic spectrum

图2 太赫兹相关研究检索结果(检索结果源于Web of Sicence)Fig. 2 The search results of terahertz in Web of Science

表1 太赫兹成像技术的应用Table 1 Applications of terahertz imaging作者年份研究对象标本处理方式数量太赫兹系统分辨力参考文献 Grootendorst2017乳腺恶性肿瘤新鲜46太赫兹脉冲成像系统1mm[10] Fan2017皮肤黑色素瘤新鲜8太赫兹脉冲成像系统12μm (横向分辨力)[9] Bajwa2017小鼠皮瓣烧伤2太赫兹反射成像系统1mm[18] Hernandez-Cardoso2017糖尿病足足底12太赫兹反射成像系统-[20] He2016猪的肌肉、脂肪冰冻6太赫兹时域光谱及光栅扫描成像系统476μm[16] Jung2011淋巴结石蜡包埋5太赫兹时域光谱及光栅扫描成像系统2mm[17]

2.1 太赫兹体外成像诊断疾病

Grootendorst等[10]将其设计的掌上太赫兹脉冲成像仪对乳腺癌手术切除的组织进行太赫兹脉冲分析成像，再与病理组织切片相比较。结果显示太赫兹成像技术能够准确地识别浸润性乳腺癌组织，具有较好的敏感性(87%)和特异性(96%)。此外，由于太赫兹图像对不同的组织有特殊的太赫兹特征谱，易于分辨肿瘤和非肿瘤组织，Fan及其同事[11]研究发现，黑色素瘤患者病变处组织与正常对照组在0.47 THz频段处投射比间存在显著差异。无创省时、操作简单等优势使得太赫兹成像可能比超声和X线等影像技术更加方便，更易于推广[12]。

文章来源：《医学食疗与健康》 网址: http://www.yxslyjkbjb.cn/qikandaodu/2021/0415/1024.html