2023太赫兹医学成像.docx

《2023太赫兹医学成像.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023太赫兹医学成像.docx（13页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、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

2、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30-3000m）,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

3、。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-TDSI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

4、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70.80THz左右为O-IdB,在40.50THz时为I-OdB。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

5、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JHz-TDS系统包含一个飞秒激光器,其补充速率接近IoOMHz,以进一步产生一系列100fs激光脉冲。在IS的积分时间内,THz-TDS系统的SNR在50至I60THz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50GHzo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JHz-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。

6、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TP1透射系统中的样品。在TP1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

7、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。32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CWTHz反射成像

8、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

9、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

10、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，

11、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/气置换或低温处理。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、

12、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

13、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泡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。细菌或胞子的光谱特征主要由细菌成分决定，如DNAx二叱嚏酸（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

14、的。一项研究发现，枯草芽抱杆菌DNA和抱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。作为芽泡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泡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泡子在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

15、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104CFUM1

16、-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550m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