text: 太赫兹技术在医疗领域的研究现应用前景
  孙美玉，祁峰，雷静，李玉峰
  沈阳航空航天大学信息与通信工程，中国科学院沈阳自动化研究所光电信息技术研究室
  关键词： 太赫兹技术与医疗；太赫兹辐射：太赫兹光谱；太赫兹成像
  在上个世纪80年代之前，由于太赫兹波段的发射源无法被准确探测和检测技术灵敏度低下等原因，对该波段的认识与研究很少。
  太赫兹波技术在医学领域的使用主要源于以下的优良特性：太赫兹波有穿透性，能穿透塑料及陶瓷等物质，也可以检测表皮下的生物组织信息；它有很低的光子能量，不会像X射线一样发生电离效应，对机体和生物组织没有损害；对极性物质的灵敏度很高，所以在软组织成像中，它比X射线成像对比度更好；太赫兹波信号不仅具有较好的时间分辨率，与微波毫米波对比还具有较好的空间分辨率；大部分生物大分子的振动和转动能级都处在太赫兹波段，因此太赫兹吸收光谱可以通过其特定的特征谱确定构象、构型及环境的影响，从微观生物领域展现大分子之间、细胞之间的互相作用的物质规律，最终解释生命现象。
  1 太赫兹辐射效应
  2005 年，Ostrovskiy等利用太赫兹辐射对烧伤的病人进行治疗，结果显示太赫兹波辐射结合传统药物治疗方法，能够使病患烧伤部位的加速愈合。
  2009年，Kirichuk等对患有白化病的老鼠进行太赫兹波辐射，结果表明太赫兹波辐射增加了老鼠沮丧情绪以及血小板聚集的情况。
  电磁波的热辐射效应能够活化细胞组织，加速人体血液的循环。
  太赫兹波辐射的生物效应白20世纪60年代就已经逐步开展，大量实验已经验证了在抑制细胞的DNA合成，增加细胞的生长率，增强细胞的跃迁能力等方面的作用。
  一系列的实验结果验证了太赫兹波辐射有利于因成分、处理创伤愈合和血小板聚集等问题发生的纤维蛋白溶解。
  在基因方面，试验已经表明了太赫兹波辐射不会损害DNA的功能和结构，但是仍然需要大量试验来证明太赫兹的生物安全性，很多国家和研究机构针对这个问题也成立了相关的专项项目。
  2 太赫兹光谱技术
  2006 年，Korter等研究L-丝氨酸和L-半胱氨酸的太赫兹光谱，这两种氨基酸具有相同的结构，不同点只是官能团的区别。
  另外，太赫兹还能探测同一氨基酸旋转后对映的变化体，单品体的转动角度，同位素的替换等结构变化，甚至氨基酸形成的多肽物质的序列结构信息。
  2002 年，Nagel等研究人员利用THz-TDS技术研究了遗传性的血色素沉着症的DNA序列。
  蛋白质是生命的基础，利用THz-TDS技术对其的研究也日益增多。
  太赫兹波对于生物大分子的互相作用以及结构变化具有敏感性。
  除了上述生物级的研究，太赫兹光谱技术还可应用在药品检测上。
  糖尿病是一种常见的严重的并发症之一，与血糖水平有着直接的联系，为了达到有效的药物治疗，需要一天多次监管血糖水平。
  目前最常见的方法是从病人手指上取一滴血进行化验，重复的血液取样不仅痛苦而且可能感染，并且仪器检测准确性会有偏差。
  2015 年，第四军医大学李辉利用太赫兹波系统检测人体体表微动的定量信息，提出了相应的理论方法，建立了数学模型，克服了现有检测技术和方法的一些不足，具有一定优势。
  为此，该研究者建立一个模型用来消除不想要的影响。
  除了上述应用，在癌细胞增生等方面的研究工作也在近年来大量开展，由于水分对太赫兹波的吸收远大于其他组织，而癌变组织的水含量都异于正常情况，正是利用这一点，通过时域光谱的吸收峰分布与正常组织的差异，可以很好的为医生的诊断提供判据，并且为进一步的医疗成像技术提供数据诊断基础。
  3 太赫兹成像技术
  3.1 生物软组织的应用
  太赫兹波成像技术在诊断癌症方面具有可行性，可以安全地且区分度良好的对早期癌变生物组织进行成像，所以近十几年来已经成为癌变生物组织成像领域探索研究的热门。
  早在2002年，Woodward等初次对皮肤和其他癌症进行了太赫兹脉冲扫描成像。
  正常组织和乳腺癌的差异主要是因为增加的折射系数，还有一小部分是因为增加的吸收系数。
  2012年，国内天津大学的何明霞等也探索研究了太赫兹波对癌症的相关成像研究，希望结合生物传感器和扫描探针提高成像分辨率，取得了很好的成果。
  同年，Wahaia等叫用太赫兹时域光谱和连续波太赫兹对人类健康的结肠组织和发生癌变的结肠组织进行成像。
  这次研究加强了太赫兹技术对结肠癌检测的可行性，并系统的建立了基于太赫兹对比元素的数据库。
  图1 乳腺癌的病理学图像和太赫兹图像（注：①②③④均为乳腺癌组织的局部放大100倍后的图像。）
  图3 烧伤后不同时间时的太赫兹成像结果太赫兹成像图
  太赫兹波照射鸡胸皮肤利用反射波信息还原烧伤深度的图像，见图4a。
  3.2 生物硬组织的应用
  早在2003年，Crawley等对牙釉质进行了太赫兹波三维成像（图5），其分辨率达到了10um，实验结果表明，利用太赫兹三维成像对牙齿疾病的诊断具有可行性。
  3.3 医学药物的应用
  药片包衣膜是药物利用率的关键因素，包衣膜的厚度、均匀性和完整性都决定药物的质量。
  2008 年，Ho等应用太赫兹脉冲成像来检测包衣膜的厚度分布、结构信息和缺陷。
  2010年，该研究团队进一步研究了不同生产规模下包衣膜的溶解情况。
  图12 衣膜平均降解时间实验值和预测值关系图
  由于太赫兹仪器和器件越来越先进，太赫兹技术也迅猛发展。
  太赫兹波技术在医学领域的应用大多处在实验阶段，虽然实验研究表明前景很可观，但是目前医疗机构没有足够信心去应用这些技术，这和太赫兹波技术整体发展的现状是一致的。
  我国太赫兹波技术起步比较晚，但由于国际在太赫兹技术的研究上还处于开发阶段，所以对我国这是一个挑战的机会。