太赫兹技术在医学成像领域又有新突破

2020-09-07      2493



太赫兹技术在医学成像领域又有新突破


太赫兹波光子能量4.14mEv,可以穿透塑料,木材和皮革等材料,却不会产生人体组织的电离阈值(12.5eV)。这种辐射形式处于电磁波谱中的红外线和微波之间,不会像其他形式的X射线那样破坏活体组织,是一种安全的成像技术


在斯特拉斯克莱德大学的一项研究中,已经开发出了可以开发为安全的高分辨率成像技术的微型设备,其用途包括帮助医生识别潜在的致命癌症并及早治疗。这台微型设备利用太赫兹辐射,穿透人体组织,在不破坏活体组织的情况下,完成医学成像。该设备由比人类头发细100倍的纳米线制成。它们可用于新的,安全的成像技术中,其分辨率远高于目前用于检测小肿瘤的超声设备。


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利用太赫兹辐射像所有电磁波一样包含极化信息(即电磁场在空间中传播的方向)来实现改进的成像技术


斯特拉斯克莱德大学,牛津大学和位于堪培拉的澳大利亚国立大学(ANU)共同研究开发了一种高度精确的微组装技术,可以构建纳米线器件的3D晶格。该团队使用专门的“转移印刷”微装配系统,以纳米级精度将正交尺寸的半导体纳米线结构印刷到金属天线结构上。半导体纳米结构和微结构,再加上领先的半导体纳米线生长能力和先进的光检测概念,都带来了令人兴奋的结果。建立太赫兹检测系统是一项巨大的挑战,需要开发非常精确的纳米加工工艺。能够使用半导体纳米线作为“基石”,将它们顺序集成到3D THz探测器中,同时保持组装系统所需的纳米精度,这是功能之间的完美结合。这项研究同时发表在《科学》杂志。


这一项研究成果相比其他太赫兹辐射系统,例如机场安检扫描仪中使用的简单的强度检测系统提供更多有用的信息,利用太赫兹辐射像所有电磁波一样包含极化信息(即电磁场在空间中传播的方向)来实现改进的成像技术。 纳米线在设备中的取向允许独立测量具有不同极化的太赫兹辐射,并在紧凑的设备区域内为未来的片上成像系统铺平了道路。


这一研究成果将为太赫兹成像提供了重要的方法。太赫兹成像在医疗成像和医疗诊断还有哪些应用呢?

          


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                           太赫兹应用于肿瘤标志物检测



 太赫兹检测属性对肿瘤组织的折射率和吸收系数相比正常的组织要高得多。太赫兹脉冲成像技术是对水浓度有极高的灵敏度(由于后者衰减)。因此在测量软组织的太赫兹属性中,水的吸收是非常明显的,这样也就可以解释肌肉和脂肪组织的差别。






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                    太赫兹应用于医疗诊断和医疗手术



太赫兹成像技术助力于肿瘤的医疗诊断


通过获得频率和时域信息,太赫兹成像可以确保癌症的有效检测(和其它炎症区域)以及提供了更清晰的成像和分子结构。太赫兹时域光谱仪(TDS-THz)可以消除其它医疗诊断所存在的短板,能有效获取受影响的组织或者区域中充分的图像信息。很多研究者确定在特定的频率范围内大多数肿瘤会比正常的组织有更低的吸收率。这样明显特征就是太赫兹成像可以“区别”出肿瘤(发炎区域)和正常组织的工作原理了。另外,为帮助人们克服癌症,挽救更多人的生命,通过太赫兹光谱进行活组织检测因为减少了乳腺癌和皮肤癌治疗案子中第二外科手术的流程步骤,节省了很多时间和物力。


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太赫兹成像技术在手术中的应用


    由于太赫兹对肌肉组织和肿瘤(和其他炎症区域)组织的有效界定,因此可将太赫兹频率范围的成像应用于手术中,并在手术操作期间提供实时的成像,这样可以准确地切除肿瘤,而不会切除大量健康的组织,并且通过这个技术可实现肿瘤切除彻底,不会有任何肿瘤残留在病人体内。这样同样可以大大减少在未来生命体需要重复的无创操作介入的要求。


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 医疗保健中的太赫兹技术


牙科护理:现代的科学研究数据表明了太赫兹脉冲成像可提供牙釉质、牙本质、与泵腔等方面有效的诊断信息。太赫兹时域光谱技术可提供牙科医生有效的检测手段,至少现在可采用太赫兹时域光谱技术来确定牙釉质的厚度。另外,太赫兹时域光谱技术可提供牙釉质和牙本质区域内的图像。此外,通过太赫兹脉冲在牙齿内的吸收可识别出髓腔区域,并提供给牙科医生重要的信息从而选择最有效的治疗方式。



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预防保健和血液检测:相当一部分的医疗研发项目引领了人们发现太赫兹时域光谱(TDS)可用于检测血液。在这个领域的科学家已经获得了复杂的血液光学常数以及它的成分,比如在太赫兹频率区域里的水,等离子,红血细胞(RBCs)。研究者设法在血液中提取出占多数比例的红细胞,并且与常规的红细胞数量做比较。在生理盐水和全血环境中,太赫兹吸收系数对红细胞浓度被证明是线性变化的。太赫兹信号和红细胞浓度之间优异的线性同样被证实在一种聚氨酯树脂管里使用了太赫兹成像方法。这些结果说明了THz-TDS成像可以促进血液质量分析。


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儿科透视技术:众所周知,目前医疗均采用X射线透视技术。但X射线光子能量高,辐射大,对人体影响很大,而低龄儿童特别是新生儿尤为敏感。虽然太赫兹技术受到穿透距离的限制目前并不能完全取代X射线,但在儿科中引入太赫兹成像技术,可以在保证幼儿身体安全的情况下成像,既可以有效地排查病患又保证幼儿的安全。


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