本文内容转载自《中国医疗设备》年第7期,版权归《中国医疗设备》编辑部所有。
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
摘要:太赫兹技术由于其独特的性质和优势,近十几年来研究热潮持续不断,并且其在医疗领域巨大的应用潜力开始逐渐被开发应用。本文调研综述了太赫兹在医疗领域的历史研究进程与最新进展,阐述了其在该领域的研究意义与应用前景。
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
二十一世纪以来,伴随着半导体技术、激光技术以及材料科学的发展,太赫兹技术得到了长足的进步,并开始从实验室走向实际应用。太赫兹波的出现不但填补了电磁波谱的空白,而且为生物医疗提供了前所未有的技术手段和机遇。可以预见的是,很多之前不能实现的科学设想将得以借助太赫兹技术去验证和探索,没有人知道会发生什么,不得不说这是一个激动人心的时刻。英国TeraView公司推出的太赫兹时域光谱系统已经开始走向实际临床应用,虽然步履蹒跚,但我们相信“这是太赫兹技术发展的一小步,也将成为人类在于疾病抗争中迈出的一大步!”本期我们首先对近年来太赫兹技术在医疗领域的研究现状做了简要回顾并对其应用前景进行了展望;接下来从实验的角度介绍了太赫兹在中药材鉴定以及烧伤诊断的可能应用。仅以此抛砖引玉,相信太赫兹技术在生物医疗领域必将很快迎来一个百花齐放的春天。
0引言
太赫兹(THz)的频率在0.1-10THz范围内,波长在3-30um,在整个电磁波频谱中是一个很特殊的位置。从频率上看,它介于无线电波和光波之间;从波长上看,它介于毫米波和红外波之间;从能量上看,则介于电子和光子之间。随着太赫兹波技术的高速发展,国内外对太赫兹频段的开发利用有了飞速进步。
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。近几年来,研究人员应用超快激光提供给太赫兹脉冲做稳定的光源,对太赫兹波技术的研究取得了深一步进展。太赫兹波技术在医学领域、安检、物质结构检测、传输通信、制药方面都具有深远的研究价值与广泛的应用前景。本文主要介绍太赫兹技术在医疗领域的研究现状及应用前景。
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
当太赫兹波直接辐射在生物组织上的时候,由于其能量很小,不会使组织发生电离现象,但是它对生物组织仍会产生较强的相互作用,通过利用这个特点,探索太赫兹波是否能对生物产生有益的辐射效应,在医学领域中能够为的疾病诊断和治疗提供帮助。
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。年,Kirichuk等用太赫兹波对老鼠进行辐射,实验表明太赫兹波辐射后,老鼠血液中血小板的各项机能发生变化,并且有性别的差异,推测分析是由于太赫兹波与雌性荷尔蒙作用的结果。在对血小板聚集的完全恢复能力上,雌性展现出了比雄性更加明显的效应。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。年,Kirichuk等继续对大老鼠进行太赫兹波辐射实验,结果显示不同时间的辐射曝光都对纤维蛋白溶解和凝血象发生影响。一系列的实验结果表明,太赫兹波辐射有希望用在纤维蛋白溶解功能障碍以及凝血象的治疗。
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。同时,由于太赫兹波频率与生物分子振动频率在同一频段的特点,让研究者也特别