四種太赫茲成像技術研究的占比分布情況

由上圖可知，近五年來在生物醫學領域中，基于四種成像技術進行了生物組織或癌癥等生物樣本的成像研究，其中太赫茲遠場掃描成像占主導地位。

太赫茲遠場掃描成像是一種傳統的遠場太赫茲成像技術，通過逐點掃描透過樣本的太赫茲波，獲取樣本每個點的太赫茲波光學參數，并以此構建太赫茲圖像。其中，以太赫茲脈沖作為輻射源能獲取的參數有時域上的光學延遲、最小脈沖函數、脈沖后時間等，也有頻域上的吸收系數、折射率、反射率等；以連續太赫茲波作為輻射源的成像系統使用的是單頻連續波源，其單頻點輻射強度要遠高于脈沖太赫茲源，但同時也限定了其只能對單個頻率的特征識別，且獲取的光學參數僅與太赫茲波的強度和相位相關。

一、基于脈沖太赫茲源的太赫茲遠場掃描成像

不同腫瘤程度的腦組織成像結果

上圖為人造腫瘤組織成像，其腦組織的可視圖、太赫茲反射圖和核磁共振圖如上圖所示，通過THz的反射率，腫瘤的情況能清晰地反映出來。

六個口腔樣品的(a) 光學圖像；(b) -20 ℃的THz 圖像；(c) 室溫THz 圖像(d) 組織病理學圖像。

上圖是基于折射率對口腔癌組織進行了成像，研究是在-20 ℃室溫條件下，提取了0.5 THz 處的折射率進行成像，癌變區域用藍色環標記，成像結果如上圖所示，患病區域具有較低折射率，且與組織學診斷的患病區域對應。

二、基于連續波太赫茲源的太赫茲遠場掃描成像

腦組織的(a) 核磁共振圖像；(b) 體內視覺圖像；(c) THz 反射圖像；(d) 新鮮切片視覺圖像；(e) 病理學染色圖像。

上圖為使用2.52 THz 的光泵浦連續波THz 氣體激光器搭建反射式連續波太赫茲系統對老鼠模型的腦膠質瘤組織成像，太赫茲圖像中顯示的腫瘤區域的體積和位置與相應的核磁共振，視覺和病理學圖像相似。

太赫茲全息成像是在傳統的遠場太赫茲成像基礎上，將太赫茲波的探測器替換為不同面陣式探測工具進行探測，其中，對于脈沖太赫茲源，面陣式探測器通常采用CCD，而對于連續波太赫茲源，面陣式探測器通常采用熱釋電探測器或微測熱輻射計等工具。因此相比傳統的遠場太赫茲成像的逐點掃描，太赫茲全息成像可以一次性獲得整個樣本的二維電場分布，成像時間大幅縮短。

人類肝細胞癌組織的(a) 全息數據采集后的樣品照片；(b) 在選定探測器位置獲得的歸一化全息圖；(c) 重構吸收分布a(x,y)；(d) 重構相移分布φ(x,y)。

上圖為科學家們使用連續太赫茲波同軸數字全息進行了人類肝細胞癌組織的吸收和相移分布的成像，其采用了工作頻率為2.52 THz 的連續波太赫茲系統，并使用熱電陣列探測器收集太赫茲信號，通過亞像素移位和外推增強了重建的分辨率，其分辨率最高達158μm。

太赫茲遠場成像的空間分辨率受制于衍射極限，而太赫茲近場成像則通過檢測樣本表面附近區域的近場太赫茲倏逝波，因此其分辨率不受衍射限制，而取決于所用微型探針大小。太赫茲近場成像具體可分為兩種模式：近場照明和近場收集。前者是THz 波經過微型探針針尖后產生近場太赫茲波再照射樣本，然后遠場收集信號；后者則是通過微型探針直接近場探測遠場THz 波照射在樣品表面產生的倏逝場或將倏逝場通過微型探針轉化為傳播場再遠場探測。

                       結腸組織的THz 近場圖像以及病理染色切片的相應顯微照片

上圖是基于太赫茲管的近場成像系統對人體結腸組織進行了成像，使用0.300 THz 的連續太赫茲波系統并使用肖特基探測器檢測太赫茲信號，通過近場掃描吸光度能清晰區分癌癥組織與正常組織，且通過病理染色檢查在大小和形狀上的識別非常吻合。

四組 THz 成像對比

上圖利用 THz-TDS 系統得到的皮膚癌樣品的 THz 光譜數據進行樣品的圖像重構，分析多種光譜數據成像的結果。包括最大振幅成像，三組吸收系數成像，其中最大振幅成像結果最接近與樣品的外部形貌，利用 1.35THz 和 1.65THz 處的吸收系數成像可以清晰的反映出癌變組織的位置，而 2.2THz 處的吸收系數成像與組織癌變位置相差很大。因此在1.35THz-1.65THz 這一頻段可以作為合適的頻段進行皮膚組織的癌變檢測，驗證了太赫茲技術應用于癌變組織成分診斷的可行性。 

太赫茲光譜與成像技術生物醫學領域的應用非常多，除了上述的癌癥之外還有包括皮膚組織燒傷、軟骨膝蓋、肺癌、淋巴癌等癌癥的太赫茲波成像。目前，太赫茲成像技術在生物醫學上的成像研究主要集中在對癌組織的研究，并已證明了太赫茲成像技術在癌癥診斷上的可行性。但是，這些研究主要都是基于癌組織與正常組織之間由于水分因素產生的吸收、折射等差異，所以無法準確識別癌癥類別。現在已有研究證實部分癌癥標識物在太赫茲波段存在特征吸收，因此未來通過對標識物的太赫茲成像來實現對癌癥的診斷，將具有更大的潛力，太赫茲成像診斷技術將成為下一代醫學診斷的重要手段之一。

參考文獻：

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