利用太赫茲技術實現燒傷診斷

寧威，祁峰，汪晉寬

1.東北大學 計算機科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.中國科學院沈陽自動化研究所 光電信息技術研究室，遼寧 沈陽 110016

引言

燒傷的定義是由于熱力，包括熱液（水、湯、油等）、蒸汽、高溫氣體、高溫火焰、熾熱金屬等所導致的組織損傷，主要指皮膚或黏膜，燒傷嚴重者可傷及皮下或黏膜下組織，如肌肉、骨、關節甚至內臟。據世界衛生組織統計，全球每年因燒傷導致的死亡病例高達18萬[1]，其中絕大多數發生在低中等收入國家。我國每年因火災而受傷害的人數大約在500～1000萬之間，患者治療過程中工資、殘疾和心理創傷的長期護理以及投入的家庭資源等間接損失也加劇了社會和經濟影響。燒傷的分度方式主要有深度分度和面積分度兩種，根據深度分為Ⅰ度，淺Ⅱ度，深Ⅱ度和Ⅲ度；根據燒傷面積相對于人體體表面積百分率分為輕度，中度，重度和特重四類。然而，燒傷深度和面積的診斷在臨床上主要是依靠醫生的臨床經驗，缺乏準確性。因此國內外研究學者希望能使用客觀指標來對燒傷深度和創面面積做出精確的診斷，基于此目的提出了一些燒傷診斷技術，主要有激光多普勒成像技術[2-3]、熒光檢測技術[4]、近紅外光譜成像技術[5]等。但這些方法有的操作比較繁瑣，有的甚至對患者具有二次創傷性，而且成本偏高效益頗低，故而限制了這些技術的廣泛應用。

太赫茲波通常是指頻率在0.1～10 THz范圍內的電磁波，處于宏觀電子學和微觀光子學之間的過渡區域，在電磁波譜中占有特殊的位置[6]。隨著半導體器件和激光技術的不斷發展，太赫茲技術在21世紀取得了飛速的發展[7-9]。太赫茲成像也因其獨一無二的無損檢測性及其對水分子的敏感特性為燒傷診斷領域提供了前所未有的機遇。燒傷組織和正常組織的含水量有著明顯差別，因此其對太赫茲波有不同的吸收率，同時考慮到燒傷組織邊緣的散射效應，診斷過程中檢測到的太赫茲電場強度分布會就會有所不同，從而在檢測圖像上就表現出不同的灰度值分布，據此可以實現燒傷組織的位置和深度信息探測。本文利用矢量網絡分析儀、光學透鏡和掃描臺搭建的220～325 GHz反射式掃描成像系統對燙傷的豬皮實現了有效的探測，為太赫茲燒傷診斷提供了技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮的豬皮（大小為5 cm×5 cm）、刀具、保鮮膜、金屬錫箔紙、麥拉片（厚度為0.5 mm）、太赫茲波矢量網絡分析儀、光學離軸拋物面反射鏡、電動位移平臺。

1.2 方法

由于太赫茲波對水分子敏感特性，使得其在未脫水的生物組織成像中的穿透深度不足1 mm，因此本實驗采用了反射式成像系統。實驗設備系統示意圖，見圖1。通過兩個拋物面鏡（焦距101.6 mm）對入射光準直和聚焦在成像樣品，經樣品表面反射的太赫茲波被后兩個拋物面鏡（焦距101.6 mm）準直和聚焦到太赫茲波接收模塊。將樣品放置于二維位移平臺上，通過自動控制步進電機控制樣品在X和Y方向上平移，實現對樣品的掃描成像。本系統平移臺移動步進設置為0.2 mm。實驗設備實物圖，見圖2，本實驗采用測試頻率可設定范圍為220～325 GHz。

圖1 太赫茲成像示意圖

圖2 實驗設備實物圖

新鮮的豬皮樣品，見圖3，在實驗開始前剔除豬皮的多余脂肪組織，以保證樣品的平整度。使用電烙鐵對豬皮表面進行不同程度的燙傷，從上到下燙傷程度減輕。燙傷后對于表皮翹起的部位使用麥拉片將其按壓平整，然后在豬皮表面粘貼一定寬度的金屬錫箔，并在表面覆蓋一層保鮮膜，以防止樣品在實驗過程中脫水。最后將樣品固定在麥拉片上，粘貼到位移平臺表面。利用實驗設備測試粘貼金屬錫箔的表面反射信號，作為系統的歸一化參考信號，然后對包括燙傷部位在內的5.88 mm ×22.2 mm的樣品表面進行掃描成像。當太赫茲通過樣品表面反射時便會攜帶樣品的信息，通過數據處理就可以將相關信息提取出來。

2 實驗結果

由于不同程度的燙傷組織含水量不同，導致組織對太赫茲信號的反射率不同，因而接收機接收到的反射信號強弱不同。其中水分含量高的組織反射率高，接收到的反射信號強。基于此我們對圖3所示燙傷組織進行太赫茲逐點掃描成像實驗。325 GHz頻率下的原始幅值數據成像，見圖4。圖中黃色部分代表接收的反射信號幅度值較大，藍色代表接收的信號幅度值較小，如圖中右側顏色標注欄所示。從圖中可以清晰的看出烙鐵燙傷的3個部位的位置，第一個深藍色的區域幅值最小，其對應于圖3中燙傷最嚴重的部位。第二個淺藍色區域幅值相對嚴重燙傷部位的幅值有所增大，其對應于圖3中中度燙傷的部位。第三個淡藍色區域對應于圖3中輕度燙傷的部位。從太赫茲成像的結果可以觀察到燙傷部位的反射信號幅度小于正常組織，其中燙傷嚴重的位置幅值明顯小于輕度燙傷部位，并且反射信號的幅度值隨燙傷的加重而減小。

為進一步說明成像結果，我們畫出圖4中位于X軸2 mm位置處的列像素灰度值分布，見圖4中紅色線標注所示。列掃描線從上到下依次經過燙傷最嚴重的部位、正常組織、中度燙傷部位、正常組織、輕微燙傷部位到正常組織。列像素值變化趨勢與所描述的燙傷部位基本一致：幅值最小值（3～4 mm）、幅值變大并趨于穩定（5～10 mm）、幅值次小值（11～13 mm）、幅值變大趨于穩定（14～16 mm）、幅值變小（18～20 mm），最后幅值變大趨于穩定（圖5）。

圖3 豬皮樣品照片

圖4 太赫茲測試圖

圖5 圖4中紅色列像素灰度值分布

3 討論

在醫療領域，太赫茲成像技術已經開展了廣泛的應用研究。本研究采用太赫茲反射式成像實驗設備，在Taylor等[10-11]研究基礎上實現了對3種不同程度燙傷豬皮成像，實驗結果表明太赫茲成像技術在燒傷分度檢測中有廣闊的應用前景。另一方面，許多生物大分子的聲子振動能級在太赫茲波段范圍，太赫茲時域光譜技術能夠有效探測生物大分子，因此太赫茲波可用于生物醫藥領域的探索研究。除此之外，太赫茲波的光子能量低不會破壞生物組織，可以將太赫茲波應用于生物的在體檢測。張建娜等[12]利用太赫茲時域光譜系統研究了4種同分異構的二硝基苯甲酸的吸收譜，實驗結果表明4種同分異構體的吸收光譜在紅外波段表現出相似性，而在太赫茲波段卻存在非常明顯的區別，這說明了太赫茲技術可以為鑒別物質的同分異構提供一種可行手段；Joseph等[13]和Doradla等[14]將太赫茲應用于非黑色素瘤皮膚癌的檢測，對10個皮膚癌樣品的太赫茲成像，得到的實驗結果和組織病理學檢測一致，說明了太赫茲成像用于皮膚癌的早期檢測是可行的。Wahaia等[15]對經過石蠟包埋后的結腸癌樣品進行太赫茲光譜成像，進一步驗證了太赫茲技術在人體結腸癌檢測中的可行性。王慶偉等[16]使用連續太赫茲成像系統，對正常小鼠和接種MG-63荷瘤的小鼠進行了活體成像，實驗結果顯示出太赫茲成像能夠很好的區分瘤體組織，這一結果充分證明了太赫茲成像技術能夠作為檢測手段應用于臨床醫學。

作為一種新型的醫療手段，雖然太赫茲科學技術已經成為國內外的研究熱點，但目前的技術水平還遠達不到實際應用的需求。太赫茲技術仍然存在一些不足之處，比如系統設備由于受到光學元件和物理衍射極限的限制，聚焦的焦斑較大導致成像系統的分辨率不高，無法檢測到微米甚至納米量級的細胞分子。系統的成像速度受平移臺移動速度制約，導致成像速度較慢不能滿足快速診斷的需求。在以后的工作中我們會進一步優化光學元件，研究可行的太赫茲圖像處理算法，進一步提高系統的成像分辨率，同時通過更換更高速的平移臺提高成像速度。

4 結論及展望

本文介紹了反射式太赫茲成像實驗設備，并將其應用于生物樣品燙傷的檢測成像。相關實驗已表明該實驗設備對不同程度的生物組織燙傷具有分辨性，對于含水量較低的嚴重燙傷組織樣品具有低反射特性，因此證明其在生物組織燒傷診斷領域具有極大優勢。可以預見，太赫茲技術一定可以在人類生命健康事業上提供更加精確、高效的實時監測手段。