人体组织病变太赫兹探测响应机理和评估分析方法研究

The applied project would carry out the fundamental research on bio-tissue lesion detection using the Terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) technology. Focused on the interactive excitation effects of human tissue lesion features with the THz wave, the theories including bio-eltromagnetics are introduced and investigated. For the modeling of forward problems and providing forward solutions for lesion characteristics inversion, the response mechanism of THz-TDS of lesion tissues, cross-interference mechanism of multi-objective compositionts, and the evolution patterns of THz spectroscopy of human tissues are probed into. With the detection of human stomach tissues as the main objective, the qualitative and quantitative assessment techniques including the THz spectroscopy decomposition and two-dimensional correlation spectroscopy analysis methods are researched. The analysis, separation and discrimination of terahertz spectral characteristics of human tissues (including normal, inflammation, and tumor tissues at different stages ) are studied. The data set of THz spectroscopy variation characteristics are established and the lesions-terahertz spectra associated analysis methods are presented. Based on the technical results of the project, a set of detection technology solutions for human lesion tissue (stomach tissue) detection by THz wave and the prototype of the detection and analysis system are presented and developed (The inversion problems of THz detection are dealt with). The research results of the project would lay a solid theoretical and application foundation for the future utility of THz wave detection methods in the field of real-time clinical detection and diagnosis of human tissues.

本课题拟应用太赫兹波时域光谱探测技术，开展生物组织病变检测问题的基础研究。课题将围绕人体组织的病变特征对太赫兹波的交互激励作用，引入生物电磁学等理论，着重研究THz-TDS对病变特征的响应机理、多目标成分的交叉干扰机制、人体组织太赫兹波谱特征演化模式等正向理论问题，为病变特征反演提供指导；并以人体胃部组织为对象，研究THz波谱分解和二维相关光谱分析等定性与定量评估技术，解析、剥离和辨识人体组织（含正常组织、炎症组织、不同阶段肿瘤组织）的太赫兹光谱特征，构建THz波光谱学差异特征集合，建立病变-太赫兹波谱关联分析方法，形成基于太赫兹光谱的人体病变组织（胃部）检测技术方案和检测分析系统原型（THz检测的反向问题），为THz波探测方法应用于临床实时检测与诊断奠定理论知识和应用技术储备。

在国基面上项目的支持下，本课题主要面向生物医学领域对检测与诊断新方法的迫切需求，开展了人体组织病变太赫兹探测响应机理和评估分析方法研究。主要研究内容、技术进展与关键数据为：引入“组织芯片”等技术改进了太赫兹时域光谱检测实验样本制备与检测光斑与医学检测定位对准方法；正向理论方面，引入双德拜模型研究了正常与病变组织的弛豫极化过程，利用网格法计算了组织样本的静态介电参数、中间介电常数、极限介电常数以及极化时间等参数，从微观层面解释了胃癌组织与正常组织在介电特性上的差异；通过时域差分方式理论研究了太赫兹波在人体胃组织等色散介质中的传播过程，分析透过组织后的时域波形的相位以及波峰波谷幅值变化，并以此来解释正常与病变组织光学特性。光谱解析与病变识别方面，提出了基于谱图特异性主成分提取的辨识模型，利用优化的模式识别方法实现组织病理状态的定性判别；针对混合物谱图中各成分太赫兹吸收峰相互重叠导致成分识别信息被干扰与湮没的问题，采用非负矩阵分解、硬建模因子分析、自建模混合分析等方法，分别从数学解析和谱图物理结构分解的角度对未知混合物的成分光谱进行提取与识别，并修改和改进。多源信息映射方面，提出了基于光谱剥离技术的太赫兹波信息与肿瘤组织特异信息相关性建模方法，对病变组织进行更细致的判别。应用基础实践方面，与相关附属医院、肿瘤研究中心、医科院等进行了联合设计与联合实验，综合利用病理学和太赫兹光谱学联合解析病变，建立了“医学-工学-信息学”联合小组，先后完成了近千组人体消化道病变组织的医学检测、太赫兹波探测实验与分析工作，积累了病理与太赫兹波相关数据集合，构建了模型算法库，自主建立了以人体病变组织检测分析为出发点的太赫兹波探测整体解决技术流程与方案，为后续深化研究奠定了良好基础。结合相关研究撰写的多篇学术论文已在国际学术期刊上发表（或录用）。