太赫兹频段高对比度和高信噪比生物组织光学参数成像研究

The noninvasive diagnosis and therapy in terahertz (THz) region are an important issue both in the fileds of terahertz and biomedical photonics. In this project, the noninvasive clustering imaging using refractive index and absorption coefficient of biological tissue is investigated based on terahertz time-domain spectroscopy. In order to reveal terahertz-tissue interaction and improve the permittivity model, transmission behaviors of terahertz radiation through stratified media are simulated using the Finite Difference Time Domain algorithm (FDTD). An optimal and quick algorithm used for getting accurate and stable refractive index and absorption coefficient of tissues is established by means of combination of digital pre-filtering and self-adptive iterative algorithm. The huge amounts of teraherz data are statistically analyzed by use of principal component analysis (PCA). A novel method of clustering image of optical parameter with both functions of structure imaging and founctional imaging is established. The contour of cancer tissue can be defined and the depth also can be located with high contrast and signal-to-noise ratio using this method. In addition, the physical mechanism of clustering imaging is revealed. A novel method of preparing stable and reusable solid phantom used for terahertz imaging is established. This project aims at resolving the basic scientific and technical problems in terahertz imaging and provide a novel idea of safe diagnosis and therapy of cancer. Therefore, this study has significantly scientific meaning and wide applications.

太赫兹（THz）频段安全无损的生物组织疾病诊治是当前THz和生物医学光子学领域共同关注的重要课题。本项目基于THz时域光谱技术开展生物组织折射率和吸收系数安全无损的聚类成像研究。采用时域有限差分法模拟THz波在层状组织中的传输行为，完善组织的介电常数模型，揭示THz波与组织相互作用规律；采用对THz时域光谱数字滤波预处理和自适应迭代算法相结合的手段，建立一种普适的获取生物组织稳定而精确的光学参数优化快速算法；采用主成分分析法对THz成像的海量数据进行统计分析，建立一种同时具有结构成像与功能成像双重功能且可对癌组织轮廓界定和深度定位的高对比度和高信噪比的光学参数聚类图像的新方法，并揭示其物理机制；建立一种性能稳定且可重复使用的用于THz频段的固态仿生材料制备方法。本研究旨在解决生物组织THz成像的基本科学和技术问题，为研究癌症安全无损诊治的方法开辟新思路，具有深远的科学意义和广阔的应用前景。

太赫兹（THz）脉冲成像兼具结构成像和功能成像的特点，在生物医学成像领域有着不可替代的独特优势。THz波处于相对滞后的应用状态，蕴含着重要的学术研究价值。因此，研究THz生物组织成像有着深远的科学意义和重大的应用价值。.本项目在THz频段针对如下问题进行了深入系统的研究：精确提取物质的光学参数——折射率和吸收系数的方法、光学参数测量不确定度、生物样品的复介电模型、抑制光谱水汽本底噪声的方法、基于Kramers–Kronig关系精确计算物质光学参数的方法、单糖多晶的光谱特性、物质的分类与鉴别、生物医学图像边缘检测、高对比度和高信噪比生物组织成像。.研究取得如下成果：确定了葡萄糖、水、人体血液、人体皮肤组织和部分动物组织的THz频段的介电模型，为分析生物样品的THz介电性质提供了理论基础；提出了一种普遍适用的获取高精度物质光学参数的智能优化算法，为THz时域光谱技术的应用提供了技术支持；建立了基于反射式THz时域光谱的测量不确定度模型，为减小光学参数的测量误差提拱了理论指导；提出了一种基于THz反射光谱提取固体薄片高精度光学参数的方法，为研究物质的THz光学特性提供了技术途径；提出了一种消除THz光谱水汽本底噪声的方法，对THz光谱技术的实际应用可以起到促进作用；提出了一种基于Kramers-Kronig关系计算高精度物质光学参数的方法，为Kramers-Kronig关系在THz光谱中的应用提供了可靠性保证；获得了较宽的频率范围内葡萄糖、果糖和半乳糖的特征吸收频率，为医学上糖尿病的检测提供了理论与实验参考；实现了基于THz时域光谱技术与主成分分析法并用对物质的分类与鉴别，为物质的分类与鉴别提供了一个新途径；实现了基于数学形态学对 THz生物组织图像的边缘检测，为医学领域对病灶范围的界定提供了一种新思路；构建了高对比度和高信噪比的THz生物组织图像，为生物医学成像提供了一种新颖的结构成像和功能成像方式。.总之，本项目的研究成果对THz时域光谱技术在生物医学领域中的应用具有重要的理论指导意义，所提出的方法具有实际的推广价值。