高品质太赫兹成像技术用于癌变组织特性研究

针对当前癌变组织太赫兹（THz）成像诊断技术的研究现状，创新性地提出将THz波段具有谐振激发增强效应的亚波长孔阵列新型传感器（THz-SP传感器），集成于THz-TDS反射成像系统；以提高成像分辨率，获取高对比度的基底癌变（BCC）组织图像；并采用探针吸收式无孔径近场成像技术，实现亚微米级的空间分辨率，以探测BCC组织细胞结构信息。要实现以上两种高品质成像技术，需重点研究的问题包括：(1)与探测样品特性相匹配的，用于实现高分辨率的THz-SP传感器的物理量，即优化传感器品质因子与探测匹配角；(2)THz波段探针吸收式孔径近场成像中获取最优化局域光源。通过本课题的研究，不仅实现基底癌细胞组织高品质的THz成像技术，为癌症组织的活体诊断提供一种有效、精确可靠的新方法，而且将发现实现高品质脉冲时域频谱THz成像的规律与条件。

项目摘要：利用实验室自行搭建的透射式太赫兹时域光谱（Terahertz Time Domain Spectroscopy，THz-TDS）系统对石蜡封装的人体皮肤癌组织进行探测，通过傅里叶变换对采集到的时域数据进行频域分析。通过计算分析样品不同位置透射率和吸收系数，并进行比较分析，确定样品吸收系数较大的位置在1.35THz、1.65THz和2.2THz。其中在1.35THz和1.65THz处的吸收系数成像所重构出的样品图像中的病变位置与病理分析所得到的结论很吻合。利用太赫兹快速扫描系统对脂肪瘤组织进行了时域幅值成像，得到的重构图像与光学图像结果一致。在进行一系列实验的同时，课题组进行对重构图像的病理学解释分析工作。由于癌变组织的细胞处在异常增殖状态，细胞新陈代谢速度很快，导致细胞及周围环境的水含量增加。而THz波对水分含量变化十分敏感，实验已证实在THz波段存在9个以上明显的水的吸收峰，这使癌变组织对THz的吸收强度要高于正常组织的吸收强度，从而能够在特定频率的吸收图像中区分出癌变组织与正常组织。为得到实现更好的判别区分，引入偏最小二乘法和判别分析两种定量分析模型，两种模型的判别结果与病理学诊断的一致，说明利用模型判别可以应用到THz癌症诊断之中。.太赫兹表面等离子激元（Terahertz Surface Plasmons，THz-SPs）是THz波的一种透射增强现象。当THz波透过周期性金属亚波长微结构的孔阵列后，金属与电介质交界面的自由电子对外界入射电磁波做出集体响应，出现相干起伏，使电子密度分布周期化，这时称这种状态为表面等离子谐振子，即THz-SPs，它与入射的THz波发生谐振作用，会出现透射增强。其透射增强峰的中心频率与电介质的介电常数及金属结构有关，这个特性使SPs适于作为一种传感器使用。由于癌变组织与健康组织成分的不同导致介电常数的差别，通过设计金属阵列的结构，确定敏感的频率位置，优化品质因数，从实验中得出最优样品厚度，实现了THz-SPs传感器对不同组织的区分和THz-SPs辅助成像。. 由于THz反射式系统对THz检测技术用于癌变组织的活体检测具有很大的实用意义。实验室利用光纤飞秒激光器搭建了全光纤传输的反射式太赫兹时域光谱系统，可以实现对样品表面的反射信号采集分析。