一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法，其目的在于用來增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度和提高病變組織與正常組織的太赫茲波成像對(duì)比度。本發(fā)明所述系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、激光發(fā)生器、介質(zhì)平面鏡、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡和平移臺(tái)，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并有空隙的置于所述平移臺(tái)上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器，所述兩個(gè)金屬平面鏡空隙上方設(shè)置所述介質(zhì)平面鏡，所述介質(zhì)平面鏡一側(cè)放置所述激光發(fā)生器。
【專利說明】一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波的生物組織成像應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波與電磁波譜中與之相鄰的紅外和微波相比，具有光子能量低、穿透性強(qiáng)、頻譜覆蓋有機(jī)和生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)等特性，能夠發(fā)掘出全新的光譜分析和成像檢測(cè)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)診斷和生物識(shí)別領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。并且其成像設(shè)備比起核磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像等，簡(jiǎn)單、便攜，可用于醫(yī)學(xué)手術(shù)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。太赫茲波成像作為一種新興的研究生物組織特性和成像識(shí)別的手段，越來越多地引起關(guān)注。
[0003]太赫茲波成像已經(jīng)被應(yīng)用到動(dòng)物組織、牙齒、骨骼、乳腺癌、皮膚和黑色素瘤等生物組織的成像中，用來區(qū)分不同的組織成分和辨析病變組織和正常組織。但是生物組織的成像信號(hào)強(qiáng)度和不同組織尤其是病變組織和正常組織之間的對(duì)比度有待進(jìn)一步提高；同時(shí)現(xiàn)有的生物組織的太赫茲波成像系統(tǒng)大都為脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、購(gòu)買和維護(hù)成本高昂、成像速度慢和穩(wěn)定性較低等缺點(diǎn)；而且由于空氣中的水蒸氣在脈沖太赫茲波所對(duì)應(yīng)的頻段內(nèi)吸收系數(shù)較大導(dǎo)致脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)很難被實(shí)際應(yīng)用；并且由于生物組織細(xì)胞中含有大量水分，水在脈沖太赫茲波所對(duì)應(yīng)的頻段內(nèi)吸收系數(shù)較大導(dǎo)致脈沖太赫茲波在生物組織中的穿透深度有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、購(gòu)買和維護(hù)成本較低、成像速度快和穩(wěn)定性較高的能增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)以及方法。
[0005]為達(dá)上述目的，本發(fā)明一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、激光發(fā)生器、介質(zhì)平面鏡、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡和平移臺(tái)，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并有空隙的置于所述平移臺(tái)上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器，所述兩個(gè)金屬平面鏡空隙上方設(shè)置所述介質(zhì)平面鏡，所述介質(zhì)平面鏡一側(cè)放置所述激光發(fā)生器。
[0006]其中所述第一金屬平面鏡與所述第二金屬平面鏡為一體V型金屬平面鏡，V型口處留有透射孔。所述V型金屬平面鏡透射孔下方為所述平移臺(tái)，上方為所述介質(zhì)平面鏡。
[0007]其中所述太赫茲波發(fā)生器為耿式振蕩器或反波管。
[0008]其中所述太赫茲波探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。
[0009]其中所述激光發(fā)生器為飛秒激光器或連續(xù)激光源(能對(duì)應(yīng)于納米顆粒吸收峰位置的特定波長(zhǎng)的連續(xù)激光源，使得納米顆粒在激光照射下會(huì)發(fā)生表面等離子體效應(yīng)而發(fā)熱，使得周圍的生物組織中的水分溫度相應(yīng)的升高)。
[0010]一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，包括以下步驟:[0011]將納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織；
[0012]激光發(fā)生器照射包含納米顆粒的生物組織樣品；
[0013]太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像，即得到增強(qiáng)所述生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的圖像。
[0014]其中所述納米顆粒為金、銀、超順磁性氧化鐵納米顆粒或者其他可以在激光照射下發(fā)熱的生物相容性高的納米顆粒。
[0015]其中所述納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織采用如下方式，當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用將納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織的方式；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像 生物組織分布時(shí)，采用先對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾所需增強(qiáng)成像生物組織對(duì)應(yīng)的靶向物質(zhì)而后進(jìn)行靜脈注射的方式。
[0016]其中所述太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像為太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于本發(fā)明取得了如下技術(shù)效果:
[0018]本系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，成像速度較快和穩(wěn)定性較好，并且避免了空氣中水蒸氣強(qiáng)烈吸收太赫茲波的問題和提高了太赫茲波在生物組織中的穿透深度，同時(shí)在所采用頻率下的太赫茲波強(qiáng)度對(duì)溫度變化敏感，提高了技術(shù)的靈敏度，而且提出的方法具有普適性，金、銀、超順磁性氧化鐵納米顆粒或者其他可以在激光照射下發(fā)熱的生物相容性高的納米顆粒均可被采用，擴(kuò)展了此技術(shù)的應(yīng)用范圍。
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明腫瘤細(xì)胞液結(jié)合納米顆粒前后并在或不在激光照射下進(jìn)行太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。
[0022]附圖標(biāo)記說明:1_耿式振蕩器；2_熱釋電探測(cè)器；3_飛秒激光器；4_第一金屬平面鏡；5_第二金屬平面鏡；6_介質(zhì)平面鏡；7_拋物面鏡；8_平移臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。
[0024]本發(fā)明的一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的連續(xù)波成像系統(tǒng)包括:能產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波的太赫茲波發(fā)生器(如耿式振蕩器1)，反射太赫茲波的第一金屬平面鏡4和第二金屬平面鏡5，收集太赫茲波的拋物面鏡7，探測(cè)太赫茲波強(qiáng)度的太赫茲波探測(cè)器(如熱釋電探測(cè)器2)，用于放置被成像生物組織的平移臺(tái)8，提供激光的激光發(fā)生器(如飛秒激光器3)和反射激光的介質(zhì)平面鏡6。其中第一金屬平面鏡4和第二金屬平面鏡5呈一體V型放置于平移臺(tái)8上方且中間有一透射孔，所述透射孔上方為介質(zhì)平面鏡6，介質(zhì)平面鏡6 —側(cè)為所述激光發(fā)生器，使得所述激光發(fā)生器發(fā)射的激光經(jīng)介質(zhì)平面鏡6反射并透過所述透射孔后到達(dá)平移臺(tái)8上的生物組織樣品，所述太赫茲波發(fā)生器位于第一金屬平面鏡4 一側(cè)并與鏡面成一定夾角，使得所述太赫茲波發(fā)生器發(fā)射的太赫茲波能通過第一金屬鏡面4反射到平移臺(tái)8上的組織樣品，拋物面鏡7位于第二金屬平面鏡5的一側(cè)，所述太赫茲波探測(cè)器位于拋物面鏡7 —側(cè)，使得經(jīng)所述生物組織樣品反射的太赫茲波反射到第二金屬平面鏡5后又反射至拋物面鏡7上，反射至拋物面鏡7上的太赫茲波又反射到達(dá)所述太赫茲波探測(cè)器。
[0025]工作原理:當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像的生物組織分布時(shí)，可將納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織使得納米顆粒與所需增強(qiáng)的生物組織結(jié)合；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像的生物組織分布時(shí)，因?yàn)樗柙鰪?qiáng)成像的生物組織細(xì)胞含有特異性抗原，如果對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾此特異性抗原所對(duì)應(yīng)的抗體，接著采用靜脈注射納米顆粒的方式，就使得其與所需增強(qiáng)成像的生物組織進(jìn)行靶向結(jié)合，這樣，所需增強(qiáng)成像的生物組織中就含有了納米顆粒。接著利用激光發(fā)生器發(fā)出的激光照射結(jié)合納米顆粒的生物組織，由于納米顆粒在激光的照射下發(fā)生表面等離子體效應(yīng)而發(fā)熱，并且生物組織中含有大量水分使得納米顆粒周圍的水的溫度相應(yīng)的升高，而水在成像的太赫茲波頻段內(nèi)的吸收系數(shù)和折射率隨溫度劇烈變化，這樣使得從結(jié)合納米顆粒的生物組織上反射的太赫茲波的強(qiáng)度明顯升高。進(jìn)一步，為增強(qiáng)病變組織與正常組織在太赫茲波成像時(shí)的對(duì)比度，由于所需增強(qiáng)成像的病變組織細(xì)胞含有特異性抗原，對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾病變組織細(xì)胞特異性抗原所對(duì)應(yīng)的抗體，接著采用靜脈注射納米顆粒的方式，就使得其與病變組織進(jìn)行靶向結(jié)合而與正常組織不進(jìn)行結(jié)合，通過激光照射前后所成太赫茲波圖像相減得到病變組織的輪廓圖像。
[0026]實(shí)施例1
[0027](I)使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡4反射至平移臺(tái)8上的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡5以及拋物面鏡7反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0028](2)使用飛秒激光器3發(fā)射800nm紅外激光(1.062ff/cm2)照射腫瘤細(xì)胞液，并利用耿式振蕩器I發(fā)射0.2 THZ太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡4反射至平移臺(tái)8上的腫瘤細(xì)胞液上進(jìn)行照射，依次經(jīng)腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡5以及拋物面鏡7反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0029](3)采用金納米顆粒直接注射到腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后金納米顆粒濃度為50ug/ml)，然后將所述結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液放置于平移臺(tái)8上，使用耿式振蕩器I發(fā)射
0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡4反射至平移臺(tái)8上的結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡5以及拋物面鏡7反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0030](4)采用金納米顆粒直接注射到腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后金納米顆粒濃度為50ug/ml)，然后將所述結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液放置于平移臺(tái)8上，利用飛秒激光器3發(fā)射SOOnm紅外激光(1.062W/cm2)照射腫瘤細(xì)胞液，并使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡4反射至平移臺(tái)8上的結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡5以及拋物面鏡7反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。
[0031]檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，(I) 為腫瘤細(xì)胞液在未結(jié)合納米顆粒，未經(jīng)紅外激光照射環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線(反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比=(變化后的反射信號(hào)強(qiáng)度-初始反射信號(hào)強(qiáng)度)/初始反射信號(hào)強(qiáng)度);(2) 為腫瘤細(xì)胞液未結(jié)合納米顆粒并在紅外激光(1.062W/cm2)照射環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線；(3):為結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后金納米顆粒濃度為50ug/ml)在未經(jīng)紅外激光照射環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線；(4) “-ο-”為結(jié)合金納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后金納米顆粒濃度為50ug/ml)在紅外激光(1.062W/cm2)照射環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線，可以看出，結(jié)合納米顆粒并在紅外激光照射下的腫瘤細(xì)胞液信號(hào)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。
[0032]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫 離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所示系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、激光發(fā)生器、介質(zhì)平面鏡、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡和平移臺(tái)，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并有空隙的置于所述平移臺(tái)上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器，所述兩個(gè)金屬平面鏡空隙上方設(shè)置所述介質(zhì)平面鏡，所述介質(zhì)平面鏡一側(cè)放置所述激光發(fā)生器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一金屬平面鏡與所述第二金屬平面鏡為一體V型金屬平面鏡，V型口處留有透射孔。所述V型金屬平面鏡透射孔下方為所述平移臺(tái)，上方為所述介質(zhì)平面鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲波發(fā)生器為耿式振蕩器或反波管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲波探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述激光發(fā)生器為飛秒激光器或連續(xù)激光源。
6.一種增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于包括以下步驟: 將納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織； 激光發(fā)生器照射包含納米顆粒的生物組織樣品； 太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像，即得到增強(qiáng)所述生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述納米顆粒為金、銀、超順磁性氧化鐵納米顆粒或者其他可以在激光照射下發(fā)熱的生物相容性高的納米顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織采用如下方式，當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用將納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織的方式；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用先對(duì)納米顆粒進(jìn)行表面修飾所需增強(qiáng)成像生物組織對(duì)應(yīng)的靶向物質(zhì)而后進(jìn)行靜脈注射的方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述的太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像為太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK103919530SQ201410160623
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】張亮亮, 張銳, 吳同, 張存林 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)