基于太赫茲波反射式成像的缺血腦組織的檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種基于太赫茲波反射式成像 的缺血腦組織的檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 缺血性腦卒中是威脅全球人類健康的主要疾病之一，占全部腦卒中患者的60~ 70%，具有較高的發(fā)病率、致殘率和死亡率。腦缺血是指因腦血流量下降而引起的腦細(xì)胞功 能和形態(tài)學(xué)上的改變，只有當(dāng)腦血流量下降達(dá)一定水平和持續(xù)一定時(shí)間后，腦組織才會(huì)發(fā) 生缺血改變。各種原因引起的腦血流量下降均可使細(xì)胞缺氧，腦缺氧能量代謝障礙直接抑 制質(zhì)膜上鈉/鉀ATP酶的活性，鉀離子大量外流;媽離子、氯離子和鈉離子向細(xì)胞內(nèi)流入和聚 集，形成細(xì)胞內(nèi)高滲狀態(tài)，大量水份進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，引起細(xì)胞外間隙縮小，細(xì)胞腫脹(細(xì)胞毒性 水腫）。此時(shí)血腦屏障未開放，數(shù)小時(shí)后組織細(xì)胞出現(xiàn)缺血壞死。5至6小時(shí)后血管內(nèi)皮細(xì)胞 損傷，導(dǎo)致血腦屏障破壞，蛋白質(zhì)通透性增加，離子通透性也大大增加，組織間隙水份聚集， 形成血管源性水腫，組織總含水量逐漸增加，此時(shí)腦缺血損傷已向不可逆方向發(fā)展。因此， 早期診斷及治療是非常重要的，而辨別某區(qū)域腦組織缺血與否以及缺血嚴(yán)重程度可以為臨 床治療提供診斷依據(jù)和手術(shù)決策依據(jù)。
[0003] 目前，對(duì)于急性腦缺血最有效、最有前途的治療方法之一是在超急性期（<6h)進(jìn)行 溶栓治療，但是溶栓時(shí)機(jī)若選擇不當(dāng)，不僅會(huì)引起出血性腦梗死，而且再灌注損傷會(huì)加重局 部腦組織缺氧，加重病情，甚至加速病人死亡。因此，尋找一種能早期確定病灶部位與范圍 的方法顯得極為重要。但現(xiàn)階段使用醫(yī)院傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)成像檢測方法，如:CT、MRI等成像方 法，檢查缺血腦組織需要在發(fā)病6小時(shí)以后才能顯示缺血病灶，并且還無法確定缺血半暗帶 的范圍、缺血的程度和準(zhǔn)確的反應(yīng)病變部位。因此需要尋找一種新的能夠盡早準(zhǔn)確的反映 腦缺血組織的病變部位、病灶大小及缺血半暗帶的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。這對(duì)于早期腦組織 缺血的病理分析研究和實(shí)現(xiàn)早期診斷，最大程度的減少缺血壞死的范圍和保護(hù)正常的腦組 織的研究具有重大的實(shí)際意義。
[0004] 太赫茲(Terahertz，簡稱ΤΗζ，1ΤΗζ = 1012Ηζ)波段是指頻率從100GHz到ΙΟΤΗζ，相應(yīng) 的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域。由于 該頻段是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，特別是由于很多生 物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均落于太赫茲波段，物質(zhì)在太赫茲波波段的發(fā)射、反射和透射 光譜中包含了豐富的物理和化學(xué)信息，并且太赫茲波的光子能量低（ΙΤΗζ的電磁波的光子 能量只有約4meV)，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X射線的能量，不會(huì)對(duì)生物大分子、生物細(xì)胞和組織產(chǎn)生有害 的電離，特別適合于對(duì)生物組織進(jìn)行活體檢查。此外，太赫茲波對(duì)水分子非常敏感，不僅能 夠有效地檢測到水溶液里離子之間的協(xié)同性以及蛋白質(zhì)的水化作用，而且對(duì)生物組織的水 分變化更是具有高靈敏度。這有可能使太赫茲波非常適用于生物組織的水分及相關(guān)成分變 化檢測，進(jìn)而區(qū)別生物體的健康組織和病態(tài)組織或識(shí)別。同時(shí)，其對(duì)生物特征細(xì)胞密度及其 排列較為敏感。因此，太赫茲波成像技術(shù)在實(shí)時(shí)生物信息提取、生物組織活體檢查、醫(yī)學(xué)成 像以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景與應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于太赫茲波反射式成像 的缺血腦組織的檢測裝置，本發(fā)明裝置通過對(duì)各光學(xué)元器件的不同擺放實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的 控制和探測，裝置整體布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，測量精度高，操作簡單;本發(fā)明的另一目的是利 用上述檢測裝置提供一種能夠及時(shí)準(zhǔn)確的反映腦缺血組織的病變部位、病灶大小及缺血半 暗帶的缺血腦組織的檢測方法，采用該檢測方法對(duì)缺血腦組織成像，可以實(shí)現(xiàn)在腦缺血發(fā) 生2小時(shí)后，準(zhǔn)確的反映腦缺血組織的病變部位、病灶大小及缺血半暗帶。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 基于太赫茲波反射式成像的缺血腦組織的檢測裝置，包括太赫茲源、數(shù)據(jù)采集卡 和計(jì)算機(jī)，所述太赫茲源發(fā)射的太赫茲波入射到與所述太赫茲波成45°角的金屬線柵，所述 太赫茲波的一部分經(jīng)所述金屬線柵反射后入射至與所述數(shù)據(jù)采集卡輸入端相連接的第一 太赫茲探測器；
[0008] 所述太赫茲波的另一部分經(jīng)金屬線柵透射后依次經(jīng)過第一鍍金膜反射鏡、第二鍍 金膜反射鏡和第三鍍金膜反射鏡，經(jīng)第三鍍金膜反射鏡反射后的太赫茲波以30° - 60°的角 度入射至第一太赫茲透鏡，經(jīng)所述第一太赫茲透鏡透射后的太赫茲波被用于放置腦組織樣 品的二維移動(dòng)平臺(tái)反射后入射至第二太赫茲透鏡，經(jīng)第二太赫茲透鏡透射后的太赫茲波入 射至與數(shù)據(jù)采集卡輸入端相連接的第二太赫茲探測器；
[0009] 所述計(jì)算機(jī)接收所述數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)及所述二維移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)信息。
[0010] 所述太赫茲源發(fā)射的太赫茲波的頻率范圍為〇. ITHz-ΙΟΤΗζ。
[0011] 所述二維移動(dòng)平臺(tái)由中空的支架構(gòu)成，所述支架的正上方設(shè)置有用于放置腦組織 樣品的襯底。所述襯底為石英玻璃材質(zhì)。
[0012] 所述基于太赫茲波反射式成像的缺血腦組織的檢測裝置的檢測方法，步驟如下：
[0013] (1)太赫茲源發(fā)射太赫茲波，入射到所述金屬線柵上，所述金屬線柵反射的太赫茲 波作為腦組織樣品檢測時(shí)的入射光被第一太赫茲探測器探測;所述金屬線柵透射的太赫茲 波作為腦組織樣品檢測時(shí)的反射光被第二太赫茲探測器探測；
[0014] (2)將腦組織樣品放置于二維移動(dòng)平臺(tái)，調(diào)整二維移動(dòng)平臺(tái)的位置，使得放置在二 維移動(dòng)平臺(tái)上的腦組織樣品處于第一太赫茲透鏡的焦平面上，計(jì)算機(jī)記錄二維移動(dòng)平臺(tái)的 當(dāng)前位置信息；上述反射光依次經(jīng)過第一太赫茲透鏡的透射、腦組織樣品的反射和第二太 赫茲透鏡的透射后被第二太赫茲探測器探測;數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集第一太赫茲探測器和第 二太赫茲探測器探測到的信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)后輸送至計(jì)算機(jī)，分別得到腦組織樣品在該位 置處的入射光強(qiáng)和反射光強(qiáng)；
[0015] (3)重復(fù)執(zhí)行步驟（2)，最終獲得腦組織樣品上不同位置處的入射光強(qiáng)和反射光 強(qiáng);通過菲涅耳公式計(jì)算得到腦組織樣品在上述所有位置的水分子體積濃度，最終繪制出 腦組織樣品的圖像。
[0016] 步驟(3)中所述菲涅耳公式計(jì)算得到腦組織樣品在上述所有位置的水分子體積濃 度的步驟如下：
[0017] 由
[0018] I=E2
[0019] 其中，I為光強(qiáng)度，E為電矢量的振幅，由于光在兩個(gè)線性電介質(zhì)的界面上發(fā)生的反 射和折射特性與電矢量復(fù)振幅i的振動(dòng)方向有密切關(guān)系，用菲涅耳公式表征即：
[0021][0022] 其中，g和&分別為s波和p波的反射系數(shù)，瓦，和瓦分別為入射光和反射光在s方
[0020] 向（垂直于入射面的分量）的電矢量的復(fù)振幅，萬^和萬^.分別為入射光和反射光在P方向（平 行于入射面的分量）的電矢量，年和毛分別為空氣和樣品的折射率，θ:為入射角，θ2為折射 角；
[0023] 由斯涅爾定律可知1118；[1191 = 1128；[1192，且空氣中折射率年=1.，所以菲涅耳公式寫 為：
[0024]
[0025]
[0026] 入射到腦組織樣品上的太赫茲波只在ρ方向或s方向偏振，則只考慮公式：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]通過測得的入射光強(qiáng)和反射光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電矢量的振幅信號(hào)Eip和Erp (或者Eis和 Ers)，經(jīng)過傅里葉變換得到_%和1 (或者良和瓦），通過上述計(jì)算得到腦組織樣品的復(fù)折 射率：/72 =/7: +/Λ：，其中Π 2為樣品實(shí)折射率，K為消光系數(shù)；
[0031]又由吸收系數(shù)與消光系數(shù)的關(guān)系:a = 43TVK/c，求得吸收系數(shù)α，其中v為頻率，C為 光速；
[0032] 由于缺血程度不同的部位具體不同的水濃度，而當(dāng)太赫茲波在缺血程度不同的部 位進(jìn)行反射時(shí)，其被腦組織吸收的程度亦不同，所以腦組織樣品不同位置對(duì)太赫茲的吸收 系數(shù)來反映出腦組織不同位置的水濃度分布，并以此為依據(jù)繪制出腦組織的缺血情況。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：
[0034] 本發(fā)明利用太赫茲波對(duì)于組織水濃度具有高敏感性和不同缺血情況下腦組織的 水濃度不同的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了腦組織缺血情況分布圖的繪制，使用本發(fā)明不僅可以在腦缺血2 小時(shí)后明顯的觀察到病變部位、而且可以準(zhǔn)確的反映出病灶大小和缺血半暗帶，這是目前 其他傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)所達(dá)不到的，也為早期腦組織缺血的病理分析研究和實(shí)現(xiàn)早期 診斷，最大程度的減少缺血壞死的范圍和保護(hù)正常的腦組織的研究提供了新的技術(shù)手段。
【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。
[0037] 附圖標(biāo)記：1_太赫茲源2-金屬線柵3-第一太赫茲探測器4-第一鍍金膜反射鏡 5_第二鍍金膜反射鏡6-第三鍍金膜反射鏡7-第一太赫茲透鏡8-二維移動(dòng)平臺(tái)9-第二 太赫茲透鏡10-第二太赫茲探測器11-數(shù)據(jù)采集卡12-計(jì)算機(jī)
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：
[0039] 如圖1所示，基于太赫茲波反射式成像的缺血腦組織的檢測裝置，包括太赫茲源1、 數(shù)據(jù)采集卡11和計(jì)算機(jī)12,太赫茲源1發(fā)射的太赫茲波的頻率范圍為O.lTHz-ΙΟΤΗζ，太赫 茲源1發(fā)射太赫茲波，入射到金屬線柵2上，金屬線柵2起到分光的作用，擺放金屬線柵2的位 置使其與入射的太赫茲波成45°角，這樣設(shè)置能夠?qū)⑷肷涞奶掌澆ㄆ骄殖晒鈴?qiáng)相等的 透射太赫茲波和反射太赫茲波，經(jīng)金屬線柵2反射后的太赫茲波作為腦組織樣品檢測時(shí)的 入射光被第一太赫茲探測器3探測。
[0040] 經(jīng)金屬線柵2透射后的太赫茲波作為腦組織樣品檢測時(shí)的反射光，透射的太赫茲 波依次經(jīng)過第一鍍金膜反射鏡4、第二鍍金膜反射鏡5和第三鍍金膜反射鏡6轉(zhuǎn)折光路后，使 太赫茲波以30° - 60°的角度入射到第一太赫茲透鏡7,具體操作過程中可通過改變第三鍍 金膜反射鏡6的擺放角度來改變太赫茲波的入射角度。第一太赫茲透鏡7和第二太赫茲透鏡 9組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，太赫茲波經(jīng)過第一太赫茲透鏡7聚焦，在焦點(diǎn)處光斑最小，通過調(diào)整二維 移動(dòng)平臺(tái)8的位置，可以使放置在二維移動(dòng)平臺(tái)8上的腦組織樣品處于第一太赫茲透鏡7的 焦平面上，太赫茲波入射到腦組織樣品上，在缺血腦組織上進(jìn)行反射，反射的太赫茲波再經(jīng) 過第二太赫茲透鏡9,最后被第二太赫茲探測器10探測。計(jì)算機(jī)12接收數(shù)據(jù)采集卡11采集到 的數(shù)據(jù)及所述二維移動(dòng)平臺(tái)8的移動(dòng)信息，本實(shí)施例中二維移動(dòng)平臺(tái)8由中空的支架構(gòu)成， 支架的正