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云联惠中国科学院光电技术研究所
发布时间:2024-05-06 14:31:50来源:云联惠 浏览次数:1

  和创伤性脑损伤的太赫兹成像和光谱的新方法,并讨论了太赫兹技术在神经诊断领域的前景和面临的挑战。

  太赫兹波是频率介于红外和微波之间的一种电磁波。虽然在19世纪末太赫兹波就已经被首次发现,但太赫兹技术在1975年之后才得到迅速发展,当时D. Auston提出利用半导体中的光电导效应来产生和检测太赫兹脉冲。后来人们发现,与其他波段的电磁波相比,太赫兹波能够以一种独特的方式与物质相互作用,进而推动了它在现代科技不同分支中的应用,比如生物光子学、医学光谱学和成像学等领域。但其中比较重要的一点是太赫兹波容易被水分子强烈吸收,导致其在人体组织和内部器官等方面的应用难以开展。与此同时,人体中存在着大量组织液,它可以作为生物组织中不同病理过程的内源性标志物,例如肿瘤、糖尿病、组织失活和死亡等。直到21世纪,研究人员才将太赫兹技术应用于大脑组织的研究。他们利用太赫兹光谱成像技术来研究健康脑组织和病理脑组织,后者包括肿瘤(神经胶质瘤、脑膜瘤)、退行性疾病(阿尔茨海默病、脱髓鞘病)、脑损伤等,并对某些实验室动物和人类的脑组织进行了分析。太赫兹技术为脑部疾病的术中诊断提供了新的机会。医生凭借太赫兹技术可以区分脑组织结构中的白质和灰质以及其他具有不同组织液含量的神经血管结构。与周围的健康脑组织相比,脑肿瘤非正常的微血管化、水肿、坏死等情况导致病变脑组织中的含水量更高,因此在手术中可以凭借太赫兹技术清晰地观察到肿瘤病变区域。这就是太赫兹技术在脑肿瘤诊断中具有非常大的应用潜力的原因。研究人员表示,在太赫兹神经光子学中,除了组织液还有一些其他物质也可以用作病理诊断的标记物。他们还研究了脱水脑组织中不同组织类型(白质和灰质,完整组织和肿瘤)之间的对比,发现这些组织中脂质和蛋白质的含量是有所不同的。除此之外,太赫兹光谱能够感知-淀粉样蛋白的变化,这种蛋白在组织中的积累起着阿尔茨海默病标志物的作用。文章还讨论了脑肿瘤中出现的不同分子标记,这些标记有望通过太赫兹光谱或成像来检测和评估。

  开发神经诊断的新策略仍然是现代应用物理学、生物物理学、医学和工程科学的一个具有挑战性的问题。例如,人脑胶质瘤是最常见、最致命的脑部疾病之一,占所有原发性脑瘤的26%,占恶性原发性脑瘤的81%。胶质瘤被世界卫生组织WHO划分为I至IV级,其中I、II和III、IV级分别代表低级胶质瘤和高级胶质瘤。胶质母细胞瘤(WHO IV级神经胶质瘤)是脑部最危险的肿瘤,5年相对存活率仅为6.8%。目前手术仍然是治疗神经胶质肿瘤的主要手段,其主要目标是在最大限度地保留周围完整组织的情况下切除肿瘤。但神经胶质瘤的边缘通常不清晰,这给手术带来了很大的麻烦。在大部分情况下,胶质瘤边缘的准确描绘只能通过对切除组织进行病理学检查。这种检查既可在术中进行,也可在术后进行(旨在做出明确的分子病理诊断)。尽管组织病理学仍然是肿瘤诊断的黄金标准,但N. Chernomyrdin等注意到临床中对快速检测肿瘤边缘的新方法的需求日益增加。像MRI、计算机断层扫描、正电子发射断层扫描和超声这类神经诊断仪器,皆存在空间分辨率低的问题,而将它们集成到现代神经外科工作中会大幅提升成本。基于荧光的诊断技术涉及外源性标记,价格低廉,且对高级别胶质瘤和脑膜瘤具有很高的敏感性,不足之处是对低级别肿瘤和儿童的灵敏度会下降。另外,光学相干断层扫描、拉曼光谱成像、共聚焦与偏光敏感显微镜、可见光与近红外光谱以及光声成像等技术作为术中脑组织成像的工具被大力探索,但离临床应用还很遥远。

  太赫兹波对组织液的含量和状态具有很高的灵敏度,因此在脑肿瘤的术中诊断中具有非常广阔的应用前景。其他生物分子(如脂类和蛋白质)与组织液一同在太赫兹频率下组织介电响应的形成中起着重要作用。通过对这些生物分子进行检测,人们得以区分大脑中的正常组织和病理组织,并判断出病理过程的不同阶段。所有这些因素,连同结构神经元和神经胶质特征,包括组织特性的微观变化,使大脑成为太赫兹光谱范围内令人兴奋的研究对象。N. Chernomyrdin等概述了用于研究健康脑组织和不同病理(如脑肿瘤)、退行性疾病(阿尔茨海默病、脱髓鞘病)和创伤性脑损伤的太赫兹成像和光谱的新方法。文章还讨论了太赫兹技术在神经诊断领域的前景和面临的挑战,其一便是脑组织中的太赫兹散射。如图1所示,因为太赫兹波长与大多数脑组织结构的尺寸相差无几甚至更大,所以大多数研究人员都是在太赫兹范围内研究脑组织。假设它在太赫兹波长范围内是均匀的,就会容易忽略单个组织元素的散射特性。然而,现代超分辨率太赫兹成像模式能够以亚波长分辨率将脑组织可视化,使得探测健康脑组织和病变脑组织的亚波长异质性成为可能。一方面,这种异质性可以为区分健康组织和病理组织提供有效的信息;另一方面,也提出了一个新问题,即开发用于描述太赫兹波与此类异质组织相互作用的新方法,涉及Mie散射理论和辐射传递理论。

  图1脑组织(神经原纤维、神经元、神经胶质细胞等)、脑膜和血管在太赫兹波尺度上的结构特征,其中横轴表示太赫兹波长与组织结构单元的典型尺寸之间的比例,而垂直线表示阿贝衍射极限

  俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所(GPI RAS)的宽带介电光谱实验室,主要研究方向为光学和生物光子学、宽带介电光谱、高分辨率显微镜、光信号数字处理、光学中的反问题以及基于新材料和新原理的THz-IR光电器件的开发。Nikita Chernomyrdin博士、Kirill Zaytsev博士课题组是该实验室成员。

  俄罗斯萨拉托夫州立大学光学与生物光子学研究所Valery TuchinSPIE Fellow)课题组,主要研究方向为生物和医学物理学、生物光子学和医学光学、生物医学中的激光光谱学和成像、生物组织光散射和光学透明化。

  天津大学徐德刚教授课题组,主要研究方向为生物物理学、原子物理学、分子物理学、激光技术、太赫兹技术、非线性光学和光电子学。

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