基于太赫茲時域光譜系統的腦缺血檢測

封面故事|王與燁,孫忠成,徐德剛,姜智南,穆寧,楊川燕,陳圖南,馮華,姚建銓.基于太赫茲時域光譜系統的腦缺血檢測[J].光學學報,2020,40(4):0430001

腦缺血是神經外科的常見疾病之一,會導致病人意識模糊,長時間的腦缺血甚至會造成腦組織功能永久損傷。現有的核磁共振成像和計算機斷層掃描成像技術可以用于術前的腦缺血檢測,但存在設備操作復雜、時間長及成本高等問題;另外,通過檢測局部腦血流和腦電活動可實現術中腦缺血檢測,但存在時間和空間分辨率低、準確度低等問題,因此需要研發一種快速、準確、經濟且對生物體無害的腦缺血檢測手段。

太赫茲波具有光子能量低、對水分子較為敏感且對生物大分子具有指紋譜特性等優點,從而廣泛應用于生物組織的無損檢測中。透射式太赫茲時域光譜技術通過檢測太赫茲波穿過樣品時振幅和相位的變化,可以計算出樣品的折射率、吸收系數等參數,是檢測生物組織病變的有效工具。

天津大學徐德剛教授課題組利用透射式太赫茲時域光譜系統,對不同缺血時間的腦缺血組織進行檢測,通過計算缺血區域(左腦)與健康區域(右腦)的太赫茲吸收系數的相對差異來衡量腦組織的缺血程度,實現了最早缺血兩小時的早期腦缺血組織的檢測,為腦缺血的早期無標記快速檢測提供了新型的技術方法。

實驗采用TAS7500型太赫茲時域光譜儀系統,該系統使用光電導天線作為太赫茲源和探測器,其外部光路示意圖如圖1所示。太赫茲波在穿過樣品后,由一個拋物面金鏡準直,之后被另一個拋物面金鏡聚焦到接收端的光電導天線,最后通過自帶軟件可以計算出樣品的折射率、吸收系數及介電常數等參數。

圖 1 透射式太赫茲時域光譜系統光路示意圖

該課題組利用透射式太赫茲時域光譜儀對新鮮腦缺血組織進行檢測,實驗結果如圖2所示:隨著缺血時間的延長(0-6h),新鮮腦組織左右腦吸收系數的相對差值Δα呈現出增大的趨勢;隨著時間的進一步增加,Δα呈現出減小的趨勢。這種變化趨勢可能是水含量升高和細胞密度下降共同作用導致的。因此,通過對新鮮腦組織進行太赫茲時域光譜測量和分析,可以實現最早缺血2h的新鮮腦缺血組織的檢測。

圖 2 不同缺血時間的新鮮腦組織中左右腦太赫茲吸收系數的相對差異

為了排除腦組織水分變化對測量造成的影響,該課題組進行了石蠟包埋的腦缺血組織的檢測。如圖3所示,隨著缺血時間的延長,Δα迅速減小,這可能是缺血所致左腦的細胞密度下降造成的。因此,通過對石蠟包埋的腦缺血組織進行太赫茲時域光譜檢測和分析,不僅可以實現最早2h的腦缺血檢測,還有望實現腦缺血程度的分析。

圖 3 不同缺血時間的石蠟包埋腦組織中左右腦太赫茲吸收系數的相對差異

在后續的工作中,該課題組將進一步定量探究組織含水量和細胞密度的變化對左右腦太赫茲吸收系數的相對差異的影響,為基于太赫茲時域光譜系統的腦缺血早期檢測打下理論基礎。
 

延伸閱讀:

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[4] 馮美琦,孫青,鄧玉強,丁晴,李超辰,趙昆. 激光偏振態對光纖型太赫茲時域光譜儀的影響[J]. 中國激光, 2019, 46(6): 0614019.