因太赫茲（THz）波具有獨特的性質和優勢，逐漸在生物醫學領域受到重視并得以應用。燒傷是臨床上常見的一種外傷，由于THz的無損和對水敏感的特性，使得THz成像技術在燒傷檢測方面具有廣闊的應用前景。到目前為止，對燒傷創面的THz成像，已從離體研究發展到了在體成像，能夠透過紗布及膏藥獲得高分辨的圖像。本文主要介紹了THz成像技術在燒傷檢測中的最新應用及發展。
引用本文： 朱新建, 何璇, 王品, 高丹丹, 邱妍, 何慶華, 吳寶明. 太赫茲成像技術應用于燒傷檢測的研究發展. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(1): 184-187. doi: 10.7507/1001-5515.20160033 復制
引言
太赫茲(terahertz，THz)波通常是指頻率在0.1～10 THz(波長在0.03~3 mm)范圍內的電磁波，處于宏觀電子學和微觀光子學之間的過渡區域，在電磁波譜中占有特殊位置。由于缺乏有效的THz發射和探測方法，該頻段曾經在很長一段時間里研究進展緩慢，一度被稱作“THz gap”。近20年來，隨著THz源產生技術的快速發展，THz技術在世界范圍內受到越來越多的重視，已開始應用于生物學、化學、農學、天文學、國防安全和通信等領域[1-3]。
與其他波段電磁波相比，THz波具有獨特的性質，使其非常適合用于生物醫學領域。THz輻射具有很低的光子能量，不足以引起化學分子的損壞或原子激發，不會對生物組織引起有害的離子化作用[4]，因此將其應用于生物成像、醫療診斷等方面(如燒傷診斷)非常具有吸引力。此外，THz對極性分子非常敏感，如生物中的水分子和水化作用等。與X射線相比，THz可以提供更好的軟組織對比度，能夠作為醫學檢測的有力工具。過去10年，THz設備、技術和應用發展迅速，引起了醫療成像和診斷領域的極大關注[5]。生物醫學是THz應用的重要領域之一，THz醫學成像技術已被應用于皮膚癌等癌癥早期診斷[6-9]、離體組織與血液診斷[10-11]以及牙齒與骨骼組織診斷等領域[12-15]。最近的研究結果表明，燒傷診斷也成為THz醫療成像技術的重要應用領域之一。本文主要介紹THz技術在燒傷檢測中的應用。
1 太赫茲成像技術在燒傷檢測中的應用
1.1 燒傷深度的分類和診斷
燒傷是臨床上常見的一種外傷，其臨床特點主要表現為：人體表面血液循環豐富，組織疏松，燒傷后水腫嚴重，容易發生休克[16]。目前，燒傷深度普遍采取三度四分的分類方法，即Ⅰ度、淺Ⅱ度、深Ⅱ度和Ⅲ度燒傷。在深度燒傷的創面中，壞死組織、中間組織和充血的健康組織混雜在一起，傷后早期對燒傷創面深度進行快速準確的判斷，是確定治療方案及功能恢復的一個重要因素。目前，燒傷創面深度主要是由醫生根據臨床表現進行診斷，這種臨床診斷的準確率僅在40%~80%之間。此外，所采用的燒傷深度診斷技術主要有熒光檢測技術[17]、激光多普勒成像技術(laser Doppler imaging，LDI)[18-19]、偏振敏感光學相干層析技術(polarization-sensitive optical coherence tomography，PS-OCT)[20]、近紅外光譜成像技術[21]等。雖然其中的一些技術表現出了良好的診斷特性，但是與活檢組織學檢查相比，仍舊缺乏足夠的特異性和靈敏度，而成本效益和檢測條件在內的一些顯著問題，也限制了這些技術在臨床中的應用。由于燒傷后的特征就是組織水腫，而THz成像對皮膚中局部水濃度的變化非常敏感，因此，THz成像技術對燒傷創面檢測來說是非常有前景的一項技術。
1.2 離體燒傷組織的太赫茲成像研究
Dougherty等[22]對燒過的雞肉組織和牛肉組織進行了THz成像，透過不同的紗布材料，對于基準標記和燒傷組織都能得到分辨率很好的成像結果。初步證明，THz成像能夠穿透不同材質的紗布，區分燒傷和未燒傷組織，能夠進行初始燒傷評估，監測傷口愈合和感染跡象，可作為一種良好的輔助工具。Macpherson 等[23]使用THz脈沖成像(terahertz pulse imaging，TPI)來探測膏藥下方的手掌角質層厚度。將膏藥和手掌分為四個層次來分析，即膏藥層、皮膚表面的干燥層、角質層和上皮層。假定角質層的反射率是2，根據不同反射率所表現出的不同時延，來估計每一層的厚度。實驗得到單獨手掌的角質層厚度為177 μm，而包裹著藥膏的手掌角質層厚度為167 em，單獨的藥膏厚度約為36 μm。結果表明，THz光能夠穿透被膏藥包裹的傷口，反映皮膚的厚度信息，意味著THz成像或可用來探測和測量角質層與上皮層的改變，例如燒傷。
Taylor等[24]使用反射式TPI，獲得了與人體皮膚最接近的豬皮樣本的淺Ⅱ度燒傷的高分辨率圖像。該成像系統具有1.5 mm的空間分辨率，可透過多達10層的純棉紗布對目標進行高品質成像，對比度由燒傷和未燒傷區域水間濃度差異所導致的介電常數變化來決定。使用刻有“UCSB”標志的黃銅牌來灼燒豬皮，結果顯示燒傷區與非燒傷區有明顯區別(信號下降75％)，包裹在5層和10層紗布下的圖案清晰可見，圖像沒有受到諸如斑點、雜波的影響，且通過圖像可確定深度的變化特征(如紗布和皮膚表面)。燒傷的皮膚包含較少的水分，因此反射率低。初步表明，可以通過燒傷區域周圍水濃度的梯度成像，區分燒傷和未燒傷區域的皮膚。該實驗表明，反射式TPI為臨床上采用THz成像技術實現在體實時成像奠定了基礎。
1.3 在體燒傷組織的太赫茲成像研究
燒傷后，傷口愈合過程具有復雜的動態，因此要使THz成像法應用于臨床燒傷檢測，必須發展在體檢測技術，而不是離體研究。
Tewari等[25-27]在早期離體研究的基礎上，利用反射式TPI系統，獲得了活體大鼠的深Ⅱ度燒傷創面的高分辨率(d10-90/λ~1.925)成像，能夠區分深度燒傷和部分皮層燒傷。用帶有“+”形狀的黃銅牌灼燒活體大鼠腹部，用0.525 THz的光斑照射燒傷創面，在7 h內，每隔15~30 min成像一次。初始成像在燒傷10 min后得到，直接接觸銅牌的皮膚和其周圍的區域，THz反射率明顯增高，這可能是由于燒傷皮膚的局部水濃度增加(這是燒傷后的正常反應)，此時銅牌形狀并不清晰；1 h后，這種變化趨于穩定，水腫反應開始形成，可以看出銅牌形狀，燙傷周圍開始形成一圈黑色低反射邊界；7 h后，水腫反應完全形成，水腫周圍的組織恢復到了正常的反射率，低灌注區環繞著整個燒傷創面。經典病理學將燒傷組織分為血凝區、血瘀區和充血區。Tewari等實現了醫學史上的第一次血瘀區成像，體現了THz成像技術在生物醫學領域的優越性和發展潛力。
Arbab等[28-29]利用THz時域光譜(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)技術，研究72 h內，活體大鼠的Ⅱ度和Ⅲ度燒傷創面的傷口情況。在活體生物組織中，燒傷創面不是靜態的，在燒傷后的幾天內，傷口創面厚度會發生變化。通過觀察燒傷樣本的組織橫截面，表明燒傷的深度能夠通過燒傷組織反射響應來檢測，而影響THz反射響應的除了皮膚中的水含量之外，皮膚的毛囊、汗腺等組織引起的結構散射也會急劇影響THz的反射響應。根據Bruggeman有效介質理論和雙德拜介電弛豫模型來解釋皮膚中不同層組織的介電函數變化情況，能夠對皮膚反射的THz信號進行模擬仿真。實驗給出了2~3周后燒傷完整愈合的可能性，在預測愈合結果和改善燒傷臨床評估方面，THz-TDS技術研究非常具有潛力。
2 發展趨勢
經過20多年的發展，THz器件和儀器的研究飛速進步，更多研究人員加入到這個領域中來。而THz成像技術在燒傷檢測方面，也從離體研究逐步發展到在體成像。但是，目前對THz檢測燒傷的研究，尚停留在實驗室階段，缺乏對人體皮膚及燒傷病理機制的研究。為了讓THz成像技術能夠應用到臨床燒傷檢測中，需要進行大量的在體研究試驗，并且需要考慮到臨床診斷的實時性。在燒傷檢測方面，需要對各種不同等級的燒傷進行在體反射試驗，這對進一步推進THz-TDS成為臨床燒傷診斷中的輔助手段具有重大的意義。
3 總結
由于THz具有獨特的性質和優勢，THz成像技術已在生物醫學領域得到了廣泛的應用。總結THz成像技術在燒傷檢測方面的發展，可見THz技術能夠得到高分辨的燒傷創面成像，描繪不同的傷口區域，幫助區分活性和非活性組織。從離體研究到活體動物模型，這些研究結果表明THz技術在燒傷的臨床診斷方面有巨大的發展潛力，有助于監測燒傷愈合狀況和指導手術治療方法。目前THz成像技術在燒傷診斷方面尚處于起步階段，還需要進行大量的研究和實驗，進一步推進其在臨床中的應用。
引言
太赫茲(terahertz，THz)波通常是指頻率在0.1～10 THz(波長在0.03~3 mm)范圍內的電磁波，處于宏觀電子學和微觀光子學之間的過渡區域，在電磁波譜中占有特殊位置。由于缺乏有效的THz發射和探測方法，該頻段曾經在很長一段時間里研究進展緩慢，一度被稱作“THz gap”。近20年來，隨著THz源產生技術的快速發展，THz技術在世界范圍內受到越來越多的重視，已開始應用于生物學、化學、農學、天文學、國防安全和通信等領域[1-3]。
與其他波段電磁波相比，THz波具有獨特的性質，使其非常適合用于生物醫學領域。THz輻射具有很低的光子能量，不足以引起化學分子的損壞或原子激發，不會對生物組織引起有害的離子化作用[4]，因此將其應用于生物成像、醫療診斷等方面(如燒傷診斷)非常具有吸引力。此外，THz對極性分子非常敏感，如生物中的水分子和水化作用等。與X射線相比，THz可以提供更好的軟組織對比度，能夠作為醫學檢測的有力工具。過去10年，THz設備、技術和應用發展迅速，引起了醫療成像和診斷領域的極大關注[5]。生物醫學是THz應用的重要領域之一，THz醫學成像技術已被應用于皮膚癌等癌癥早期診斷[6-9]、離體組織與血液診斷[10-11]以及牙齒與骨骼組織診斷等領域[12-15]。最近的研究結果表明，燒傷診斷也成為THz醫療成像技術的重要應用領域之一。本文主要介紹THz技術在燒傷檢測中的應用。
1 太赫茲成像技術在燒傷檢測中的應用
1.1 燒傷深度的分類和診斷
燒傷是臨床上常見的一種外傷，其臨床特點主要表現為：人體表面血液循環豐富，組織疏松，燒傷后水腫嚴重，容易發生休克[16]。目前，燒傷深度普遍采取三度四分的分類方法，即Ⅰ度、淺Ⅱ度、深Ⅱ度和Ⅲ度燒傷。在深度燒傷的創面中，壞死組織、中間組織和充血的健康組織混雜在一起，傷后早期對燒傷創面深度進行快速準確的判斷，是確定治療方案及功能恢復的一個重要因素。目前，燒傷創面深度主要是由醫生根據臨床表現進行診斷，這種臨床診斷的準確率僅在40%~80%之間。此外，所采用的燒傷深度診斷技術主要有熒光檢測技術[17]、激光多普勒成像技術(laser Doppler imaging，LDI)[18-19]、偏振敏感光學相干層析技術(polarization-sensitive optical coherence tomography，PS-OCT)[20]、近紅外光譜成像技術[21]等。雖然其中的一些技術表現出了良好的診斷特性，但是與活檢組織學檢查相比，仍舊缺乏足夠的特異性和靈敏度，而成本效益和檢測條件在內的一些顯著問題，也限制了這些技術在臨床中的應用。由于燒傷后的特征就是組織水腫，而THz成像對皮膚中局部水濃度的變化非常敏感，因此，THz成像技術對燒傷創面檢測來說是非常有前景的一項技術。
1.2 離體燒傷組織的太赫茲成像研究
Dougherty等[22]對燒過的雞肉組織和牛肉組織進行了THz成像，透過不同的紗布材料，對于基準標記和燒傷組織都能得到分辨率很好的成像結果。初步證明，THz成像能夠穿透不同材質的紗布，區分燒傷和未燒傷組織，能夠進行初始燒傷評估，監測傷口愈合和感染跡象，可作為一種良好的輔助工具。Macpherson 等[23]使用THz脈沖成像(terahertz pulse imaging，TPI)來探測膏藥下方的手掌角質層厚度。將膏藥和手掌分為四個層次來分析，即膏藥層、皮膚表面的干燥層、角質層和上皮層。假定角質層的反射率是2，根據不同反射率所表現出的不同時延，來估計每一層的厚度。實驗得到單獨手掌的角質層厚度為177 μm，而包裹著藥膏的手掌角質層厚度為167 em，單獨的藥膏厚度約為36 μm。結果表明，THz光能夠穿透被膏藥包裹的傷口，反映皮膚的厚度信息，意味著THz成像或可用來探測和測量角質層與上皮層的改變，例如燒傷。
Taylor等[24]使用反射式TPI，獲得了與人體皮膚最接近的豬皮樣本的淺Ⅱ度燒傷的高分辨率圖像。該成像系統具有1.5 mm的空間分辨率，可透過多達10層的純棉紗布對目標進行高品質成像，對比度由燒傷和未燒傷區域水間濃度差異所導致的介電常數變化來決定。使用刻有“UCSB”標志的黃銅牌來灼燒豬皮，結果顯示燒傷區與非燒傷區有明顯區別(信號下降75％)，包裹在5層和10層紗布下的圖案清晰可見，圖像沒有受到諸如斑點、雜波的影響，且通過圖像可確定深度的變化特征(如紗布和皮膚表面)。燒傷的皮膚包含較少的水分，因此反射率低。初步表明，可以通過燒傷區域周圍水濃度的梯度成像，區分燒傷和未燒傷區域的皮膚。該實驗表明，反射式TPI為臨床上采用THz成像技術實現在體實時成像奠定了基礎。
1.3 在體燒傷組織的太赫茲成像研究
燒傷后，傷口愈合過程具有復雜的動態，因此要使THz成像法應用于臨床燒傷檢測，必須發展在體檢測技術，而不是離體研究。
Tewari等[25-27]在早期離體研究的基礎上，利用反射式TPI系統，獲得了活體大鼠的深Ⅱ度燒傷創面的高分辨率(d10-90/λ~1.925)成像，能夠區分深度燒傷和部分皮層燒傷。用帶有“+”形狀的黃銅牌灼燒活體大鼠腹部，用0.525 THz的光斑照射燒傷創面，在7 h內，每隔15~30 min成像一次。初始成像在燒傷10 min后得到，直接接觸銅牌的皮膚和其周圍的區域，THz反射率明顯增高，這可能是由于燒傷皮膚的局部水濃度增加(這是燒傷后的正常反應)，此時銅牌形狀并不清晰；1 h后，這種變化趨于穩定，水腫反應開始形成，可以看出銅牌形狀，燙傷周圍開始形成一圈黑色低反射邊界；7 h后，水腫反應完全形成，水腫周圍的組織恢復到了正常的反射率，低灌注區環繞著整個燒傷創面。經典病理學將燒傷組織分為血凝區、血瘀區和充血區。Tewari等實現了醫學史上的第一次血瘀區成像，體現了THz成像技術在生物醫學領域的優越性和發展潛力。
Arbab等[28-29]利用THz時域光譜(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)技術，研究72 h內，活體大鼠的Ⅱ度和Ⅲ度燒傷創面的傷口情況。在活體生物組織中，燒傷創面不是靜態的，在燒傷后的幾天內，傷口創面厚度會發生變化。通過觀察燒傷樣本的組織橫截面，表明燒傷的深度能夠通過燒傷組織反射響應來檢測，而影響THz反射響應的除了皮膚中的水含量之外，皮膚的毛囊、汗腺等組織引起的結構散射也會急劇影響THz的反射響應。根據Bruggeman有效介質理論和雙德拜介電弛豫模型來解釋皮膚中不同層組織的介電函數變化情況，能夠對皮膚反射的THz信號進行模擬仿真。實驗給出了2~3周后燒傷完整愈合的可能性，在預測愈合結果和改善燒傷臨床評估方面，THz-TDS技術研究非常具有潛力。
2 發展趨勢
經過20多年的發展，THz器件和儀器的研究飛速進步，更多研究人員加入到這個領域中來。而THz成像技術在燒傷檢測方面，也從離體研究逐步發展到在體成像。但是，目前對THz檢測燒傷的研究，尚停留在實驗室階段，缺乏對人體皮膚及燒傷病理機制的研究。為了讓THz成像技術能夠應用到臨床燒傷檢測中，需要進行大量的在體研究試驗，并且需要考慮到臨床診斷的實時性。在燒傷檢測方面，需要對各種不同等級的燒傷進行在體反射試驗，這對進一步推進THz-TDS成為臨床燒傷診斷中的輔助手段具有重大的意義。
3 總結
由于THz具有獨特的性質和優勢，THz成像技術已在生物醫學領域得到了廣泛的應用。總結THz成像技術在燒傷檢測方面的發展，可見THz技術能夠得到高分辨的燒傷創面成像，描繪不同的傷口區域，幫助區分活性和非活性組織。從離體研究到活體動物模型，這些研究結果表明THz技術在燒傷的臨床診斷方面有巨大的發展潛力，有助于監測燒傷愈合狀況和指導手術治療方法。目前THz成像技術在燒傷診斷方面尚處于起步階段，還需要進行大量的研究和實驗，進一步推進其在臨床中的應用。