據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，太赫茲（THz）位于電磁波譜的微波和紅外區(qū)域之間，為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用帶來了巨大的希望。太赫茲波段——頻率范圍在0．3～3x1012Hz——為生物細(xì)胞的內(nèi)部探視提供獨(dú)特視角，并提供了一種非電離式的癌癥成像方法。隨著實(shí)驗(yàn)室太赫茲光源和敏感探測器的引入，我們能否很快看到太赫茲技術(shù)對臨床應(yīng)用產(chǎn)生重大影響？
“我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)能夠利用太赫茲頻譜的時(shí)代，”利物浦大學(xué)物理學(xué)教授Peter Weightman說：“這是一種新工具，我們希望可以為癌癥診療帶來新進(jìn)展。”
Peter Weightman教授
Weightman作為演講者出席了最近召開的“Towards the THz Imaging of Cancer”（邁向癌癥診斷的太赫茲成像技術(shù)）會議。該活動匯集了研究人員、臨床醫(yī)生和業(yè)內(nèi)人士，探討如何將太赫茲成像轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У呐R床工具。
單細(xì)胞研究
會議的第一位發(fā)言人是來自倫敦帝國理工學(xué)院的Norbert Klein，他探討了基于細(xì)胞尺寸或水含量等標(biāo)志物的單細(xì)胞探測，這些標(biāo)志物可以使用物理技術(shù)進(jìn)行測量。例如，太赫茲和微波頻段的測量對細(xì)胞的水含量敏感，無需標(biāo)記即可快速獲取細(xì)胞表征。
“微波到太赫茲波段的獨(dú)特之處在于，它探測細(xì)胞內(nèi)部不受散射限制，”Klein解釋說，“這就是為什么這個(gè)波段特別令人感興趣的原因。這是一種新的癌細(xì)胞診斷形式，也許能成為其它檢測方法的有力補(bǔ)充。”
太赫茲專家：Phil Taday、Norbert Klein、Emma Pickwell－MacPherson
Klein提供了微波響應(yīng)與癌細(xì)胞侵襲之間的相關(guān)性證據(jù)。“我們還不知道可以利用太赫茲獲得多少進(jìn)展，可能會看到比微波更好的結(jié)果，但這只是剛剛開始，我們還需要更多的研究。”他補(bǔ)充說。
Klein和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種耦合腔諧振器系統(tǒng)，用于在10GHz（亞太赫茲）頻率下快速測量流動的細(xì)胞。他們將開口環(huán)諧振器與介質(zhì)諧振器結(jié)合，并將它們集成到微流控芯片中。他指出該器件制造簡單、成本低，理論上可以擴(kuò)展到100GHz（0．1THz）。
他們使用該器件檢測流動的聚苯乙烯微球，并實(shí)現(xiàn)了流動的（小鼠成肌細(xì)胞）細(xì)胞的首次微波測量。測量信號取決于細(xì)胞的體積，因而提供了一種快速準(zhǔn)確的方法來測量細(xì)胞大小分布。其潛在的應(yīng)用包括檢測比白細(xì)胞大的循環(huán)腫瘤細(xì)胞的血液樣本。
對于單個(gè)細(xì)胞的太赫茲檢測，Klein介紹了使用硅光子晶體諧振器來測量紅細(xì)胞懸浮液。“可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的水含量測量，”他總結(jié)道，“我們已經(jīng)在微波頻率上證明了這一點(diǎn)，并相信用太赫茲波段也可以。”
Klein指出，結(jié)合細(xì)胞大小和水含量快速測量的芯片實(shí)驗(yàn)室（lab－on－a－chip）系統(tǒng)，或能成為癌癥診斷的破局者。
太赫茲體內(nèi)成像
來自華威大學(xué)的Emma Pickwell－MacPherson研究了體內(nèi)太赫茲成像所面臨的挑戰(zhàn)，她說：“我們注意到近期對太赫茲體內(nèi)成像的研究越來越多。”
比如糖尿病足綜合征的篩查，就是利用太赫茲成像發(fā)現(xiàn)糖尿病患者和對照組之間組織水含量的差異；又如瘢痕愈合的監(jiān)測，當(dāng)表面變化已不再明顯時(shí)，太赫茲可以對細(xì)微的組織變化進(jìn)行成像；以及角膜表面的非接觸太赫茲成像。
太赫茲技術(shù)還可以檢測正常組織和癌組織之間的差異。然而，由于需要控制大量變量，體內(nèi)檢測具有挑戰(zhàn)性。“每次進(jìn)行比較研究時(shí)，即使測量相同區(qū)域的皮膚都很棘手，”Pickwell－MacPherson解釋說，“皮膚結(jié)構(gòu)隨著位置、壓力、時(shí)間、護(hù)膚霜等不同而變化，我們需要可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。”
通常，通過將皮膚放置在石英窗口上，以反射模式來進(jìn)行體內(nèi)的皮膚測量。然而，這會閉塞皮膚，改變其含水量，從而降低太赫茲信號的振幅，特別是在前五分鐘時(shí)。“我們需要知道如何模擬這種效應(yīng)并對其進(jìn)行補(bǔ)償，”Pickwell－MacPherson解釋道。
在閉塞過程中水分子積聚在角質(zhì)層中，并且太赫茲響應(yīng)相應(yīng)地改變，因此可以根據(jù)太赫茲數(shù)據(jù)計(jì)算皮膚的含水量和水的擴(kuò)散率
另一個(gè)考慮因素是皮膚和窗口之間的壓力變化，這也會影響測量和所需的補(bǔ)償。Pickwell－MacPherson的團(tuán)隊(duì)使用壓力傳感器監(jiān)測和研究這些變化。
太赫茲測量會受到皮膚厚度和折射率（水合作用）的影響。然而，皮膚的含水量也會影響其厚度，因?yàn)槠つw在水合時(shí)往往會略微膨脹，這使得對測量信號的分析變得復(fù)雜。一種替代方法是使用橢圓偏振技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與厚度無關(guān)的折射率測量。
為此，Pickwell－MacPherson及其團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了太赫茲橢圓偏振儀。他們指出，采用橢圓偏振測量的結(jié)果在高頻下誤差要小得多，克服了不透明樣品表征的一些困難。“橢圓偏振技術(shù)可能很快就能應(yīng)用于體內(nèi)太赫茲成像研究，”她總結(jié)道。
產(chǎn)業(yè)發(fā)展
來自TeraView公司的Phil Taday介紹了商用太赫茲儀器的出現(xiàn)和發(fā)展。TeraView公司于2001年從劍橋大學(xué)的東芝研究實(shí)驗(yàn)室分離出來，當(dāng)時(shí)太赫茲系統(tǒng)的大小與光學(xué)平臺相當(dāng)。2003年，該公司推出了一種小型、可安裝在推車上的太赫茲脈沖光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過吸收率和折射率的測量將基底細(xì)胞癌（BCC）與正常組織樣本區(qū)分開來。
接下來該公司利用反射模式和石英板實(shí)現(xiàn)了太赫茲成像。例如，該系統(tǒng)可以顯示腫瘤邊緣，可以指導(dǎo)皮膚癌的手術(shù)切除并確保去除了所有的癌細(xì)胞。
TeraView公司還開發(fā)了一種手持式光纖耦合太赫茲成像探頭，用于觀察乳腺癌手術(shù)中的邊緣切除。在這里，太赫茲響應(yīng)可以區(qū)分脂肪、纖維組織和腫瘤，其靈敏度達(dá)到82％且特異性超過92％。倫敦蓋伊醫(yī)院正在進(jìn)行這種方法的試驗(yàn)。
該公司的最新設(shè)備是TeraPulse 4000，它可以在透射和反射模式下進(jìn)行太赫茲成像和光譜分析。“新設(shè)備移動更方便，我們正努力使系統(tǒng)進(jìn)一步縮小到只有臺式機(jī)的尺寸，”Taday介紹。
例如，未來典型的小型化太赫茲成像設(shè)備可用于內(nèi)窺鏡檢查，用于監(jiān)測Barrett食管癌早期跡象。Taday認(rèn)為這應(yīng)該是可行的，并指出太赫茲發(fā)射器可以小型化以適應(yīng)內(nèi)窺鏡通道，但縮小用于控制太赫茲光束的硅光器件可能更難。
大功率
在最后的演講中，Weightman展望了如何將太赫茲的組織表征用于癌癥診斷。他強(qiáng)調(diào)需要使用強(qiáng)太赫茲光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。“我們知道水對生物系統(tǒng)非常重要，所以如果想要了解太赫茲波段的DNA功能，我們必須在水里進(jìn)行研究，”他解釋道，“問題是1毫米的水會使太赫茲衰減1018倍。”
目前的實(shí)驗(yàn)室的光源產(chǎn)生的太赫茲輻射波，強(qiáng)度約為100μW至10mW。然而，由能量回收直線加速器產(chǎn)生的太赫茲峰值功率可達(dá)10KW（千瓦），而自由電子激光器可達(dá)到MW（百萬瓦）。如此強(qiáng)大的輻射源需要考慮太赫茲輻射波對DNA的活性、損傷和修復(fù)的影響，以及它是否會導(dǎo)致基因突變。
另一個(gè)重要的問題是太赫茲輻射是否安全。Weightman介紹了在Daresbury實(shí)驗(yàn)室的ALICE能量回收直線加速器上進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)室具有用太赫茲輻照培養(yǎng)箱內(nèi)細(xì)胞的組織培養(yǎng)設(shè)施。他說：“我們發(fā)現(xiàn)太赫茲輻射對幾種細(xì)胞的形態(tài)、附著、增殖或分化沒有影響。”
然而，Weightman指出，另一組試驗(yàn)已經(jīng)證明強(qiáng)烈的太赫茲輻射會改變皮膚細(xì)胞中基因的活性。他認(rèn)為他研究中使用的活細(xì)胞可能已被損壞，但隨后又自行修復(fù)。因此，需要進(jìn)行和安排更多實(shí)驗(yàn)。
由于許多懸而未決的問題，Weightman認(rèn)為在轉(zhuǎn)移到臨床之前，進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究至關(guān)重要。“臨床醫(yī)生想要他們可以在手術(shù)室使用的東西，但目前我們不知道我們可以告訴他們什么，”他解釋道。
展望未來
在小組討論中，發(fā)言者們探討了太赫茲成像的未來潛力。Pickwell－MacPherson建議實(shí)現(xiàn)體內(nèi)太赫茲成像需要升級儀器、壓力傳感器和非接觸式測量系統(tǒng)。Klein認(rèn)為將紅外、太赫茲和微波成像結(jié)合到一個(gè)設(shè)備中可能是最佳選擇。
“我們?nèi)匀辉谔骄刻掌澘梢愿嬖V我們什么的階段，”Klein說：“一旦搞清楚這些，也許進(jìn)展到臨床試驗(yàn)可能就很快了。如果水含量和細(xì)胞大小很重要，我們可以在很短的時(shí)間內(nèi)做好臨床試驗(yàn)的準(zhǔn)備。我鼓勵將臨床醫(yī)生、技術(shù)專家和物理學(xué)家聚集在一起探討。”
Taday強(qiáng)調(diào)了小型化的重要性。“這取決于我們這些人前進(jìn)的方向，”他說：“還需要與學(xué)術(shù)界合作，如信號處理以及如何從這些信號中提取最多信息。”他補(bǔ)充說，需要更快的掃描光束的方法，陣列探測器或太赫茲電荷耦合器件（CCD）是另外的發(fā)展關(guān)鍵。
要讓太赫茲技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療保健行業(yè)，它們需要在一些實(shí)際問題上與現(xiàn)有技術(shù)競爭，例如癌癥管理，任何可以檢測早期疾病的東西都非常重要。另外可能是在手術(shù)期間淋巴結(jié)的快速評估。也許太赫茲甚至可以癌癥治療，選擇性的光熱和破壞癌細(xì)胞。
Weightman指出，區(qū)分癌癥和非癌癥并不困難，組織學(xué)可以做到這一點(diǎn)。更具挑戰(zhàn)性的是確定組織是否會發(fā)生癌變，病變是否會惡化。“一旦你確認(rèn)了目標(biāo)，那么你就可以開發(fā)這些儀器，”他說。
當(dāng)天的參與者正在推進(jìn)太赫茲交流平臺，以鼓勵臨床醫(yī)生和太赫茲物理學(xué)家為基于太赫茲的醫(yī)療儀器和診斷制定一致的戰(zhàn)略。
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