因太赫兹（THz）波具有独特的性质和优势，逐渐在生物医学领域受到重视并得以应用。烧伤是临床上常见的一种外伤，由于THz的无损和对水敏感的特性，使得THz成像技术在烧伤检测方面具有广阔的应用前景。到目前为止，对烧伤创面的THz成像，已从离体研究发展到了在体成像，能够透过纱布及膏药获得高分辨的图像。本文主要介绍了THz成像技术在烧伤检测中的最新应用及发展。
引用本文： 朱新建, 何璇, 王品, 高丹丹, 邱妍, 何庆华, 吴宝明. 太赫兹成像技术应用于烧伤检测的研究发展. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(1): 184-187. doi: 10.7507/1001-5515.20160033 复制
引言
太赫兹(terahertz，THz)波通常是指频率在0.1～10 THz(波长在0.03~3 mm)范围内的电磁波，处于宏观电子学和微观光子学之间的过渡区域，在电磁波谱中占有特殊位置。由于缺乏有效的THz发射和探测方法，该频段曾经在很长一段时间里研究进展缓慢，一度被称作“THz gap”。近20年来，随着THz源产生技术的快速发展，THz技术在世界范围内受到越来越多的重视，已开始应用于生物学、化学、农学、天文学、国防安全和通信等领域[1-3]。
与其他波段电磁波相比，THz波具有独特的性质，使其非常适合用于生物医学领域。THz辐射具有很低的光子能量，不足以引起化学分子的损坏或原子激发，不会对生物组织引起有害的离子化作用[4]，因此将其应用于生物成像、医疗诊断等方面(如烧伤诊断)非常具有吸引力。此外，THz对极性分子非常敏感，如生物中的水分子和水化作用等。与X射线相比，THz可以提供更好的软组织对比度，能够作为医学检测的有力工具。过去10年，THz设备、技术和应用发展迅速，引起了医疗成像和诊断领域的极大关注[5]。生物医学是THz应用的重要领域之一，THz医学成像技术已被应用于皮肤癌等癌症早期诊断[6-9]、离体组织与血液诊断[10-11]以及牙齿与骨骼组织诊断等领域[12-15]。最近的研究结果表明，烧伤诊断也成为THz医疗成像技术的重要应用领域之一。本文主要介绍THz技术在烧伤检测中的应用。
1 太赫兹成像技术在烧伤检测中的应用
1.1 烧伤深度的分类和诊断
烧伤是临床上常见的一种外伤，其临床特点主要表现为：人体表面血液循环丰富，组织疏松，烧伤后水肿严重，容易发生休克[16]。目前，烧伤深度普遍采取三度四分的分类方法，即Ⅰ度、浅Ⅱ度、深Ⅱ度和Ⅲ度烧伤。在深度烧伤的创面中，坏死组织、中间组织和充血的健康组织混杂在一起，伤后早期对烧伤创面深度进行快速准确的判断，是确定治疗方案及功能恢复的一个重要因素。目前，烧伤创面深度主要是由医生根据临床表现进行诊断，这种临床诊断的准确率仅在40%~80%之间。此外，所采用的烧伤深度诊断技术主要有荧光检测技术[17]、激光多普勒成像技术(laser Doppler imaging，LDI)[18-19]、偏振敏感光学相干层析技术(polarization-sensitive optical coherence tomography，PS-OCT)[20]、近红外光谱成像技术[21]等。虽然其中的一些技术表现出了良好的诊断特性，但是与活检组织学检查相比，仍旧缺乏足够的特异性和灵敏度，而成本效益和检测条件在内的一些显著问题，也限制了这些技术在临床中的应用。由于烧伤后的特征就是组织水肿，而THz成像对皮肤中局部水浓度的变化非常敏感，因此，THz成像技术对烧伤创面检测来说是非常有前景的一项技术。
1.2 离体烧伤组织的太赫兹成像研究
Dougherty等[22]对烧过的鸡肉组织和牛肉组织进行了THz成像，透过不同的纱布材料，对于基准标记和烧伤组织都能得到分辨率很好的成像结果。初步证明，THz成像能够穿透不同材质的纱布，区分烧伤和未烧伤组织，能够进行初始烧伤评估，监测伤口愈合和感染迹象，可作为一种良好的辅助工具。Macpherson 等[23]使用THz脉冲成像(terahertz pulse imaging，TPI)来探测膏药下方的手掌角质层厚度。将膏药和手掌分为四个层次来分析，即膏药层、皮肤表面的干燥层、角质层和上皮层。假定角质层的反射率是2，根据不同反射率所表现出的不同时延，来估计每一层的厚度。实验得到单独手掌的角质层厚度为177 μm，而包裹着药膏的手掌角质层厚度为167 em，单独的药膏厚度约为36 μm。结果表明，THz光能够穿透被膏药包裹的伤口，反映皮肤的厚度信息，意味着THz成像或可用来探测和测量角质层与上皮层的改变，例如烧伤。
Taylor等[24]使用反射式TPI，获得了与人体皮肤最接近的猪皮样本的浅Ⅱ度烧伤的高分辨率图像。该成像系统具有1.5 mm的空间分辨率，可透过多达10层的纯棉纱布对目标进行高品质成像，对比度由烧伤和未烧伤区域水间浓度差异所导致的介电常数变化来决定。使用刻有“UCSB”标志的黄铜牌来灼烧猪皮，结果显示烧伤区与非烧伤区有明显区别(信号下降75％)，包裹在5层和10层纱布下的图案清晰可见，图像没有受到诸如斑点、杂波的影响，且通过图像可确定深度的变化特征(如纱布和皮肤表面)。烧伤的皮肤包含较少的水分，因此反射率低。初步表明，可以通过烧伤区域周围水浓度的梯度成像，区分烧伤和未烧伤区域的皮肤。该实验表明，反射式TPI为临床上采用THz成像技术实现在体实时成像奠定了基础。
1.3 在体烧伤组织的太赫兹成像研究
烧伤后，伤口愈合过程具有复杂的动态，因此要使THz成像法应用于临床烧伤检测，必须发展在体检测技术，而不是离体研究。
Tewari等[25-27]在早期离体研究的基础上，利用反射式TPI系统，获得了活体大鼠的深Ⅱ度烧伤创面的高分辨率(d10-90/λ~1.925)成像，能够区分深度烧伤和部分皮层烧伤。用带有“+”形状的黄铜牌灼烧活体大鼠腹部，用0.525 THz的光斑照射烧伤创面，在7 h内，每隔15~30 min成像一次。初始成像在烧伤10 min后得到，直接接触铜牌的皮肤和其周围的区域，THz反射率明显增高，这可能是由于烧伤皮肤的局部水浓度增加(这是烧伤后的正常反应)，此时铜牌形状并不清晰；1 h后，这种变化趋于稳定，水肿反应开始形成，可以看出铜牌形状，烫伤周围开始形成一圈黑色低反射边界；7 h后，水肿反应完全形成，水肿周围的组织恢复到了正常的反射率，低灌注区环绕着整个烧伤创面。经典病理学将烧伤组织分为血凝区、血瘀区和充血区。Tewari等实现了医学史上的第一次血瘀区成像，体现了THz成像技术在生物医学领域的优越性和发展潜力。
Arbab等[28-29]利用THz时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)技术，研究72 h内，活体大鼠的Ⅱ度和Ⅲ度烧伤创面的伤口情况。在活体生物组织中，烧伤创面不是静态的，在烧伤后的几天内，伤口创面厚度会发生变化。通过观察烧伤样本的组织横截面，表明烧伤的深度能够通过烧伤组织反射响应来检测，而影响THz反射响应的除了皮肤中的水含量之外，皮肤的毛囊、汗腺等组织引起的结构散射也会急剧影响THz的反射响应。根据Bruggeman有效介质理论和双德拜介电弛豫模型来解释皮肤中不同层组织的介电函数变化情况，能够对皮肤反射的THz信号进行模拟仿真。实验给出了2~3周后烧伤完整愈合的可能性，在预测愈合结果和改善烧伤临床评估方面，THz-TDS技术研究非常具有潜力。
2 发展趋势
经过20多年的发展，THz器件和仪器的研究飞速进步，更多研究人员加入到这个领域中来。而THz成像技术在烧伤检测方面，也从离体研究逐步发展到在体成像。但是，目前对THz检测烧伤的研究，尚停留在实验室阶段，缺乏对人体皮肤及烧伤病理机制的研究。为了让THz成像技术能够应用到临床烧伤检测中，需要进行大量的在体研究试验，并且需要考虑到临床诊断的实时性。在烧伤检测方面，需要对各种不同等级的烧伤进行在体反射试验，这对进一步推进THz-TDS成为临床烧伤诊断中的辅助手段具有重大的意义。
3 总结
由于THz具有独特的性质和优势，THz成像技术已在生物医学领域得到了广泛的应用。总结THz成像技术在烧伤检测方面的发展，可见THz技术能够得到高分辨的烧伤创面成像，描绘不同的伤口区域，帮助区分活性和非活性组织。从离体研究到活体动物模型，这些研究结果表明THz技术在烧伤的临床诊断方面有巨大的发展潜力，有助于监测烧伤愈合状况和指导手术治疗方法。目前THz成像技术在烧伤诊断方面尚处于起步阶段，还需要进行大量的研究和实验，进一步推进其在临床中的应用。
引言
太赫兹(terahertz，THz)波通常是指频率在0.1～10 THz(波长在0.03~3 mm)范围内的电磁波，处于宏观电子学和微观光子学之间的过渡区域，在电磁波谱中占有特殊位置。由于缺乏有效的THz发射和探测方法，该频段曾经在很长一段时间里研究进展缓慢，一度被称作“THz gap”。近20年来，随着THz源产生技术的快速发展，THz技术在世界范围内受到越来越多的重视，已开始应用于生物学、化学、农学、天文学、国防安全和通信等领域[1-3]。
与其他波段电磁波相比，THz波具有独特的性质，使其非常适合用于生物医学领域。THz辐射具有很低的光子能量，不足以引起化学分子的损坏或原子激发，不会对生物组织引起有害的离子化作用[4]，因此将其应用于生物成像、医疗诊断等方面(如烧伤诊断)非常具有吸引力。此外，THz对极性分子非常敏感，如生物中的水分子和水化作用等。与X射线相比，THz可以提供更好的软组织对比度，能够作为医学检测的有力工具。过去10年，THz设备、技术和应用发展迅速，引起了医疗成像和诊断领域的极大关注[5]。生物医学是THz应用的重要领域之一，THz医学成像技术已被应用于皮肤癌等癌症早期诊断[6-9]、离体组织与血液诊断[10-11]以及牙齿与骨骼组织诊断等领域[12-15]。最近的研究结果表明，烧伤诊断也成为THz医疗成像技术的重要应用领域之一。本文主要介绍THz技术在烧伤检测中的应用。
1 太赫兹成像技术在烧伤检测中的应用
1.1 烧伤深度的分类和诊断
烧伤是临床上常见的一种外伤，其临床特点主要表现为：人体表面血液循环丰富，组织疏松，烧伤后水肿严重，容易发生休克[16]。目前，烧伤深度普遍采取三度四分的分类方法，即Ⅰ度、浅Ⅱ度、深Ⅱ度和Ⅲ度烧伤。在深度烧伤的创面中，坏死组织、中间组织和充血的健康组织混杂在一起，伤后早期对烧伤创面深度进行快速准确的判断，是确定治疗方案及功能恢复的一个重要因素。目前，烧伤创面深度主要是由医生根据临床表现进行诊断，这种临床诊断的准确率仅在40%~80%之间。此外，所采用的烧伤深度诊断技术主要有荧光检测技术[17]、激光多普勒成像技术(laser Doppler imaging，LDI)[18-19]、偏振敏感光学相干层析技术(polarization-sensitive optical coherence tomography，PS-OCT)[20]、近红外光谱成像技术[21]等。虽然其中的一些技术表现出了良好的诊断特性，但是与活检组织学检查相比，仍旧缺乏足够的特异性和灵敏度，而成本效益和检测条件在内的一些显著问题，也限制了这些技术在临床中的应用。由于烧伤后的特征就是组织水肿，而THz成像对皮肤中局部水浓度的变化非常敏感，因此，THz成像技术对烧伤创面检测来说是非常有前景的一项技术。
1.2 离体烧伤组织的太赫兹成像研究
Dougherty等[22]对烧过的鸡肉组织和牛肉组织进行了THz成像，透过不同的纱布材料，对于基准标记和烧伤组织都能得到分辨率很好的成像结果。初步证明，THz成像能够穿透不同材质的纱布，区分烧伤和未烧伤组织，能够进行初始烧伤评估，监测伤口愈合和感染迹象，可作为一种良好的辅助工具。Macpherson 等[23]使用THz脉冲成像(terahertz pulse imaging，TPI)来探测膏药下方的手掌角质层厚度。将膏药和手掌分为四个层次来分析，即膏药层、皮肤表面的干燥层、角质层和上皮层。假定角质层的反射率是2，根据不同反射率所表现出的不同时延，来估计每一层的厚度。实验得到单独手掌的角质层厚度为177 μm，而包裹着药膏的手掌角质层厚度为167 em，单独的药膏厚度约为36 μm。结果表明，THz光能够穿透被膏药包裹的伤口，反映皮肤的厚度信息，意味着THz成像或可用来探测和测量角质层与上皮层的改变，例如烧伤。
Taylor等[24]使用反射式TPI，获得了与人体皮肤最接近的猪皮样本的浅Ⅱ度烧伤的高分辨率图像。该成像系统具有1.5 mm的空间分辨率，可透过多达10层的纯棉纱布对目标进行高品质成像，对比度由烧伤和未烧伤区域水间浓度差异所导致的介电常数变化来决定。使用刻有“UCSB”标志的黄铜牌来灼烧猪皮，结果显示烧伤区与非烧伤区有明显区别(信号下降75％)，包裹在5层和10层纱布下的图案清晰可见，图像没有受到诸如斑点、杂波的影响，且通过图像可确定深度的变化特征(如纱布和皮肤表面)。烧伤的皮肤包含较少的水分，因此反射率低。初步表明，可以通过烧伤区域周围水浓度的梯度成像，区分烧伤和未烧伤区域的皮肤。该实验表明，反射式TPI为临床上采用THz成像技术实现在体实时成像奠定了基础。
1.3 在体烧伤组织的太赫兹成像研究
烧伤后，伤口愈合过程具有复杂的动态，因此要使THz成像法应用于临床烧伤检测，必须发展在体检测技术，而不是离体研究。
Tewari等[25-27]在早期离体研究的基础上，利用反射式TPI系统，获得了活体大鼠的深Ⅱ度烧伤创面的高分辨率(d10-90/λ~1.925)成像，能够区分深度烧伤和部分皮层烧伤。用带有“+”形状的黄铜牌灼烧活体大鼠腹部，用0.525 THz的光斑照射烧伤创面，在7 h内，每隔15~30 min成像一次。初始成像在烧伤10 min后得到，直接接触铜牌的皮肤和其周围的区域，THz反射率明显增高，这可能是由于烧伤皮肤的局部水浓度增加(这是烧伤后的正常反应)，此时铜牌形状并不清晰；1 h后，这种变化趋于稳定，水肿反应开始形成，可以看出铜牌形状，烫伤周围开始形成一圈黑色低反射边界；7 h后，水肿反应完全形成，水肿周围的组织恢复到了正常的反射率，低灌注区环绕着整个烧伤创面。经典病理学将烧伤组织分为血凝区、血瘀区和充血区。Tewari等实现了医学史上的第一次血瘀区成像，体现了THz成像技术在生物医学领域的优越性和发展潜力。
Arbab等[28-29]利用THz时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS)技术，研究72 h内，活体大鼠的Ⅱ度和Ⅲ度烧伤创面的伤口情况。在活体生物组织中，烧伤创面不是静态的，在烧伤后的几天内，伤口创面厚度会发生变化。通过观察烧伤样本的组织横截面，表明烧伤的深度能够通过烧伤组织反射响应来检测，而影响THz反射响应的除了皮肤中的水含量之外，皮肤的毛囊、汗腺等组织引起的结构散射也会急剧影响THz的反射响应。根据Bruggeman有效介质理论和双德拜介电弛豫模型来解释皮肤中不同层组织的介电函数变化情况，能够对皮肤反射的THz信号进行模拟仿真。实验给出了2~3周后烧伤完整愈合的可能性，在预测愈合结果和改善烧伤临床评估方面，THz-TDS技术研究非常具有潜力。
2 发展趋势
经过20多年的发展，THz器件和仪器的研究飞速进步，更多研究人员加入到这个领域中来。而THz成像技术在烧伤检测方面，也从离体研究逐步发展到在体成像。但是，目前对THz检测烧伤的研究，尚停留在实验室阶段，缺乏对人体皮肤及烧伤病理机制的研究。为了让THz成像技术能够应用到临床烧伤检测中，需要进行大量的在体研究试验，并且需要考虑到临床诊断的实时性。在烧伤检测方面，需要对各种不同等级的烧伤进行在体反射试验，这对进一步推进THz-TDS成为临床烧伤诊断中的辅助手段具有重大的意义。
3 总结
由于THz具有独特的性质和优势，THz成像技术已在生物医学领域得到了广泛的应用。总结THz成像技术在烧伤检测方面的发展，可见THz技术能够得到高分辨的烧伤创面成像，描绘不同的伤口区域，帮助区分活性和非活性组织。从离体研究到活体动物模型，这些研究结果表明THz技术在烧伤的临床诊断方面有巨大的发展潜力，有助于监测烧伤愈合状况和指导手术治疗方法。目前THz成像技术在烧伤诊断方面尚处于起步阶段，还需要进行大量的研究和实验，进一步推进其在临床中的应用。