利用太赫兹技术实现烧伤诊断

宁威，祁峰，汪晋宽

1.东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.中国科学院沈阳自动化研究所 光电信息技术研究室，辽宁 沈阳 110016

引言

烧伤的定义是由于热力，包括热液（水、汤、油等）、蒸汽、高温气体、高温火焰、炽热金属等所导致的组织损伤，主要指皮肤或黏膜，烧伤严重者可伤及皮下或黏膜下组织，如肌肉、骨、关节甚至内脏。据世界卫生组织统计，全球每年因烧伤导致的死亡病例高达18万[1]，其中绝大多数发生在低中等收入国家。我国每年因火灾而受伤害的人数大约在500～1000万之间，患者治疗过程中工资、残疾和心理创伤的长期护理以及投入的家庭资源等间接损失也加剧了社会和经济影响。烧伤的分度方式主要有深度分度和面积分度两种，根据深度分为Ⅰ度，浅Ⅱ度，深Ⅱ度和Ⅲ度；根据烧伤面积相对于人体体表面积百分率分为轻度，中度，重度和特重四类。然而，烧伤深度和面积的诊断在临床上主要是依靠医生的临床经验，缺乏准确性。因此国内外研究学者希望能使用客观指标来对烧伤深度和创面面积做出精确的诊断，基于此目的提出了一些烧伤诊断技术，主要有激光多普勒成像技术[2-3]、荧光检测技术[4]、近红外光谱成像技术[5]等。但这些方法有的操作比较繁琐，有的甚至对患者具有二次创伤性，而且成本偏高效益颇低，故而限制了这些技术的广泛应用。

太赫兹波通常是指频率在0.1～10 THz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的位置[6]。随着半导体器件和激光技术的不断发展，太赫兹技术在21世纪取得了飞速的发展[7-9]。太赫兹成像也因其独一无二的无损检测性及其对水分子的敏感特性为烧伤诊断领域提供了前所未有的机遇。烧伤组织和正常组织的含水量有着明显差别，因此其对太赫兹波有不同的吸收率，同时考虑到烧伤组织边缘的散射效应，诊断过程中检测到的太赫兹电场强度分布会就会有所不同，从而在检测图像上就表现出不同的灰度值分布，据此可以实现烧伤组织的位置和深度信息探测。本文利用矢量网络分析仪、光学透镜和扫描台搭建的220～325 GHz反射式扫描成像系统对烫伤的猪皮实现了有效的探测，为太赫兹烧伤诊断提供了技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜的猪皮（大小为5 cm×5 cm）、刀具、保鲜膜、金属锡箔纸、麦拉片（厚度为0.5 mm）、太赫兹波矢量网络分析仪、光学离轴抛物面反射镜、电动位移平台。

1.2 方法

由于太赫兹波对水分子敏感特性，使得其在未脱水的生物组织成像中的穿透深度不足1 mm，因此本实验采用了反射式成像系统。实验设备系统示意图，见图1。通过两个抛物面镜（焦距101.6 mm）对入射光准直和聚焦在成像样品，经样品表面反射的太赫兹波被后两个抛物面镜（焦距101.6 mm）准直和聚焦到太赫兹波接收模块。将样品放置于二维位移平台上，通过自动控制步进电机控制样品在X和Y方向上平移，实现对样品的扫描成像。本系统平移台移动步进设置为0.2 mm。实验设备实物图，见图2，本实验采用测试频率可设定范围为220～325 GHz。

图1 太赫兹成像示意图

图2 实验设备实物图

新鲜的猪皮样品，见图3，在实验开始前剔除猪皮的多余脂肪组织，以保证样品的平整度。使用电烙铁对猪皮表面进行不同程度的烫伤，从上到下烫伤程度减轻。烫伤后对于表皮翘起的部位使用麦拉片将其按压平整，然后在猪皮表面粘贴一定宽度的金属锡箔，并在表面覆盖一层保鲜膜，以防止样品在实验过程中脱水。最后将样品固定在麦拉片上，粘贴到位移平台表面。利用实验设备测试粘贴金属锡箔的表面反射信号，作为系统的归一化参考信号，然后对包括烫伤部位在内的5.88 mm ×22.2 mm的样品表面进行扫描成像。当太赫兹通过样品表面反射时便会携带样品的信息，通过数据处理就可以将相关信息提取出来。

2 实验结果

由于不同程度的烫伤组织含水量不同，导致组织对太赫兹信号的反射率不同，因而接收机接收到的反射信号强弱不同。其中水分含量高的组织反射率高，接收到的反射信号强。基于此我们对图3所示烫伤组织进行太赫兹逐点扫描成像实验。325 GHz频率下的原始幅值数据成像，见图4。图中黄色部分代表接收的反射信号幅度值较大，蓝色代表接收的信号幅度值较小，如图中右侧颜色标注栏所示。从图中可以清晰的看出烙铁烫伤的3个部位的位置，第一个深蓝色的区域幅值最小，其对应于图3中烫伤最严重的部位。第二个浅蓝色区域幅值相对严重烫伤部位的幅值有所增大，其对应于图3中中度烫伤的部位。第三个淡蓝色区域对应于图3中轻度烫伤的部位。从太赫兹成像的结果可以观察到烫伤部位的反射信号幅度小于正常组织，其中烫伤严重的位置幅值明显小于轻度烫伤部位，并且反射信号的幅度值随烫伤的加重而减小。

为进一步说明成像结果，我们画出图4中位于X轴2 mm位置处的列像素灰度值分布，见图4中红色线标注所示。列扫描线从上到下依次经过烫伤最严重的部位、正常组织、中度烫伤部位、正常组织、轻微烫伤部位到正常组织。列像素值变化趋势与所描述的烫伤部位基本一致：幅值最小值（3～4 mm）、幅值变大并趋于稳定（5～10 mm）、幅值次小值（11～13 mm）、幅值变大趋于稳定（14～16 mm）、幅值变小（18～20 mm），最后幅值变大趋于稳定（图5）。

图3 猪皮样品照片

图4 太赫兹测试图

图5 图4中红色列像素灰度值分布

3 讨论

在医疗领域，太赫兹成像技术已经开展了广泛的应用研究。本研究采用太赫兹反射式成像实验设备，在Taylor等[10-11]研究基础上实现了对3种不同程度烫伤猪皮成像，实验结果表明太赫兹成像技术在烧伤分度检测中有广阔的应用前景。另一方面，许多生物大分子的声子振动能级在太赫兹波段范围，太赫兹时域光谱技术能够有效探测生物大分子，因此太赫兹波可用于生物医药领域的探索研究。除此之外，太赫兹波的光子能量低不会破坏生物组织，可以将太赫兹波应用于生物的在体检测。张建娜等[12]利用太赫兹时域光谱系统研究了4种同分异构的二硝基苯甲酸的吸收谱，实验结果表明4种同分异构体的吸收光谱在红外波段表现出相似性，而在太赫兹波段却存在非常明显的区别，这说明了太赫兹技术可以为鉴别物质的同分异构提供一种可行手段；Joseph等[13]和Doradla等[14]将太赫兹应用于非黑色素瘤皮肤癌的检测，对10个皮肤癌样品的太赫兹成像，得到的实验结果和组织病理学检测一致，说明了太赫兹成像用于皮肤癌的早期检测是可行的。Wahaia等[15]对经过石蜡包埋后的结肠癌样品进行太赫兹光谱成像，进一步验证了太赫兹技术在人体结肠癌检测中的可行性。王庆伟等[16]使用连续太赫兹成像系统，对正常小鼠和接种MG-63荷瘤的小鼠进行了活体成像，实验结果显示出太赫兹成像能够很好的区分瘤体组织，这一结果充分证明了太赫兹成像技术能够作为检测手段应用于临床医学。

作为一种新型的医疗手段，虽然太赫兹科学技术已经成为国内外的研究热点，但目前的技术水平还远达不到实际应用的需求。太赫兹技术仍然存在一些不足之处，比如系统设备由于受到光学元件和物理衍射极限的限制，聚焦的焦斑较大导致成像系统的分辨率不高，无法检测到微米甚至纳米量级的细胞分子。系统的成像速度受平移台移动速度制约，导致成像速度较慢不能满足快速诊断的需求。在以后的工作中我们会进一步优化光学元件，研究可行的太赫兹图像处理算法，进一步提高系统的成像分辨率，同时通过更换更高速的平移台提高成像速度。

4 结论及展望

本文介绍了反射式太赫兹成像实验设备，并将其应用于生物样品烫伤的检测成像。相关实验已表明该实验设备对不同程度的生物组织烫伤具有分辨性，对于含水量较低的严重烫伤组织样品具有低反射特性，因此证明其在生物组织烧伤诊断领域具有极大优势。可以预见，太赫兹技术一定可以在人类生命健康事业上提供更加精确、高效的实时监测手段。