基于太赫兹时域光谱系统的脑缺血检测

封面故事|王与烨,孙忠成,徐德刚,姜智南,穆宁,杨川燕,陈图南,冯华,姚建铨.基于太赫兹时域光谱系统的脑缺血检测[J].光学学报,2020,40(4):0430001

脑缺血是神经外科的常见疾病之一，会导致病人意识模糊，长时间的脑缺血甚至会造成脑组织功能永久损伤。现有的核磁共振成像和计算机断层扫描成像技术可以用于术前的脑缺血检测，但存在设备操作复杂、时间长及成本高等问题；另外，通过检测局部脑血流和脑电活动可实现术中脑缺血检测，但存在时间和空间分辨率低、准确度低等问题，因此需要研发一种快速、准确、经济且对生物体无害的脑缺血检测手段。

太赫兹波具有光子能量低、对水分子较为敏感且对生物大分子具有指纹谱特性等优点，从而广泛应用于生物组织的无损检测中。透射式太赫兹时域光谱技术通过检测太赫兹波穿过样品时振幅和相位的变化，可以计算出样品的折射率、吸收系数等参数，是检测生物组织病变的有效工具。

天津大学徐德刚教授课题组利用透射式太赫兹时域光谱系统，对不同缺血时间的脑缺血组织进行检测，通过计算缺血区域（左脑）与健康区域（右脑）的太赫兹吸收系数的相对差异来衡量脑组织的缺血程度，实现了最早缺血两小时的早期脑缺血组织的检测，为脑缺血的早期无标记快速检测提供了新型的技术方法。

实验采用TAS7500型太赫兹时域光谱仪系统，该系统使用光电导天线作为太赫兹源和探测器，其外部光路示意图如图1所示。太赫兹波在穿过样品后，由一个抛物面金镜准直，之后被另一个抛物面金镜聚焦到接收端的光电导天线，最后通过自带软件可以计算出样品的折射率、吸收系数及介电常数等参数。

图 1 透射式太赫兹时域光谱系统光路示意图

该课题组利用透射式太赫兹时域光谱仪对新鲜脑缺血组织进行检测，实验结果如图2所示：随着缺血时间的延长（0-6h），新鲜脑组织左右脑吸收系数的相对差值Δα呈现出增大的趋势；随着时间的进一步增加，Δα呈现出减小的趋势。这种变化趋势可能是水含量升高和细胞密度下降共同作用导致的。因此，通过对新鲜脑组织进行太赫兹时域光谱测量和分析，可以实现最早缺血2h的新鲜脑缺血组织的检测。

图 2 不同缺血时间的新鲜脑组织中左右脑太赫兹吸收系数的相对差异

为了排除脑组织水分变化对测量造成的影响，该课题组进行了石蜡包埋的脑缺血组织的检测。如图3所示，随着缺血时间的延长，Δα迅速减小，这可能是缺血所致左脑的细胞密度下降造成的。因此，通过对石蜡包埋的脑缺血组织进行太赫兹时域光谱检测和分析，不仅可以实现最早2h的脑缺血检测，还有望实现脑缺血程度的分析。

图 3 不同缺血时间的石蜡包埋脑组织中左右脑太赫兹吸收系数的相对差异

在后续的工作中，该课题组将进一步定量探究组织含水量和细胞密度的变化对左右脑太赫兹吸收系数的相对差异的影响，为基于太赫兹时域光谱系统的脑缺血早期检测打下理论基础。
 

延伸阅读：

[1] 王莹莹,汪丽平,李恬,严俊,彭滟. 同型半胱氨酸的太赫兹特征吸收光谱分析[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1030003.

[2] 徐强,苏强,鲁丹,张楠,张杨,刘伟伟. 基于激光成丝的太赫兹时域光谱系统研究综述[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614010.

[3] 刘俊秀,杜彬,邓玉强,张建文,祝海江. 基于差分-主成分分析-支持向量机的有机化合物太赫兹吸收光谱识别方法[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614039.

[4] 冯美琦,孙青,邓玉强,丁晴,李超辰,赵昆. 激光偏振态对光纤型太赫兹时域光谱仪的影响[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614019.