太赫兹在癌症诊断和治疗中的应用#王梦溪1,2,3,杨国辉1,2,吴群1,2*(1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院,哈尔滨150001;5101520253035402.东南大学毫米波国家重点实验室,南京210096;3.哈尔滨医科大学附属第四医院,哈尔滨150001)摘要:本文从太赫兹波特性出发,阐述了太赫兹波用于癌症诊断方面相关技术的发展和安全性问题,从生物效应角度揭示太赫兹波在癌症诊断与治疗中的应用前景。关键词:太赫兹;癌症;生物效应:O441ApplicationofTerahertzinCancerDiagnosisandTreatmentWANGMengxi1,2,3,YANGGuohui1,2,WUQun1,2(1.MicrowaveEngineeringDepartment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001;2.StateKeylaboratoryofMillimeterWave,Nan激ng210096;3.TheFourthAffiliatedHospital,HarbinMedicalUnivesity,Harbin150001)Abstract:BecauseofthecharacteristicpropertiesofTHz,therehasbeenanincreasinginterestinthebiologicalapplicationsofTH主题echnologies,especiallyinthecancerspectroscopicstudiesandpotentialtherapies.Inthispapersomeup-to-dateachievementsanddevelopingtrendsareintroducedandthesecurityandchallengesissuesarerevealed,whichwillhelptorevealTHzapplicationinthediagnosisandtreatmentofcancerfromtheperspectiveofTHzbiologicaleffect.Keywords:THzwave;cancer;biologicaleffect0引言癌症是细胞生长增殖机制失常而引起的疾病,全世界年死亡人数超过700万。由于其“生长失控”、“浸润”和“转移”等特点,多样化综合诊疗对遏制或治愈癌症就尤为重要。太赫兹位于微波和红外波谱之间,具有极低的光子能量,不构成危害生物组织的电离。近年来超快激光、半导体技术的发展,为太赫兹的产生提供了稳定、可靠、高能的激发光源,使太赫兹在生物医学中发挥作用成为可能。1THz波特性电磁波具有极宽(十个数量级)频谱,波长介于30μm-lmm(10THz-100GHz)的电磁辐射称太赫兹(THz)辐射。与其它波段电磁波相比,THz具有如下特点:(1)波长位于微波与红外光之间,穿透力较红外光强,光子能量较X线低,是傅里叶变换红外光谱技术和X射线技术的补充,在活体探测方面有很大优势。(2)THz波段包含大多数分子转动或振动能阶,许多有机分子(如蛋白质、DNA)在此波段呈现强烈的吸收和色散特性,可进行光谱识别。(3)THz典型脉宽在亚皮秒量级,不但可进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究,通过取样测量技术,还能够有效防止背景辐射噪音的干扰。(4)THz有很高的时间和空间相干性。通过测量脉冲相干信号时域波形,可得到包括振幅、相位、吸收谱、色散谱、复介电常数、复电导率等数据。(5)光子能量低,1THz的光子能量约4meV(X射线的1/106),不会对生物基金项目:毫米波国家重点实验室开放课题基金(K201301)作者简介:王梦溪,(1981-),女,主治医师,主要研究方向:人体浅表癌症组织太赫兹波电磁能量透射机理及相互作用,可植入式医学射频辐射器及其人体组织相互作用特性,人颅颌面三维螺旋CT重建.mengxi310@163-1-组织产生有害电离,可安全地进行生物医学检测。(6)THz波有非常宽的还没分配的频带,速率高、方向性好、散射小[1],便于信号探测与仿真。2THz在癌症诊断中的应用THz时域光谱(TDS)技术(图1)和THz成像(TPI)技术是THz在癌症诊断研究中的245505560个关键技术。生物分子整体结构与其在THz波段光谱性质的高度相关性是THz技术应用于生物研究的重要微观基础[2],生物分子对THz辐射的响应主要来自大分子构型和构象所决定的集体振动模式,这种集体振动模式反映了分子的整体结构信息。研究发现极性分子对THz有强烈的共振吸收,而非极性分子对THz来说是透明的[3]。图1.THz-TDS技术简图Fig.2SchematicDiagramofTHz-TDS2.1蛋白质蛋白质及其基本结构氨基酸都是偶极子。很多蛋白质的集体振动模式在THz范围,生物分子内部、分子间运动或晶格振动都可能对THz吸收光谱有贡献,这使THz光谱学方法为研究生物分子的特征构象与结构提供了唯一的指纹特征分析手段。特别是针对血液或体液中肿瘤标志物追踪,如TPA(组织多肽抗原)和AFP(甲胎蛋白),可实现癌症的早期诊断和预防...