據麥姆斯諮詢報道，太赫茲（THz）位於電磁波譜的微波和紅外區域之間，為醫學和生物學應用帶來了巨大的希望。太赫茲波段——頻率範圍在0.3~3x1012Hz——為生物細胞的內部探視提供獨特視角，並提供了一種非電離式的癌症成像方法。隨著實驗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對臨床應用產生重大影響？
“我們已經進入了一個能夠利用太赫茲頻譜的時代，”利物浦大學物理學教授Peter Weightman說：“這是一種新工具，我們希望可以為癌症診療帶來新進展。”
Peter Weightman教授
Weightman作為演講者出席了最近召開的“Towards the THz Imaging of Cancer”（邁向癌症診斷的太赫茲成像技術）會議。該活動彙集了研究人員、臨床醫生和業內人士，探討如何將太赫茲成像轉變為有效的臨床工具。
單細胞研究
會議的第一位發言人是來自倫敦帝國理工學院的Norbert Klein，他探討了基於細胞尺寸或水含量等標誌物的單細胞探測，這些標誌物可以使用物理技術進行測量。例如，太赫茲和微波頻段的測量對細胞的水含量敏感，無需標記即可快速獲取細胞表徵。
“微波到太赫茲波段的獨特之處在於，它探測細胞內部不受散射限制，”Klein解釋說，“這就是為什麼這個波段特別令人感興趣的原因。這是一種新的癌細胞診斷形式，也許能成為其它檢測方法的有力補充。”
太赫茲專家：Phil Taday、Norbert Klein、Emma Pickwell-Ma
Klein提供了微波響應與癌細胞侵襲之間的相關性證據。“我們還不知道可以利用太赫茲獲得多少進展，可能會看到比微波更好的結果，但這只是剛剛開始，我們還需要更多的研究。”他補充說。
Klein和他的團隊開發了一種耦合腔諧振器系統，用於在10GHz（亞太赫茲）頻率下快速測量流動的細胞。他們將開口環諧振器與介質諧振器結合，並將它們集成到微流控芯片中。他指出該器件製造簡單、成本低，理論上可以擴展到100GHz（0.1THz）。
他們使用該器件檢測流動的聚苯乙烯微球，並實現了流動的（小鼠成肌細胞）細胞的首次微波測量。測量信號取決於細胞的體積，因而提供了一種快速準確的方法來測量細胞大小分佈。其潛在的應用包括檢測比白細胞大的循環腫瘤細胞的血液樣本。
對於單個細胞的太赫茲檢測，Klein介紹了使用硅光子晶體諧振器來測量紅細胞懸浮液。“可以實現單個細胞的水含量測量，”他總結道，“我們已經在微波頻率上證明了這一點，並相信用太赫茲波段也可以。”
Klein指出，結合細胞大小和水含量快速測量的芯片實驗室（lab-on-a-chip）系統，或能成為癌症診斷的破局者。
太赫茲體內成像
來自華威大學的Emma Pickwell-MacPherson研究了體內太赫茲成像所面臨的挑戰，她說：“我們注意到近期對太赫茲體內成像的研究越來越多。”
比如糖尿病足綜合徵的篩查，就是利用太赫茲成像發現糖尿病患者和對照組之間組織水含量的差異；又如瘢痕癒合的監測，當表面變化已不再明顯時，太赫茲可以對細微的組織變化進行成像；以及角膜表面的非接觸太赫茲成像。
太赫茲技術還可以檢測正常組織和癌組織之間的差異。然而，由於需要控制大量變量，體內檢測具有挑戰性。“每次進行比較研究時，即使測量相同區域的皮膚都很棘手，”Pickwell-MacPherson解釋說，“皮膚結構隨著位置、壓力、時間、護膚霜等不同而變化，我們需要可重複的實驗計劃。”
通常，通過將皮膚放置在石英窗口上，以反射模式來進行體內的皮膚測量。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。“我們需要知道如何模擬這種效應並對其進行補償，”Pickwell-MacPherson解釋道。
在閉塞過程中水分子積聚在角質層中，並且太赫茲響應相應地改變，因此可以根據太赫茲數據計算皮膚的含水量和水的擴散率
另一個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償。Pickwell-MacPherson的團隊使用壓力傳感器監測和研究這些變化。
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，因為皮膚在水合時往往會略微膨脹，這使得對測量信號的分析變得複雜。一種替代方法是使用橢圓偏振技術，可以實現與厚度無關的折射率測量。
為此，Pickwell-MacPherson及其團隊構建了太赫茲橢圓偏振儀。他們指出，採用橢圓偏振測量的結果在高頻下誤差要小得多，克服了不透明樣品表徵的一些困難。“橢圓偏振技術可能很快就能應用於體內太赫茲成像研究，”她總結道。
產業發展
來自TeraView公司的Phil Taday介紹了商用太赫茲儀器的出現和發展。TeraView公司於2001年從劍橋大學的東芝研究實驗室分離出來，當時太赫茲系統的大小與光學平臺相當。2003年，該公司推出了一種小型、可安裝在推車上的太赫茲脈衝光譜系統，該系統可通過吸收率和折射率的測量將基底細胞癌（BCC）與正常組織樣本區分開來。
接下來該公司利用反射模式和石英板實現了太赫茲成像。例如，該系統可以顯示腫瘤邊緣，可以指導皮膚癌的手術切除並確保去除了所有的癌細胞。
TeraView公司還開發了一種手持式光纖耦合太赫茲成像探頭，用於觀察乳腺癌手術中的邊緣切除。在這裡，太赫茲響應可以區分脂肪、纖維組織和腫瘤，其靈敏度達到82%且特異性超過92%。倫敦蓋伊醫院正在進行這種方法的試驗。
該公司的最新設備是TeraPulse 4000，它可以在透射和反射模式下進行太赫茲成像和光譜分析。“新設備移動更方便，我們正努力使系統進一步縮小到只有臺式機的尺寸，”Taday介紹。
例如，未來典型的小型化太赫茲成像設備可用於內窺鏡檢查，用於監測Barrett食管癌早期跡象。Taday認為這應該是可行的，並指出太赫茲發射器可以小型化以適應內窺鏡通道，但縮小用於控制太赫茲光束的硅光器件可能更難。
大功率
在最後的演講中，Weightman展望瞭如何將太赫茲的組織表徵用於癌症診斷。他強調需要使用強太赫茲光源進行實驗。“我們知道水對生物系統非常重要，所以如果想要了解太赫茲波段的DNA功能，我們必須在水裡進行研究，”他解釋道，“問題是1毫米的水會使太赫茲衰減1018倍。”
目前的實驗室的光源產生的太赫茲輻射波，強度約為100µW至10mW。然而，由能量回收直線加速器產生的太赫茲峰值功率可達10KW（千瓦），而自由電子激光器可達到MW（百萬瓦）。如此強大的輻射源需要考慮太赫茲輻射波對DNA的活性、損傷和修復的影響，以及它是否會導致基因突變。
另一個重要的問題是太赫茲輻射是否安全。Weightman介紹了在Daresbury實驗室的ALICE能量回收直線加速器上進行的一系列實驗，該實驗室具有用太赫茲輻照培養箱內細胞的組織培養設施。他說：“我們發現太赫茲輻射對幾種細胞的形態、附著、增殖或分化沒有影響。”
然而，Weightman指出，另一組試驗已經證明強烈的太赫茲輻射會改變皮膚細胞中基因的活性。他認為他研究中使用的活細胞可能已被損壞，但隨後又自行修復。因此，需要進行和安排更多實驗。
由於許多懸而未決的問題，Weightman認為在轉移到臨床之前，進行基礎科學研究至關重要。“臨床醫生想要他們可以在手術室使用的東西，但目前我們不知道我們可以告訴他們什麼，”他解釋道。
展望未來
在小組討論中，發言者們探討了太赫茲成像的未來潛力。Pickwell-MacPherson建議實現體內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。Klein認為將紅外、太赫茲和微波成像結合到一個設備中可能是最佳選擇。
“我們仍然在探究太赫茲可以告訴我們什麼的階段，”Klein說：“一旦搞清楚這些，也許進展到臨床試驗可能就很快了。如果水含量和細胞大小很重要，我們可以在很短的時間內做好臨床試驗的準備。我鼓勵將臨床醫生、技術專家和物理學家聚集在一起探討。”
Taday強調了小型化的重要性。“這取決於我們這些人前進的方向，”他說：“還需要與學術界合作，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）是另外的發展關鍵。
要讓太赫茲技術應用於醫療保健行業，它們需要在一些實際問題上與現有技術競爭，例如癌症管理，任何可以檢測早期疾病的東西都非常重要。另外可能是在手術期間淋巴結的快速評估。也許太赫茲甚至可以癌症治療，選擇性的光熱和破壞癌細胞。
Weightman指出，區分癌症和非癌症並不困難，組織學可以做到這一點。更具挑戰性的是確定組織是否會發生癌變，病變是否會惡化。“一旦你確認了目標，那麼你就可以開發這些儀器，”他說。
當天的參與者正在推進太赫茲交流平臺，以鼓勵臨床醫生和太赫茲物理學家為基於太赫茲的醫療儀器和診斷制定一致的戰略。
延伸閱讀：
《太赫茲及紅外光譜學市場-2017版》
《太赫茲技術市場-2016版》
《非製冷紅外成像技術與市場趨勢-2017版》
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