基于太赫兹波反射式成像的缺血脑组织的检测装置及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于生物医学成像领域，具体的说，是涉及一种基于太赫兹波反射式成像 的缺血脑组织的检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 缺血性脑卒中是威胁全球人类健康的主要疾病之一，占全部脑卒中患者的60~ 70%，具有较高的发病率、致残率和死亡率。脑缺血是指因脑血流量下降而引起的脑细胞功 能和形态学上的改变，只有当脑血流量下降达一定水平和持续一定时间后，脑组织才会发 生缺血改变。各种原因引起的脑血流量下降均可使细胞缺氧，脑缺氧能量代谢障碍直接抑 制质膜上钠/钾ATP酶的活性，钾离子大量外流;妈离子、氯离子和钠离子向细胞内流入和聚 集，形成细胞内高渗状态，大量水份进入细胞内，引起细胞外间隙缩小，细胞肿胀(细胞毒性 水肿）。此时血脑屏障未开放，数小时后组织细胞出现缺血坏死。5至6小时后血管内皮细胞 损伤，导致血脑屏障破坏，蛋白质通透性增加，离子通透性也大大增加，组织间隙水份聚集， 形成血管源性水肿，组织总含水量逐渐增加，此时脑缺血损伤已向不可逆方向发展。因此， 早期诊断及治疗是非常重要的，而辨别某区域脑组织缺血与否以及缺血严重程度可以为临 床治疗提供诊断依据和手术决策依据。
[0003] 目前，对于急性脑缺血最有效、最有前途的治疗方法之一是在超急性期（<6h)进行 溶栓治疗，但是溶栓时机若选择不当，不仅会引起出血性脑梗死，而且再灌注损伤会加重局 部脑组织缺氧，加重病情，甚至加速病人死亡。因此，寻找一种能早期确定病灶部位与范围 的方法显得极为重要。但现阶段使用医院传统的医学成像检测方法，如:CT、MRI等成像方 法，检查缺血脑组织需要在发病6小时以后才能显示缺血病灶，并且还无法确定缺血半暗带 的范围、缺血的程度和准确的反应病变部位。因此需要寻找一种新的能够尽早准确的反映 脑缺血组织的病变部位、病灶大小及缺血半暗带的生物医学成像技术。这对于早期脑组织 缺血的病理分析研究和实现早期诊断，最大程度的减少缺血坏死的范围和保护正常的脑组 织的研究具有重大的实际意义。
[0004] 太赫兹(Terahertz，简称ΤΗζ，1ΤΗζ = 1012Ηζ)波段是指频率从100GHz到ΙΟΤΗζ，相应 的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。由于 该频段是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，具有很多独特的性质，特别是由于很多生 物大分子的振动和转动频率均落于太赫兹波段，物质在太赫兹波波段的发射、反射和透射 光谱中包含了丰富的物理和化学信息，并且太赫兹波的光子能量低（ΙΤΗζ的电磁波的光子 能量只有约4meV)，其远远小于X射线的能量，不会对生物大分子、生物细胞和组织产生有害 的电离，特别适合于对生物组织进行活体检查。此外，太赫兹波对水分子非常敏感，不仅能 够有效地检测到水溶液里离子之间的协同性以及蛋白质的水化作用，而且对生物组织的水 分变化更是具有高灵敏度。这有可能使太赫兹波非常适用于生物组织的水分及相关成分变 化检测，进而区别生物体的健康组织和病态组织或识别。同时，其对生物特征细胞密度及其 排列较为敏感。因此，太赫兹波成像技术在实时生物信息提取、生物组织活体检查、医学成 像以及医学诊断等领域有着极大的应用前景与应用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于太赫兹波反射式成像 的缺血脑组织的检测装置，本发明装置通过对各光学元器件的不同摆放实现对太赫兹波的 控制和探测，装置整体布局合理，结构紧凑，测量精度高，操作简单;本发明的另一目的是利 用上述检测装置提供一种能够及时准确的反映脑缺血组织的病变部位、病灶大小及缺血半 暗带的缺血脑组织的检测方法，采用该检测方法对缺血脑组织成像，可以实现在脑缺血发 生2小时后，准确的反映脑缺血组织的病变部位、病灶大小及缺血半暗带。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 基于太赫兹波反射式成像的缺血脑组织的检测装置，包括太赫兹源、数据采集卡 和计算机，所述太赫兹源发射的太赫兹波入射到与所述太赫兹波成45°角的金属线栅，所述 太赫兹波的一部分经所述金属线栅反射后入射至与所述数据采集卡输入端相连接的第一 太赫兹探测器；
[0008] 所述太赫兹波的另一部分经金属线栅透射后依次经过第一镀金膜反射镜、第二镀 金膜反射镜和第三镀金膜反射镜，经第三镀金膜反射镜反射后的太赫兹波以30° - 60°的角 度入射至第一太赫兹透镜，经所述第一太赫兹透镜透射后的太赫兹波被用于放置脑组织样 品的二维移动平台反射后入射至第二太赫兹透镜，经第二太赫兹透镜透射后的太赫兹波入 射至与数据采集卡输入端相连接的第二太赫兹探测器；
[0009] 所述计算机接收所述数据采集卡采集到的数据及所述二维移动平台的移动信息。
[0010] 所述太赫兹源发射的太赫兹波的频率范围为〇. ITHz-ΙΟΤΗζ。
[0011] 所述二维移动平台由中空的支架构成，所述支架的正上方设置有用于放置脑组织 样品的衬底。所述衬底为石英玻璃材质。
[0012] 所述基于太赫兹波反射式成像的缺血脑组织的检测装置的检测方法，步骤如下：
[0013] (1)太赫兹源发射太赫兹波，入射到所述金属线栅上，所述金属线栅反射的太赫兹 波作为脑组织样品检测时的入射光被第一太赫兹探测器探测;所述金属线栅透射的太赫兹 波作为脑组织样品检测时的反射光被第二太赫兹探测器探测；
[0014] (2)将脑组织样品放置于二维移动平台，调整二维移动平台的位置，使得放置在二 维移动平台上的脑组织样品处于第一太赫兹透镜的焦平面上，计算机记录二维移动平台的 当前位置信息；上述反射光依次经过第一太赫兹透镜的透射、脑组织样品的反射和第二太 赫兹透镜的透射后被第二太赫兹探测器探测;数据采集卡同时采集第一太赫兹探测器和第 二太赫兹探测器探测到的信号并转换为数据后输送至计算机，分别得到脑组织样品在该位 置处的入射光强和反射光强；
[0015] (3)重复执行步骤（2)，最终获得脑组织样品上不同位置处的入射光强和反射光 强;通过菲涅耳公式计算得到脑组织样品在上述所有位置的水分子体积浓度，最终绘制出 脑组织样品的图像。
[0016] 步骤(3)中所述菲涅耳公式计算得到脑组织样品在上述所有位置的水分子体积浓 度的步骤如下：
[0017] 由
[0018] I=E2
[0019] 其中，I为光强度，E为电矢量的振幅，由于光在两个线性电介质的界面上发生的反 射和折射特性与电矢量复振幅i的振动方向有密切关系，用菲涅耳公式表征即：
[0021][0022] 其中，g和&分别为s波和p波的反射系数，瓦，和瓦分别为入射光和反射光在s方
[0020] 向（垂直于入射面的分量）的电矢量的复振幅，萬^和萬^.分别为入射光和反射光在P方向（平 行于入射面的分量）的电矢量，年和毛分别为空气和样品的折射率，θ:为入射角，θ2为折射 角；
[0023] 由斯涅尔定律可知1118；[1191 = 1128；[1192，且空气中折射率年=1.，所以菲涅耳公式写 为：
[0024]
[0025]
[0026] 入射到脑组织样品上的太赫兹波只在ρ方向或s方向偏振，则只考虑公式：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]通过测得的入射光强和反射光强相对应的电矢量的振幅信号Eip和Erp (或者Eis和 Ers)，经过傅里叶变换得到_%和1 (或者良和瓦），通过上述计算得到脑组织样品的复折 射率：/72 =/7: +/Λ：，其中Π 2为样品实折射率，K为消光系数；
[0031]又由吸收系数与消光系数的关系:a = 43TVK/c，求得吸收系数α，其中v为频率，C为 光速；
[0032] 由于缺血程度不同的部位具体不同的水浓度，而当太赫兹波在缺血程度不同的部 位进行反射时，其被脑组织吸收的程度亦不同，所以脑组织样品不同位置对太赫兹的吸收 系数来反映出脑组织不同位置的水浓度分布，并以此为依据绘制出脑组织的缺血情况。
[0033] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0034] 本发明利用太赫兹波对于组织水浓度具有高敏感性和不同缺血情况下脑组织的 水浓度不同的特点实现了脑组织缺血情况分布图的绘制，使用本发明不仅可以在脑缺血2 小时后明显的观察到病变部位、而且可以准确的反映出病灶大小和缺血半暗带，这是目前 其他传统生物医学成像技术所达不到的，也为早期脑组织缺血的病理分析研究和实现早期 诊断，最大程度的减少缺血坏死的范围和保护正常的脑组织的研究提供了新的技术手段。
【附图说明】
[0035]图1是本发明检测装置的结构示意图。
[0036]图2实验结果示意图。
[0037] 附图标记：1_太赫兹源2-金属线栅3-第一太赫兹探测器4-第一镀金膜反射镜 5_第二镀金膜反射镜6-第三镀金膜反射镜7-第一太赫兹透镜8-二维移动平台9-第二 太赫兹透镜10-第二太赫兹探测器11-数据采集卡12-计算机
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明作进一步的描述：
[0039] 如图1所示，基于太赫兹波反射式成像的缺血脑组织的检测装置，包括太赫兹源1、 数据采集卡11和计算机12,太赫兹源1发射的太赫兹波的频率范围为O.lTHz-ΙΟΤΗζ，太赫 兹源1发射太赫兹波，入射到金属线栅2上，金属线栅2起到分光的作用，摆放金属线栅2的位 置使其与入射的太赫兹波成45°角，这样设置能够将入射的太赫兹波平均分成光强相等的 透射太赫兹波和反射太赫兹波，经金属线栅2反射后的太赫兹波作为脑组织样品检测时的 入射光被第一太赫兹探测器3探测。
[0040] 经金属线栅2透射后的太赫兹波作为脑组织样品检测时的反射光，透射的太赫兹 波依次经过第一镀金膜反射镜4、第二镀金膜反射镜5和第三镀金膜反射镜6转折光路后，使 太赫兹波以30° - 60°的角度入射到第一太赫兹透镜7,具体操作过程中可通过改变第三镀 金膜反射镜6的摆放角度来改变太赫兹波的入射角度。第一太赫兹透镜7和第二太赫兹透镜 9组成望远镜系统，太赫兹波经过第一太赫兹透镜7聚焦，在焦点处光斑最小，通过调整二维 移动平台8的位置，可以使放置在二维移动平台8上的脑组织样品处于第一太赫兹透镜7的 焦平面上，太赫兹波入射到脑组织样品上，在缺血脑组织上进行反射，反射的太赫兹波再经 过第二太赫兹透镜9,最后被第二太赫兹探测器10探测。计算机12接收数据采集卡11采集到 的数据及所述二维移动平台8的移动信息，本实施例中二维移动平台8由中空的支架构成， 支架的正