拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的应用研究

脑胶质瘤是一种常见的颅内原发性肿瘤,具有治愈率低、复发率高等特点。脑胶质瘤边界的精准识别是减少患者术后复发、改善愈后状况的重要前提。因此,发展快速、高灵敏度、无标记的脑胶质瘤诊断方法具有重要的临床意义。拉曼光谱技术作为一种指纹谱,能够在分子水平上反映物质的化学和结构信息,已经在脑胶质瘤的定性定位识别中表现出巨大的应用前景。本文首先介绍了不同种类的拉曼光谱技术,其次梳理了拉曼光谱技术在脑胶质瘤中的研究现状,最后对拉曼光谱技术在脑胶质瘤检测中的未来发展进行展望。

基于超表面的太赫兹与中长波红外高效分光器件

多模复合成像技术结合了不同传感器的优势,具有图像质量高、信息获取能力强、目标检测和识别能力高、对复杂环境的强适应能力、系统的稳定性和鲁棒性高等优点.其中,太赫兹和红外复合成像技术结合了太赫兹波段和红外波段的特点,具有宽频谱覆盖、高分辨率、穿透性强的优点,有广阔的应用前景.作为共口径复合成像系统的关键器件之一的太赫兹和红外波段的高效分光器目前仍然缺少,性能亟待提升.本文提出了一种结构简单、性能高效的双层金属加介质基底结构二向色超表面.作为分光器件使用,当入射角度为45°时,其在中心频率1.1 THz附近实现大于97%的透射系数,在中波红外3—5μm和长波红外8—14μm波长范围均实现大于98%的反射系数.该设计对层间结构错位、结构倒圆角、小倍率缩放等结构失配和加工误差都具有很好的鲁棒性,并且具有偏振不敏感特性.而当入射角度在0°—60°内变化时,器件依然保持优异的分光特性.基于巴比涅定理和等效电路模型,对该超表面的电磁响应特性进行理论分析,分析结果与模拟仿真结果相吻合.该研究结果证明了超表面作为分光器件应用于太赫兹与红外波段的多波长复合成像系统中的可行性,并为未来新型复合成像探测技术的研究提供了支撑.

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。

拉曼和太赫兹光谱技术在胶质瘤诊断中的应用及展望

胶质瘤是最常见的原发性颅内肿瘤,具有极强的侵袭性和异质性,高达90%的原位复发率严重影响了患者的生活质量,并缩短了他们的生存期。为减少复发,胶质瘤切除术需要在保护脑功能的前提下尽可能切除瘤体并采取早期综合治疗。术中精确定位胶质瘤的边界和进行分子分型是实现这一治疗目标的关键。目前临床上广泛应用的病理学检测方法耗时长且很大程度上依赖临床医师和病理医师的主观判断。拉曼和太赫兹光谱都具有反映生物大分子结构的能力,在胶质瘤诊断领域得到广泛应用;二者在技术特点上的互补性可以帮助医师在术中精准定位胶质瘤边界的同时实现术中快速定性,以帮助医师采取合适的治疗手段。本文主要概括近年来拉曼光谱和太赫兹光谱技术在胶质瘤领域的研究进展和局限性,总结拉曼光谱-太赫兹光谱技术联用的研究现状及在胶质瘤诊断领域的研究进展,进一步展望二者联用在胶质瘤领域的发展前景。

基于太赫兹光谱的大鼠脑缺血早期诊断技术的研究

脑缺血是一种常见的突发性脑外科疾病,具有较高的致死致残率,快速、准确对脑缺血程度进行检测对脑缺血的诊断与治疗工作具有重要意义。基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术,分别对脑缺血时间为0,0.5,1,2,4,6和24 h的大鼠脑脊液和血清进行光谱检测,并对不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率随缺血时间的变化规律进行分析。结果表明,与对照组相比,不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数和折射率均存在一定的差异。在此基础上,根据不同缺血时间的大鼠脑脊液和血清的吸收系数,采用主成分分析法和机器学习算法对大鼠的脑缺血程度进行自动分类识别。其中,基于脑脊液吸收系数的支持向量机分类模型的识别准确率相对较高,达到了89.3%。该方法为脑缺血的早期诊断提供一种新的检测方法。

高能量、快速可调谐太赫兹参量振荡器

基于受激电磁耦子散射的太赫兹(THz)波参量振荡器是产生高能量、相干THz波的有效手段之一,实验中采用垂直晶体表面出射结构,在1.63 THz处实现了最高单脉冲能量为634 n J的THz波输出。利用电控振镜快速改变泵浦光入射到Mg O:LN晶体中的角度,实现了0.75 THz^2.81 THz范围内的快速调谐,该辐射源可以满足THz波在生物医学、太赫兹通信、环境监测等应用领域的需求。

太赫兹波在沙尘中衰减特性

为了研究太赫兹波在沙尘大气中的衰减特性,根据Mie散射理论计算了单次散射情况下沙尘粒子不同尺寸参数下的散射效率因子和不同散射角下的散射相函数值。并得到了具有一定尺寸分布的沙尘粒子的单位距离衰减和能见度的关系曲线。还利用Monte Carlo方法对太赫兹波在沙尘中的多次散射特性进行了模拟计算,分析了不同能见度和不同沙尘类型对太赫兹波传输过程中能量损耗的影响。结果表明:单次散射条件下沙尘粒子的散射主要受尺寸参数影响;沙尘能见度较低时必须要考虑多次散射的影响。研究结果对太赫兹技术在大气环境监测和烟尘和风沙的探测等方面的应用具有参考价值。

太赫兹波近场成像综述

太赫兹波成像作为可见光和微波成像等的拓展,在半导体材料表征、生物组织诊断、无损检测和安检等领域表现出许多独特的优点,得到了越来越广泛的关注.传统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的限制,分辨率较低.而太赫兹波近场成像是目前突破该限制,获得亚微米甚至是纳米量级高分辨图像的研究热点之一.首先介绍了近场机制与成像的基本原理;其次总结了太赫兹波近场成像的几种常用方法及其对应研究进展和当前存在的问题,包括孔径型、针尖型、亚波长太赫兹源型和微纳结构调控型等;最后探讨了该方向的发展趋势.

太赫兹波合束技术的理论研究

设计了太赫兹合束的空间几何模型,计算模拟出了单束、2×1双束以及2×2四束太赫兹束的空间合束图像,并研究了接收距离、高斯光束峰值间距与太赫兹束干涉强度的关系,以及束间相位差对合成的影响.结果表明:2×1、2×2合束模式的峰值强度增大倍数近于4倍和16倍;2×1模式和2×2模式对应的最优太赫兹合成的观测接收距离分别为0.325m和0.223m;光束间距与合成峰值光强成非线性反比关系,不存在最大值或最小值临界点.对2×1模式进行了存在束间相位的合束模拟,得到束间相位差与合成强度的关系,并于相位差为π时达到最小值,故束间相位差虽不可避免,但可以减小.

新型有机晶体及超宽带太赫兹辐射源研究进展

非线性光学晶体是非线性光学频率变换技术中的核心器件。近些年,为进一步提高基于非线性光学频率变换技术产生太赫兹波的输出能量、转换效率,拓宽产生太赫兹波的带宽,多种新型有机晶体得以发展,并凭借其更加出色的非线性光学性质,成为产生太赫兹波的理想材料。本文按照晶体类型介绍了目前可产生THz波的多种有机晶体的性质,并总结了基于多种有机晶体的超宽带太赫兹辐射源的国内外研究进展,同时结合THz光谱检测技术的应用需求分析了基于有机晶体宽带THz辐射源的发展趋势以及所面临的关键科学问题。

小型化外腔可调谐THz参量振荡器

基于LiNbO3晶体垂直表面输出技术,设计了一台小型化外腔THz参量振荡器。利用小型化灯1064nm脉冲激光器泵浦MgO:LiNbO3,通过优化设计三波非共线相位匹配的光学参量振荡腔结构,实现THz垂直晶体表面输出,减少LiNbO3晶体对THz波的吸收,提高了THz波输出光束质量。当在泵浦光能量为128mJ、重复频率为10Hz时,获得THz波的调谐范围为0.69～3.01THz,在1.6THz处获得THz波最大平均功率为10.8μW,脉冲宽度为10ns,对应THz波能量转换效率为8.43×10-6。

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。

一种小型化的低能量、高重频激光诱导击穿光谱系统用于铅元素分析（英文）

研制了一款小型化的激光诱导击穿光谱系统.光源采用低能量、高重频的二极管泵浦固体Nd:YAG激光器,分析了激光重频和激光能量对光谱信号的影响.激光器工作在重频4kHz、单脉冲能量为745μJ、脉宽为17ns时,得到了7条铅元素的特征谱线.与单脉冲激光诱导击穿光谱系统相比,不仅特征谱线数量增加,光谱的信噪比也提高了73%。简化的系统设置和低的激光能量使得激光诱导击穿光谱技术能够应用于更多领域.

小鼠在体皮下乳腺癌的太赫兹波成像检测研究

乳腺癌是女性常见癌症之一,乳腺癌区域的精准检测对乳腺癌的治疗有至关重要的作用。本文采用频率为2.52THz的连续太赫兹波反射式成像系统,对小鼠在体皮下乳腺癌模型进行了太赫兹波成像检测。研究结果表明,太赫兹波成像可以清晰识别出乳腺癌区域,且与肉眼可见肿瘤区域一致。在体乳腺癌区域的太赫兹波相对反射率高于正常组织,两者相对反射率差值高达15%。进一步,对距离皮肤表面不同深度的离体乳腺癌组织进行切片和苏木精-伊红(H&E)染色,作为金标准对照。结果发现乳腺癌区域的面积随着距离皮肤表面深度的增加而增大。通过将太赫兹波成像与H&E染色结果对比可知,在距离皮肤表面约460μm处,太赫兹波图像和H&E染色图中的肿瘤区域面积相等。由此可知,太赫兹波对在体皮下乳腺癌的探测深度大约在460μm左右,太赫兹波有望实现深部肿瘤的检测。

基于单光子探测的目标光学散射特性研究

研究了目标物体的单光子散射回波特性,基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统,以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状(球体、立方体、圆柱体、圆锥体)目标物体的单光子散射特性,并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合,理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质(瓷砖、木材、外墙砖)目标物体的单光子散射特性进行了研究,并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。

基于太赫兹波谱差异的脑胶质瘤术中原位识别技术研究

目的探索太赫兹波检测技术在胶质瘤切除术中辅助进行定位定性同步诊断的技术可行性。方法采用反射式全光纤太赫兹时域光谱系统,于较为干燥的空气环境(湿度10%)中,获取在体条件下小鼠大脑半球凸面脑胶质瘤和正常脑组织的太赫兹时域脉冲信号,提取两者光谱参数,对折射率和吸收系数等光谱差异分析结果进行术中胶质瘤原位识别研究。结果在信噪比可接受的范围内(0~1.5 THz),在体正常脑组织和脑胶质瘤的折射率主要在0.4~0.6 THz波段有差异,而二者的吸收系数在0.4~0.9 THz范围内有差异,说明基于太赫兹波谱差异可有效识别和定位肿瘤及正常脑组织。结论太赫兹波谱识别技术在手术中进行胶质瘤原位识别具有可能性。

共光路连续太赫兹反射和衰减全反射成像

太赫兹成像技术是医学成像的候选技术之一,尤其是连续太赫兹反射和衰减全反射成像有望实现术中快速成像,是目前研究的热点课题.本文理论研究了成像角度对反射信号和衰减全反射穿透深度的影响,获得了适用于反射和衰减全反射成像的太赫兹波成像角度.在此基础上设计了全反射棱镜,通过反射窗口和全反射棱镜快速切换的方式,实现了共光路连续太赫兹反射和衰减全反射双模式成像.以蒸馏水和猪肉为样品,实验研究了连续太赫兹反射和衰减全反射成像.结果表明,与反射成像相比,连续太赫兹衰减全反射成像具有成像分辨率高、图像对比度高和信号稳定性高的优点,且可以准确获得样品反射率.太赫兹衰减全反射成像技术更有助于实现样品的高灵敏度成像.

近红外激光泵浦的可调谐中红外固体激光器研究进展(特邀)

基于非线性光学频率变换技术的可调谐中红外激光器在光电对抗、气体检测、生物医学等应用领域有着重要价值。近红外激光,尤其是1μm激光直接泵浦的可调谐中红外激光器具有结构紧凑、调谐范围宽、稳定性高的优势。从非线性光学频率变换技术的核心器件——非线性晶体出发,综述新型非氧化型晶体在可调谐中红外激光产生中的应用现状,介绍了不同晶体的光学特性及实现中红外产生的方法。针对可调谐中红外激光源的调谐范围、单脉冲能量、重复频率等关键参数,分析了不同晶体的中红外产生性能及其适用的中红外产生方法。最后对近红外激光器泵浦的可调谐中红外激光器进行了展望。

基于三层光栅结构的超宽带太赫兹吸收体

基于等效介质膜理论及多层减反膜原理设计了用于超宽带太赫兹吸收体的三层微结构光栅，光栅基质采用重掺硼硅材料．用有限时域差分法分析了光栅周期、光栅宽度和深度对太赫兹吸收体反射系数的影响．数值分析结果表明，在低于3THz波段，吸收率高于98％的带宽为1．3THz，吸收率高于95％的带宽达2．1THz．用严格耦合波理论对该三层光栅的高吸收现象进行理论分析，分析结果表明，光栅多级衍射的相互作用减少了入射面的反射率，增大了该吸收体的吸收率．进一步优化三层光栅微结构的参量，在0．6～6THz范围内实现了大于95％的太赫兹吸收．基于光栅结构的吸收体结构简单，易于设计与分析，可以应用于太赫兹成像与探测应用领域．

太赫兹技术在胶质瘤诊疗中的应用:从组织分级到分子分型

太赫兹波(terahertz,THz)是位于微波和红外之间介观尺度波长的电磁波,因其低电离性和指纹性的特点,在生物医学领域有着巨大的应用潜力,尤其是在肿瘤的术中定位定性诊断方面.而对于定位定性诊断需求最迫切的肿瘤为胶质瘤,因其侵袭性和异质性,切除后极易复发且对临近脑区神经功能有显著影响,快速确定瘤体边界以及肿瘤病理学特征,是开展胶质瘤精准诊疗和临床研究的重要前提.本文总结了胶质瘤诊断的生物物理技术,梳理了太赫兹波这一新兴技术在胶质瘤诊断方面所取得的研究成果.进一步,基于胶质瘤组织病理和分子病理整合诊断研究进展,提出不同分子分型肿瘤组织在太赫兹波段可能具有不同“特异性蛋白组成”的太赫兹肿瘤亚型识别机制假说,结合脑组织生物学特点与体液中胶质瘤标志物检测潜力,全面设想了未来太赫兹波在胶质瘤临床诊疗中的应用模式和发展前景.