一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明所述系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡、平移臺(tái)、交變電源和感應(yīng)線圈，所述平移臺(tái)放置于所述感應(yīng)線圈中，所述感應(yīng)線圈連接所述交變電源，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并置于所述感應(yīng)線圈上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器，所述成像系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較高和購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用較低、采用此方法成像速度快、成像信號(hào)強(qiáng)度高。
【專利說(shuō)明】一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲波的生物組織成像應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波是頻率在0.1THz到IOTHz之間的電磁波，處于毫米波和紅外光之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的波段，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，非常適合于生物組織成像。如太赫茲波的光子能量低(ITHz的電磁波的光子能量只有約4meV)，遠(yuǎn)小于X射線的光子能量，因此，太赫茲波成像是一種無(wú)損的成像方式，不會(huì)對(duì)生物細(xì)胞產(chǎn)生電離；同時(shí)，許多有機(jī)和生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)落在太赫茲波段；并且太赫茲波對(duì)生物組織中的水分十分敏感，太赫茲波成像在生物組織活體檢查，醫(yī)學(xué)成像和診斷領(lǐng)域的研究越來(lái)越多的引起人?\ 3的關(guān)注。
[0003]太赫茲波成像已經(jīng)被應(yīng)用到牙齒、骨骼、腦組織、皮膚和燒傷組織以及多種部位的腫瘤等生物組織的成像中，用來(lái)辨別不同的組織成分和區(qū)分病變組織和正常組織。但是生物組織的成像信號(hào)強(qiáng)度和不同組織尤其是病變組織和正常組織之間的成像對(duì)比度有待進(jìn)一步提聞；并且，現(xiàn)有的生物組織的太赫茲波成像系統(tǒng)大都為脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)，具有系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、穩(wěn)定性較低、成像時(shí)間長(zhǎng)和購(gòu)買(mǎi)維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)；同時(shí)由于空氣中的水蒸氣在脈沖太赫茲波所對(duì)應(yīng)的頻段內(nèi)吸收較大導(dǎo)致脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)很難在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用；并且由于生物 細(xì)胞中含有較多水分，水在脈沖太赫茲波所對(duì)應(yīng)的頻段內(nèi)吸收較大導(dǎo)致脈沖太赫茲波成像往往對(duì)深層的生物組織無(wú)能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法，利用超順磁性納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織，利用超順磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)下的發(fā)熱性質(zhì)提高生物組織中水分的溫度以提高反射太赫茲波的信號(hào)強(qiáng)度，并且其成像系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較高、成像速度快和購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用較低；同時(shí)由于水在系統(tǒng)所采用的太赫茲波頻率下吸收系數(shù)較小，克服了現(xiàn)有的脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)空氣中水蒸氣對(duì)太赫茲波吸收較強(qiáng)和太赫茲波在生物組織中穿透深度較淺的缺點(diǎn)；并且水在所采用的太赫茲波頻率下折射率和吸收系數(shù)隨溫度變化顯著，使得從生物組織樣品反射回來(lái)的太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度隨溫度變化敏感。
[0005]為達(dá)上述目的，本發(fā)明一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡、平移臺(tái)、交變電源和感應(yīng)線圈，所述平移臺(tái)放置于所述感應(yīng)線圈中，所述感應(yīng)線圈連接所述交變電源，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并置于所述感應(yīng)線圈上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器。
[0006]其中所述第一金屬平面鏡與所述第二金屬平面鏡為一體V型金屬平面鏡。
[0007]其中所述太赫茲波發(fā)生器為耿式振蕩器或反波管。
[0008]其中所述太赫茲波探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。
[0009]本發(fā)明還提供一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，包括以下步驟:
[0010]將超順磁性納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織； [0011]打開(kāi)交變電源，使結(jié)合超順磁性納米顆粒的生物組織樣品放置于交變磁場(chǎng)環(huán)境下；
[0012]太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像，即得到增強(qiáng)所述生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的圖像。
[0013]其中所述超順磁性納米顆粒為超順磁性氧化鐵納米顆粒或者其他可以在交變磁場(chǎng)下發(fā)熱的生物相容性高的超順磁性納米顆粒。
[0014]其中所述超順磁性納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織采用如下方式，當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用將超順磁性納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織的方式；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用先對(duì)超順磁性納米顆粒進(jìn)行表面修飾所需增強(qiáng)成像生物組織對(duì)應(yīng)的靶向物質(zhì)而后進(jìn)行靜脈注射的方式。
[0015]其中所述的太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像為太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于本發(fā)明取得了如下技術(shù)效果:
[0017]本系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，成像速度較快和價(jià)格較低，并且避免了空氣中水蒸氣強(qiáng)烈吸收太赫茲波的問(wèn)題和提高了太赫茲波在生物組織中的穿透深度，并且交變磁場(chǎng)的輻射范圍較大，可對(duì)大尺度的生物組織進(jìn)行一次性的快速加熱并可對(duì)深層結(jié)合超順磁性納米顆粒的生物組織進(jìn)行加熱，提高了造影成像的成像速度和成像深度，同時(shí)在所采用的太赫茲波頻率下的水分的折射率和吸收系數(shù)隨溫度變化顯著，使得太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度隨溫度變化靈敏，達(dá)到了有益的技術(shù)效果。
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明腫瘤細(xì)胞液結(jié)合超順磁性納米顆粒前后并分別在有和沒(méi)有交變磁場(chǎng)環(huán)境下太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比圖。
[0021]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1-耿式振蕩器；2-熱釋電探測(cè)器；3-交變電源；4_感應(yīng)線圈；5-平移臺(tái)；6_第一金屬平面鏡；7_第二金屬平面鏡；8_拋物面鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。[0023]如圖1所示，本發(fā)明一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)包括:能產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波的太赫茲波發(fā)生器(如耿式振蕩器1)，反射太赫茲波的第一金屬平面鏡6和第二金屬平面鏡7，收集太赫茲波的拋物面鏡8，探測(cè)太赫茲波強(qiáng)度的太赫茲波探測(cè)器(如熱釋電探測(cè)器2)，用于放置被成像生物組織的平移臺(tái)5，提供交變電流的交變電源3以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的感應(yīng)線圈4。其中平移臺(tái)5放置于感應(yīng)線圈4中，感應(yīng)線圈4連接交變電源3，第一金屬平面鏡6和第二金屬平面鏡7呈一體V型放置于感應(yīng)線圈4上方，所述太赫茲波發(fā)生器位于第一金屬平面鏡6 —側(cè)并與鏡面成一定夾角，使得所述太赫茲波發(fā)生器發(fā)射的太赫茲波能通過(guò)第一金屬鏡面6反射到平移臺(tái)5上的生物組織樣品，拋物面鏡8位于第二金屬平面鏡7的一側(cè)，所述太赫茲波探測(cè)器位于拋物面鏡8 一側(cè)，使得經(jīng)所述生物組織樣品反射的太赫茲波反射到第二金屬平面鏡7后又反射至拋物面鏡8上，反射至拋物面鏡8上的太赫茲波又反射到達(dá)所述太赫茲波探測(cè)器。
[0024]本發(fā)明的工作原理為:當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像的生物組織分布時(shí)，可將超順磁性納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織使得超順磁性納米顆粒與所需增強(qiáng)的生物組織結(jié)合；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像的生物組織分布時(shí)，因?yàn)樗柙鰪?qiáng)成像的生物組織細(xì)胞含有特異性抗原，如果對(duì)超順磁性納米顆粒進(jìn)行表面修飾此特異性抗原所對(duì)應(yīng)的抗體，接著采用靜脈注射超順磁性納米顆粒的方式，就使得其與所需增強(qiáng)成像的生物組織進(jìn)行靶向結(jié)合，這樣，所需增強(qiáng)成像的生物組織中就含有了超順磁性納米顆粒。接著使結(jié)合超順磁性納米顆粒的生物組織在交變磁場(chǎng)環(huán)境下放置一段時(shí)間，由于超順磁性納米顆粒在交變磁場(chǎng)環(huán)境下產(chǎn)生弛豫效應(yīng)而發(fā)熱，并且生物組織中含有大量水分使得超順磁性納米顆粒周?chē)乃臏囟认鄳?yīng)的升高，而水在成像的太赫茲頻段內(nèi)的吸收系數(shù)和折射率隨溫度升高而增大，這樣使得從結(jié)合超順磁性納米顆粒的生物組織上反射的太赫茲波的強(qiáng)度明顯升高。進(jìn)一步，為增強(qiáng)病變組織與正常組織在太赫茲成像時(shí)的對(duì)比度，由于所需增強(qiáng)成像的病變組織細(xì)胞含有特異性抗原，對(duì) 超順磁性納米顆粒進(jìn)行表面修飾病變組織細(xì)胞特異性抗原所對(duì)應(yīng)的抗體，接著采用靜脈注射超順磁性納米顆粒的方式，就使得其與病變組織進(jìn)行靶向結(jié)合而與正常組織不進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)在交變磁場(chǎng)環(huán)境下放置前后所成太赫茲波圖像相減得到病變組織的輪廓圖像。
[0025]實(shí)施例1
[0026](I)使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡6反射至平移臺(tái)5上的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡7以及拋物面鏡8反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0027](2)打開(kāi)交變電源3后，感應(yīng)線圈4產(chǎn)生285kHz的交變磁場(chǎng)，使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡6反射至平移臺(tái)5上的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡7以及拋物面鏡8反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0028](3)采用超順磁性氧化鐵納米顆粒直接注射到腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后超順磁性氧化鐵納米顆粒濃度為1.0mg/ml)，然后將結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液放置于平移臺(tái)5上，使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡6反射至平移臺(tái)5上的結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡7以及拋物面鏡8反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；
[0029](4)采用超順磁性氧化鐵納米顆粒直接注射到腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后超順磁性氧化鐵納米顆粒濃度為1.0mg/ml )，然后將結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液放置于平移臺(tái)5上，打開(kāi)交變電源3后，感應(yīng)線圈4產(chǎn)生285kHz的感應(yīng)磁場(chǎng)，使用耿式振蕩器I發(fā)射0.2THz太赫茲波經(jīng)第一金屬平面鏡6反射至平移臺(tái)5上的結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液進(jìn)行照射，依次經(jīng)結(jié)合超順磁性氧化鐵納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液、第二金屬平面鏡7以及拋物面鏡8反射后到達(dá)熱釋電探測(cè)器2對(duì)太赫茲波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。
[0030]檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，(I) 為腫瘤細(xì)胞液在未結(jié)合超順磁性納米顆粒，沒(méi)有交變磁場(chǎng)環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線(反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比=(變化后的反射信號(hào)強(qiáng)度-初始反射信號(hào)強(qiáng)度)/初始反射信號(hào)強(qiáng)度);(2) 為腫瘤細(xì)胞液未結(jié)合超順磁性納米顆粒并在交變磁場(chǎng)(285kHz)環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線；(3)
為結(jié)合超順磁性氧化鐵磁納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后超順磁性氧化鐵納米顆粒濃度為
1.0mg/ml)，在沒(méi)有交 變磁場(chǎng)環(huán)境下的反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線；(4) “_o_”為結(jié)合超順磁性氧化鐵磁納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液(結(jié)合后超順磁性氧化鐵納米顆粒濃度為1.0mg/ml)在交變磁場(chǎng)(285kHz)環(huán)境下反射信號(hào)強(qiáng)度變化百分比曲線，可以看出，結(jié)合超順磁性氧化鐵磁納米顆粒的腫瘤細(xì)胞液在交變磁場(chǎng)的環(huán)境下信號(hào)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。
[0031]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包括太赫茲波發(fā)生器、太赫茲波探測(cè)器、第一金屬平面鏡、第二金屬平面鏡、拋物面鏡、平移臺(tái)、交變電源和感應(yīng)線圈，所述平移臺(tái)放置于所述感應(yīng)線圈中，所述感應(yīng)線圈連接所述交變電源，所述第一金屬平面鏡背面和所述第二金屬平面鏡背面成固定夾角并置于所述感應(yīng)線圈上方，兩個(gè)所述金屬平面鏡另一側(cè)放置所述拋物面鏡，所述拋物面鏡一側(cè)放置所述太赫茲波探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述第一金屬平面鏡與所述第二金屬平面鏡為一體V型金屬平面鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲波發(fā)生器為耿式振蕩器或反波管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的系統(tǒng)，其特征在于:所述太赫茲波探測(cè)器為熱釋電探測(cè)器或高萊探測(cè)器。
5.一種利用交變磁場(chǎng)增 強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于包括以下步驟: 將超順磁性納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織； 打開(kāi)交變電源，使結(jié)合超順磁性納米顆粒的生物組織樣品放置于交變磁場(chǎng)環(huán)境下； 太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像，即得到增強(qiáng)所述生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述超順磁性納米顆粒為超順磁性氧化鐵納米顆?；蛘咂渌梢栽诮蛔兇艌?chǎng)下發(fā)熱的生物相容性高的超順磁性納米顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用交變磁場(chǎng)增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述超順磁性納米顆粒結(jié)合到所需增強(qiáng)成像的生物組織采用如下方式，當(dāng)已知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用將超順磁性納米顆粒直接注射到所需增強(qiáng)成像的生物組織的方式；當(dāng)未知所需增強(qiáng)成像生物組織分布時(shí)，采用先對(duì)超順磁性納米顆粒進(jìn)行表面修飾所需增強(qiáng)成像生物組織對(duì)應(yīng)的靶向物質(zhì)而后進(jìn)行靜脈注射的方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增強(qiáng)生物組織太赫茲波成像信號(hào)強(qiáng)度的方法，其特征在于:所述的太赫茲波發(fā)生器照射所述樣品進(jìn)行二維成像為太赫茲波逐點(diǎn)掃描成像。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK103919529SQ201410160570
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】張亮亮, 張銳, 吳同, 張存林 申請(qǐng)人:首都師范大學(xué)