CN103919529A - 一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法 - Google Patents

一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法，本发明所述系统包括太赫兹波发生器、太赫兹波探测器、第一金属平面镜、第二金属平面镜、抛物面镜、平移台、交变电源和感应线圈，所述平移台放置于所述感应线圈中，所述感应线圈连接所述交变电源，所述第一金属平面镜背面和所述第二金属平面镜背面成固定夹角并置于所述感应线圈上方，两个所述金属平面镜另一侧放置所述抛物面镜，所述抛物面镜一侧放置所述太赫兹波探测器，所述成像系统构成简单、稳定性较高和购买和维护费用较低、采用此方法成像速度快、成像信号强度高。

Description

一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波的生物组织成像应用领域，特别是涉及一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，处于毫米波和红外光之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的波段，具有许多独特的性质，非常适合于生物组织成像。如太赫兹波的光子能量低(1THz的电磁波的光子能量只有约4meV)，远小于X射线的光子能量，因此，太赫兹波成像是一种无损的成像方式，不会对生物细胞产生电离；同时，许多有机和生物大分子的振动和转动能级落在太赫兹波段；并且太赫兹波对生物组织中的水分十分敏感，太赫兹波成像在生物组织活体检查，医学成像和诊断领域的研究越来越多的引起人们的关注。
太赫兹波成像已经被应用到牙齿、骨骼、脑组织、皮肤和烧伤组织以及多种部位的肿瘤等生物组织的成像中，用来辨别不同的组织成分和区分病变组织和正常组织。但是生物组织的成像信号强度和不同组织尤其是病变组织和正常组织之间的成像对比度有待进一步提高；并且，现有的生物组织的太赫兹波成像系统大都为脉冲太赫兹波成像系统，具有系统构造复杂、稳定性较低、成像时间长和购买维护费用高等缺点；同时由于空气中的水蒸气在脉冲太赫兹波所对应的频段内吸收较大导致脉冲太赫兹波成像系统很难在实际环境中应用；并且由于生物细胞中含有较多水分，水在脉冲太赫兹波所对应的频段内吸收较大导致脉冲太赫兹波成像往往对深层的生物组织无能为力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统和方法，利用超顺磁性纳米颗粒结合到所需增强成像的生物组织，利用超顺磁性纳米颗粒在交变磁场下的发热性质提高生物组织中水分的温度以提高反射太赫兹波的信号强度，并且其成像系统构成简单、稳定性较高、成像速度快和购买和维护费用较低；同时由于水在系统所采用的太赫兹波频率下吸收系数较小，克服了现有的脉冲太赫兹波成像系统在应用时空气中水蒸气对太赫兹波吸收较强和太赫兹波在生物组织中穿透深度较浅的缺点；并且水在所采用的太赫兹波频率下折射率和吸收系数随温度变化显著，使得从生物组织样品反射回来的太赫兹波信号强度随温度变化敏感。
为达上述目的，本发明一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统，所述系统包括太赫兹波发生器、太赫兹波探测器、第一金属平面镜、第二金属平面镜、抛物面镜、平移台、交变电源和感应线圈，所述平移台放置于所述感应线圈中，所述感应线圈连接所述交变电源，所述第一金属平面镜背面和所述第二金属平面镜背面成固定夹角并置于所述感应线圈上方，两个所述金属平面镜另一侧放置所述抛物面镜，所述抛物面镜一侧放置所述太赫兹波探测器。
其中所述第一金属平面镜与所述第二金属平面镜为一体V型金属平面镜。
其中所述太赫兹波发生器为耿式振荡器或反波管。
其中所述太赫兹波探测器为热释电探测器或高莱探测器。
本发明还提供一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的方法，包括以下步骤：
将超顺磁性纳米颗粒结合到所需增强成像的生物组织；
打开交变电源，使结合超顺磁性纳米颗粒的生物组织样品放置于交变磁场环境下；
太赫兹波发生器照射所述样品进行二维成像，即得到增强所述生物组织太赫兹波成像信号强度的图像。
其中所述超顺磁性纳米颗粒为超顺磁性氧化铁纳米颗粒或者其他可以在交变磁场下发热的生物相容性高的超顺磁性纳米颗粒。
其中所述超顺磁性纳米颗粒结合到所需增强成像的生物组织采用如下方式，当已知所需增强成像生物组织分布时，采用将超顺磁性纳米颗粒直接注射到所需增强成像的生物组织的方式；当未知所需增强成像生物组织分布时，采用先对超顺磁性纳米颗粒进行表面修饰所需增强成像生物组织对应的靶向物质而后进行静脉注射的方式。
其中所述的太赫兹波发生器照射所述样品进行二维成像为太赫兹波逐点扫描成像。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：
本系统构成简单，稳定性较好，成像速度较快和价格较低，并且避免了空气中水蒸气强烈吸收太赫兹波的问题和提高了太赫兹波在生物组织中的穿透深度，并且交变磁场的辐射范围较大，可对大尺度的生物组织进行一次性的快速加热并可对深层结合超顺磁性纳米颗粒的生物组织进行加热，提高了造影成像的成像速度和成像深度，同时在所采用的太赫兹波频率下的水分的折射率和吸收系数随温度变化显著，使得太赫兹波成像信号强度随温度变化灵敏，达到了有益的技术效果。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统结构示意图；
图2为本发明肿瘤细胞液结合超顺磁性纳米颗粒前后并分别在有和没有交变磁场环境下太赫兹波成像信号强度对比图。
附图标记说明：1-耿式振荡器；2-热释电探测器；3-交变电源；4-感应线圈；5-平移台；6-第一金属平面镜；7-第二金属平面镜；8-抛物面镜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，本发明一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统包括：能产生连续太赫兹波的太赫兹波发生器（如耿式振荡器1），反射太赫兹波的第一金属平面镜6和第二金属平面镜7，收集太赫兹波的抛物面镜8，探测太赫兹波强度的太赫兹波探测器（如热释电探测器2），用于放置被成像生物组织的平移台5，提供交变电流的交变电源3以及产生交变磁场的感应线圈4。其中平移台5放置于感应线圈4中，感应线圈4连接交变电源3，第一金属平面镜6和第二金属平面镜7呈一体V型放置于感应线圈4上方，所述太赫兹波发生器位于第一金属平面镜6一侧并与镜面成一定夹角，使得所述太赫兹波发生器发射的太赫兹波能通过第一金属镜面6反射到平移台5上的生物组织样品，抛物面镜8位于第二金属平面镜7的一侧，所述太赫兹波探测器位于抛物面镜8一侧，使得经所述生物组织样品反射的太赫兹波反射到第二金属平面镜7后又反射至抛物面镜8上，反射至抛物面镜8上的太赫兹波又反射到达所述太赫兹波探测器。
本发明的工作原理为：当已知所需增强成像的生物组织分布时，可将超顺磁性纳米颗粒直接注射到所需增强成像的生物组织使得超顺磁性纳米颗粒与所需增强的生物组织结合；当未知所需增强成像的生物组织分布时，因为所需增强成像的生物组织细胞含有特异性抗原，如果对超顺磁性纳米颗粒进行表面修饰此特异性抗原所对应的抗体，接着采用静脉注射超顺磁性纳米颗粒的方式，就使得其与所需增强成像的生物组织进行靶向结合，这样，所需增强成像的生物组织中就含有了超顺磁性纳米颗粒。接着使结合超顺磁性纳米颗粒的生物组织在交变磁场环境下放置一段时间，由于超顺磁性纳米颗粒在交变磁场环境下产生弛豫效应而发热，并且生物组织中含有大量水分使得超顺磁性纳米颗粒周围的水的温度相应的升高，而水在成像的太赫兹频段内的吸收系数和折射率随温度升高而增大，这样使得从结合超顺磁性纳米颗粒的生物组织上反射的太赫兹波的强度明显升高。进一步，为增强病变组织与正常组织在太赫兹成像时的对比度，由于所需增强成像的病变组织细胞含有特异性抗原，对超顺磁性纳米颗粒进行表面修饰病变组织细胞特异性抗原所对应的抗体，接着采用静脉注射超顺磁性纳米颗粒的方式，就使得其与病变组织进行靶向结合而与正常组织不进行结合，通过在交变磁场环境下放置前后所成太赫兹波图像相减得到病变组织的轮廓图像。
实施例1
（1）使用耿式振荡器1发射0.2THz太赫兹波经第一金属平面镜6反射至平移台5上的肿瘤细胞液进行照射，依次经肿瘤细胞液、第二金属平面镜7以及抛物面镜8反射后到达热释电探测器2对太赫兹波信号强度进行检测；
（2）打开交变电源3后，感应线圈4产生285kHz的交变磁场，使用耿式振荡器1发射0.2THz太赫兹波经第一金属平面镜6反射至平移台5上的肿瘤细胞液进行照射，依次经肿瘤细胞液、第二金属平面镜7以及抛物面镜8反射后到达热释电探测器2对太赫兹波信号强度进行检测；
（3）采用超顺磁性氧化铁纳米颗粒直接注射到肿瘤细胞液（结合后超顺磁性氧化铁纳米颗粒浓度为1.0mg/ml），然后将结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液放置于平移台5上，使用耿式振荡器1发射0.2THz太赫兹波经第一金属平面镜6反射至平移台5上的结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液进行照射，依次经结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液、第二金属平面镜7以及抛物面镜8反射后到达热释电探测器2对太赫兹波信号强度进行检测；
（4）采用超顺磁性氧化铁纳米颗粒直接注射到肿瘤细胞液（结合后超顺磁性氧化铁纳米颗粒浓度为1.0mg/ml），然后将结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液放置于平移台5上，打开交变电源3后，感应线圈4产生285kHz的感应磁场，使用耿式振荡器1发射0.2THz太赫兹波经第一金属平面镜6反射至平移台5上的结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液进行照射，依次经结合超顺磁性氧化铁纳米颗粒的肿瘤细胞液、第二金属平面镜7以及抛物面镜8反射后到达热释电探测器2对太赫兹波信号强度进行检测。
检测结果如图2所示，（1）“-”为肿瘤细胞液在未结合超顺磁性纳米颗粒，没有交变磁场环境下的反射信号强度变化百分比曲线（反射信号强度变化百分比=（变化后的反射信号强度-初始反射信号强度）/初始反射信号强度）；（2）“-+-”为肿瘤细胞液未结合超顺磁性纳米颗粒并在交变磁场(285kHz)环境下的反射信号强度变化百分比曲线；（3）“-*-”为结合超顺磁性氧化铁磁纳米颗粒的肿瘤细胞液（结合后超顺磁性氧化铁纳米颗粒浓度为1.0mg/ml），在没有交变磁场环境下的反射信号强度变化百分比曲线；（4）“-o-”为结合超顺磁性氧化铁磁纳米颗粒的肿瘤细胞液（结合后超顺磁性氧化铁纳米颗粒浓度为1.0mg/ml）在交变磁场(285kHz)环境下反射信号强度变化百分比曲线，可以看出，结合超顺磁性氧化铁磁纳米颗粒的肿瘤细胞液在交变磁场的环境下信号强度明显增强。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统，其特征在于：所述系统包括太赫兹波发生器、太赫兹波探测器、第一金属平面镜、第二金属平面镜、抛物面镜、平移台、交变电源和感应线圈，所述平移台放置于所述感应线圈中，所述感应线圈连接所述交变电源，所述第一金属平面镜背面和所述第二金属平面镜背面成固定夹角并置于所述感应线圈上方，两个所述金属平面镜另一侧放置所述抛物面镜，所述抛物面镜一侧放置所述太赫兹波探测器。
2.根据权利要求1所述的利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统，其特征在于：所述第一金属平面镜与所述第二金属平面镜为一体V型金属平面镜。
3.根据权利要求1所述的利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统，其特征在于：所述太赫兹波发生器为耿式振荡器或反波管。
4.根据权利要求1所述的利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的系统，其特征在于：所述太赫兹波探测器为热释电探测器或高莱探测器。
5.一种利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的方法，其特征在于包括以下步骤：
将超顺磁性纳米颗粒结合到所需增强成像的生物组织；
打开交变电源，使结合超顺磁性纳米颗粒的生物组织样品放置于交变磁场环境下；
太赫兹波发生器照射所述样品进行二维成像，即得到增强所述生物组织太赫兹波成像信号强度的图像。
6.根据权利要求5所述利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的方法，其特征在于：所述超顺磁性纳米颗粒为超顺磁性氧化铁纳米颗粒或者其他可以在交变磁场下发热的生物相容性高的超顺磁性纳米颗粒。
7.根据权利要求5所述利用交变磁场增强生物组织太赫兹波成像信号强度的方法，其特征在于：所述超顺磁性纳米颗粒结合到所需增强成像的生物组织采用如下方式，当已知所需增强成像生物组织分布时，采用将超顺磁性纳米颗粒直接注射到所需增强成像的生物组织的方式；当未知所需增强成像生物组织分布时，采用先对超顺磁性纳米颗粒进行表面修饰所需增强成像生物组织对应的靶向物质而后进行静脉注射的方式。
8.根据权利要求5所述的增强生物组织太赫兹波成像信号强度的方法，其特征在于:所述的太赫兹波发生器照射所述样品进行二维成像为太赫兹波逐点扫描成像。
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