CN106580264A - 一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，所述太赫兹源发射的太赫兹波入射到与太赫兹波成一定角度的太赫兹分光镜，太赫兹波的一部分经所述太赫兹分光镜反射后入射至与计算机控制系统输入端相连接的第一太赫兹探测器；经太赫兹分光镜透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，依次经过第一太赫兹非球面透镜、用于放置脑组织样品的全反射棱镜、第二太赫兹非球面透镜，最终被第二太赫兹探测器探测；全反射棱镜固定于二维移动平台上，计算机控制系统接收第一太赫兹探测器与第二太赫兹探测器接收到的数据、及二维移动扫描平台的移动信息。本发明实现了对脑创伤组织的成像，可以准确的反映脑创伤组织部位和病灶大小区域。

Description

一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置

技术领域

本发明涉及脑创伤组织的检测装置领域，尤其涉及一种基于太赫兹波衰减全反射(ATR)成像的脑创伤组织检测装置。

背景技术

颅脑创伤是威胁人类生命的重大难题。在平时，颅脑伤是最重要的部位创伤，具有较高的致残率和死亡率。在早期精确清除失活脑组织的同时有效保护脑功能区是提高颅脑创伤救治成功率的关键。然而目前，脑组织损伤程度主要依靠手术者的经验性判断，难以保证准确性并不利于应对高通量伤员的处理。在实际颅内清创急救手术中，失活脑组织与存活脑组织边界不清且该边界随伤情发展和手术进展动态变化，对失活脑组织的误留和对存活脑组织的误切可能造成大量伤员死残。

目前，可用于检测脑功能区和失活脑组织的方法包括：术中电生理、CT、核磁共振、脑磁图等检测手段的单用或联合运用，但以上技术存在许多局限性：①准确性不足，术中电生理技术通过有限的检测点来确定功能区范围，空间、时间分辨率较差，核磁共振和脑磁图虽能达到较高的空间、时间分辨率，但设备体积庞大、术中实施困难且检测费用昂贵；②可行性不强，首先以上技术进行失活脑组织检测需要较高要求的麻醉系统，在较低级别的医院难以开展，其次磁性检查系统会造成创伤后脑组织内残留的含铁异物移动，造成致命的继发损伤；③抗干扰能力弱，颅脑创伤一般伴有颅内异物残留，这些残留物将引起以上检查设备出现伪影，检查结果几乎不能为救治提供可靠的参考依据。面对颅脑创伤的特殊性、以及脑功能保护与伤灶清创之间极难把握的手术抉择难题，需要更安全高效的技术方法来辅助临床决策。

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波段是指频率从100GHz到10THz，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THz波段，物质在THz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THz波的光子能量低(1THz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、细胞和组织产生破坏作用，特别适合于对生物组织进行活体检查。此外，太赫兹波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。

目前已有的太赫兹透射式成像技术对新鲜生物组织样品的厚度要求极为严格，只为几十微米，这就需要特殊的样品制备及水分保持方法，增加了样品的制作成本和时间成本。并且该厚度与THz波测量波长相近，容易产生干涉条纹。

发明内容

本发明提供了一种基于太赫兹波ATR成像的脑创伤组织检测装置，本发明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，采用衰减全反射成像放宽了对生物样品的制备要求，无需样品制备，测量灵敏度高，装置整体布局合理，结构紧凑，操作简单；本发明实现了对脑创伤组织的成像，可以准确的反映脑创伤组织部位和病灶大小区域，详见下文描述：

一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，包括：太赫兹源，所述太赫兹源发射的太赫兹波入射到与太赫兹波成一定角度的太赫兹分光镜，太赫兹波的一部分经所述太赫兹分光镜反射后入射至与计算机控制系统输入端相连接的第一太赫兹探测器；

经太赫兹分光镜透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，依次经过第一太赫兹非球面透镜、用于放置脑组织样品的全反射棱镜、第二太赫兹非球面透镜，最终被第二太赫兹探测器探测；

全反射棱镜固定于二维移动平台上，计算机控制系统接收第一太赫兹探测器与第二太赫兹探测器接收到的数据、及二维移动扫描平台的移动信息。

其中，所述太赫兹源发射的太赫兹波的频率范围为0.1THz—30THz。

其中，所述二维移动平台由计算机控制系统控制，通过带动全反射棱镜沿y和z方向二维扫描，实现脑组织样品表面成像。

进一步地，所述全反射棱镜的上表面中心处于太赫兹波经第一太赫兹透镜聚焦的焦点处。

其中，所述全反射棱镜的材料为高阻硅或锗材质。所述脑组织样品紧贴全反射棱镜。

进一步地，所述太赫兹分光镜反射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的参考光以降低噪声，其被第一太赫兹探测器探测；

透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，经衰减全反射棱镜后被第二太赫兹探测器探测。

其中，所述计算机控制系统将第二太赫兹探测器的信号除以第一太赫兹探测器的信号作为含有样品信息的太赫兹信号；

若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器可以省略，直接将第一太赫兹探测器的信号作为含有样品信息的太赫兹信号。

其中，所述计算机控制系统将第二太赫兹探测器的信号除以第一太赫兹探测器的信号作为含有背景信息的太赫兹信号；

若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器可以省略，直接将第一太赫兹探测器的信号作为含有背景信息的太赫兹信号。

其中，所述计算机控制系统将含有样品信息的太赫兹信号除以含有背景信息的太赫兹信号，获取不同位置处脑组织样本对太赫兹波的反射与衰减程度；

以不同位置处的太赫兹反射或衰减程度绘制出脑创伤组织样品的创伤分布情况。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明利用太赫兹波对于组织水浓度与细胞密度具有高敏感性的特性、以及脑组织创伤部分水浓度不同的特点，实现了脑创伤组织部位和病灶大小区域的检测，其安全性与准确性较高；

2、本发明采用太赫兹ATR成像技术，克服了生物样品制备复杂的缺点，避免了对样品的破坏性分析，节省了时间成本和制作成本；

3、本发明具有不存在干涉条纹、灵敏度高的优点，为脑创伤的检测提供了新的检测技术手段。

附图说明

图1是本发明提供的基于太赫兹波ATR成像的脑创伤组织检测装置的结构示意图；

图2是太赫兹ATR成像检测脑创伤的效果图。

附图中，各部件代表的列表如下：

1：太赫兹源； 2：太赫兹分光镜；

3：第一太赫兹探测器； 4：第一太赫兹非球面透镜；

5：全反射棱镜； 6：样品；

7：第二太赫兹非球面透镜； 8：二维移动平台；

9：第二太赫兹探测器； 10：计算机控制系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

太赫兹反射式成像由于参考信号的引入使得数据处理较为复杂。太赫兹波衰减全反射成像技术(ATR)是通过样品表面的倏逝波反射信号获得样品表层成分的结构信息，不存在干涉条纹、灵敏度高，由于不需要透过样品的信号，不仅可以增加样品厚度，而且基本不用样品制备，这样可以大大加快成像速度、提高成像效率，也可以避免对样品的破坏性分析。

实施例1

一种基于太赫兹波ATR成像的脑创伤组织检测装置，参见图1，该检测装置包括：太赫兹源1、太赫兹分光镜2、第一太赫兹非球面透镜4与第二太赫兹非球面透镜7、全反射棱镜5、待测生物样品6、二维移动扫描平台8、第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器9和计算机控制系统10。

太赫兹源1发射频率范围为0.1THz—30THz的太赫兹波，太赫兹源发射的太赫兹波入射到太赫兹分光镜2，调整太赫兹分光镜2使其与入射的太赫兹波成一定角度(10—80°)，这样放置将入射的太赫兹波分成一定光强的透射太赫兹波和反射太赫兹波，经太赫兹分光镜2反射后的太赫兹波作为脑创伤组织样品检测时的参考光以降低噪声被第一太赫兹探测器3探测。经太赫兹分光镜2透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，依次经过第一太赫兹非球面透镜4、全反射棱镜5、第二太赫兹非球面透镜7，最终被第二太赫兹探测器9探测。

其中，第一太赫兹非球面透镜4与第二太赫兹非球面透镜7焦距相等，且等距离放置于全反射棱镜5的两侧，第一太赫兹非球面透镜4对太赫兹波进行会聚，在焦点处光斑最小，全反射棱镜5固定于二维移动扫描平台8上，调整二维移动扫描平台8的位置，使得全反射棱镜5的上表面中心处于太赫兹波会聚的焦点处，待测生物样品6的待测面与全反射棱镜5的上表面紧密接触，经过全反射棱镜5后的太赫兹波再经过第二太赫兹非球面透镜7会聚入射到第二太赫兹探测器9。

计算机控制系统10同时采集两个太赫兹探测器3与9探测到的信号，并控制二维移动扫描平台8沿y和z方向二维扫描，得到脑创伤组织样品不同位置处的太赫兹波反射与衰减程度，绘制出脑组织创伤分布图像。

进一步地，全反射棱镜5为道威棱镜结构设计的硅或锗棱镜，THz波入射方向与棱镜底面平行，棱镜三面抛光，底角和顶角使得太赫兹波折射进入到全反射棱镜5的顶面满足全反射条件。

具体实现时，优选待测生物样品6与全反射棱镜5的上表面紧密接触。

具体实现时，该检测装置的操作如下：

(1)太赫兹源1发射太赫兹波，入射到太赫兹分光镜2上，太赫兹分光镜2反射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的参考光以降低噪声，其被第一太赫兹探测器3探测；透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，经衰减全反射棱镜5后被第二太赫兹探测器9探测；

(2)全反射棱镜5固定于二维移动平台8上，调整二维移动平台8的位置，使得全反射棱镜5的上表面中心处于太赫兹波经第一太赫兹非球面透镜4聚焦的焦点处；

(3)将待测生物样品(脑组织样本)6放置于全反射棱镜5上，并紧贴全反射棱镜5，计算机控制系统10控制二维移动平台8带动全反射棱镜5沿y和z方向二维扫描，使得上述入射光依次经第一太赫兹非球面透镜4、全反射棱镜5和第二太赫兹非球面透镜7后被第二太赫兹探测器9探测；计算机控制系统10同时采集第一太赫兹探测器3、第二太赫兹探测器9探测到的信号及样品位置信息；将第二太赫兹探测器9的信号除以第一太赫兹探测器3的信号作为含有样品信息的太赫兹信号；若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器9可以省略，直接将第一太赫兹探测器3的信号作为含有样品信息的太赫兹信号；

(4)移除脑组织样本，保持全反射棱镜5上表面清洁，计算机控制系统10控制二维移动平台8带动全反射棱镜5沿y和z方向重复扫描步骤(3)的二维区域，使得上述入射光依次经第一太赫兹非球面透镜4、全反射棱镜5和第二太赫兹非球面透镜7后被第二太赫兹探测器9探测；计算机控制系统10同时采集第一太赫兹探测器3、第二太赫兹探测器9探测到的信号及位置信息；将第二太赫兹探测器9的信号除以第一太赫兹探测器3的信号作为含有背景信息的太赫兹信号；若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器9可以省略，直接将第一太赫兹探测器3的信号作为含有背景信息的太赫兹信号；

(5)将步骤(3)所得的含有样品信息的太赫兹信号除以步骤(4)所得的含有背景信息的太赫兹信号，可以获得不同位置处脑组织样本对太赫兹波的反射与衰减程度，从而以不同位置处的太赫兹反射或衰减程度绘制出脑创伤组织样品的创伤分布情况。

其中，本发明实施例对步骤(3)和步骤(4)的前后执行顺序不做限制。

综上所述，本发明实施例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，采用衰减全反射成像放宽了对生物样品的制备要求，无需样品制备，测量灵敏度高，装置整体布局合理，结构紧凑，操作简单；本发明实施例实现了对脑创伤组织的成像，可以准确的反映脑创伤组织部位和病灶大小区域。

实施例2

下面结合图2，对实施例1中的装置进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例中以小鼠脑创伤情况进行检测为例，使用频率为2.52THz的太赫兹源。首先用医学手段制备2个不同创伤程度的新鲜大鼠脑组织样本，为了使待测生物样品6与全反射棱镜5上表面紧密接触，采用冰冻切片机将待测面修理平整，然后将脑组织放置在全反射棱镜5上，使用计算机控制系统10控制全反射棱镜5移动，实现逐点扫描，通过第一太赫兹探测器3和第二太赫兹探测器9分别采集得到大鼠脑组织每点对应的两路光强，将两者相除获得含有样品信息的太赫兹信号。移除测生物样品6，保持全反射棱镜5上表面清洁，使用计算机控制系统10控制全反射棱镜5移动，逐点扫描与上述样品相同的面积，通过第一太赫兹探测器3和第二太赫兹探测器9分别采集得到背景面积每点对应的两路光强，将两者相除获得含有背景信息的太赫兹信号。将含有样品信息的太赫兹信号除以含有背景信息的太赫兹信号，可以获得不同位置处脑组织样本对太赫兹波的反射与衰减程度，从而以不同位置处的太赫兹反射程度绘制出脑创伤组织样品的创伤分布情况。参见图2，可以看到在不同脑创伤程度下，使用本装置可以准确清晰的反映出创伤部位及其周围水肿区域大小。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，包括：太赫兹源，其特征在于，

所述太赫兹源发射的太赫兹波入射到与太赫兹波成一定角度的太赫兹分光镜，太赫兹波的一部分经所述太赫兹分光镜反射后入射至与计算机控制系统输入端相连接的第一太赫兹探测器；

经太赫兹分光镜透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，依次经过第一太赫兹非球面透镜、用于放置脑组织样品的全反射棱镜、第二太赫兹非球面透镜，最终被第二太赫兹探测器探测；

全反射棱镜固定于二维移动平台上，计算机控制系统接收第一太赫兹探测器与第二太赫兹探测器接收到的数据、及二维移动扫描平台的移动信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述太赫兹源发射的太赫兹波的频率范围为0.1THz—30THz。

3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述二维移动平台由计算机控制系统控制，通过带动全反射棱镜沿y和z方向二维扫描，实现脑组织样品表面成像。

4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述全反射棱镜的上表面中心处于太赫兹波经第一太赫兹透镜聚焦的焦点处。

5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述全反射棱镜的材料为高阻硅或锗材质。

6.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述脑组织样品紧贴全反射棱镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，所述太赫兹分光镜反射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的参考光以降低噪声，其被第一太赫兹探测器探测；

透射的太赫兹波作为脑组织样品检测时的入射光，经衰减全反射棱镜后被第二太赫兹探测器探测。

8.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，

所述计算机控制系统将第二太赫兹探测器的信号除以第一太赫兹探测器的信号作为含有样品信息的太赫兹信号；

若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器可以省略，直接将第一太赫兹探测器的信号作为含有样品信息的太赫兹信号。

9.根据权利要求8所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，

所述计算机控制系统将第二太赫兹探测器的信号除以第一太赫兹探测器的信号作为含有背景信息的太赫兹信号；

若太赫兹波的功率相对稳定，第二太赫兹探测器可以省略，直接将第一太赫兹探测器的信号作为含有背景信息的太赫兹信号。

10.根据权利要求9所述的一种基于太赫兹波衰减全反射成像的脑创伤组织检测装置，其特征在于，

所述计算机控制系统将含有样品信息的太赫兹信号除以含有背景信息的太赫兹信号，获取不同位置处脑组织样本对太赫兹波的反射与衰减程度；

以不同位置处的太赫兹反射或衰减程度绘制出脑创伤组织样品的创伤分布情况。