太赫茲波在醫學診斷和治療中的可行性應用綜述

原文:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8837828/

J激光醫學科學。2021; 12：e92。

2021年12月30日在線發表 。doi: 10.34172/jlms.2021.92

PMCID：PMC8837828

PMID: 35155177

Tahereh Amini， ¹ Fazel Jahangiri， ^1，* Zoha Ameri， ¹ 和 Mohammad Amin Hemmatian ²

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抽象的

簡介：頻率在 0.1 到 10 THz 範圍內的太赫茲（THz）波是一種電磁輻射，在科學技術的各個領域都有越來越多的應用。與其他傳統方法相比，這種輻射的吸引人的特徵為醫學診斷和治療帶來了許多新的可能性，具有相當大的優勢。

方法：在本文中，我們回顧了有關太赫茲輻射在診斷、生物傳感和臨床治療中的實際應用的最新報告。該綜述包括乳腺癌、皮膚癌、口腔癌、宮頸癌、肺癌、小腸癌、前列腺癌、結腸癌和胃癌的診斷，生物分子的評估，基因突變的檢測，燒傷深度的測定，蛀牙的診斷，糖尿病和情緒心理狀態，評估角膜水以診斷視覺疾病，以及傷口癒合監測。此外，它還包括使用太赫茲療法來減小腫瘤的大小、治療皮膚癌、治愈燒傷、心血管疾病、角膜上皮、心絞痛和太赫茲加熱。

結果：本綜述強調了太赫茲波作為未來臨床診斷和治療的新工具的能力。

結論：本文全面了解了太赫茲波在臨床上的可行潛在應用及其與其他傳統工具相比的優勢。

關鍵詞：太赫茲輻射，臨床應用，診斷，治療

將太赫茲用於醫療應用的第一次關注可歸因於 1995 年提出的濕組織成像活動³，該活動最初證實了這種輻射在生物組織診斷中的有效性。與 X 射線 (~ KeV) 相比，這種最初的成功主要與太赫茲光子 (~ meV) 的安全能量有關。⁴因此，與 X 射線不同，它不會電離生物分子，因此不會造成任何導致人體角質形成細胞分解的損傷。⁵此外，在水基生物樣品中大量發現的生物分子的振動、旋轉和振盪運動以及氫鍵在太赫茲頻率下間隔良好。此外，與可見光或紅外輻射相比，太赫茲在生物組織中的傳播會伴隨更少的散射損失，因為它的波長要長得多。基於這一事實，由於有效消除了背景噪聲，在太赫茲技術中觀察到相對更高的信噪比。⁶此外，太赫茲輻射的相對高頻率帶寬可用於光譜研究，以探索 DNA 和蛋白質等生物分子之間分子間隙的相互作用。^{7 - 9}太赫茲輻射對水的高敏感性使得太赫茲技術在研究水分子、^{10 - 13}各種水性生物分子、^{8 - 15}和水性受損組織，特別是各種腫瘤的演化過程中大放異彩。^{13 - 19}需要注意的是，太赫茲輻射被水分子強烈吸收，因此它不能過多地滲透到潮濕的生物組織中；例如，這種輻射在皮膚中只能達到幾微米。存在一些技術，通過示例詳細解釋，以擺脫這種限制，包括組織冷凍或使用凝膠。²⁰

太赫茲技術最有前途的應用之一是在癌症成像領域。因為，在大多數類型的癌症中，惡性生長始於身體的軟組織表面，因此這些類型的組織是使用太赫茲輻射進行表面成像的最理想的組織類型。¹⁸據觀察，癌組織分子的大部分振動特性都與 1.65 太赫茲有關。這是由於甲基化的DNA，並且可能被認為是世界上癌症的生物標誌物。²¹大量研究表明，高風險 DNA 的脫髓鞘可導致程序性細胞死亡並減小腫瘤大小。使用高太赫茲輻射的振動吸收去甲基化也會導致同樣的問題並增加癌症的治療效果。在這篇評論文章中，我們回顧了太赫茲技術在醫學科學中的當前成就和進步性能，包括用於診斷和治療的太赫茲成像 (THI) 和太赫茲光譜 (THS)。

太赫茲輻射可用於透射和反射配置的光譜學和成像。在太赫茲反射成像中，利用探測到的反射波的持續時間和幅度、時間和頻率來獲得深度信息，以確定不同類型組織（正常組織和腫瘤）的吸收、反射、散射和相移。^{22 , 23}根據吸水率、蛋白質密度、細胞結構的不同程度得到不同組織間的對比。由於極性分子的吸收，這些波滲透到組織中的程度取決於脂肪和水分的含量，可以在幾微米到幾厘米的範圍內變化。²⁴與其他技術類似，THI 也需要與其他現有方法一起完成。

去：

太赫茲疾病診斷

癌症檢測

太赫茲診斷技術為患者和操作者提供了必要的安全保障。由於惡性組織的一個顯著特徵是正常量的細胞內水，它可以在太赫茲圖像中區分正常組織和癌組織。與 X 射線相比，這種輻射可以在軟組織和淺表組織中形成顯著對比，並檢測非鈣化腫瘤。在手術室使用太赫茲探頭準確確定腫瘤邊緣的能力消除了進一步手術的需要。在本節中，我們使用太赫茲輻射檢查乳腺癌、皮膚癌、口腔癌、結腸癌和胃癌的診斷。

乳腺癌

統計數據顯示，乳腺癌是女性中第二常見的癌症，也是僅次於肺癌和結腸的第三大致命癌症。²⁵儘管已盡一切努力不切除健康邊緣的健康組織，²⁶但必須進行二次手術以去除癌組織的殘餘物，以確保完全安全。目前，用於確定腫瘤切除範圍的方法具有固有的局限性。^{27 - 29}然而，THI 提供了一種有前途的解決方案，可以在手術期間確定腫瘤切除範圍和轉移性 SNL，並減少再手術次數。Fitzgerald 是第一個通過 THI 檢測乳腺腫瘤並通過太赫茲成像確定腫瘤的確切位置和形狀的研究人員，並表明 THI 可以區分健康和癌性乳腺組織。^{30 , 31}他已經證明，健康組織具有正極性振幅函數，振幅較大，E _max，而腫瘤具有負極性振幅函數，振幅較大，E _min。圖表。³⁰

太赫茲圖像是通過比較該區域的大小和形狀與在同一區域的組織學測試中獲得的腫瘤的差異來評估的。太赫茲區域的組織特性也用於模擬反射模式下乳房組織圖像中的預期衝擊響應函數。結果表明，THS 和 THI 都可以根據光學上的根本差異來區分健康脂肪組織、健康乳腺纖維化和乳腺癌。³¹這種成像技術可以幫助外科醫生了解癌組織的邊界，從而更好地進行乳房保護手術。

乳腺組織反射圖像的差異是由於癌組織和健康組織的複折射率差異增加所致。與 MRI 和 X 射線乳房 X 線照片相比，太赫茲輻射提供了關於惡性組織和健康組織之間邊界的最準確信息。^{30 - 36}

皮膚癌

對於皮膚癌，劃清惡性組織和健康組織之間的界限以在手術和治療中進行適當的切口也很重要。然而，很難通過視覺或太赫茲和非太赫茲成像方法確定皮膚下的這個邊界，因為這些方法幾乎無法提供表面以下超過幾毫米深度的信息。低含水量樣品的表面成像，例如皮膚檢查，³⁷是太赫茲成像的另一種應用。由於太赫茲光束對生物組織的穿透深度較低，因此皮膚檢查是太赫茲成像的合適應用。第一層皮膚角質層的厚度變化在使用太赫茲輻射創建的圖像中很明顯。

口腔癌

口腔區域包括許多器官，例如口腔、舌頭、牙齒等。因此，外科醫生需要一張准確的地圖，其中包含有關患者口腔的準確信息，才能進行癌症手術。這些在緊湊型太赫茲內窺鏡中提供。由於健康皮膚中口腔組織的含水量，很難診斷出口腔癌。冷凍方法奇蹟般地消除了太赫茲區域水的吸收效應，使我們能夠區分惡性和健康口腔組織的細胞結構。

腦癌

大腦是一個非常高脂的器官，脂質的量會導致 THI 的高對比度。癌性腫瘤比健康組織具有更高的蛋白質和更低的脂質水平，並且蛋白質在太赫茲光譜區域被高度吸收。儘管 MR、計算機斷層掃描和熒光成像也可用於識別健康組織和惡性組織之間的邊界，但在某些腦癌（例如神經膠質瘤）中，在手術期間無法顯著檢測到這種邊界。通過在體內進行 THI，觀察到腫瘤邊界清晰。³⁸因此，神經外科醫生可以在手術中使用 THI 來獲得高對比度的圖像。THS還可以準確診斷腦組織脂肪缺乏症。³⁹

肺癌和小腸癌

研究了 THS 使用反射時域光譜在 60 GHz-2 THz 頻率範圍內檢測肺和小腸癌組織的潛力。⁴⁰儘管福爾馬林固定石蠟包埋 (FFPE) 樣品在本實驗中流出，但吸收係數仍然在所獲得的圖像中產生對比度的最大作用。這可能是由於形態的差異導致流出樣品中殘留的水量不同。結果，即使在其原始位置（原位）或新鮮狀態下，也可以根據樣品中水的形態和體積的總差異檢測大腸或肺的病變組織。

前列腺癌的診斷

使用 THI，檢查了四種不完全癌症（石蠟包埋），並比較了前列腺腫瘤吸收和失敗係數、健康前列腺組織和軟肌肉組織的數據。⁴¹在太赫茲信號強度分佈的幫助下，表面的反射和吸收係數已經嘗試在 THI 系統的幫助下區分不同紋理之間的邊界。將 THz 圖像中確定的三個部分的位置與組織學檢查的數據進行比較。在太赫茲圖像中，病變區域具有突出的顏色，並且與周圍區域有很好的區別。

胃腸癌

通過研究健康標本和手術過程中胃、腸惡性腫瘤的太赫茲反射，由於它們的吸收率不同，THS可以通過研究太赫茲輻射參數的變化來檢測惡性腫瘤。已經通過反射模式的太赫茲時域光譜研究了不同類型的健康組織和癌組織，包括正常組織和癌組織的組合。⁴²表格1總結了太赫茲癌症檢測方法、優勢和應用。

表格1

太赫茲檢測方法、優勢及應用

癌症類型

方法

優勢

應用

參考

皮膚

體內太赫茲成像

清晰的分佈

器官內癌症檢測

惡性組織切除

43

離體太赫茲成像

44

口服

太赫茲成像（組織冷凍）

太赫茲吸收效應通過冷凍消除

區分惡性和健康的細胞結構

19,45

腦

太赫茲成像（腦腫瘤建模）

準確確定腫瘤邊緣

無需濕熒光即可清晰確定腫瘤區域

高對比度圖像

膠質瘤檢測

38

體內太赫茲成像

明確的腫瘤邊界檢測

太赫茲光譜

準確診斷

腦脂肪缺乏症的診斷

38,39

肺和小腸

太赫茲光譜成像（反射）

形態、密度、電特性明顯不同 可

識別的形態細節

與組織病理學結果一致

原位檢測

病變組織檢測（原位或移除後）

40

前列腺

太赫茲時間相關光譜學、成像技術、計算機分類

腫瘤的突出顏色使其可區分，預測準確率為 92.22%。

對石蠟中的癌症標本進行分類和診斷

41

冒號

太赫茲成像（通過內窺鏡）

方便的內窺鏡系統

電腦化的內窺鏡系統

不需要不同的操作者

準備工作可以由不熟練的人完成

更經濟

對活癌細胞進行成像

46

頸椎

太赫茲單次測量

吸收與密度成正比

識別活的宮頸癌細胞

47

胃腸道

太赫茲時域光譜

通過吸收率檢測組織

折射率和介電常數有助於診斷

惡性腫瘤檢測

42

在單獨的窗口中打開

蛋白質研究（生物分子）

蛋白質在生物分子中佔有特殊的地位。在更高的太赫茲頻率下，振動、體介電弛豫和聲子模式^{48、49與三級}蛋白質的結構運動相稱。使用其他技術來研究這些模式是非常困難的。⁵⁰然而，THS 能夠區分異構體、多形體和水合 RNA 鏈。在蛋白質-水系統中，在蛋白質表面附近，不僅觀察到水分子的氫鍵，而且還觀察到由於水的大電偶極子存在而依賴於水分子的靜電力。如果對這樣的系統施加外部電場，它可以使水的電偶極子與施加的電場對齊，因此通過測量介電光譜，可以測量蛋白質和溶劑分子之間的相互作用。^{51 , 52}

檢測基因突變

由於基因突變引起的變化，分子的旋轉、振動能級和位置會發生變化，並導致觀察到的太赫茲吸收峰發生明顯變化。此外，由於突變基因介電常數的差異，可以觀察到具有不同突變的分子的共振波長的不同紅移。

視覺疾病中的角膜水

角膜中水分的平衡是一個重要的參數，它的變化會導致眼部疾病。研究了 B 波段紫外線 (UVB) 輻射引起的角膜病理變化與兔角膜太赫茲反射係數得出的參數之間的關係。⁵³在體內測試中，角膜中的水量與 RC 反射係數同時測量。一般來說，角膜水合作用可以在太赫茲反射係數的幫助下確定，這在眼部病理中是有效的。

燒傷深度

太赫茲可以穿透皮膚數百微米的深度，由於是淺表燒傷，因此可以用來診斷燒傷的程度。^{20、54燒傷組織和健康組織中波形和光學參數的差異使THI}能夠檢測燒傷的面積和深度。這種潛力首先發生在雞皮上。⁵⁵

蛀牙

齲齒檢查不需要高穿透深度的輻射；因此，THI 可用於診斷齲齒。⁵⁶從蛀牙反射的太赫茲脈衝的變化可以清楚地表明蛀牙的存在和程度。這種成像將能夠提取折射率的輕微變化，這意味著更少的損傷（肉眼不那麼可見）。⁵¹

在這方面，另一項研究表明，可以使用太赫茲輻射來檢測改變折射率的牙釉質礦化。^{57 , 58}獲得的高分辨率圖像準確地顯示了衰減的程度和位置。

傷口癒合監測

組織水合作用和傷口癒合的研究是太赫茲波的第一個醫學應用。^{7 , 59}在癒合過程中可以檢測到傷口的結構變化。即使是可見光無法檢測到的病變，也可以使用 THI 以高對比度成像。使用受損組織的吸收係數和反射係數之間的差異、損傷程度和健康組織獲得最終圖像。⁵⁹

糖尿病的診斷

借助高分辨率氣體光譜，可以識別生物樣品中氣體代謝物的含量。太赫茲高分辨率光譜可以識別乾燥血漿（人和大鼠）以及糖尿病和非糖尿病腎組織（大鼠）熱分解產生的氣體產物的含量。將血液和腎臟樣本置於 PET 內並加熱，在 118-178 GHz 的頻率範圍內測量其蒸氣的旋轉吸收光譜。已經觀察到來自糖尿病和非糖尿病樣品的蒸氣的氣體含量是不同的，儘管主要區別在於糖尿病血漿和腎臟樣品中丙酮 5 的存在。⁶⁰在另一項研究中，提出了一種新的用於診斷糖尿病的太赫茲脈衝時域全息方法，其中將 2 型（男性）糖尿病的血漿樣本凍乾並儲存在寵物中。在反射中提取等離子體特性，然後將其用於脈衝太赫茲全息圖產生的數值模擬，並提取其光學特性。⁶¹

太赫茲療法

太赫茲輻射也用於治療包括各種癌症在內的疾病。癌症醫學的最大挑戰之一是靶向惡性細胞，同時靶向健康細胞。癌細胞的含水量比健康細胞高，水分子對太赫茲的吸收率高，這使得除了檢測癌細胞外，還可以用太赫茲射線對其進行治療。

NO、CO、O2、CO2、OH等參與細胞代謝的分子的分子譜落在太赫茲頻率範圍內。⁶²一氧化二氮不僅是細胞間隙和生物體內代謝和生理過程的一般調節劑，而且是人類和動物所有器官和組織細胞間相互作用的分子信號。⁵⁷因此，許多治療是使用基於組織內 NO 控制的太赫茲進行的。在表 2，總結了太赫茲在癌症和良性治療以及非癌症疾病中的一些應用。

心絞痛的治療

在一項研究中，不同年齡組的心絞痛患者接受了 NO 太赫茲療法，並檢查了他們對治療的反應。一般而言，已觀察到 NO-太赫茲療法對心絞痛患者的治療和凝血參數具有積極作用。⁶² NO-太赫茲療法通過在動脈阻塞的情況下激活血液的抗凝潛力來幫助治療患者。

太赫茲加熱

太赫茲輻射會產生熱效應並提高溫度。^{67、更高功率、更長持續時間的68}太赫茲輻射可以首先提供對動物細胞的熱效應，然後利用太赫茲輻射的熱效應破壞癌細胞。⁶⁹

傷口癒合

損傷在表達其 mRNA 譜時對飛秒太赫茲輻射作出反應。對用太赫茲脈衝照射的皮膚損傷中的簡單基因組譜的分析表明，損傷對輻射的反應是轉化生長因子-β (TGF-β) 的增加。通過將受傷的股骨太赫茲注射到小鼠皮膚上，由於皮膚表面附近 TGF-β 的上調，癒合延遲。換言之，股骨太赫茲輻射通過增加靶基因中 TGF-β 的活性，在皮膚中引發準損傷信號，從而破壞損傷的癒合過程。TGF-β 依賴基因的數量，如 Bmp2、Cd44、Thbs1 和 Serpine1，也會因太赫茲輻射而發生特殊變化。⁶⁸

去：

結論

在本文中，我們回顧了迄今為止關於太赫茲輻射在各種生物組織診斷和治療中的臨床應用的各種工作。我們試圖通過考慮對人體各個部位的覆蓋範圍來關注最新的實際報告。與其他常規輻射源相比，本文全面了解了太赫茲波在臨床上的可行性潛力和優勢。