太赫茲ATR成像檢測生物組織水分的研究

《太赫茲ATR成像檢測生物組織水分的研究》是依託天津大學，由王與燁擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：太赫茲ATR成像檢測生物組織水分的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王與燁
• 依託單位：天津大學

項目摘要

THz輻射源波段由於與物質相互作用時包含了豐富的物理和化學信息，因此其在物理、化學、生命醫藥科學等基礎領域以及醫學成像等套用領域有著重要的科學研究價值和廣闊的套用前景。特別是THz波在生物成像及醫療診斷領域的套用是國際上研究的熱點。水分含量與分布檢測對生物信息提取和狀態診斷具有極其重要的意義。一方面，THz波對生物中的水分含量非常敏感，但另一方面，水分子對THz波段的電磁波有十分強烈的吸收，這就限制了THz波在生物水分方面的測量研究。本項目中提出利用垂直表面出射光學參量振盪THz光源（surface-emitted TPO）和衰減全反射成像技術（ATR）測量生物組織水分含量與分布，項目中擬採用動物組織樣品為例。該方案具有水分測量靈敏度高、無需樣品製備、成像質量好、解析度高、實時快速的優點，可填補THz波在生物水分測量方面的空白，將會對THz生物檢測和醫療診斷的發展及套用起到巨大的推動作用。

結題摘要

THz波由於與物質相互作用時包含了豐富的物理和化學信息，因此其在許多基礎領域以及醫學成像等套用領域有著重要的科學研究價值和廣闊的套用前景。特別是THz波在生物成像及醫療診斷領域的套用是國際上研究的熱點。水分含量與分布檢測對生物信息提取和狀態診斷具有極其重要的意義。儘管THz波對生物中的水分含量非常敏感，但水對THz波段的電磁波有十分強烈的吸收，這就限制了THz波在生物水分方面的測量研究。本項目利用垂直表面出射光學參量振盪THz源（surface-emitted TPO，SE-TPO）和衰減全反射成像技術（ATR）測量生物組織的水分含量與分布。在垂直晶體表面出射THz參量振盪方面，我們深入分析與研究了THz波的產生機理，理論分析與數值模擬了泵浦光斑半徑、光斑模式、非線性晶體長度、諧振腔物理長度等物理因素對THz波振盪閾值與輸出功率的影響；實驗中搭建了高功率、寬調諧、高光束質量的垂直晶體表面出射THz參量振盪系統。在外腔泵浦情況下，實現了THz波最高單脈衝能量為854nJ的輸出，結果達到國際領先水平，光斑大小為423μm×258μm，太赫茲波的調諧輸出範圍為0.75-2.75THz。利用自主搭建的電光調Q脈衝Nd:YAG雷射器，通過最佳化諧振腔結構，在內腔泵浦的情況下，實現了THz波最大脈衝能量為283nJ的輸出，結果達到同類型輸出最高水平，這為THz波成像套用的研究奠定了基礎。在ATR成像檢測生物組織水分方面，我們理論分析了THz波生物組織水分測量的基本原理及樣品吸收特性對水分測量結果準確性的影響，建立了THz波頻率的最佳化選擇依據。建立了生物組織與THz波相互作用的熱效應模型，並進行理論分析與計算。實驗中，搭建了低損耗、高解析度的ATR掃描成像光路系統；自主開發相關的Labview控制程式，實現了THz波頻率選擇、掃描平台控制、樣品掃描數據的同時實時快速採集，大大縮短了成像時間；採用垂直晶體表面出射THz參量振盪源和CO2泵浦的高功率連續THz源進行了不同組織水分含量與分布測量的相關實驗，並採用乾燥法進行準確性驗證。該方法具有水分測量靈敏度高、無需樣品製備、實時快速的優點，將會對THz波生物檢測和醫療診斷的發展及套用起到巨大的推動作用。