太赫兹技术在医学科学中的应用及研究进展

近年来太赫兹光(0.1 THz~10 THz)因其良好的探测能力和非电离特性受到研究者们的关注。根据不同的检测方式和信号处理方法,可分为太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术两大类。太赫兹技术在医学科学中发展迅速,其中生物大分子检测和组织成像令人印象深刻。水含量和结构差异是太赫兹成像技术的理论基础,据此可对生物组织进行检测识别。不同的生物组织具有不同的太赫兹特征谱,太赫兹光谱技术通过检测吸收系数、折射系数和反射系数来识别不同的生物分子、细胞或组织。实时、无标记的检测方式有望在临床实践中发挥重要作用,但仍需克服生物安全性不明等困难。综述介绍了太赫兹技术在医学科学中的应用及研究进展,同时探讨了太赫兹技术目前需要克服的难题和潜在的生物安全性问题。

     

太赫兹成像技术在肿瘤检测中的应用

太赫兹(THz)波是频率位于0.1 THz^10 THz的电磁波。因其具有非电离性,以及可与多数生物分子产生共振响应等特性,在生物医学领域有着巨大应用潜力,尤其在肿瘤检测方面。太赫兹成像技术作为生物医学领域一种新的成像技术,吸引国内外多个研究小组对其开展深入研究。本文列举分析了多种太赫兹成像技术在肿瘤检测的应用,其中可分为太赫兹扫描成像、太赫兹层析成像、太赫兹全息成像以及太赫兹近场成像,介绍了这些成像方式的基本原理以及国内外研究现状,最后对太赫兹成像技术在生物领域的未来做出展望。     

太赫兹成像技术在爆炸物检测中的应用

太赫兹波是一种电磁波,我们通常所说的太赫兹波的频率一般在0.1到10T赫兹之间。太赫兹波兼有微波和红外线的特点,在测量领域具有很广泛的应用。本论文简要介绍了太赫兹波的特性以及测量原理,同时指出其在爆炸物检测中的应用。     

基于喷射效应的太赫兹高分辨成像研究与进展

太赫兹(THz)成像技术,因其具有能量低、透射率高、波谱范围宽等独特的分析能力,已经在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现出巨大的优势及潜在的应用价值,但是较低的空间分辨率制约了太赫兹成像技术的进一步应用。太赫兹波通过具有适当折射率的介质结构产生的“太喷射”效应调控亚波长尺寸太赫兹光场,突破衍射极限对显微系统空间分辨率的限制,同时不损失光场能量和光谱信息,实现高通量、超宽谱的远场太赫兹高分辨成像。本文首先介绍基于纳米喷射的微球透镜显微技术,接着介绍基于太喷射的太赫兹显微技术,最后对基于喷射效应的太赫兹高分辨成像技术的前景做了展望。     

基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展

太赫兹(THz)波对非极性材料有较好的穿透性,对生物医学组织无电离效应,因而非常适合无损检测、生物医学成像等应用。THz量子阱光电探测器(THz QWPs)具有响应速度快、响应率高、噪声等效功率低、体积小的特点。相较于其他探测器,THz QWPs作为成像系统接收器时,系统具有成像分辨率高、成像速度快、成像信噪比高、结构紧凑等优势。本文综述了基于THz QWPs的成像研究进展,并对成像系统核心指标的影响因素进行了分析和总结。采用更稳定的装置固定THz QWPs,提升器件响应速度、探测灵敏度、阵列规模,可以有效提升系统各项核心性能。     

连续太赫兹波数字全息相衬成像

太赫兹波具有独特的低能性、高穿透性、惧水性等成像特性,将其应用于相衬成像能够反映物体的内部结构和更加丰富全面的生物信息,在生物医学检测等领域具有重要的应用。其中,太赫兹波数字全息成像是一种可以给出定量的振幅和相位信息的非接触、全场相衬成像方法,是太赫兹成像技术领域的重要研究方向之一。本文基于连续太赫兹源,从离轴式和同轴式数字全息成像的相衬成像原理、光路系统和再现算法多个方面,介绍了相关技术的研究现状,分析了太赫兹源、再现算法等因素对成像分辨率的影响,并对太赫兹数字全息的发展趋势进行了展望。     

太赫兹波计算鬼成像:原理和展望

本文立足于太赫兹波成像领域近年来备受关注的研究热点—太赫兹波计算鬼成像,首先回顾了鬼成像从量子到经典再到计算的历史过程,然后阐述了计算鬼成像的数学原理,随后综述了计算鬼成像在太赫兹波段的发展历程,及其在超衍射分辨成像、石墨烯光电导成像、太赫兹光谱成像等方面的应用,并在最后展望了太赫兹波计算鬼成像的发展前景:计算鬼成像作为一种成像手段,可以绕开在太赫兹频段缺乏经济高效的焦面阵列式探测器的难题,但目前的成像帧率还难以满足快速成像的应用需求,相信在未来随着器件性能的提升和成像算法的优化,其成像帧率可以得到大幅提升。     

太赫兹脉冲焦平面成像技术的发展与应用

作为太赫兹技术中的重要组成部分,太赫兹脉冲焦平面成像一经问世就引起了行业内的广泛关注,人们引入了各种方法去提升此成像技术的测量性能,同时也尝试将此成像技术应用于不同的工业和基础研究领域。本文综述了近年来人们对太赫兹脉冲焦平面成像的技术改良和应用研究,包括提升成像系统的空间分辨率、信噪比、信息获取能力,以及将此成像技术应用于光谱识别检测、超表面器件功能验证、太赫兹特殊光束测量、太赫兹表面波观测等,希望该综述能够推动太赫兹脉冲焦平面成像的进一步技术革新和应用拓展。     

基于太赫兹成像的输送带撕裂检测与分类识别研究

针对现有输送带撕裂检测方法存在灵敏度和安全性能低,且无法消除复杂工作环境带来的影响等问题,提出了一种基于太赫兹成像技术的输送带撕裂检测方法。设计并搭建了连续波太赫兹反射式成像系统,采集输送带撕裂的太赫兹图像;对原始图像进行滤波等处理获得低噪声太赫兹图像;最后搭建了基于机器学习太赫兹图像自动分类识别系统,该系统通过提取太赫兹图像的灰度直方图统计特征和几何特征,构建太赫兹图像特征库,并利用特征选择去除特征冗余,最终结合分类器实现对输送带撕裂种类的自动分类与识别。结果表明：通过太赫兹反射式成像系统对输送带进行成像实验,验证了太赫兹波成像技术检测输送带撕裂的可行性;太赫兹图像自动分类识别系统实现了对输送带3种撕裂种类的自动分类与识别,在组合特征下,使用支持向量机（Support Vector Machine, SVM）的分类准确率可达91.6%。     

太赫兹QCL技术研究进展

综述了太赫兹QCL(THzQCL)有源区结构设计与制备、波导结构设计和频率控制3方面的基本原理及研究进展.THzQCL有源区薄膜厚度、组分和掺杂浓度的精确控制是材料制备过程的关键.通过提高注入电流和器件温度的稳定性可以有效减小THzQCL线宽和提高频率稳定性.随着器件功率和频率特性的提升,THz QCL将在通讯、成像和谱分析等技术领域获得广泛的应用.     

Computational terahertz imaging with dispersive objects

We present measurements of optical characteristics of sodium polyacrylate in the terahertz frequency range and discuss how material dispersion affects object visualisation in terahertz imaging. We demonstrate how important is to take into account the material dispersion for phase and relief reconstruction of the investigated object.     

Targeted nanoparticles for the non-invasive detection of traumatic brain injury by optical imaging and fluorine magnetic resonance imaging

Necrosis is a form of cell death that occurs only under pathological conditions such as ischemic diseases and traumatic brain injury (TBI). Non-invasive imaging of the affected tissue is a key component of novel therapeutic interventions and measurement of treatment responses in patients. Here, we report a bimodal approach for the detection and monitoring of TBI. PEGylated poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) nanoparticles (NPs), encapsulating both near infrared (NIR) fluorophores and perfluorocarbons (PFCs), were targeted to necrotic cells. We used cyanine dyes such as IRDye 800CW, for which we have previously demonstrated specific targeting to intracellular proteins of cells that have lost membrane integrity. Here, we show specific in vivo detection of necrosis by optical imaging and fluorine magnetic resonance imaging (¹⁹F MRI) using newly designed PLGA NP(NIR700 + PFC)-PEG-800CW. Quantitative ex vivo optical imaging and ¹⁹F MR spectroscopy of NIR-PFC content in injured brain regions and in major organs were well correlated. Both modalities allowed the in vivo identification of necrotic brain lesions in a mouse model of TBI, with optical imaging being more sensitive than ¹⁹F MRI. Our results confirm increased blood pool residence time of PLGA NPs coated with a PEG layer and the successful targeting of TBI-damaged tissue. A single PLGA NP containing NIR-PFC enables both rapid qualitative optical monitoring of the TBI state and quantitative 3D information from deeper tissues on the extent of the lesion by MRI. These necrosis-targeting PLGA NPs can potentially be used for clinical diagnosis of brain injuries.

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Recent Advances in Higher‐Order,Multimodal, Biomedical Imaging Agents

Advances in biomedical imaging have spurred the development of integrated multimodal scanners, usually capable of two simultaneous imaging modes. The long‐term vision of higher‐order multimodality is to improve diagnostics or guidance through the analysis of complementary, data‐rich, co‐registered images. Synergies achieved through combined modalities could enable researchers to better track diverse physiological and structural events, analyze biodistribution and treatment efficacy, and compare established and emerging modalities. Higher‐order multimodal approaches stand to benefit from molecular imaging probes and, in recent years, contrast agents that have hypermodal characteristics have increasingly been reported in preclinical studies. Given the chemical requirements for contrast agents representing various modalities to be integrated into a single entity, the higher‐order multimodal agents reported so far tend to be of nanoparticulate form. To date, the majority of reported nanoparticles have included components that are active for magnetic resonance. Herein, recent progress in higher‐order multimodal imaging agents is reviewed, spanning a range of material and structural classes, and demonstrating utility in three (or more) imaging modalities.     

Polypyrrole nanoparticles: a potential optical coherence tomography contrast agent for cancer imaging

A near-infrared (NIR) absorbing contrast agent based on polypyrrole nanoparticles is described. Quantitative optical coherence tomography studies on tissue phantoms and Mie scattering calculations indicate their potential application for early-stage cancer diagnosis.