eng
Выпуск #7/2019
К. И. Зайцев, И. Н. Долганова , Н. В. Черномырдин , Г. А. Командин, Д. В. Лаврухин , И. В. Решетов, В. Н. Курлов, Д. С. Пономарев , В. В. Тучин, И. Е. Спектор , В. Е. Карасик
Применение терагерцовых технологий в биофотонике. Часть 1: методы терагерцовой спектроскопии и визуализации тканей
Применение терагерцовых технологий в биофотонике. Часть 1: методы терагерцовой спектроскопии и визуализации тканей
Просмотры: 4978
DOI: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.680.687
В последние десятилетия растет интерес к применению терагерцовой (ТГц) техники в ранней неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной диагностике злокачественных новообразований различной нозологии и локализации. Методы ТГц диагностики основаны на ТГц спектроскопии и визуализации тканей, при этом используются естественные (эндогенные) маркеры новообразования. Отмеченное делает ТГц диагностику привлекательной в сравнении с другими методами, зачастую включающими введение в организм экзогенных маркеров. Несмотря на значительный прогресс в рассматриваемой области, ТГц инструменты далеки от клинической практики из-за высокой стоимости, громоздкости, низкой эргономичности и отсутствия эффективной ТГц элементной базы. В данной работе, состоящей из двух частей, обсуждается современное состояние исследований в области диагностики злокачественных новообразований с помощью ТГц спектроскопии и визуализации. В первой части рассматриваются свойства ТГц излучения, специфика его взаимодействия с биологическими тканями. Отдельное внимание уделяется ТГц импульсной спектроскопии, находящей все большие применения в ТГц биофотонике.
В последние десятилетия растет интерес к применению терагерцовой (ТГц) техники в ранней неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной диагностике злокачественных новообразований различной нозологии и локализации. Методы ТГц диагностики основаны на ТГц спектроскопии и визуализации тканей, при этом используются естественные (эндогенные) маркеры новообразования. Отмеченное делает ТГц диагностику привлекательной в сравнении с другими методами, зачастую включающими введение в организм экзогенных маркеров. Несмотря на значительный прогресс в рассматриваемой области, ТГц инструменты далеки от клинической практики из-за высокой стоимости, громоздкости, низкой эргономичности и отсутствия эффективной ТГц элементной базы. В данной работе, состоящей из двух частей, обсуждается современное состояние исследований в области диагностики злокачественных новообразований с помощью ТГц спектроскопии и визуализации. В первой части рассматриваются свойства ТГц излучения, специфика его взаимодействия с биологическими тканями. Отдельное внимание уделяется ТГц импульсной спектроскопии, находящей все большие применения в ТГц биофотонике.
Теги: diagnosis of malignant neoplasms terahertz dielectric spectroscopy terahertz imaging terahertz radiation terahertz technology диагностика злокачественных новообразований терагерцовая визуализация терагерцовая диэлектрическая спектроскопия терагерцовое излучение терагерцовые технологии
1. ВВЕДЕНИЕ
ТГц область электромагнитного спектра расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами – в интервале частот от 0,1 и 3,0 ТГц или интервале длин волн от 3,0 мм до 100,0 мкм соответственно [1]; см. рис. 1. Энергия ТГц кванта невелика, поэтому излучение является неионизирующим. При малой средней мощности (Вт) <10–6 ТГц излучение безопасно для организма человека [2]. Частотная зависимость ТГц комплексной диэлектрической проницаемости несет информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных свойствах вещества. Отмеченное позволяет применять современные методы ТГц спектроскопии и визуализации для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач в областях исследования физических свойств новых материалов [3], контроля качества фармацевтической и химической продукции [4], неразрушающего контроля композиционных материалов и керамик [5], дефектоскопии электрических плат и даже наноразмерных полупроводниковых элементов [7]. В то же время особый интерес представляет применение ТГц техники в медицинской диагностике [8].
Несмотря на то, что первые наблюдения ТГц волн датируются концом XVIII века [9], исследования возможности использования ТГц техники для решения прикладных проблем, в том числе проблем медицинской диагностики злокачественных новообразований, активно ведутся лишь с конца XX века [10]. Развитие ТГц биофотоники неразрывно связано с появлением новых методов генерации и детектирования ТГц импульсов с помощью ультракоротких лазерных импульсов оптического диапазона [1], с разработкой методов ТГц импульсной спектроскопии и визуализации [11–15], а также с появлением портативных фемтосекундных лазеров, позволяющих создавать ТГц спектрометры и изображающие системы для клинических приложений [16, 17]. В последнее время статистические различия были обнаружены между ТГц диэлектрическими характеристиками здоровых тканей и злокачественных новообразований различной нозологии и локализации (ex vivo и in vivo) [8, 10], что свидетельствует о перспективности ранней неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной ТГц онкодиагностики. В данной работе анализируется современное состояние исследований в области ТГц диагностики злокачественных новообразований, а также рассматриваются основные проблемы ТГц науки и техники, затрудняющие внедрение методов ТГц спектроскопии и визуализации в клиническую практику.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ
Частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости биологических тканей в ТГц диапазоне не обладает резонансными спектральными особенностями и определяется преимущественно содержанием воды в тканях. ТГц диэлектрический отклик воды и тканей описывается релаксационными моделями комплексной диэлектрической проницаемости – моделями Дебая или Коула-Коула [8, 10, 18–20]. Действительная часть каждого релаксационного слагаемого, входящего в состав модели, монотонно спадает с ростом частоты, а мнимая описывает широкий пик поглощения, который центрирован на частоте, соответствующей обратному времени релаксации; необходимо отметить, что ширина релаксационного пика поглощения сопоставима с шириной всего ТГц диапазона [8, 10, 18, 19]. И вода, и ткани характеризуются высоким спектральным коэффициентом поглощения ТГц излучения, ограничивающим глубину его проникновения в ткани десятками и сотнями микрометров, при этом коэффициент поглощения и глубина проникновения существенно зависят от частоты излучения и типа тканей. Столь малая глубина проникновения позволяет исследовать поверхностные особенности тканей in vivo исключительно на основе анализа свойств ТГц волны, отраженной от поверхности образца [8, 10].
Различия в ТГц диэлектрических откликах и изображениях здоровых тканей и злокачественных новообразований связаны преимущественно с различным содержанием и состоянием (свободная / связанная) воды в тканях, а также с их структурными особенностями. В результате обильной микроваскуляризации и отека злокачественное новообразование содержит больше воды и, как следствие, обладает более высоким показателем преломления и коэффициентом поглощения в ТГц диапазоне [21, 22]. Обычно при описании взаимодействия ТГц излучения с тканями эффектами упругого рассеяния Ми на структурных неоднородностях пренебрегают, так как длина волны излучения значительно превышает характерные масштабы неоднородностей тканей (микрофибрилл, клеточных структур, отдельных клеток и органелл); см. рис. 2. Это позволяет использовать приближение эффективной однородной изотропной среды при моделировании распространения ТГц излучения в тканях и соответственно полностью описывать взаимодействие ТГц излучения с тканями (в рамках классической электродинамики) с помощью функции эффективной комплексной диэлектрической проницаемости [8]. Тем не менее микроскопические структурные неоднородности тканей [23], изменение клеточной морфологии [24], наличие мутационных биомолекул [25], а также макроскопические флуктуации объемной и поверхностной структуры, происходящие при образовании и развитии новообразования, способны оказывать значительное влияние на распространение ТГц излучения в тканях, приводить к дополнительным различиям в регистрируемых ТГц сигналах или же делать результаты ТГц измерений трудновоспроизводимыми, особенно при работе в области высоких частот, ТГц [26, 27].
3. ТЕРАГЕРЦОВАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Современные ТГц системы для диагностики злокачественных новообразований основываются преимущественно на принципах ТГц импульсной спектроскопии и ТГц импульсной визуализации, причем последняя предполагает растровое (поточечное) сканирование поверхности образца сфокусированным пучком ТГц излучения спектрометра и последующую обработку сигналов во временном или частотном пространстве для построения параметрических изображений тканей [8, 10, 14]. В качестве примера на рис. 3 показан оригинальный лабораторный ТГц импульсный спектрометр, разработанный коллективом Отдела субмиллеметровой спектроскопии ИОФ РАН [28]. Принцип действия ТГц импульсного спектрометра основан на зондировании объекта импульсом ТГц излучения, имеющим субпикосекундную длительность и широкий спектр мощности, охватывающий типичный спектральный диапазон от 0,1 до 4,5 ТГц и последующей регистрации амплитуды ТГц поля (после взаимодействия с образцом) с высоким временным разрешением (около фс). Применение математического аппарата Фурье-анализа и методов решения обратных задач диэлектрической спектроскопии позволяет анализировать сигналы ТГц импульсного спектрометра и оценивать диэлектрический отклик образца в широком спектральном диапазоне.
Повсеместное применение ТГц импульсной спектроскопии и ТГц импульсной визуализации в биомедицинских исследованиях связано в первую очередь с возможностью извлечения одновременно спектров амплитуд и фаз сигнала в результате единственного измерения. Это позволяет оценивать частотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости образца в широком спектральном диапазоне на основе данных единственного измерения без применения соотношений Крамерса-Кронига [29] и каких-либо приближеннных апостериори о характере диэлектрической дисперсии среды.
Значительное развитие элементной базы импульсной спектроскопии [30, 31] обеспечивает возможность создания портативных систем для клинических исследований [16, 17]. Стоит особо отметить появившиеся в последнее время ТГц фотопроводящие антенны с повышенным (до раз) коэффициентом преобразования мощности оптического излучения в ТГц волны [31]. Подобные антенны основаны на использовании эффектов локализации оптического поля позади металлических (плазмонных) и диэлектрических наноантенн или решеток, раз
ТГц область электромагнитного спектра расположена между инфракрасным и микроволновым диапазонами – в интервале частот от 0,1 и 3,0 ТГц или интервале длин волн от 3,0 мм до 100,0 мкм соответственно [1]; см. рис. 1. Энергия ТГц кванта невелика, поэтому излучение является неионизирующим. При малой средней мощности (Вт) <10–6 ТГц излучение безопасно для организма человека [2]. Частотная зависимость ТГц комплексной диэлектрической проницаемости несет информацию о низкочастотных молекулярных колебаниях и структурных свойствах вещества. Отмеченное позволяет применять современные методы ТГц спектроскопии и визуализации для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач в областях исследования физических свойств новых материалов [3], контроля качества фармацевтической и химической продукции [4], неразрушающего контроля композиционных материалов и керамик [5], дефектоскопии электрических плат и даже наноразмерных полупроводниковых элементов [7]. В то же время особый интерес представляет применение ТГц техники в медицинской диагностике [8].
Несмотря на то, что первые наблюдения ТГц волн датируются концом XVIII века [9], исследования возможности использования ТГц техники для решения прикладных проблем, в том числе проблем медицинской диагностики злокачественных новообразований, активно ведутся лишь с конца XX века [10]. Развитие ТГц биофотоники неразрывно связано с появлением новых методов генерации и детектирования ТГц импульсов с помощью ультракоротких лазерных импульсов оптического диапазона [1], с разработкой методов ТГц импульсной спектроскопии и визуализации [11–15], а также с появлением портативных фемтосекундных лазеров, позволяющих создавать ТГц спектрометры и изображающие системы для клинических приложений [16, 17]. В последнее время статистические различия были обнаружены между ТГц диэлектрическими характеристиками здоровых тканей и злокачественных новообразований различной нозологии и локализации (ex vivo и in vivo) [8, 10], что свидетельствует о перспективности ранней неинвазивной, малоинвазивной и интраоперационной ТГц онкодиагностики. В данной работе анализируется современное состояние исследований в области ТГц диагностики злокачественных новообразований, а также рассматриваются основные проблемы ТГц науки и техники, затрудняющие внедрение методов ТГц спектроскопии и визуализации в клиническую практику.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ТКАНЯМИ
Частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости биологических тканей в ТГц диапазоне не обладает резонансными спектральными особенностями и определяется преимущественно содержанием воды в тканях. ТГц диэлектрический отклик воды и тканей описывается релаксационными моделями комплексной диэлектрической проницаемости – моделями Дебая или Коула-Коула [8, 10, 18–20]. Действительная часть каждого релаксационного слагаемого, входящего в состав модели, монотонно спадает с ростом частоты, а мнимая описывает широкий пик поглощения, который центрирован на частоте, соответствующей обратному времени релаксации; необходимо отметить, что ширина релаксационного пика поглощения сопоставима с шириной всего ТГц диапазона [8, 10, 18, 19]. И вода, и ткани характеризуются высоким спектральным коэффициентом поглощения ТГц излучения, ограничивающим глубину его проникновения в ткани десятками и сотнями микрометров, при этом коэффициент поглощения и глубина проникновения существенно зависят от частоты излучения и типа тканей. Столь малая глубина проникновения позволяет исследовать поверхностные особенности тканей in vivo исключительно на основе анализа свойств ТГц волны, отраженной от поверхности образца [8, 10].
Различия в ТГц диэлектрических откликах и изображениях здоровых тканей и злокачественных новообразований связаны преимущественно с различным содержанием и состоянием (свободная / связанная) воды в тканях, а также с их структурными особенностями. В результате обильной микроваскуляризации и отека злокачественное новообразование содержит больше воды и, как следствие, обладает более высоким показателем преломления и коэффициентом поглощения в ТГц диапазоне [21, 22]. Обычно при описании взаимодействия ТГц излучения с тканями эффектами упругого рассеяния Ми на структурных неоднородностях пренебрегают, так как длина волны излучения значительно превышает характерные масштабы неоднородностей тканей (микрофибрилл, клеточных структур, отдельных клеток и органелл); см. рис. 2. Это позволяет использовать приближение эффективной однородной изотропной среды при моделировании распространения ТГц излучения в тканях и соответственно полностью описывать взаимодействие ТГц излучения с тканями (в рамках классической электродинамики) с помощью функции эффективной комплексной диэлектрической проницаемости [8]. Тем не менее микроскопические структурные неоднородности тканей [23], изменение клеточной морфологии [24], наличие мутационных биомолекул [25], а также макроскопические флуктуации объемной и поверхностной структуры, происходящие при образовании и развитии новообразования, способны оказывать значительное влияние на распространение ТГц излучения в тканях, приводить к дополнительным различиям в регистрируемых ТГц сигналах или же делать результаты ТГц измерений трудновоспроизводимыми, особенно при работе в области высоких частот, ТГц [26, 27].
3. ТЕРАГЕРЦОВАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Современные ТГц системы для диагностики злокачественных новообразований основываются преимущественно на принципах ТГц импульсной спектроскопии и ТГц импульсной визуализации, причем последняя предполагает растровое (поточечное) сканирование поверхности образца сфокусированным пучком ТГц излучения спектрометра и последующую обработку сигналов во временном или частотном пространстве для построения параметрических изображений тканей [8, 10, 14]. В качестве примера на рис. 3 показан оригинальный лабораторный ТГц импульсный спектрометр, разработанный коллективом Отдела субмиллеметровой спектроскопии ИОФ РАН [28]. Принцип действия ТГц импульсного спектрометра основан на зондировании объекта импульсом ТГц излучения, имеющим субпикосекундную длительность и широкий спектр мощности, охватывающий типичный спектральный диапазон от 0,1 до 4,5 ТГц и последующей регистрации амплитуды ТГц поля (после взаимодействия с образцом) с высоким временным разрешением (около фс). Применение математического аппарата Фурье-анализа и методов решения обратных задач диэлектрической спектроскопии позволяет анализировать сигналы ТГц импульсного спектрометра и оценивать диэлектрический отклик образца в широком спектральном диапазоне.
Повсеместное применение ТГц импульсной спектроскопии и ТГц импульсной визуализации в биомедицинских исследованиях связано в первую очередь с возможностью извлечения одновременно спектров амплитуд и фаз сигнала в результате единственного измерения. Это позволяет оценивать частотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости образца в широком спектральном диапазоне на основе данных единственного измерения без применения соотношений Крамерса-Кронига [29] и каких-либо приближеннных апостериори о характере диэлектрической дисперсии среды.
Значительное развитие элементной базы импульсной спектроскопии [30, 31] обеспечивает возможность создания портативных систем для клинических исследований [16, 17]. Стоит особо отметить появившиеся в последнее время ТГц фотопроводящие антенны с повышенным (до раз) коэффициентом преобразования мощности оптического излучения в ТГц волны [31]. Подобные антенны основаны на использовании эффектов локализации оптического поля позади металлических (плазмонных) и диэлектрических наноантенн или решеток, раз