太赫兹成像技术跨越多个学科，各学科的发展促使太赫兹技术在医学领域取得了重大突破。

第一张太赫兹图像是在1995年，由美国电话电报公司的贝尔实验室拍摄。贝尔实验室所拍摄的封装半导体集成电路内部结构的清晰图像使人们对太赫兹成像技术在安全、天文、遥感、化学传感、生物医学等领域中的应用产生了极大的关注。

五年之后的2000年，英国剑桥大学的TeraView作为太赫兹技术开创者Emma MacPherson的博士生，首次利用太赫兹成像和光谱学方法对黑色素瘤皮肤癌进行了研究。

当皮肤被阻塞时，水分积聚在角质层，即皮肤的最外层。在此过程中，反射的太赫兹信号会衰减，并可对其进行实时监测。上图显示了皮肤阻塞前（红色）和阻塞20分钟后（蓝色）的信号分布。该系统的灵敏性很强，即使遮挡五秒，也会影响到太赫兹响应。图片来源：香港中文大学，Emma MacPherson。

从那时起，有关牙科和皮肤科的研究一直很少，因为医学检查存在一个巨大的障碍：太赫兹辐射难以深入渗透到任何高含水量的物质中。然而，近期在改进太赫兹光源和探测器方面的研究取得了巨大进展，能够解决目前面临的困难。

研究人员已利用太赫兹光成功检测出皮肤癌。但是，由于目前成像方法的分辨率较低，往往只有在肿瘤变得非常大后才能够检测到。今年早些时候，为提高图像分辨率，Rayko Stantchev博士在美国光学学会的光学期刊上发表了一项研究，该研究中测量了太赫兹波和被测物体之间的近场相互作用。

Stantchev和其团队使用了一种数字微晶器件（DMD），将800nm的光线投射到硅晶片上。若该晶片暴露于非常强烈的激光下，则晶片对于太赫兹波来说是不透明的。当太赫兹波穿过晶片时，将会在另一侧产生一个图案化的光束，并与正在成像的物体相互作用。

由于数字微晶器件形成的图案是已知的，因此计算机能够重建晶片输出界面上的物体的图像。该技术可用于改善其他近场低信号成像技术中的信号干扰，包括在皮肤癌早期，无需进行皮肤活检。

Stantchev在英国埃克塞特大学进修研究生期间搭建了该装置，他目前就职于由香港中文大学MacPherson教授MacPherson领导的研究小组中。作为首个应用太赫兹成像技术来检测皮肤癌的研究团队中的一名研究人员，MacPherson一直以太赫兹成像技术和生物医学领域的光谱学前沿而闻名。尽管其团队研究地点在香港，但她最近搬到了英国沃里克，并加入了沃里克大学的物理系。

MacPherson目前正在解决存在吸收时太赫兹辐射的穿透性问题，通过识别表层皮肤的属性来检测其更深层的情况。她正在利用太赫兹辐射对水的敏感性来解决吸收问题。皮肤癌组织具有与健康皮肤不同的含水量，这表示检查表层皮肤的性质能够帮助确定更深层次的情况。表层的变化可以指示出从皮肤癌到水合作用的任何水平。除了确定与衰老和水合作用相关的美容因素外，这也为早期发现亚临床皮肤癌开辟了道路。

MacPherson表示：“我们已经做了一些关于疤痕成像的有趣研究，最近还展示了太赫兹辐射对皮肤水分的高敏感性。在展示人体皮肤成像时，若测量过程中皮肤被阻塞，则太赫兹属性会发生变化。我对于如何利用这一点来改进皮肤成像的现状以及皮肤病的诊断和治疗又有一些想法。”

为了推动这项研究，MacPherson计划与英国考文垂大学医院和沃里克郡信托基金会的医生合作。与此同时，香港中文大学MacPherson团队的研究人员们正在探索如何利用太赫兹反射成像来研究水分进入和流出表层皮肤的过程。即使皮肤被成像窗口遮挡，也能利用太赫兹成像技术获得数据。将样品放置在成像窗口上有助于对齐和图像配准，但对于活体组织，窗口将阻碍皮肤的正常呼吸。

图为用于测量皮肤的太赫兹反射成像系统。发射器和检测器将以二维形式扫描样本，以查看成像窗口处的皮肤是否异常。而当前的成像速度过慢，患者在改变成像区域之前，必须保持大约10分钟的完全静止。图片来源：香港中文大学，Rayko Stantchev。

Stantchev目前作为博士后研究助理，强调了该种方法的特殊性。他表示：“这种技术具有很高的灵敏度，其能够在封闭皮肤中获得水扩散性的数据，而其他方法均要求皮肤的正常呼吸。”

此外，太赫兹成像还可用于糖尿病足的成像中。在许多情况下，糖尿病患者的脚会由于微血管和神经系统的双重恶化，而出现感觉丧失，还可能导致皮肤脱水。墨西哥瓜纳华托应用太赫兹研究小组的Enrique Castro-Camus发现，使用太赫兹成像技术则可监测到这种特殊的脱水现象。

在牙科领域，和皮肤科相同，在表面上可以观测到的东西能够告诉我们很多内部发生的情况。牙齿反射的太赫兹波可用于监测牙釉质中是否产生了任何化学变化，这将能够预测龋齿的情况。但该技术的使用仍然存在限制。Stanchev指出，由于太赫兹对水分的高度敏感性，若牙齿上存在的唾液量不同，则会产生不同的结构。

在学术研究推进的同时，太赫兹产品制造商们依旧试图攻克这四个关键性的挑战：测量速度、信号质量、空间分辨率以及产品价格。但目前尚未研究出简单的解决方案。Toptica公司的产品经理并太赫兹技术总监Anselm Deninger表示：“若要优化某一个方向上的设置，则可能需要在其他三个方面做出让步。”

快速的太赫兹成像技术能够实时监测水份的吸收动态。在原理验证实验中，Toptica的研究人员将不同的三种样品的边缘湿润，这三种样品分别为方糖（红色）、海绵（蓝色）和薄纸（绿色）。在数百毫秒内，水分分散在样品上，其降低了太赫兹波的传输强度。Toptica的研究人员表示，该技术将适用于监测毫秒甚至微秒时间尺度的生物过程。图片来源：Toptica公司。

目前的太赫兹设备元件，特别是光源和探测器，与红外和微波等光谱的元件相比，并不具有成本效益。即使采用光电导天线（PCA）技术，成本依然居高不下，因为所需的激光必须能够发射波长极短（约100fs）的脉冲。另外，目前的太赫兹设备体积庞大，使用不便。

图a，人体皮肤与成像窗口接触一段时间之后反射的太赫兹脉冲。图b，随着时间的增加，皮肤反射的太赫兹脉冲幅度减小。研究人员表示，这是由于水分无法从皮肤中流出，从而在皮肤表层积聚造成的。纵轴表示太赫兹最高峰值减去最低峰值，横轴表示阻塞时间（或与成像窗口接触的时间）。该插图为不同的测试主题展现了相同的内容。图片来源：香港中文大学，Rayko Stantchev。

美国阿拉巴马大学的太赫兹光子学和超材料专家Seongsin Margaret Kim教授表示：“这导致了太赫兹技术需求的冷淡，以及缺乏训练有素的工程师和劳动力群体，反过来又进一步限制了该项技术的发展。因此，太赫兹成像技术在经济方面仍然受到技术推动和应用拉动问题的困扰，这种问题在许多新兴技术中普遍存在。”

与Toptica和TeraView同类的少数几家公司已经发布了可以简易集成到系统中的光源、探测器以及其他太赫兹光学元件。例如Toptica公司的TeraScan探针以及TeraView公司的TeraPulse探针，均可被非专业的护士或医生使用，而无需操作人员进行复杂的对准或学习设备相关的特殊知识。

在激光器选择方面，结构复杂且使用敏感的传统钛蓝宝石激光器已经被结构紧凑且高度耐用的飞秒光纤激光器取代。且太赫兹技术中使用的天线也有了很大的改进。Toptica公司的Deninger表示：“十年前，当我们开始太赫兹技术的相关研究使，我们只能处理几百纳瓦的功率水平。今天，我们使用的发射器能够产生50 µW或100 µW的太赫兹功率。这是两到三个数量级的功率增益。”

学术研究人员也正在努力克服太赫兹技术商业化的困难。Kim近期的一个项目研究了一种光源，其可以从自顶向下的半导体纳米线中产生太赫兹波，且不带有任何偏置电压。Kim表示：“这说明太赫兹光源更适合使用，因为其不需要任何偏置电压，因此能够节约能源，且其成本效益更高，效率更高。”

战胜“太赫兹窗口”挑战

“太赫兹窗口”是指在微波的高频端和低频端之间的频率。激光器可产生完整红外区域的光。微波也可使用电子设备生产，但2THz左右频率上的微波依旧面临严峻的挑战。

从技术上来说，建造实用且高强度的太赫兹光源以及足够灵敏的太赫兹探测器是非常困难的。因此，在获得有意义的高信噪比以及避免误报方面，即使采取了现代成像信号处理技术，太赫兹成像的过程依旧缓慢。太赫兹成像在某些频带内也会受到水蒸气的固有限制。这意味着大气衰减对于远距离测量（1米以上的任何距离）来说同样是一种阻碍，因此信号在活体生物组织中将会减弱。

相比之下，液态水不包含任何吸收带。相反，其显示了宽带阻尼效应。甚至连“太赫兹窗口”频率也无法存在，这恰恰是生物材料所面临的挑战。因此需要更强的光源或更灵敏的探测器来解决这些根本性的挑战。Toptica的太赫兹技术产品经理及负责人Anselm Deninger解释道：“现有的激光器，也就是所谓的量子级联系统，需要在低温下操作，这将大大增加仪器的使用成本。”

一种方法为使用谐振倍频器和三倍频器。但这些仪器的加工精度过高，因此在处理大于几百到几千兆赫的频率时，成本大幅度增加而效率却降低。Deninger表示：“我们一直在研究第三种简洁方法，即使用近红外激光器，并将其输出转换为太赫兹光。且由于特殊设计的半导体元件光电导天线（PCA），该方法对于脉冲激光器以及连续波激光器都有效。”

据美国阿拉巴马大学太赫兹光子学和超材料专家Seongsin Margaret Kim介绍，这种间接方法具有使用前景。Kim将过去二十年来与太赫兹成像相关的许多发现归因于光电导天线技术和宽带太赫兹光源的发展。她表示，基于光电导天线的光源可以产生宽带太赫兹辐射，这对于许多应用，特别是在科学研究中，是有效的。

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62843&PID=1&VID=150&IID=988

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