太赫茲技術(shù)用于關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)的研究進(jìn)展

馬宇婷，張 瑾，施長(zhǎng)城，李 薇，韓曉惠，彭曉昱，魏東山，杜春雷，崔洪亮*

1. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061

2. 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，太赫茲技術(shù)研究中心，跨尺度制造技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400714

太赫茲技術(shù)用于關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)的研究進(jìn)展

馬宇婷1, 2，張 瑾1，施長(zhǎng)城2*，李 薇2，韓曉惠1，彭曉昱2，魏東山2，杜春雷2，崔洪亮1, 2*

1. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061

2. 中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，太赫茲技術(shù)研究中心，跨尺度制造技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400714

骨關(guān)節(jié)炎是主要由軟骨組織損傷與退化引起的常見(jiàn)關(guān)節(jié)疾病，是影響人類健康的重大疾病之一，對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨組織早期病變的檢測(cè)可以大大提高疾病的治愈率，然而相關(guān)的臨床診斷技術(shù)尚未發(fā)現(xiàn)。近年來(lái)，太赫茲技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域日益受到關(guān)注。與傳統(tǒng)方法相比，太赫茲輻射能量低，不會(huì)產(chǎn)生電離輻射，可高靈敏、無(wú)損傷地對(duì)生物組織進(jìn)行成像檢測(cè)，因此在關(guān)節(jié)軟骨診斷方面具有較大的應(yīng)用潛力。本文簡(jiǎn)要介紹了關(guān)節(jié)軟骨的生理與病理情況以及目前關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)的主要方法，重點(diǎn)總結(jié)了太赫茲技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)方面的相關(guān)研究工作，分別包括對(duì)動(dòng)物與人類關(guān)節(jié)軟骨的檢測(cè)，探討了太赫茲技術(shù)在關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)中所面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)研究展望。

關(guān)節(jié)軟骨； 太赫茲光譜分析； 太赫茲成像； 醫(yī)學(xué)診斷

引 言

太赫茲波(terahertz wave)，是指頻率范圍在0.1～10 THz之間的電磁波，在電磁波譜中位于微波和紅外輻射之間(如圖1所示)。自20世紀(jì)70年代被提出后，由于太赫茲源與探測(cè)器的技術(shù)局限，相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里該波段被稱作“太赫茲空隙”[1-2]。近幾十年來(lái)，激光與電子技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波提供了穩(wěn)定可靠的產(chǎn)生與探測(cè)手段，使太赫茲技術(shù)不斷得到提高，應(yīng)用研究迅速擴(kuò)展到更多領(lǐng)域： 生物醫(yī)學(xué)、藥劑學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、航空航天、安防和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等[3]。太赫茲波對(duì)非極性物質(zhì)具有一定的穿透性，能探測(cè)一定深度的生物組織信息，光子能量極低，不會(huì)產(chǎn)生電離輻射或?qū)ι锝M織進(jìn)行破壞。太赫茲的這些特點(diǎn)使得它在生物醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用前景[4-5]。本文重點(diǎn)關(guān)注太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，特別是近年將其用于軟骨檢測(cè)的探索性研究。

圖1 THz波段在電磁波譜中的位置

骨關(guān)節(jié)疾患為臨床常見(jiàn)疾病，尤其是骨關(guān)節(jié)炎，隨著人口老齡化，其發(fā)病率呈增高趨勢(shì)，75歲以上人群中大約有75%患骨關(guān)節(jié)炎[6-7]，中老年人關(guān)節(jié)軟骨再生能力有限，關(guān)節(jié)軟骨退變被認(rèn)為是不可逆的病理改變[8-9]。現(xiàn)有針對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)如X射線、核磁共振成像等均存在一定局限性，因此臨床醫(yī)學(xué)界亟需開(kāi)發(fā)針對(duì)早期骨關(guān)節(jié)炎診斷的新型無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，具備早期診斷能力的太赫茲無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)在此方面擁有一定潛力。本文首先介紹關(guān)節(jié)軟骨的生理與病理情況，然后對(duì)關(guān)節(jié)軟骨現(xiàn)有的臨床診斷技術(shù)以及太赫茲技術(shù)在關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)方面的嘗試進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，最后闡明太赫茲技術(shù)關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)與展望，本文為關(guān)節(jié)軟骨病變的早期診斷研究提供重要支撐。

1 檢測(cè)技術(shù)

1.1 關(guān)節(jié)軟骨的生理與病理情況

骨關(guān)節(jié)炎和許多疾病一樣，具有多重定義。臨床上，骨關(guān)節(jié)炎包括結(jié)構(gòu)改變和關(guān)節(jié)癥狀； 在病理學(xué)上，骨關(guān)節(jié)炎以嚴(yán)重的、局限性軟骨破壞，深達(dá)骨質(zhì)為特點(diǎn)。目前骨關(guān)節(jié)炎的病因還沒(méi)有完全明確，在發(fā)病過(guò)程中，關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)、代謝和生化成分的變化，是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生改變的主要癥狀。膝關(guān)節(jié)軟骨為透明酸質(zhì)軟骨，是一種特殊的結(jié)締組織，主要成分有水、Ⅱ型膠原纖維以及蛋白多糖等。在組織學(xué)上可細(xì)分為四層： 最表層、中間的移行層、再下面的放射層和最深層的鈣化層。隨著骨關(guān)節(jié)炎的產(chǎn)生，關(guān)節(jié)軟骨在形態(tài)學(xué)上的改變體現(xiàn)為表面斷裂或縫斷裂，進(jìn)而軟骨消失，軟骨下骨裸露。關(guān)節(jié)炎發(fā)病過(guò)程中，軟骨的生化成分改變主要體現(xiàn)為水含量的增加。軟骨主要是Ⅱ型膠原，盡管骨關(guān)節(jié)炎的軟骨中無(wú)明顯的膠原濃度改變，但膠原纖維變細(xì)、中區(qū)的排列變形可導(dǎo)致水含量的增加，而關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的代謝改變體現(xiàn)為基質(zhì)降解酶類的合成與分泌率的明顯增加，這與骨關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度有直接關(guān)系[10]。有效探測(cè)關(guān)節(jié)組織中各種生化成分的變化成為骨關(guān)節(jié)炎早期診斷的重要依據(jù)。

1.2 目前檢測(cè)關(guān)節(jié)軟骨的主要方法

臨床診斷中主要通過(guò)影像學(xué)來(lái)檢測(cè)關(guān)節(jié)的狀態(tài)，包括軟骨損傷和骨性改變程度。目前檢測(cè)關(guān)節(jié)軟骨的方法有： X射線造影[11]、CT造影[12]、超聲造影[13]、核磁共振成像MRI[14]、關(guān)節(jié)鏡檢查[15]等。

X射線檢查在骨關(guān)節(jié)炎的疾病診治中具有重要作用，是其他各種影像治療的基礎(chǔ)。X射線對(duì)軟骨的成像對(duì)比度及分辨率較低，對(duì)早期病變不敏感，且不能辨別積液與滑膜組織，當(dāng)X射線診斷出關(guān)節(jié)改變時(shí)，已經(jīng)屬于中、晚期的病變； CT造影成像診斷技術(shù)具有較高的空間分辨率，利用對(duì)比劑對(duì)關(guān)節(jié)軟骨損傷進(jìn)行檢測(cè)，密度不同的組織可被區(qū)分顯示，能清晰、快捷地對(duì)關(guān)節(jié)損傷作出全面、準(zhǔn)確的判斷。然而該技術(shù)具有輻射損傷且造影效果易受多種因素的影響，有一定局限性； 高頻超聲成像技術(shù)在關(guān)節(jié)軟骨檢查中具有無(wú)創(chuàng)優(yōu)勢(shì)。與X射線相比，在關(guān)節(jié)炎早期，超聲檢查的敏感性和準(zhǔn)確性較高[13]。該技術(shù)可在二維條件下實(shí)時(shí)觀察肌腱、關(guān)節(jié)周圍軟組織、軟骨、滑膜，同時(shí)可探測(cè)積液，是檢查關(guān)節(jié)積液的最佳方法。超聲檢測(cè)的不足在于嚴(yán)重依賴檢查者的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，缺乏定性分級(jí)和定量診斷的標(biāo)準(zhǔn)； 核磁共振成像技術(shù)具有較高的空間分辨率且無(wú)輻射損傷，可以多參數(shù)、多方位、多序列成像，能直接顯示關(guān)節(jié)軟骨和其他關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)的異常改變[16-17]。該技術(shù)以正常關(guān)節(jié)軟骨核磁共振圖像作為關(guān)節(jié)軟骨病變的對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)關(guān)節(jié)軟骨異常信號(hào)、厚度和表面情況的改變，對(duì)退行性膝關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨的損傷進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)[14, 18]。但核磁共振成像診斷價(jià)格昂貴，耗時(shí)久，只有在病人無(wú)金屬植入體時(shí)才可進(jìn)行掃描； 關(guān)節(jié)鏡診斷技術(shù)因其可在直視下觀察膝關(guān)節(jié)軟骨的改變而成為診斷關(guān)節(jié)軟骨損傷的金標(biāo)準(zhǔn)。膝關(guān)節(jié)鏡檢查雖然可以直視膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)情況，但為創(chuàng)傷性檢查[15]，有可能引起嚴(yán)重的并發(fā)癥，且存在觀察盲區(qū)，不能全面地顯示退行性膝關(guān)節(jié)炎的病變，所以關(guān)節(jié)鏡應(yīng)用受到一定限制。

總之，現(xiàn)有對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的診斷技術(shù)存在各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，尚缺乏一種可以實(shí)現(xiàn)早期、無(wú)創(chuàng)及準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)軟骨診斷技術(shù)。

2 太赫茲技術(shù)在關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)方面的嘗試

2.1 太赫茲技術(shù)對(duì)動(dòng)物關(guān)節(jié)軟骨的檢測(cè)

自2008年起，香港中文大學(xué)Pickwell-MacPherson小組[19]開(kāi)始了太赫茲技術(shù)用于動(dòng)物關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)的研究。他們的研究對(duì)象采用Fu等于1998年[20]和2001年[21]發(fā)展的基于新西蘭白兔的骨關(guān)節(jié)炎(OA)動(dòng)物模型。軟骨厚度變化是判斷關(guān)節(jié)軟骨是否患有炎癥的重要依據(jù)，患有骨關(guān)節(jié)炎的軟骨較薄，并且表面有退化現(xiàn)象[22]。Pickwell-MacPherson等[9, 19]采用脈沖太赫茲波反射成像模式對(duì)關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行研究，選取樣本為27～32周的雌性新西蘭白兔。實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察患有炎癥的軟骨組織學(xué)圖像發(fā)現(xiàn)，透明軟骨幾乎消失，產(chǎn)生了部分纖維組織。將太赫茲波譜與其組織學(xué)圖像進(jìn)行對(duì)比分析得： 第一個(gè)峰為太赫茲波在石英窗/纖維組織接觸面的反射峰，第二個(gè)峰為纖維組織/軟骨下骨接觸面的反射峰。研究表明，時(shí)間延遲與組織厚度成比例，可用峰-峰之間的時(shí)間延遲來(lái)量化組織的厚度，時(shí)間延遲隨組織厚度的變薄而減小。該研究首次利用太赫茲時(shí)間延遲對(duì)關(guān)節(jié)軟骨厚度進(jìn)行量化，為進(jìn)一步的研究探索奠定基礎(chǔ)。同年，香港中文大學(xué)Kan等[23-24]采用相同的動(dòng)物模型作為樣本。該小組分析對(duì)照組樣本與OA樣本的太赫茲時(shí)域光譜后，認(rèn)為光譜中第二個(gè)峰值是由樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)折射率的改變所導(dǎo)致的，峰-峰與峰-谷之間的時(shí)間延遲取決于樣本厚度和折射率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示太赫茲波在樣本不同結(jié)構(gòu)層上有反射，表明反射延遲性可作為一種定量測(cè)定軟骨組織厚度的方式。2009年，Kan等[25]對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行擴(kuò)展，將手持式太赫茲探針應(yīng)用到患有骨關(guān)節(jié)炎的家兔股骨膝關(guān)節(jié)樣本厚度檢測(cè)中。通過(guò)分析時(shí)域光譜峰-谷之間的時(shí)間延遲發(fā)現(xiàn)1.94 ps對(duì)應(yīng)的厚度范圍在146～208 μm之間，組織病理學(xué)測(cè)得的透明軟骨厚度為216 μm，由此推斷出時(shí)域光譜中峰-谷的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即表示太赫茲脈沖信號(hào)在透明軟骨層與鈣化軟骨層發(fā)生反射，且鈣化軟骨層的折射率高于透明軟骨層的折射率。2010年，Kan等[26]利用太赫茲脈沖成像系統(tǒng)繼續(xù)開(kāi)展兔股骨髁的關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)工作。此次試驗(yàn)對(duì)樣本進(jìn)行福爾馬林浸泡，以此消除水對(duì)太赫茲的吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示通過(guò)B-掃描可看到透明軟骨/鈣化軟骨層的接觸面，即樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將峰-峰與峰-谷之間的時(shí)間延遲轉(zhuǎn)化為C-掃描的顏色圖后發(fā)現(xiàn)，軟骨的折射率、吸收系數(shù)隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而改變。實(shí)驗(yàn)證明太赫茲反射信號(hào)在膝關(guān)節(jié)軟骨中的變化很敏感，驗(yàn)證了太赫茲時(shí)間延遲與軟骨組織厚度的關(guān)系，該研究結(jié)果對(duì)骨關(guān)節(jié)炎早期癥狀的發(fā)現(xiàn)有著重要意義。

除了對(duì)家兔進(jìn)行軟骨實(shí)驗(yàn)，美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)Baughman等[27]于2011年對(duì)雞股骨進(jìn)行太赫茲透射成像實(shí)驗(yàn)，樣品選取2 mm厚的雞骨橫截面(含關(guān)節(jié)軟骨與骨組織)。實(shí)驗(yàn)獲取了關(guān)節(jié)軟骨與骨組織的時(shí)域光譜響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨與骨組織厚度的不同導(dǎo)致了峰值振幅、時(shí)間延遲、頻域譜圖的不同。該小組采用了三種時(shí)域成像方法： 峰值強(qiáng)度成像、脈沖時(shí)延成像、固定時(shí)延點(diǎn)脈沖強(qiáng)度成像； 頻域成像的方法是不同頻率點(diǎn)透射能量成像。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合峰值強(qiáng)度成像與該峰值所對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)延成像可辨別出組織成分的變化。對(duì)于頻域成像，研究表明在0.5和0.8 THz頻率點(diǎn)處成像時(shí)，軟骨對(duì)太赫茲波有明顯的特征吸收峰，圖像能較好的區(qū)分出不同的組織成分。因此對(duì)于骨組織的成像參考頻率范圍在0.5～0.8 THz，可區(qū)分軟骨結(jié)構(gòu)、組織成分等信息，該研究進(jìn)一步證明太赫茲技術(shù)應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)炎檢測(cè)的可行性。

2.2 太赫茲技術(shù)對(duì)人類關(guān)節(jié)軟骨的檢測(cè)

在骨關(guān)節(jié)炎產(chǎn)生的過(guò)程中，關(guān)節(jié)軟骨中水含量的變化是一項(xiàng)重要的病變?cè)\斷指標(biāo)?；谒畬?duì)太赫茲波有明顯吸收的特點(diǎn)，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可用于關(guān)節(jié)軟骨水含量變化的高靈敏檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)骨關(guān)節(jié)炎的診斷。2009年，韓國(guó)國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室Jung等[28-29]利用太赫茲透射時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)人體患有骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)軟骨水含量進(jìn)行了定量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)分別在0.6和1.0 THz頻率下測(cè)量關(guān)節(jié)軟骨的吸收系數(shù)，發(fā)現(xiàn)吸收系數(shù)隨著軟骨表面到軟骨下骨深度的增加而減小，分析認(rèn)為吸收系數(shù)的變化是由軟骨基質(zhì)中水含量的改變?cè)斐傻摹?012年，Jung等[30]利用THz-TDS系統(tǒng)對(duì)2009年所做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了豐富和擴(kuò)充。新的實(shí)驗(yàn)樣本采用全膝人工關(guān)節(jié)置換后的關(guān)節(jié)病理組織，選擇在0.4和0.8 THz頻率處的折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行成像。發(fā)現(xiàn)從軟骨表面至軟骨下骨不同結(jié)構(gòu)層的折射率幾乎沒(méi)有變化，而吸收系數(shù)隨組織深度的增加而減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟骨組織的吸收系數(shù)雖然與軟骨組織內(nèi)部的水、蛋白多糖、膠原蛋白等成分有關(guān)，但基于水對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收，吸收系數(shù)的改變主要是由水含量的變化造成的，即軟骨組織內(nèi)部水含量隨骨組織深度的增加而減少，此結(jié)果與使用生化方法所得結(jié)果吻合，該研究認(rèn)為太赫茲技術(shù)有望成為骨關(guān)節(jié)炎檢測(cè)的潛在有效手段。

同年，Jung和Park等[31]利用太赫茲透射成像模式對(duì)正常/病變組織及新鮮/脫水組織進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)對(duì)正常及病變的脫水組織進(jìn)行振幅峰值成像，可發(fā)現(xiàn)這兩種組織內(nèi)部的三層結(jié)構(gòu)； 對(duì)正常與病變的新鮮組織進(jìn)行頻域成像，發(fā)現(xiàn)在0.3～0.5 THz時(shí)病變組織的強(qiáng)度高于正常組織，0.8～1.0 THz時(shí)病變組織的強(qiáng)度低于正常組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與光學(xué)圖像相比，太赫茲時(shí)域光譜成像可以清晰呈現(xiàn)脫水軟骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 與時(shí)域光譜成像相比，頻域成像可以明顯區(qū)分正常組織與病變組織。同時(shí)，該小組分析認(rèn)為THz成像譜圖產(chǎn)生差異的原因除了水含量的變化，也與組織結(jié)構(gòu)及組織的病變程度相關(guān)。該研究證明太赫茲成像可以提供軟骨組織的結(jié)構(gòu)信息，能夠?qū)ρ装Y組織和正常組織進(jìn)行辨別。

2013年，美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)Yokus等[32]利用太赫茲成像對(duì)密質(zhì)骨和軟骨的不同狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)未處理及被氫氟酸(HF)浸泡過(guò)的密質(zhì)骨與軟骨進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜成像。利用時(shí)域信號(hào)最大振幅重構(gòu)圖像發(fā)現(xiàn)，對(duì)于密質(zhì)骨和軟骨，被氫氟酸浸泡后樣本的透過(guò)強(qiáng)度明顯高于正常樣本的透過(guò)強(qiáng)度。分析太赫茲頻段的吸收系數(shù)曲線圖發(fā)現(xiàn)，在0.2～1.8 THz頻段內(nèi)，密質(zhì)骨的吸收系數(shù)總體高于軟骨的吸收系數(shù)，軟骨的吸收系數(shù)隨頻率增加而增大； 在被氫氟酸灼燒后，兩種組織的吸收系數(shù)均下降，密質(zhì)骨減少約30%，軟骨減少約45%。結(jié)果表明，在氫氟酸對(duì)密質(zhì)骨和軟骨中鈣離子的作用下，組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變使時(shí)域信號(hào)有不同的響應(yīng)； 同時(shí)密質(zhì)骨與軟骨的吸收系數(shù)隨太赫茲頻率的不同而發(fā)生顯著變化。該研究將化學(xué)和生物方法與太赫茲技術(shù)結(jié)合，通過(guò)改變軟骨的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，這對(duì)檢測(cè)軟骨的分子組成具有重大意義。

3 太赫茲光譜和成像技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)所面臨的挑戰(zhàn)

隨著人們對(duì)治療骨關(guān)節(jié)炎的渴望與重視，人們愈發(fā)期望將更高端更有效的治療方法應(yīng)用到關(guān)節(jié)軟骨的檢測(cè)中。太赫茲波技術(shù)作為新興手段，在生物醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景，但目前還面臨著一些挑戰(zhàn)。

(1)水對(duì)太赫茲波有強(qiáng)烈吸收，待測(cè)關(guān)節(jié)軟骨不能完全被太赫茲波穿透，因此對(duì)被測(cè)軟骨厚度要求較為苛刻，如何突破檢測(cè)環(huán)境(溶液、在體環(huán)境等)的影響，實(shí)現(xiàn)原位、在體的檢測(cè)成為研究重點(diǎn)。

(2)在使用太赫茲成像技術(shù)測(cè)量樣本時(shí)，雖然關(guān)節(jié)軟骨正常與否有明顯的對(duì)比度，可定性分析發(fā)病前后所測(cè)得的太赫茲波的吸收系數(shù)和折射率的變化，但是如何使用太赫茲成像技術(shù)定量的分析關(guān)節(jié)軟骨所處病理階段也是研究難點(diǎn)之一。

(3)對(duì)于骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病階段的診斷，很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)水被認(rèn)為是影響太赫茲譜圖變化的主要因素，發(fā)病時(shí)除了水含量的變化，如何對(duì)組織結(jié)構(gòu)與組織蛋白的改變進(jìn)行測(cè)量需要進(jìn)一步研究，處于不同發(fā)病階段的生物組織樣本之間的太赫茲譜圖差異需要更確切的解釋。

(4)太赫茲波譜信息復(fù)雜，軟骨組織的特征信息波譜需理論支撐，需建立譜圖識(shí)別和譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)； 要明確太赫茲波和生物樣品作用的共同機(jī)理和作用模式，建立物理模型和數(shù)學(xué)模型并探索若干種標(biāo)準(zhǔn)研究模式[33-35]。

(5)太赫茲成像系統(tǒng)不夠小型化和輕型化，成像速度不能滿足于實(shí)際應(yīng)用； 國(guó)內(nèi)尚未有太赫茲設(shè)備專業(yè)生產(chǎn)廠家，要實(shí)現(xiàn)針對(duì)關(guān)節(jié)軟骨檢測(cè)太赫茲專用設(shè)備的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)化，還需要努力解決太赫茲源和探測(cè)器等諸多科學(xué)技術(shù)難題[36]。

4 總結(jié)與展望

目前利用太赫茲波對(duì)關(guān)節(jié)軟骨病理檢測(cè)的手段分為以下兩種： 定量測(cè)定軟骨組織厚度和檢測(cè)正常組織與病理組織之間水含量的差異?；谔掌澕夹g(shù)分析關(guān)節(jié)軟骨的主要方法有： 分析太赫茲時(shí)域光譜(透射波譜與反射波譜)、時(shí)域成像(峰值強(qiáng)度成像、脈沖時(shí)延成像、固定時(shí)延點(diǎn)脈沖強(qiáng)度成像、折射率成像、吸收系數(shù)成像等)以及頻域成像(不同頻率點(diǎn)透射能量成像)，這些方法在分析軟骨組織的結(jié)構(gòu)信息、辨別骨關(guān)節(jié)炎的特征中體現(xiàn)出重要價(jià)值。研究結(jié)果顯示，太赫茲光譜和成像技術(shù)所檢測(cè)到的骨關(guān)節(jié)病變與組織病理學(xué)診斷的結(jié)果相吻合，這使得太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)有希望成為檢測(cè)關(guān)節(jié)軟骨的理想工具。

近十多年來(lái)，太赫茲技術(shù)作為最具潛力的新興技術(shù)之一，以其本身所具有的非電離性和分子“指紋”譜特性等優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了科研工作者的極大興趣，太赫茲技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨診斷的研究中。隨著太赫茲源與探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，太赫茲技術(shù)有望為骨關(guān)節(jié)炎早期快速準(zhǔn)確的診斷提供有力的支撐。

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(Received May 21, 2015; accepted Sep. 26, 2015)

*Corresponding authors

Current Status and Recent Advances in Research and Application of THz Technology in Articular Cartilage Detection

MA Yu-ting1,2, ZHANG Jin1, SHI Chang-cheng2*, LI Wei2, HAN Xiao-hui1, PENG Xiao-yu2, WEI Dong-shan2,DU Chun-lei2, CUI Hong-liang1，2*

1. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University，Changchun 130061，China

2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Research Center for Terahertz Technology, Chongqing Key Laboratory of Multi-scale Manufacturing Technology, Chongqing 400714，China

Osteoarthritis is a common arthritis disease caused by cartilage tissue damage and degeneration, which is one of the large epidemics that affect human health. The early detection of the pathological changes of articular cartilage can greatly improve the cure rate of disease, but the relevant clinical diagnosis technology has not been developed. In recent years, the applications and researches of terahertz technology are increasingly valued and it has drawn great attention in the field of medicine. Compared with traditional methods, the terahertz radiation is low-energy and non-ionizing whose spectral-fingerprinting capability is well-known in the biological world. Meanwhile, THz technology has a great potential in diagnosis of articular cartilage early degeneration. This paper briefly introduces the physiological and pathological conditions of the articular cartilage, the current clinical techniques of articular cartilage detection. It mainly summarizes the terahertz technology used for detecting articular cartilage, including detection of animal and human cartilage respectively. At last, the challenges and development prospects of terahertz technology in articular cartilage detection are discussed.

Articular cartilage; Terahertz spectroscopic analysis; Terahertz imaging; Medical diagnosis

2015-05-21，

2015-09-26

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃一般項(xiàng)目(cstc2014jcyjA10002)，重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃重大項(xiàng)目(cstc2013jcyjC00001)，重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)重大項(xiàng)目(cstc2013yykfC00007)和“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK04B03)資助

馬宇婷，女，1992年生, 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院碩士研究生 e-mail： mayuting@cigit.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail： ccshi@cigit.ac.cn; hcvi@jlu.edu.cn

R318.5； TN219

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2031-05