行业｜6G突破口下的太赫兹会是医学影像的未来吗？

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前言

随着全球首份6G白皮书的发布，6G背后的“太赫兹技术”开始出现在公众眼前。如果说5G时代会实现更快更低时延更高网络容量的通信，那么6G的目标是实现万物互联。美国研究机构Forrester预测，到2020年全球范围内“物与物相联”的业务量将是“人与人通信”业务量的30倍，全球6G物联网市场规模会增长至3.04万亿美元，将成为下一个万亿级产业。

6G白皮书以及各国提出的下一代通信解决方案都把太赫兹技术作为突破口。而太赫兹除了在通信方面让人叹为观止之外，在安检安防中也有“特异功能”。新冠爆发后，上海地铁2号线，合肥地铁、中科大附属第一医院等都相继启用了“全过程无接触”测温安检安防一体机。乘客接受安检时，无需与任何人产生接触，只需正常步行通过一个安检通道，还可以同时完成“测温”工作。乘客是否携带违禁品、是否发烧等都会一一显示屏幕上。但这还不是全部，作为“未来改变世界的十大技术”之一，太赫兹在生物医学，特别是医学影像中有很广阔的应用前景。

上海地铁2号线的太赫兹安检仪

一、什么是太赫兹？

太赫兹被称为“电磁波里最神秘的存在”，因其具有低能量，宽频谱，强穿透，瞬态性等技术特点，在国防、天文、生物医疗、计算机通信等科学领域有着巨大的应用价值，受到政府、科研界和产业界的多方关注，是本世纪最为重要的新兴学科之一。太赫兹(terahertz，THz)波通常是指频率在0.1~10 THz、波长在0.03~3 mm范围内的电磁波。从频谱上看，太赫兹波位于微波和红外线之间。2004年，美国政府将太赫兹技术评为 “改变未来世界的十大技术” 之一，DARPA（美国国防部高级研究计划局）和NASA（美国国家航空与航天局）自2009年起均投入较大的资金和研发力量，进行太赫兹组件及系统的研发。2005年，日本政府更是将太赫兹技术列为 “国家支柱十大重点战略技术” 之首。我国政府分别在2005和2014年专门召开了 “香山科技会议” ，制定了我国太赫兹技术的发展蓝图。2016年底，乌鲁木齐与中国电子科技集团公司合作下联合打造“太赫兹谷” 。近年来，欧洲、澳大利亚、日韩等许多国家的政府、研究机构、大学和企业都纷纷投入到太赫兹研发的热潮中。

太赫兹波位于微波和红外线之间

二、太赫兹在生物医学中的光明前景

可见光、X射线、电子束、中红外、近红外和超声波是目前医学诊断领域中主要信号源。与这些传统的医学诊断信号源相比，太赫兹波对细胞间质水有很高的敏感性，很容易被水分子或氧气分子等极性物质吸收。利用水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率这一特性，可将太赫兹波广泛应用于对人体局部成像、癌症的早期诊断、药物的研究等生物医学研究中。

1、太赫兹成像

太赫兹成像，相对于可见光和X射线具有非常强的互补特征，特别适合于可见光不能透过而X射线成像的对比度又不够的场合，使得图像更清晰，对比度更高。此外，太赫兹的光子能量非常低(1 THz = 4.1 meV)，没有 X 射线的电离性质，因此对人体没有辐射。目前有研究人员制成了太赫兹CT(terahertz computed tomography)。利用太赫兹CT可以实现对骨头组织成分的诊断。如髋骨翼含有更多的海绵组织，髋骨的下方含有更多的密质骨。通过X射线成像只能看出髋骨翼对X射线透过性很高，而太赫兹成像技术能够很好地通过色度的变化展现出髋骨的构成变换情况。

（a）人的右髋骨的实物照片；(b)X射线成像图；(c)太赫兹成像图

2、早期癌症检测与治疗

近年来，太赫兹(THz)成像技术显示出巨大的前景，并越来越多地用于癌症诊断和治疗。CT、MRI、PET-CT可用于检测宫颈癌患者的转移性淋巴结，但其精度低于预期，太赫兹成像提高了成像精度，能够及早检测出病变部位。中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心表示太赫兹波能直接“看到”DNA等生物大分子且辐射远低于伽马射线，对检测癌细胞、预防癌症具有重要意义。对癌症患者而言，早期发现、早期诊断有助于癌症的根治。当患者处于癌症早期时，癌细胞在人体血液或体液内的含量虽然非常少，但太赫兹波技术却能比传统检测技术提早6个月左右检测到癌细胞。此外，与健康组织相比，太赫兹成像为癌变组织提供了更高的对比度图像，也就是说太赫兹成像可以提供一种更准确地定义早期肿瘤确切边界的方法。比如，在乳腺癌手术中，在太赫兹成像可以帮助医生避免切除肿瘤周围的健康组织，还能确保医生已经切除了所有的癌变组织从而无需进行多次手术，并将患者的风险降至最低。目前全球数家医院已经展开了在手术中应用太赫兹成像的临床试验。

太赫兹成像诊断宫颈癌患者转移性淋巴结

3、药物研究

医学的治疗离不开药物，所以对药物的性状、质量的研究十分重要。目前，研究人员采用太赫兹脉冲光谱与太赫兹脉冲成像技术，已经在多晶型药物的区分与定量分析，固态药品在外界环境影响下的转换，以及药品外包衣层的离线或者在线的量化检测等方面展开了应用研究。2014年，首都师范大学张卓勇运用THz-TDS技术对41种正品大黄和非正品大黄进行光谱检测，并结合了化学计量方法，定性辨别中药材的真伪和控制中药质量。

太赫兹光谱提取摇头丸(黄色)、阿司匹林(蓝色)、甲基苯丙胺(红色)的空间结构；太赫兹成像观察药盒包装内的奥美拉唑含量

4、糖尿病的管理

随着人口老龄化的加剧以及人们不健康的饮食习惯，糖尿病已成为关系民生健康的头号慢性病杀手，而且还有逐渐向年轻人群中蔓延的趋势。对于糖尿病这种慢性病来说，治疗周期长、需要实时监测血糖、需要定时给药。而糖尿病的血糖检测，目前最常见的方法是从病人手指上取一滴血进行化验。重复的血液取样不仅痛苦而且可能感染，并且仪器检测准确性会有偏差。有研究人员利用太赫兹时域光谱技术开发了一种非侵入检测血糖的方法。在0.1~2.0THz下，可以检测人体和老鼠的血糖以及血糖含量变化，这种非侵入性血糖检测方法得到普及后将更有利于糖尿病的管理。

太赫兹时域光谱检测血糖含量

三、太赫兹相关公司&科研机构

公司

1、TeraSense：太赫兹成像设备

虽然现在很多媒体都报道过成功地将太赫兹应用于医学领域，但大多数太赫兹成像厂商还没有进行过相应的临床试验。TeraSense是创新便携式太赫兹成像系统，太赫兹成像相机，太赫兹光源和太赫兹探测器的领先制造商。对于一些生物医学研究者，可以购买TERA-256配合成像照相机太赫兹源一起使用。TERA-256具有25mm x 25mm的成像分辨率，足以满足大多数成像研究需求。

2、THZDC：太赫兹二氧化碳检测设备

美国的THzDC公司研发了一款可以绘制二氧化碳浓度变化的太赫兹成像设备。THzDC QuiC SLED ™二氧化碳LED可测量患者呼吸中呼出的二氧化碳浓度，以评估麻醉期间的生理状态或呼吸程度。QuiC SLED ™二氧化碳LED还扩展了监视功能，能实现便携式和一次性二氧化碳分析解决方案，可结合APP使用。

3、BATOP：台式太赫兹光谱仪

BATOP是德国领先的光学仪器公司，BATOP台式太赫兹光谱仪易于使用，适用于需要在太赫兹区域内进行材料表征研究的实验室。光谱仪带有内部样品室（可以用氮气吹扫）或外部光纤耦合天线。两种设置均可用于进行透射和反射测量。另外，光纤耦合天线也可以用于太赫兹成像或角度分辨测量。所有光谱仪均通过带有预装T3DS软件包的笔记本电脑通过USB进行控制。

科研机构

1、北京市太赫兹波谱与成像重点实验室

首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室是太赫兹领域国内第一个获批建设、开放的教育部重点实验室，是国家太赫兹光电子学研究的重要基地之一。实验室于2001年正式成立，2006年正式批准为北京市“太赫兹波谱与成像”重点实验室。2007年获批太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室。

2、上海理工大学太赫兹技术创新研究院

2016年7月，上海理工大学正式成立“太赫兹技术创新研究院”。研究院依托上海上理太赫兹科技有限公司实施科研成果的产业化。研究院目标是在太赫兹领域研究方面达到国内领先国际先进，在某些研究方向达到国际一流，具体表现在发表一大批有影响力的高端学术研究论文和推出有实用价值的创新成果，并进行产品化设计和推广应用，使其产生较大的社会效益和经济效益。

太赫兹显微成像检测仪、时域波谱仪样机示意图

3、深圳市太赫兹科技创新研究院

深圳市太赫兹科技创新研究院坐落于深圳市宝安区西乡华讯方舟移动宽带产业园，由华讯方舟集团发起成，依托太赫兹科学技术协同创新中心、天津大学、深圳大学、复旦大学、首都师范大学、中科院等多家学术单位，实行理事会领导下的院长负责制，由国际太赫兹研究奠基人、中国科学院院士刘盛纲担任首任院长，著名激光与光电子科学家、中国科学院院士姚建铨担任首席科学家。

太赫兹时域波谱仪样机示意图

四、中国的太赫兹技术研究有望领先全球

不同于微波毫米波和红外线领域，在太赫兹方面，我国与国外差距较小。单从论文发表的数量上，我国已经达到世界较为领先的地位，但是从科研到产业化的速度和能力，与欧美国家还存在较大差距。2012年，太赫兹科学协同创新中心成立，开启了中国高校、研究所、企业协同创新研究太赫兹的新时代。2016年8月国务院发布了《“十三五”国家科技创新规划》，太赫兹通信技术研发及应用和相应的硅基太赫兹技术研究作为重点发展和突破的技术之一被列入其中。尤其太赫兹单片集成电路技术的研发，将打开一系列革命性的大门。2016年，中国电子科技集团第三十八研究所在乌鲁木齐高新区的“太赫兹产业化基地”项目总投资额约4亿元，致力于打造立足新疆、辐射全国、面向中西南亚的“太赫兹谷”。该项目是中国电子科技集团在新疆及中亚地区重要布局，拟实现国内太赫兹行业由研发向产业化方向的重要转变。

结语

可以预见，随着技术不断成熟，太赫兹技术领域将产生出更多成果与产品，推动国民经济的发展，为人类的健康事业做出贡献。期待太赫兹CT能早一点商业化，期待太赫兹在生物医学上的应用能更广阔，更期待人类迈入“太赫兹时代”后的万物互联！

- END -

作者杨柳荣| 编辑谢安然 | 排版 Elsa

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