太赫兹时域光谱检测与解析新方法及其在人体组织病变辅助诊断中的应用基础研究

This project is intended for the need of fundamental application research in biomedical auxiliary diagnosis via terahertz wave science and technology. There are existing the difficulties such as the complex composition of human diseased tissue, easy interference of the terahertz response spectrum from multiple sources, not fully utilization of the spectral implicit information, and the difficulty to relate to the lesion mechanism of a large number of spectral detection data through using terahertz time-domain spectroscopy. Therefore, we would introduce the optical parameter method and bio-electromagnetic forward modeling theory, tissue chip registration method, metal pore array to enhance the liquid sample detection sensitivity method, terahertz full spectrum and mixed spectrum stripping and analysis technology, multi-source data utilization technology etc. to enhance the sensitivity and information utilization of terahertz detection and analysis, and fuse the terahertz spectrum with pathological histo-pathological information, and independently master the automatic identification and assessment of the progress of the disease to establish a method that can be integrated with accumulated spectral data and pathological control information terahertz wave time-domain spectral detection database system. As results, a terahertz time-domain spectral detection database system integrating the accumulated spectral data and pathological control information is to be established. A systematic technical solution is proposed from the aspects of mechanism response modeling, detection scheme improvement, spectral analysis and information synthesis, etc. Taking human gastrointestinal cancer as an example to carry out validation work, we would try to provide theoretical and technical support for the application of terahertz wave science and technology in the field of biomedicine.

面向太赫兹波科学技术在生物医学辅助诊断基础性研究需求，针对太赫兹时域光谱检测中，人体病变组织成分复杂、响应光谱易受多来源多组分干扰、隐含信息不易充分利用、光谱检测数据难以与病变机制进行关联等难题，引入并研究光学参数法和生物电磁学正向机理建模、组织芯片配准、金属孔阵列提升液体样本检测灵敏度、太赫兹全光谱和混合波谱剥离与解析、多来源数据挖掘利用等理论与方法，提高太赫兹波检测与解析的灵敏度和信息利用程度，将太赫兹波谱与病变组织病理信息融合，突破并掌握基于人体病变组织切片样本和标识物太赫兹波谱检测信息的病变/正常、病变阶段自动判别以及病变进展自动评估的技术，建立光谱数据和病理学对照信息的太赫兹波时域光谱检测数据库，从机理响应建模、检测方案改进、波谱解析、信息综合等多环节形成较为系统的技术解决方案，并以人体消化道肿瘤病变为例开展验证工作，为太赫兹波科学与生物医学结合提供理论与技术支持。

为提升肿瘤患者的临床治疗和预后效果，针对肿瘤和病变的早期精准诊断至关重要，而这方面的新型检测技术具有重要研究价值和应用前景。在目前的临床肿瘤诊断手段中，组织活检存在有创检测的弊端，影像学和内镜学检测存在早期诊断出现假阴率等不足，而血液检查又存在对患者检测特异性受限的问题，这些都会对病变检测、治疗与预后造成不利影响。太赫兹光谱技术因其安全无损、无标记且无需反应底物等优势，在肿瘤和病变诊断方面引起了学界的关注。.课题组在本项目的支持下，围绕人体组织病变早期评估的迫切需求，结合太赫兹时域光谱技术的检测优势和广阔应用前景，依据项目研究内容和工作目标，开展了人体组织病变太赫兹的交互响应机理、生物组织（多成分组织）的光电特性、生物样本的太赫兹实验方法、THz光谱时域与频域特征提取与分析、太赫兹信号与生物病变病理机制关联性等理论研究与实验分析工作，研究了太赫兹检测交互响应建模及光学与电磁特性精细分析方法，探究了生物不同病变程度与电磁特征参数的内在联系。在太赫兹时域光谱数据分析技术方面，尝试采用复合多尺度熵、最大信息系数等方法分析光谱数据与样本生理病理状态相关性，并将其应用于人体病变组织的检测与识别研究。建立了病变组织THz光谱解析与病变组织特异信息的关联模型，形成了较完整的太赫兹波探测技术方案。与浙江大学第二附属医院、浙江大学肿瘤研究所等单位紧密合作，完成了人体病变肿瘤标记物唾液酸太赫兹时域光谱解析与识别、癌症病变标志物小分子DNA碱基的甲基化和大分子蛋白质的甲基化太赫兹波检测、结肠正常/癌变细胞系太赫兹定性检测、肿瘤病变化疗损伤太赫兹检测等工作，并进行了实验验证，为太赫兹技术用于人体组织病变辅助诊断提供了新的手段。