Глава 9. Терагерцовое излучение (тгц) в медицинской диагностике.

Большой прогресс, свойственный последним двум десятилетиям в области современных технологий полупроводниковой электроники и лазерной физики сделал доступными для практических применений удобные источники и детекторы терагерцового диапазона частот. Терагерцовый диапазон относится к дальнему ИК диапазону оптического излучения и определяется как 0.1 – 10 ТГц.

Основными особенностями ТГц излучения, определяющими его специфическое применение в медицине, являются:

-терагерцовое излучение является неионизирующим для молекул, принимающих активное участие в биологических процессах. Это определяется малостью энергии фотона терагерцовой частоты (0,04 - 0,004 эВ) по сравнению с энергией ионизации, приводящей к диссоциации атомов и молекул; ТГц диапазон частот энергетически соответствует энергии водородных связей и ван-дер-ваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия. Большие молекулярные системы, такие как белки и нуклеиновые кислоты, образованные с помощью этого типа взаимодействий, а также биологические процессы, в которых они участвуют, должны быть чувствительны для диагностики и терапии с помощью излучения ТГц диапазона частот. При этом эффективность воздействия должна быть высокой при соблюдении безопасной биологической дозы;

- в поликристаллической фазе (в форме молекулярного кристалла) молекулы имеют характеристический набор резонансных частот в спектрах поглощения – так называемых спектральных «портретов» или «отпечатков пальцев»;

- ввиду эффективного подавления рэлеевского рассеяния (1/λ⁴) излучение ТГц диапазона проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы ослабляясь значительно меньше, чем излучения видимого и ИК диапазонов с аналогичными параметрами.

- в терагерцовом диапазоне частот многие покровные материалы прозрачны. Предварительные исследования показали, что кожный покров человека и животных также в значительной степени пропускает ТГц излучение;

- ТГц излучение чувствительно к содержанию воды в биологических объектах, так как вода имеет значительное поглощение в ТГц диапазоне частот.

В настоящее время показана эффективность использования данного типа излучения в онкологии, как для диагностики различных типов новообразований на коже, так и для определения границ патологического процесса при оперативном удалении опухолей. ТГц дерматоскопия, помимо мониторинга гидратации измененных кожных очагов, позволяет оценить параметры (асимметрию, края, размеры, динамику изменений) новообразований посредством использования специальных агентов. Перед началом исследования на участок кожи наносится дегидратирующе средство (полиэтиленгликоль-600 (ПЭГ-600), глицерин или др. Время экспозиции зависит от агента, так для глицерина - 10 мин., по истечении которых средство удаляется с поверхности), что позволяет устранить эффект поглощения ТГц излучения несвязанной водой и делает поверхность кожи проницаемой для ТГц. Далее оценивается форма новообразования и структура ткани, лежащей под поверхностью. Для этих целей используется ТГц спектроскопия отражения в технологии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО).

Для реализации метода, использующего полное внутренне отражение (ПВО), необходимо организовать преломление волн из более плотной среды в менее плотную под углом, превышающим критический. Кроме того, необходимо завести излучение в более плотную среду и вывести его оттуда после ПВО. Наиболее удобным средством для этого является призма из материала, показатель преломления которого превышает показатель преломления образца. В такой схеме, в принципе, можно изменять, контролировать глубину проникновения поля d в вещество.

Рис.1 Призма Довэ из кремния. Грани I и II обозначают соответственно основание и боковую грань равнобедренной призмы. Коэффициент преломления в ТГц-диапазоне 3,42, дисперсия и поглощение практически отсутствуют.

Для границы раздела воздух-материал призмы:

где ω – частота электромагнитной волны, с –скорость света, θ – угол падения, λ – длина волны, nпризмы – показатель преломления материала, из которого изготовлена призма, для других сред здесь следует понимать отношение показателя преломления призмы к показателю преломления вещества. Ясно, что близ границы ПВО знаменатель в формуле стремится к нулю, а глубина проникновения – к бесконечности.

Перспективным направлением исследований может в ближайшие годы стать и ранняя диагностика сахарного диабета. Большим преимуществом ТГц спектроскопии является возможность ее неинвазивного использования. Было показано применение ТГц спектроскопии для неинвазивного анализа глюкозы в крови по отражению кожи руки человека [16]. Анализ выдыхаемого воздуха позволяет проводить как диагностику диабета, так и ряда патологий органов дыхания и внутренних органов, позволяет провести раннюю дифференциальную диагностику онкологических заболеваний.

Прозрачность покровных материалов в ТГц диапазоне частот позволяет использовать данное излучение для неинвазивного контроля состояния заживления и рубцевания ран, динамику восстановления кожи после ожогов.

Новым и перспективным направлением ТГц излучения является офтальмология, где ТГц излучение позволяет неинвазивно измерять гидратацию роговицы. Данный показатель является важным диагностическим признаком в диагностике и лечении дистрофии, дегенерации, травмы или отторжения трансплантата роговицы. В методах рефракционной лазерной хирургии, таких как LASIK, скорость абляции хирургического лазера сильно зависит от гидратации ткани роговицы. В современной клинической практике точные неинвазивные методы непосредственного определения гидратации роговицы отсутствуют.