太赫兹(Terahertz, THz)波, 频率范围为0.1~10 THz, 位于电磁频谱的红外(IR)和微波区域之间, 对水具有显著的敏感性。 这种特性, 结合其在生物组织中被认为的安全性, 使太赫兹波成为推动下一代生物医学诊断技术发展的一个有前景的工具^{[1, 2, 3]}。 太赫兹波与水分子簇的重组和解离能量具有特定的对应关系, 这使得它们对水极为敏感。 这种敏感性能够实现对生物样本中水分分布和含量的精确测量, 从而使其可用于肿瘤和烧伤等疾病的诊断设备^{[4, 5]}。

皮肤是人体最大的器官, 在多种关键功能中发挥着重要作用, 包括作为保护屏障、 调节体温以及参与免疫反应。 这种保护屏障至关重要, 因为它能够有效抵御外部化学、 物理、 机械和生物侵害, 从而防止内部水分和营养物质的流失。 维持皮肤屏障功能的完整性是必不可少的, 因为任何对这一功能的破坏都可能引发或加重各种皮肤疾病的发展。 因此, 迫切需要对皮肤屏障损伤与不同皮肤疾病之间的相关性进行深入研究, 体现了在临床治疗中恢复皮肤屏障的重要性^{[6, 7, 8, 9]}。

目前使用的非侵入性皮肤检测技术旨在测量与皮肤屏障相关的生理指标, 从而解决视觉检查的主观性和组织病理学检查的侵入性限制。 这些技术检查的一个关键参数是经表皮失水(transepidermal water loss, TEWL), 它量化了表皮水分蒸发的速率, 是皮肤屏障功能的一个关键指标。 较低的TEWL值对应着更健康的角质层屏障。 然而, 许多因素可以影响TEWL的读数, 包括解剖位置、 汗液分泌、 皮肤温度、 个体差异、 空气流动、 环境条件、 湿度和测量工具。 此外, 研究表明, TEWL水平可能会受到心理压力、 吸烟习惯、 皮肤微循环的影响, 并且在不同年龄人群中表现出差异^{[10, 11]}。

由于对水的敏感性, 太赫兹光谱技术有望精确测量皮肤中的水分含量, 因此受到了多个跨学科领域的关注。 以往的研究主要集中在改进测量方法和验证仪器原理上, 重点关注皮肤损伤前后的物理参数(如介电常数)的评估^{[12, 13]}。 现有的检测技术需要接触式测量, 需要仔细考虑接触表面和封闭效应^{[14, 15]}。 此外, 传统的皮肤成像仅限于单点采样, 缺乏全场成像能力^{[16, 17]}。 本文使用太赫兹时域光谱仪(THz time-domain spectrometer, THz-TDS)进行了概念验证实验, 以实现安装在高精度二维平移台上的明确定义的皮肤样本的二维(two-dimensional, 2D)成像。 通过逐点进行太赫兹透射扫描, 获得了小鼠皮肤切片的高分辨率、 大面积的太赫兹图像, 从而实现了体外分析, 将太赫兹透射率与皮肤屏障损伤前后的皮肤水分含量联系起来。 研究结果表明, 太赫兹成像技术是一种可行的评估皮肤屏障功能的方法, 说明了其在未来与机器人或手持设备结合用于皮肤屏障检测的潜在应用前景。

图3展示了使用太赫兹成像对受损和未受损皮肤样本进行的比较分析。 为确保严谨性, 采用了三种不同的皮肤剥离方法。 通过将照片与太赫兹成像结果进行对比, 观察到太赫兹成像能够准确反映小鼠皮肤的轮廓。 太赫兹图像中的灰度值表示太赫兹透射率, 灰度值越高, 透射率越高。 太赫兹透射率与皮肤水分含量呈负相关, 而皮肤水分含量是皮肤屏障损伤的一个重要指标。 因此, 高太赫兹透射率(高灰度值)对应于受损皮肤。 此外, 皮肤剥离方法对成像结果产生了显著影响。 采用60 ℃水浴刮取法制备的样本比直接用80 μ m切片机切片的样本显示出更明显的图像对比度。 通过Dispase 法获得的图像对比度最为突出, 这可能是由于样本厚度更加均匀, 从而减少了厚度差异对实验结果的影响。

图3

Fig.3

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	图3 使用三种皮肤剥离方法对胶带损伤的皮肤屏障和未损伤样本进行比较Fig.3 Comparison between the tape-damaged skin barriers and undamaged samples using three skin-peeling methods

在样本扫描过程中, 在每个点收集了时域波形。 随后, 对这些时域波形进行了快速傅里叶变换(FFT), 以获得对应的频域分布。 这些分布在0.1~2.5 THz的范围内进行了积分, 因为这一范围提供了最佳的成像质量, 如图2所示。 此后, 将积分值转换为灰度值用于成像, 从而得到了图3。 通过测量皮肤样本的太赫兹透射率, 能够清晰地区分被胶带损伤的皮肤部分和未经处理的样本。 然而, 原始太赫兹图像中出现了伪影, 可能会降低后续处理、 分析和识别的性能。 例如, 聚乙烯(PE)板边缘的反射导致能量损失, 在图像中表现为黑色边框。

因此, 对图3中的成像结果进行了初步处理。 首先, 去除了图像中的黑色边框。 接着, 使用大津阈值提取法(otsu threshold extraction method)追踪样本的边缘, 如图4中红色线条所示。 随后, 计算了红色线条内的平均灰度值, 得到了表2中的数据, 并计算了标准差。

图4

Fig.4

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	图4 提取区域图像, 在红色区域内计算灰度值Fig.4 The image is extracted and the grayscale value is calculated in the region inside the red

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 平均灰度值结果 Table 2 The average grayscale value of the imaging result Number of samples Average grayscale value Standard deviation Ⅰ A 113.082 2 7.620 6 Ⅱ A 129.011 0 3.875 3 Ⅰ B 111.438 3 6.954 9 Ⅱ B 111.977 5 3.586 7 Ⅰ C 111.286 7 4.161 7 Ⅱ C 141.628 7 2.021 0

表2 平均灰度值结果 Table 2 The average grayscale value of the imaging result

平均灰度值的表达式为

$\mathrm{Avg}=\frac{\displaystyle\sum_{P} G}{A}$(1)

式(1)中, Avg表示平均灰度值, P表示提取区域内每一个像素点, G表示像素点的灰度值, A表示提取区域的面积。

与对照组相比, 实验组在平均灰度值上显示出较高的数值。 灰度值的升高表明THz波透射强度更高, 这与皮肤水分含量较低有关。 不同的皮肤剥离方法也影响了结果。 这些发现与之前的视觉观察结果一致, 证实了THz透射率与皮肤水分含量之间的关系。 然而, 这种提取方法并未消除覆盖塑料薄膜和其他杂质引起的伪影, 导致Ⅰ B和Ⅱ B提取的平均灰度值几乎相同。 为解决这一问题, 需要进一步进行图像处理。

THz-TDS成像的优势在于时域的THz波形能够提供样本沿z轴的厚度信息。 这种厚度分辨信息可用于区分真实的皮肤图像和污染信号。

为了获取沿z轴的厚度信息, 利用THz时域波形的希尔伯特变换, 提取THz信号的时间包络, 从而生成THz时域层析图像。 以Ⅰ B和Ⅱ B为例, 这两个样本之前在平均灰度值上表现出轻微的变化, 这种方法也适用于其他样本。 当THz信号与样本中不同厚度区域相互作用时, THz层析图像中会出现显著的延迟, 能够确定样本的位置以及相应的时间间隔, 如图5所示。 为了通过减少伪影和外来影响来提高成像精度, 定位并提取由THz信号穿透引起的延迟区域。 提取过程包括首先去除边界包络的突变, 以消除黑色边框的干扰, 并分离出由红色虚线标记的区域内的信号。 随后, 从虚线框的下边界开始逐层提取, 以0.033 ps的间隔逐层向上提取, 直到到达虚线框的上边界。 样本Ⅰ B的范围为36.3~36.5 ps, 样本Ⅱ B的范围为36.3~36.6 ps, 这与样本的厚度相对应。

图5

Fig.5

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	图5 THz层析成像 (a)样本Ⅰ B(左侧)和Ⅱ B(右侧)的THz成像; 红色虚线标出的横截面包含厚度信息, 分别在(b)和(c)中显示; (b)样本Ⅰ B: 红色虚线框标出了提取区域的边界; (c)样本Ⅱ BFig.5 THz tomography (a): THz imaging of sample Ⅰ B (left) and Ⅱ B (right); The cross sections with the red dotted lines, containing the thickness information, are shown in panel (b) and (c); (b) Sample Ⅰ B: The red dashed box delineates the extraction area boundary; (c) Sample Ⅱ B

对从每一层提取的THz包络进行归一化反转, 将其转换为灰度值, 使得最大值对应于黑色。 从每一层提取的灰度值将被堆叠, 重叠区域通过计算平均值来处理。 将此过程应用于样本的所有部分并将其组合, 得到没有反射、 杂质或其他干扰的皮肤样本的形状(在图6中标记为ⅰ )。 使用基于频域分布积分的先前描述的方法, 使用图5中红色虚线框包围的区域的光谱数据来生成新图像。 通过将皮肤样本的形状映射到新生成的图像上, 确保它们的尺寸比例一致(在图6中标记为ⅱ ), 计算出皮肤样本形状内的平均灰度值。 与之前发现的微小灰度值差异不同, 使用上述方法排除干扰后获得的灰度值为Ⅰ B: 46.098 1和 Ⅱ B: 100.025 8, 表明两个样本在THz波吸收方面存在显著差异。 因此, 层析方法可以准确检测由胶带剥离引起的离体皮肤样本的THz透射率变化。 这进一步验证了皮肤屏障破坏、 水分含量变化和THz透射率变化之间的关系。

图6

Fig.6

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	图6 提取的成像结果 (a)ⅰ : 样本Ⅰ B的皮肤分布; ⅱ : 样本Ⅰ B的修改后成像; (b)ⅰ : 样本Ⅱ B的皮肤分布; ⅱ : 样本Ⅱ B的修改后成像Fig.6 The extracted imaging results (a) ⅰ : Skin distribution of the Ⅰ B sample; ⅱ : Modified imaging of IB samples; (b) ⅰ : Skin distribution of Ⅱ B samples; ⅱ : Modified imaging of Ⅱ B samples

本研究展示了THz成像和光谱技术在皮肤屏障损伤检测和分析中的潜力。 利用THz二维透射成像系统, 通过体外切片模型采用多种样本制备方法, 建立了由胶带剥离引起的皮肤屏障损伤导致的水分含量变化与THz透射率之间的相关性。 通过从层析图像中提取有效区域并分析平均灰度值, 展示了胶带诱导的皮肤屏障损伤样本与其对应对照组之间THz透射率的变化。 尽管透射式成像方法很难应用于活体检测, 但研究建立的皮肤屏障损伤、 太赫兹透射率和含水量直接的关系为进一步的活体成像奠定了基础。 此外, THz波对水分子的高灵敏度为检测与皮肤屏障功能相关的皮肤水合变化提供了新的工具。 THz成像技术有望成为皮肤病理学和临床诊断中的重要工具, 特别是在快速、 无创评估皮肤屏障功能方面。