用于细胞刺激的太赫兹光学系统研究

作     者：马国超 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡恩林

授予年度：2023年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 10[医学] 

主      题：太赫兹系统 光学设计 TracePro仿真 生物细胞 

摘      要：由于太赫兹波与生物分子的共振频率相近,又具有低能特性,不会造成电离损伤,因此太赫兹技术在生物医学领域具有独特的优势。相较于太赫兹波在医用诊断、成像领域取得的进展而言,太赫兹技术在治疗康复领域的运用尚处于探索阶段。运用太赫兹辐射技术发展治疗康复手段,尤其是针对神经系统疾病,将为疾病的诊断和治疗提供全新的理论支撑依据。而在实际操作中由于皮肤、肌肉和生物组织会对太赫兹波能量传输产生影响,并且现有的太赫兹辐照系统主要是针对太赫兹源的改进,对光学系统本身透镜组的研究较少。因此,本文依托课题组实际科研项目,开展了用于细胞刺激的太赫兹光学系统的相关研究,主要内容如下:(1)考虑到太赫兹波在传递过程中的能量损耗,本文根据太赫兹波的特性在光学仿真软件TracePro中进行了太赫兹光学系统构建,通过对比三种光源的优缺点并结合实验室太赫兹激光器的特点发现格点光源与本实验所采用激光器切合度高,有利于仿真与实际光源相匹配,因此选格点光源作为仿真光源。同时选择在表面涂覆聚对二甲苯增透膜的高电阻率浮区硅作为太赫兹透镜材料,并且通过软件设计以及多次光线追迹实验,不断优化透镜参数,建立了三片透镜组成的太赫兹光学系统。(2)为了适应不同研究对象的需求,使太赫兹波能够精确辐照到神经核团上,需要设计能够实现长焦距及宽范围内有效聚焦的太赫兹光学系统。本文设计的太赫兹光学系统可以针对不同生物样品进行太赫兹辐照实验,能够在从第三片透镜到像面330mm～420mm范围内实现良好聚焦,能够在90mm范围内将能量更一致地逐点汇聚到多个靶点位置。同时该系统还能够通过调节第二片透镜的位置来控制系统的离焦程度,从而改变样品平面处的太赫兹波能量强弱及光斑大小。(3)为了验证太赫兹的强穿透性,本文进行了太赫兹穿透性实验,实验结果表明了太赫兹波能够穿过木盒、刀和人手等,证明了太赫兹波的强穿透性,满足该研究需求。同时根据仿真结果定制了太赫兹透镜,搭建用于细胞刺激的太赫兹光学系统,使用该系统进行了生物细胞辐照实验。实验选择大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞(PC-12)细胞作为实验对象,实验结果表明一定强度的太赫兹波对PC-12细胞的活性有促进作用并且能够部分拮抗鱼藤酮(Rotenone)引起的PC-12细胞活性降低。综上,本文设计了用于细胞刺激的太赫兹光学系统,该系统研究了太赫兹在复杂生物结构中的传输特性和能量分析,并进行了仿真分析与实验结合验证,初步证明太赫兹光学系统能够满足太赫兹能量辐射研究的要求,可广泛应用于生物组织或细胞的各种太赫兹辐射实验。研究结论为太赫兹在生物医学领域的潜在应用提供了新思路,为发展基于太赫兹手段的神经疾病无创伤诊疗手段提供了依据。