样机开发计划书
【项目总体要求】
针对目前乳腺癌影像诊断的不足，本项目拟发明一种新型大型医疗影像仪器，此仪器基于THz-OCT（已申请国际专利）的原理，可以对乳腺癌病变区域进行结构性和功能性双模信息的分析，进而实现对乳腺癌的发现和探测。 太赫兹的光谱分辨特性使得太赫兹光谱成像技术不但能够辨别物体的形貌，而且能够鉴别物体的组成成分。但是，THz成像技术也存在不足，THz在生物组织内会遇到强烈的吸收，影响信号的提取；太赫兹技术还不成熟，硬件成本较高，性能不够理想，在全世界范围内，太赫兹的应用仪器还较少。本项目是对太赫兹技术及仪器开发进行探索，希望充分发挥太赫兹的优势，在乳腺癌检测方面做些应用研究。 时间 | 项目合同确立的目标 | 目前进展情况 |
2009年12月–2010年4月 | 搭建THz-OCT 三维成像系统。其中包括太赫兹发射和接受装置（飞秒激光器，太赫兹发射器、接收器）OCT 系统（太赫兹半透半反透镜，聚焦透镜，太赫兹反射镜，微位移平台） | 搭建THz成像系统，其中包括太赫兹发射和接受装置（飞秒激光器，太赫兹发射器、接收器、太赫兹半透半反透镜，聚焦透镜，太赫兹反射镜，微位移平台） |
2010年5月-2010年12月 | THz-OCT 三维成像系统调试，新型相位调制器的设计，并进行实测，获得生物组织的THz-OCT 图像，并对图像进行处理，获得生物组织的结构和功能信息 | 实现分辨率为500um的成像；目前样品均为1mm厚度的组织切片，可以实现完全透射探测；对系统进行快速扫描的改造； 实现成像软件设计，可以同时获取样品的多重信息 |
2011年1月–2011年4月 | 进一步对系统进行完善，提高探测深度、探测精度，探测速度。 |
2011年5月-2011年8月 | 针对乳腺组织进行检测，特别是对健康者和乳腺癌患者的乳腺进行检测、比对。 | 已完成60余例样品的检测与对比工作。 |
2011年9月–2012年4月 | 完善优化，样机封装，并送国家检测。 | 正在进行部分。 |
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到目前为止，项目的部分任务已经完成，但是由于太赫兹成像技术难度较大，有些参数与预先设计有较大差距，整个项目仍处于探索阶段，因此我们现在致力于开发初步的成像样机，重点是样机外形设计、组装、调试和送检，希望能在后续的检测和实践中不断的提高。
【样机参数】
参数类别 | 项目预期参数 | 目标参数值 |
光谱参数 | | 扫描速度：10 光谱/秒 时间窗口：100ps 光谱范围：0.1-3.5THz 光谱分辨率：10GHz 信噪比：105:1 |
成像参数 | 横向分辨率200um 纵向分辨率达到微米级 穿透深度20cm（此项参数正在申请修改） | 样品尺寸：25mm X 25mm 扫描方式：逐点或连续 步长分辨率：200-500um 成像时间：约10 -20min 光学分辨率：0.3mm 穿透深度：0.1-3mm |
仪器规格 | | 尺寸：光学机箱800 × 600 ×410 mm3 控制机箱500 × 500 × 720 mm3 重量：光学机箱约60kg 控制机箱约48kg |
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【已有软硬件基础】
(一)实验室平台建设
我们已经搭建了比较完备的太赫兹实验平台，实验室面积300平米，有三个超净实验室，仪器购买总资金近1000万元，已有一套商用的太赫兹时域光谱系统、太赫兹光谱仪，自行开发了太赫兹被动成像仪、太赫兹-毫米波人体成像仪、太赫兹仪等，在太赫兹科研方面所需仪器和技术储备较为完善。以下是已有太赫兹设备简介：
(二)本项目太赫兹乳腺癌成像设备开发的进展：
我们已经能够初步开发出太赫兹乳腺癌成像实验室系统，能够完成乳腺癌样品的成像任务，实测乳腺癌样品60余例，与已有通用太赫兹系统相比（欧兰TDS系统）具有成像速度快，光谱获取速度高，信噪比高，样品操作实用化的优点。特别是在以下几个方面有显著提高：
1）氮气吹扫系统使得系统噪声降低，水峰影响显著减小。
在商用太赫兹时域光谱系统的基础上，安装了氮气密封舱，消除空气中水蒸汽对太赫兹的吸收影响，图中黑曲线是未安装氮气密封舱，红曲线是安装氮气密封舱之后的光谱，可以看出水吸收峰被消除掉，大大提高了信号的信噪比。
2）硬件配置更加紧凑，为制作样机打下基础。
自主研发的太赫兹时域光谱系统（采用光整流效应，光谱宽度更大，离轴抛物面镜实现更好的聚焦效果）
3）光束质量较好，分辨率高。
太赫兹成像系统光学分辨率测试（采用太赫兹面成像仪）：所得分辨率约0.3mm
太赫兹成像系统光学分辨率测试（采用刀口法）：所得分辨率约0.3mm，图中可见横向模式较好，为单模输出。
4）自行开发的软件系统简单直观、易于使用。
连续获得时域信号的光谱分析软件
5）快速光谱扫描系统能够有效提高采集速率（理论可达到数千倍。原系统6分钟得到1个光谱，现可达到每秒5个光谱，实际提高1800倍），详细内容下文详述。
【已有临床基础】
通过与深圳妇幼保健医院的合作，获得乳腺癌先切样品及冷冻样品，共完成60余例样品实测实验，所得结果与国际已有实验结果相符合，特别是与我们的合作专家Emma教授的先期实验结果一致，目前正与新加坡科技研究局龚教授合作引入其首创的太赫兹偏振成像系统，极大提高肿瘤诊断的准确性、实效性。
分别应用透射功率、吸收系数和折射率的太赫兹成像，成像所应用的太赫兹频率可以灵活调整。
太赫兹课题组成员——外籍青年科学家Emma所作的太赫兹成像
【研发重点】
1.控制系统
根据我们多年的成像系统开发经验，自行开发中央控制系统，对成像系统的重要部件进行智能化、统一化控制，有效的提高了硬件效率、成像速度，为商业化样机开发打下基础。
快速成像系统的电学设备连接示意图
2.快速成像
太赫兹快速成像系统的一个关键技术是如何来实现快速的光学延迟线，这里我们采用音圈电机和回返镜的组合，延迟线本身可以达到每秒10Hz以上的扫描速度，每次扫描可获得1024个太赫兹光谱数据，极大的提高太赫兹成像系统的光谱甄别能力。
我们所采用的快速延迟线是由新加坡雅克斯贝公司生产的音圈电机，代表了当今硬件的最高水平，软硬件联调正在进行中。
音圈电机 音圈电机与回返镜的组合三维建模
3.整机调试
在将系统的每一部件调试正常工作后，还要将各个部分组合起来作为一个整体调试，使各部分相互配合，协调工作。
电机运动平台控制调试 信号处理模块调试
4.组装和外形设计
太赫兹成像系统样机的整体结构设计分为两个部分：一个是光学系统部分，一个是控制部分，分别对应着下图中的两个箱体。光学系统部分包括激光器和太赫兹的产生、探测光路；控制部分包括激光电源、冷水机、锁相放大器、电机控制箱、发射器和探测器电源等。
太赫兹成像系统三维建模效果图
太赫兹发射和探测光路三维建模效果图
【时间节点和人员配置】
时间 | 进度 |
201209 | 1.设计整机光路和外观 2.数据采集调试 |
201210 | 1.整机机械和钣金加工完成 2.二维成像平台控制调试 |
201211 | 1.光学系统安装调试 2.快速延迟线、成像平台和数据采集联调 3.样品成像测试 |
201212-201309 | 1.首台样机的改进完善 2.再开发2台样机 |
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人员配置
总体规划设计：金雷、冯广智
控制系统：刘文权、陈毅
光学系统：冯广智、张艳东
软件：刘文权、刘玉波、李凯
光谱仪：时华峰
电机：姜永涛
【已有成果】
目前研究室在太赫兹方面共发表期刊论文6篇，会议论文18篇，共申请专利7项，其中发明6项，实用新型1项，PCT国际专利申请1项，另外有提交专利交底书的8项。
论文发表
【期刊】
1、余菲，时华峰，金雷.主动式毫米波成像系统实现与方案设计.微波学报.(已录用)
2、L.Q.Chen,et al.A Method to Precisely Extract Refractive Indices of Samples through Transmission Terahertz Time-domain Spectroscopy[J]. journal of infrared and millimeter waves (accepted)，2012. （SCI，IF=0.452）
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