太赫兹(Terahertz，THz)是指频率为0.1~10 THz(1 THz=10¹² Hz，波长：30~3 000 μm)的电磁辐射。太赫兹所在光谱位置决定了其众多优点，如无电离辐射；具有一定的穿透能力；对极性物质敏感性高，尤其是对水含量更加敏感；与大部分生物大分子的振动和转动频率相重合，是研究生物医学较理想的光学波段^[1]。因为太赫兹波安全、灵敏、穿透力强等优越特性，其在烧伤检测、药物检测、血液检测和癌变组织等医学检验领域初步应用已取得较好的效果^[2-5]。

太赫兹光谱检测分为超短脉冲的时域测量和连续太赫兹信号的测量，其中太赫兹时域光谱技术是太赫兹波技术发展最为成熟的技术。太赫兹时域光谱(Terahertz time-domain spectroscopy，THz-SDs)技术为脉冲式时域测量，具有宽带、低能量的特性，可提供丰富的信息，且无电离损伤，包括不同物理参数和不同频率下的光谱信息。通过不同频率和不同的物理参数可进行相应的成像。牙体硬组织主要包括牙釉质和牙本质，牙体疾病大多发生于牙釉质和牙本质，比如龋齿、隐裂、牙体发育不良等疾病。牙体疾病的成像研究必定建立在正常组织结构的成像基础上。2001年CRAWLEY等^[1]通过对5个牙磨片进行光谱分析，证实可区别牙釉质和牙本质。2009年SIM等^[6]对湿润和干燥下4个不同牙磨片进行太赫兹光谱分析，结果展示可利用折射率和吸收系数区分干燥和湿润的牙釉质和牙本质。但这些研究样本量均较小，并且没有深入探讨哪种太赫兹参数的对比能力最佳，而国内目前少见关于太赫兹技术在牙体组织方面的相关研究^[7]。因此，本研究拟采用太赫兹时域光谱技术进一步观察人体正常牙釉质、牙本质的太赫兹物理特性，并探索最佳成像参数和频率，为今后牙体疾病成像奠定基础。

1 材料与方法 1.1 太赫兹时域光谱分析系统的搭建

太赫兹时域光谱系统由中国工程物理研究院流体力学研究所搭建(图 1)。太赫兹时域光谱仪主要由飞秒激光源、发射器、检测器、延迟装置和计算机组成。通过分光器将飞秒激光分为两束：一束为泵浦光束，用于产生THz；一束为探测光束。泵浦光束通过发射器产生THz，探测光束经过延迟装置与透射或者反射样本后的THz光束共线于检测器，最后经过计算机分析提取延时函数，得到时域光谱图形，通过傅里叶变换可得到频域光谱^[8]。

1.2 样本收集和制备

选取在陆军军医大学第一附属医院口腔科因阻生需完整拔除的无龋并且发育完全的人类第三磨牙15颗，刮除牙周软组织并经过超声清洗后保存于蒸馏水中备用，保存时间不超过1个月。利用环氧树脂将离体牙进行包埋，再使用低速齿科技工打磨机(401A型，上海齿科医械厂)在流水冲洗下沿近远中向平行于牙体长轴进行切片，制备含有牙釉质和牙本质的牙体组织纵行薄片。以游标卡尺精确控制切片厚度，流水冲洗下以280、600、800、1 400、2 000目砂纸序列打磨成0.7 mm左右的牙磨片，共15片(图 2)，每枚磨片均含有牙釉质和牙本质，浸泡于蒸馏水中超声振荡清洗5 min×2次，储存于去离子水中。

1.3 样本的太赫兹波检测及数据分析

记录太赫兹时域光谱系统空载时的参照光谱。取出前述牙体组织磨片，气枪轻轻吹干表面水分后竖直置于培养皿中自然干燥，以便磨片双面干燥情况一致。参照SIM等^[6]的方法，将样本置于室温(空气温度约为25 ℃，湿度约为70%)下干燥90 min后，置于样品载物台上，调整载物台使太赫兹光束中心(光斑直径＜2 mm)聚焦于牙釉质、牙本质，在室温条件下检测每枚磨片两种不同组织成分的时域光谱。通过探测透射样本后的太赫兹光谱，利用软件Origin Pro 9.0(OriginLab公司, 美国)进行信号处理，经快速傅里叶转变后，与无样本的参照光谱进行对比，计算出样本在不同频率下的折射率和吸收系数^[9-10]。

折射率n(ω)= ，其中f为频率(Hz)，d为样本厚度(m)，c为真空中的光速(3×10⁸m/s), φ(ω)为样本信号和参考信号的相位差^[11]。

吸收系数α(ω)=, 其中T(ω)为样本信号与参考频域信号振幅的模比^[12]。

1.4 统计学方法

采用SPSS 18.0统计软件，计量资料以x±s表示，不同频段的计量资料采用t检验。检验水准：α=0.05。

2 结果 2.1 不同牙硬组织的太赫兹时域和频域光谱

图 3显示了牙釉质、牙本质和参照光谱的平均时域和平均频域光谱。从图 3A中可见，时域图形中牙釉质和牙本质与参照光谱(空气环境下所测光谱)具有相似的图形，但其电场振幅和波形时间具有差异。利用时域光谱进行快速傅里叶转变，得到0~5.0 THz的频域图形(图 3B)，牙釉质、牙本质和参照光谱其频域图形相似，但牙釉质和牙本质的振幅在0.2~1.3 THz频段内具有明显差异，在1.3 THz之后的频段3种光谱的振幅都极小，接近为0。

2.2 不同牙硬组织在THz频段及不同频率点下的折射率

图 4为牙釉质和牙本质在0.2~1.3 THz频段的折射率。图 4A显示0.6 THz以后，牙釉质和牙本质的折射率随频率的变化不大，曲线较为平滑，牙釉质和牙本质的平均折射率分别约为2.7和2.1。为进一步了解牙釉质和牙本质之间的差异，对0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 THz频率的折射率进行统计学分析。发现所有频率下牙釉质折射率均高于牙本质折射率(P＜0.05)。

2.3 不同牙硬组织在THz频段及不同频率点下的吸收系数

图 5A为0.2~1.3THz下的牙釉质和牙本质吸收系数图，显示牙釉质和牙本质的吸收系数均随频率的增高而上升。图 5B显示不同频率下牙釉质和牙本质的吸收系数，发现在0.3、0.5 THz和0.6 THz频率下的牙釉质和牙本质吸收系数的差异有统计学意义(P＜0.05)。

2.4 在THz频段下牙釉质和牙本质的折射率和吸收系数比值

在0.3 THz处折射率有一明显的峰值，0.6 THz以后变得平缓，而吸收系数则在0.5~0.6 THz之间达到峰值。折射率的峰值高于吸收系数的峰值(图 6)。

3 讨论

太赫兹波具有无电离辐射、极性物质辨识性强以及可在活体组织上无损检测等众多优势^[13]。既往研究表明太赫兹在牙体组织中具有较好的穿透性，如ELISABETH等^[14]利用太赫兹对熊齿进行探测，可穿透数厘米。相对于其他组织，牙硬组织暴露于口腔，易于探测。并采用太赫兹反射模式可以对牙体内部结构进行无创检测，因此，太赫兹在牙体检测成像上具有良好的应用前景。正常牙硬组织的成像研究是研究龋齿、隐裂、牙体发育不良等多种牙科疾病的基础^[15]，故本研究采用太赫兹时域光谱技术进一步观察人体正常牙釉质、牙本质的太赫兹物理特性，寻找最佳成像参数和频率，为今后牙体疾病成像奠定基础。

由于太赫兹波对水较为敏感，为尽可能减小样本表面水分带来的影响，本实验参照SIM等^[6]的方法在空气温度约20 ℃，湿度约70%的室温下对所有样本进行自然干燥，所有样本均严格控制干燥时间为90 min。既往研究发现折射率和吸收系数可较全面的解析太赫兹时域光谱信息^[1]。因此，本研究对这两种参数进行了进一步研究。检测所得的时域光谱经快速傅里叶变换可得到0~5.0 THz的频域光谱。由于研究结果显示1.3 THz频段之后频域振幅较小，接近于0，并且该仪器在0.2~1.3 THz频段内的光谱信息可信度较高。故本研究选取0.2~1.3 THz波段进行分析和探究。

本研究结果显示在所选频段中，牙釉质的折射率高于牙本质的折射率。折射率代表光从真空中进入样本时速度的改变。当光源一致，折射率的差异主要与介质的致密程度和本身结构相关^[10]。牙釉质和牙本质主要由羟基磷灰石晶体构成，但牙本质的晶体较牙釉质小，并且致密程度高于牙本质，牙釉质的洛氏硬度为牙本质的5倍^[16]。所以当太赫兹光束通过相同厚度的牙釉质和牙本质，致密程度的不同造成通过牙釉质的时间更长，折射率更高。所熟知的可见光通过三棱镜后出现色散现象，频率越大的单色光其折射率越大。与既往研究结果类似^[6]，本研究结果也表明太赫兹光似乎与可见光色散现象不完全相同。由于目前对太赫兹光的研究仍处于起步阶段，太赫兹的许多光学物理特性仍不清楚。这可能是因为太赫兹光频率与可见光的频率相差3个数量级^[1]，并太赫兹在光谱中是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区^[17]，因此太赫兹物理特性可能不能以普通光学原理进行阐释。太赫兹的频率与折射率的关系有待进一步研究。

吸收系数与太赫兹光进入单位厚度样本后能量的吸收以及损耗有关^[10]。本研究结果显示牙硬组织吸收系数与频率呈正相关，提示了频率越高的太赫兹波更容易被牙硬组织吸收。目前研究表明水和大分子蛋白等极性物质对太赫兹波具有强吸收性，在烧伤组织、血液以及癌变组织等疾病的研究中也发现太赫兹吸收系数与水含量密切相关^[7]。牙本质中水及蛋白远大于牙釉质(牙本质含水量为5%~10%，牙釉质几乎不含水)^[16]，理论上牙本质的吸收系数应高于牙釉质，但本研究结果显示大部分频段中牙釉质和牙本质吸收系数无明显差异，甚至在0.5~0.6 THz频段牙釉质的吸收系数比牙本质的更大。造成这种结果的原因可能是由于本研究采用的吸收系数受到两个部分的太赫兹能量损耗影响，其一为太赫兹光进入样本时被反射所造成的损失，其次为太赫兹光进入样本内部产生吸收而损失了能量。根据菲涅尔公式，折射率高时反射率也就高。由于牙釉质的折射率高于反射率，牙釉质的反射率极有可能大于牙本质的反射率，而牙本质的极性物质含量高于牙釉质，这两种损耗相互掩饰抵消。所以虽然牙釉质和牙本质在极性物质含量上存在差异，但吸收系数相差并不大，采用吸收系数并不能有效辨识牙硬组织。

在成像研究中，图像对比度是一个重要的参数，好的图像对比度会让图像更加清晰，从而更加容易分辨识别不同物质。对比度可通过两种物质的比值来反映^[9]，当比值离1越远，则对比度就越大；而比值越接近1则对比度较小。为进一步探索折射率和吸收系数对比度更强，本研究分别计算了不同频率下，牙釉质和牙本质的折射率比值以及吸收系数比值，发现牙釉质和牙本质的折射率对比度均优于吸收系数对比度，并且在0.3 THz处达到最大。这提示在0.3 THz的频率下，采用折射率进行牙硬组织成像可能更佳，并且能够有效区分牙釉质和牙本质。

本研究结果表明，牙硬组织不同成分具有不同的太赫兹物理特性。采用太赫兹时域光谱的折射率成像对比度更强，更适合于区分牙釉质和牙本质。虽然目前太赫兹技术在牙科方面的应用仍处于探索阶段，但作为一种新兴的检测技术，太赫兹具有无创、无电离辐射、具有一定穿透能力的特点，并且能够提供牙体多维信息，在牙体疾病中具有非常广泛的应用前景。