太赫兹时域光谱(Terahertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)基于对生物分子响应敏感和无损等优势,在生物医学研究领域具有广泛的应用前景,特别是肿瘤检测方向。本文依托国家自然科学基金项目,利用太赫兹时域光谱技术,开展了人体血清中唾液酸异常的病变检测问题研究。分别从肿瘤标记物唾液酸分子、唾液酸蛋白和血液细胞等层面研究了太赫兹时域光谱的检测与解析方法,重点研究了光谱响应机制分析、特征提取、肿瘤病变标记物含量异常判别等技术,为太赫兹时域光谱检测方法在医学辅助诊断中的应用提供支持。论文的主要工作和创新点如下:(1)肿瘤标记物唾液酸的太赫兹响应机理研究。为了更好地解释和利用太赫兹时域光谱法检测人体血清中肿瘤标记物唾液酸含量的异常信息,开展了唾液酸晶体的太赫兹波吸收特性、单分子和晶胞构型模拟方法以及唾液酸水溶液的响应机理研究和正向解析工作,完成了唾液酸单分子和晶胞太赫兹响应比较和实验验证,探究了唾液酸水溶液的水合作用,分析了唾液酸浓度对太赫兹波吸收谱的影响;综合上述结果,提出了肿瘤标记物太赫兹时域光谱响应与验证方法,为在生物医学领域利用太赫兹时域光谱开展肿瘤标记物的检测提供借鉴。(2)唾液酸糖蛋白的太赫兹时域光谱判别方法研究。在人体血清中,蛋白质如果被唾液酸化变为唾液酸糖蛋白(唾液酸成为蛋白质的基团),其可作为肿瘤病变的一个标记。围绕利用太赫兹时域光谱技术特异性识别蛋白唾液酸化的问题,针对唾液酸糖蛋白在太赫兹波段内无显著性吸收峰以及吸收特性受浓度影响导致的特征不显著问题,提出基于复合多尺度熵的唾液酸糖蛋白太赫兹时域光谱特征提取方法,达到关注序列总体变化趋势的目的,在非线性光谱分析中具有良好的优势;同时,对吸收系数、折射率、实介电常数和虚介电常数等太赫兹参数对于糖蛋白唾液酸化的敏感性进行研究,探究了太赫兹参数对识别的影响。(3)血清中唾液酸异常太赫兹时域光谱检测及肿瘤病变识别方法研究。血清中游离唾液酸和唾液酸糖蛋白等的含量异常是人体肿瘤病变的一个标志。本章围绕基于太赫兹时域光谱血清唾液酸异常检测和肿瘤病变识别若干问题开展了研究。针对基于太赫兹时域光谱的人体血清识别问题中的太赫兹参数的敏感性选择问题,提出了基于交并比的敏感性参数选择方法,定量计算来评价与选择敏感性参数;针对血清太赫兹光谱混叠造成的特征选择问题,提出了基于频率特征、主成分特征、序列信息熵特征的融合方法,建立了基于敏感性参数的病变血清判别模型,提高了病变识别的灵敏度和特异性,为未来血清唾液酸异常检测奠定了基础。总而言之,本文围绕着血清唾液酸检测与肿瘤病变识别方法的若干关键问题开展了研究。针对唾液酸单分子和晶胞太赫兹响应比较和实验验证,给出了太赫兹时域光谱正向建模与计算的技术方案和实现方法;围绕利用太赫兹时域光谱技术特异性识别唾液酸糖蛋白问题,提出基于复合多尺度熵的唾液酸糖蛋白太赫兹时域光谱特征提取方法;针对基于太赫兹时域光谱的人体血清识别问题中的太赫兹参数的敏感性选择问题,提出了基于交并比的敏感性参数选择方法;针对血清太赫兹光谱的混叠造成的识别特征选择问题,提出基于频率特征、主成分特征、序列信息熵特征的融合,建立了基于敏感性参数的病变血清判别模型。相关进展与成果对太赫兹时域光谱技术在肿瘤标记物识别和病变检测中的研究具有借鉴意义。本课题检测的病理分析支持由浙江大学医学院附属第二医院肿瘤研究所提供。