筆型 雙軸共軛焦顯微鏡 類 顯微版 電腦斷層

無所遁形，筆型顯微鏡幫你診斷癌症 作者 Sharon Shih | 發布日期 2016 年 03 月 03 日罹患癌症，就像人生被卡車輾過一樣糟糕，但你知道開刀房裡，和你一起拚命的醫師怎麼決定手術範圍嗎？治療的目的是把惡性腫瘤切乾淨，但癌細胞不會自己標明是壞東西，那該如何驗明正身呢？通常和醫師的經驗判斷有關，癌化組織，嚴重者會有明顯色澤、形狀差異，質感軟爛或者偏硬，有時在邊界會有一圈硬結（Induration），但介於正常跟顯著異常中間的組織，醫師就難由肉眼判斷。因此醫學上會有一些準則，比如口腔癌，切除範圍會由病灶邊緣，再往外延伸 1.5 至 2 公分當作安全距離（Safety margin）。當然還有更科學的方法，手術時，醫師會取邊緣組織當場送化驗，以確定餘下細胞為良性，這稱為冷凍切片（Frozen specimen）法，亦即將檢體直接送至實驗室，歷經急速冷凍、切片、染色、在玻片上固定組織，然後由病理科醫師判讀細胞型態，此法具可信度但耗時。若是狀況穩定的病人，多等一點時間也許無妨，但如果是腦部手術，醫師把頭蓋骨都掀開了，空等化驗時間，無疑增加更多的風險。因此就有科學家思考，能不能把顯微鏡搬到手術室裡呢？華盛頓大學（the University of Washington）機械工程系，和斯隆-凱特琳癌症紀念中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）、史丹佛大學（Stanford University）醫學院、巴羅神經學研究所（Barrow Neurological Institute）合作，共同研發出一款鏡頭不到 1.2 公分、筆型大小的雙軸共軛焦顯微鏡（dual-axis confocal microscopy）。傳統的顯微鏡價格昂貴，而且體積大，至少佔一隻吹風機或小型牙科 X 光機的大小，但若為了讓顯微鏡輕量化，又常會犧牲圖像品質及性能，像是解析度、視野、深度、敏感性、影像對比度或處理速度，尤其當儀器對患處的穿透力不足，那切片組織結構就無法精準成像，因此影響診斷。

像「顯微版」的電腦斷層「共軛焦顯微鏡技術」的物鏡焦點與聚焦透鏡焦點位置相互對稱，也就是照明點與探測點在光學成像上為「共軛」，兩鏡焦點會同時落在樣本表面，因而得名。一般來說，當光聚焦於樣本上，那聚焦點的斷層面，稱為聚焦面 ( focus plane )，聚焦點外的稱為非聚焦面（Out-of focus plane），而共軛焦顯微鏡利用空間濾波器來降低雜訊的強度，排除影像迷光（Stray light），得到更好的光學解析度。 「共軛焦顯微鏡技術」的物鏡焦點與聚焦透鏡焦點位置相互對稱，也就是照明點與探測點在光學成像上為「共軛」，兩鏡焦點會同時落在樣本表面，因而得名。圖下方是試片，也就是照明點，右邊是光偵測器，也就是探測點，下方的透鏡是物鏡，右邊的透鏡是聚焦透鏡，兩者互相對稱。（Source：國家衛生研究院）藉由此技術，可以取得在樣本表面上特定深度的反射光訊號強度，因此操作者可指定樣本的上及下點的位置，設定光學切片的厚度（optical sectioning），得到組織的橫斷面圖像，並且能做連續性掃描，重組為立體影像，供各種角度的旋轉或切面觀察，就像是「顯微版」的電腦斷層。而它還能和其他技術結合，像是免疫螢光法、原位雜交技術，就能夠觀察到亞細胞水平上像是鈉鉀離子通道、酸鹼值、膜電位等生理信號和靶分子（蛋白或基因等）的結構，因此成為近代最重要的生物醫學影像發展之一。最早共軛焦顯微鏡為單軸系統，直至近年開發出「雙軸系統」，若以比喻來說，就像你在濃霧中開車，即便使用遠光燈，視線還是不清楚，但如果從不同角度去照，就能減低眩光的程度。同樣道理，雙軸結構就是藉由多個散射光具焦同一點，而減少多餘的背景干擾。除此之外，當顯微鏡要變身為手持裝置，最需要克服的就是成像速度以及手震。共軛焦顯微鏡技術最開始是採二維的點狀掃描（point-scanned dual-axis confocal microscope），它能觀看到更深的組織深度，但缺點就是成像速度慢，一幅圖像就需約一秒鐘，而且容易因為震動而產生移動假影（motion artifacts），因此，後來發展出現狀掃描（line-scanned dual-axis confocal microscope），這能加快畫面更新率（或稱「影格率」，frame rate），每秒鐘播放的靜態畫面數可達 16 禎，甚至更快，就能降低因手震而造成的影像模糊。而以華盛頓大學機械工程系為首的研究團隊，另發展出一種模式，藉由成對可旋轉的排列鏡子，將雙軸共軛焦顯微鏡的光束列隊整齊，並結合一種特製的物鏡（在顯微鏡前端，第一個接收到被觀測物體光線的透鏡或面鏡），因此可以讓顯微鏡達到 2.0 微米（microns）的光學切層，和 1.1 微米的橫向解析度（水平方向上區分兩個相鄰質體最小距離的能力，lateral resolution）。但對於臨床醫師而言，筆型顯微鏡最重要的功能，是能夠捕捉到組織表面下半毫米（millimeter）的影像，這個深度十分重要，因為相對於組織而言，對應的是基底層（basement membrane），若基底層受到侵犯，就要合理懷疑組織有癌化現象，那麼在醫療或手術現場，就能辨別正常跟惡性組織。為了證明裝置具備獲取螢光圖像的能力，研究團隊對小老鼠的耳朵、腎臟、結腸作測試，將組織以 1% 亞甲基藍（Methylene blue）染色來標記細胞核，並和常用於鑑別細胞核和細胞質的蘇木紫──伊紅染色（Hemotoxylin-eosin，H&E）病理切片做圖像比對，發現兩者皆能將同樣的細胞特徵呈現出來，意即筆型顯微鏡所看到的細胞結構，就跟實驗室裡的大型裝置一樣，並沒有太大的差異性。

筆型顯微鏡製程問題大 可惜，筆型顯微鏡仍有許多待突破的困難點，首先製程就是大問題，這麼精密的儀器是採微機電系統（Microelectromechanical Systems，MEMS），一種類似半導體的製程技術。根據華盛頓大學機械工程系助理教授強納森劉（Jonathan Liu）表示：「裝置所有的零件細節，都必須特製，而且只能在實驗室裡手動組裝，這意味著其精密程度為微米（micrometer）等級，比一毫米（mm）還要微小至千分之一，因此光是組裝就耗時3年半。」此外，在實驗室裡，科學家能自由調整電線、光纖和螺釘的鬆緊程度來因應成像需求，但如果在醫院由外科醫生或腫瘤學家操控，那儀器設計必須更安全、更穩定、而且要能達到無菌或適合消毒的標準。另一個現實考量在於，現今醫師的養成訓練朝專科化發展，因此外科醫師並不熟悉判讀，而病理科專家不會手術，即便有即時組織影像，第一線醫師恐怕還需要特訓一番，或交由病理科醫師診斷。但筆型顯微鏡對於臨床的影響，仍是不可抹滅的，它幫助醫師決定手術切除範圍，更強化基層及偏鄉的第一線癌症檢測。以台灣來說，健保提供民眾做四癌篩檢，單以口腔癌部分，無論是牙醫或耳鼻喉科醫生，一旦發現患者黏膜異常，都必須仰賴切片手術來確診，但這屬於侵入性處置，造成病人傷口疼痛，而且檢體（specimen）量大也會增加病理科的負擔。姑且不論這裝置現今可能的機會與限制，我們試著「跳出框框思考」，將成像、軟硬體結合，會不會剛好就是未來醫療的雛型呢？以在醫療人工智慧領域執牛耳地位的 IBM 來說，它們研究室開發的 Avicenna 軟體，利用了深度學習來協助放射科醫師做電腦斷層影像的診斷；早先 IBM 更與斯隆-凱特琳癌症紀念中心合作，將圖像識別技術和機器學習系統應用於皮膚癌臨床外觀的鑑別，且診斷準確率高達 75-84%。因此，人工智慧若確實具備可信度，那麼未來筆型顯微鏡只要能和遠端電腦連線，便能產出即時的病理診斷，這帶給我們的想像是，攜帶式裝置能大為取代醫療機構的檢查功能，而未來，人類需要走進醫院接受診治的機會愈來愈少，也更趨向個人化的精準醫療（Precision Medicine）。