無所遁形,筆型顯微鏡幫你診斷癌症

作者 | 發布日期 2016 年 03 月 03 日 17:01 | 分類 科技教育 , 醫療科技 follow us in feedly
University of Washington

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。

Confocal Microscope

「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,後來發展出線狀掃描(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)。

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▲由華盛頓大學機械工程所開發的雙軸共軛焦顯微鏡。(Source:osa publishing

操作時,這個新式手持顯微鏡能將影像放大,讓不透光組織呈像更清晰,並迅速就細胞和亞細胞層級(cellular and subcellular level)做圖像掃描,比如說比頭髮還要細小 50 倍的影像,或者血球細胞的動態即時攝影。

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▲新式手持顯微鏡能將影像放大,讓不透光組織呈像更清晰,並迅速就細胞和亞細胞層級做圖像掃描。(Source:osa publishing

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。

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▲研究團隊對小老鼠作測試,發現以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。(Source:osa publishing

 

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%。

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▲IBM 以華生(Watson)超級電腦來對病灶進行分析,協助放射科醫師做電腦斷層影像的診斷。(Source:MIT Technology Review

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)。

(首圖來源:華盛頓大學) 

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