【探索25-8】1+1>2,光聲共譜的人體圓舞曲

講者/台灣大學電機工程系教授 李百祺
彙整撰文/湯淨

用五感經驗這世界是再直覺不過的事。但在醫學的領域中,當觀察對象是細胞、分子時,純然的感官不再有效。精準的工具便代替了醫生的雙眼,甚至,代替了他手中的手術刀。

●視覺動物:人體裡的色彩大雜燴

從肉眼來看,血是鮮紅的,脂肪是鵝黃的,那靜脈呢?教科書裡都以藍色標示靜脈、用紅色標示動脈。然而,真實世界裡,人類並沒有哪條血管真的是駭人的藍色。在手術時,醫生往往需要更小心謹慎,加上多年訓練的經驗,才能確保在正確的身體部位與範圍,做出精準的處置。

人體中不同物質都有其特定的吸收波長,對紅外光、紫外光、可見光吸收的部分也不同,藉此分辨出身體中不同的部位。如果有一種染劑,可以讓需要手術、檢查的細胞分子發光,就可以像螢光筆一樣,清楚看出需要處置的部位。

●空氣會震動:細胞演唱會

馬路上尖銳的喇叭、演唱會狂放的歌聲,震耳欲聾經常是共有的反應。對於聲波來說,「震」這個字非常具體,因為聲波實際上就是使耳膜震動,再傳入腦中解析。聲波是一種壓力波,超音波則是高頻的聲波,因為超過人耳可聽見的範圍,所以聽不到。在照胎兒超音波時,醫生通常會一一解說:「這是頭,這是手。」若是想看到解析度更高的影像,則需要更小的波長。醫學上經常使用百萬赫茲 (MHz),以達到數公分到數十公分的解析度。

當超音波進入人體,傳遞時會改變環境的密度,反射、折射、繞射都可能發生,而主要會產生兩種現象:加熱與穴蝕。前者指的是聲波在人體裡被吸收,能量轉換為熱能的過程。若能精確控制時間、空間、上升程度,就是一種相當好的治療工具;若只想發揮診療的作用,就不會讓溫度上升太多。後者則是指超音波會將液體汽化。液體受到壓力波產生小氣泡,隨著壓力波縮小變大,最後破掉,將產生尖銳的波(sharp wave)。控制得當同樣可做為治療工具,反之則可能傷害周遭的細胞。

●光聲互補,合作的力量

一百多年前,貝爾發明了電話。但最初的電話,其實不是用「電」傳送聲音,而是「光」話 (photophone),也就是透過光波傳遞聲音。

看似神奇的發明便是利用光波、聲波性質的結合,光聲效應 (photoacoustic effect) 最早的應用:對著接收太陽光的薄膜說話,再透過鏡子將光反射出去。由於聲音會使薄膜產生震動,造成光的偏折,使吸收光的介質因熱膨脹、收縮,進而改變電路特性,重製聲音。雖然這個方法因為環境的限制較多,傳輸的距離也不到1公里,後來並沒有採用,卻啟發了現今的光聲影像。

一百多年後的現在,超音波已成為產檢、醫療診斷上不可或缺的一種工具;脈衝光早已是醫美除皺去斑的好幫手。然而,超音波在人體中無法精確區分不同物質的差別,光波在體內很快就會衰減,能量無法傳到更深層、更遠的地方。結合兩者優點的光聲影像於焉而生:將脈衝光打入人體後,因每種組織對光的吸收多寡、波長範圍都不同,接收到光產生的熱能也不同,組織因熱膨脹的程度將影響發出的超音波,進而被超音波探頭偵測。光聲影像對組織的分辨力強、走的遠、穿透的深,也不容易失真,光與聲互相彌補了缺陷所在,造就更強大的技術。

隨著技術越趨成熟,光聲效應的應用範圍日趨擴大。光聲顯影劑便是其中一個富有創意的發明:不同形狀的金奈米粒子吸收光譜不同,成了可以調控的存在。藉由金奈米粒子與目標組織結合,就像在一片黑暗中放上螢光小夜燈,可以幫助醫生找到目的地,達到只有目標物會發光的辨識效果,從而拍攝分子影像。

另一個發展中的研究,則要提到光聲顯微鏡。傳統的光學顯微鏡幾乎只能聚焦在平面的事物上,但人體是立體的,因此在活體觀察時,便面臨障礙。李百祺認為:立體影像可以在此發揮作用,得到不同於平面的觀察視角。像是T細胞如何接近腫瘤?以往都只有平面的影像,但腫瘤跟T細胞都是立體的,使用光聲顯微鏡便可以把兩者的位置、關係360度描繪出來。

除了發揮「觀察」的功能外,其實在控制得宜的情況下,光聲也能作為治療的手段。光熱治療即是利用組織在接受光波後的熱膨脹,以足夠高的溫度使該組織受傷。方才提及的金奈米粒子光聲顯影劑便發揮了功能,使醫生得以標註需要治療的組織、腫瘤等。同時,利用微氣泡、液滴的方式,讓顯影劑更有效率的送到需要的地方。其中,液滴擁有較高的破壞力,因前述提及的穴蝕現象,會使液滴汽化成氣泡時,產生尖銳的波,若這就是標靶的目標對象,便可提升效率,成為醫生的無形手術刀。

光聲研究作為新興的研究領域,除了可作為診療工具,也可以成為醫療手段,在醫學上的應用逐漸為人所知,光與聲的結合也將於未來越來越繁盛。

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