Biomedical Optical Spectroscopy and Imaging Lab

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Intro

研究主題
生醫工程、生醫光電

關於實驗室
我們實驗室的研究方向是以光學方法來觀察生物組織、細胞與分子，主要分為各種光譜的分析以及光學影像系統的應用，以期對生物醫學領域的研究有所助益，並開發新的輔助醫學診斷的工具。長期的目標是針對疾病(特別是癌症)的早期徵兆，發展低侵入性的診斷儀器系統。

給未來的學生
我很尊重學生的意願與想法，也很鼓勵學生作自己有興趣的題目，相對的，也希望學生能夠主動地學習，並且在這裡建立起獨立思考與處理事情的能力。如果你對於自己的興趣還不是非常清楚，我們這裡有很多不同的projects，你也可以先跟著學長姊從做中學。另外由於我們實驗室需要的專業能力相當的廣，因此實驗室是由大學不同主修的學生組成，特別適合勇於接受新事物的同學，也歡迎所有有志於投入生醫光電領域研究的同學加入我們的行列。

Research

• Spectrum Study
• Scattering Study
• DHμT
• Functional NIRS

癌症長期為我國首位死因，其死亡率居高不下的主因是多數的癌症缺乏有效的早期診斷或篩檢方式，而越晚期才發現的癌症其治療效果急遽降低，因此提早發現癌病變仍是降低癌症死亡率與提升病患生活品質最有效的途徑。據估計超過85%的癌症肇因於上皮組織，而早期的上皮組織內的病灶並無法從外觀上分辨出，光學的檢測方式因具備非侵入的特性，且光在人體組織的穿透深度足夠包含上皮組織的厚度，故非常有潛力成為癌病變的早期診斷工具。

本實驗室自2010年開始發展定量光譜術以非侵入性偵測上皮組織癌前與早期癌病變，針對複層鱗狀上皮組織如口腔、食道、子宮頸等處之黏膜以及皮膚等，進行漫反射光譜與螢光光譜之量測，並以量化的組織光學參數來分辨癌(前)病變與正常組織。由於生物組織是由不同密度的物質構成各種尺寸(分子、奈米與微米)的結構所組成，當光在組織中傳遞時會受到散射的影響而改變方向，因此以光作為活體疾病診斷輔助工具之相關研發必須探討光與組織的交互作用，特別是光的散射。本實驗室的一個主要研究方向即是以模擬與實驗的方法，來探討上皮細胞與組織發生癌(前)病變時，其結構上的變化及其所造成的光散射特性的改變，以期進一步對於分辨病變與正常的組織，提出最佳的系統架構與分析方法。

為了精確測量細胞的三維結構，我們發展了三維折射率顯微術，可用於觀察活細胞的型態並且定量其三維折射率的分佈；由於此技術是以相位作為影像之對比來源，無需外加螢光標記，可避免外加物對於細胞的干擾以及螢光光漂白的缺點，因此特別適合長時間觀察細胞的動態。

腦中風是十大死因之一，而且致死機率高於惡性腫瘤。然而，如果腦中風患者能在第一時間發現與搶救，就能避免悲劇發生。但即便患者能倖存下來，因為腦部缺氧缺血的關係，則會受到損傷而留下後遺症，導致患者生活品質下降以及家庭與社會的負擔增加。幸好人類腦部可塑性的性質能讓腦部未受損的部分接替損傷組織的工作，而復健則能協助此過程。研究顯示於病情解救穩定後儘早復健可以避免病情復發而且對於恢復健康會有較好的效果，同時也可避免關節硬化、肌肉萎縮等失用徵候群，由此可見復健的重要性。 為了能更有效率的提供復健，本實驗室近期開始發展非侵入式的功能性近紅外光影像系統，利用近紅外光較強的穿透性質與在不同波段被血紅素吸收的差異，探討腦部活化位置與變化趨勢。由於此技術對於受試者的活動較不受影響，且活動範圍比較不受侷限，故此系統適合用於探討腦部在復健時的變化。

本研究的目標是以定量光譜的技術，發展上皮組織例如消化道黏膜與子宮頸黏膜的早期癌病變的非侵入性檢測工具。我們所採用的方法是以影像光纖束在可見光波段擷取組織的漫反射(diffuse reflectance)光譜影像與螢光(fluorescence)光譜影像，與其他研究團隊最大的不同在於我們同時擷取光譜與影像的資訊，並以自行開發的數值模擬工具，分析光譜影像資訊以定量組織的光學特性，而這些光學特性已有許多前人的實驗證據顯示與上皮組織癌(前)病變有高度相關。我們在分析光譜時考量到光信號強度在空間上的變化，與他人的方法相比可增進對於不同深度的組織特性分析，這樣的優勢在多層的上皮組織更顯重要，因為其他團隊的研究大多將組織簡化為單一均勻的光學參數分佈，明顯與實際狀況(上皮層由幾乎完全透明但具有散射的上皮細胞構成，其下的基質(stroma)則主要是膠原蛋白纖維造成的散射與微血管內血紅素造成的吸收)有很大的差異。

在多層的鱗狀上皮組織例如口腔黏膜與食道黏膜，在癌病變逐漸加重的過程中，上皮組織內的細胞快速增生造成其散射係數(scattering coefficient)增加與散射角度分佈(scattering phase function)改變，而其下的基質則因為新生血管(angiogenesis)使組織的血紅素濃度上升造成吸收係數(absorption coefficient)的增加以及膠原蛋白網絡的分解造成散射係數的降低。另外膠原蛋白結構的改變也造成其螢光強度的大幅下降。我們以蒙地卡羅(Monte Carlo)數值模擬方法，建構了雙層的組織模型，可以預測組織光學參數對於漫反射光譜的影響，並進一步建立反向光譜擬合工具，可以從測量到的漫反射光譜準確定量雙層組織的散射係數、吸收係數與上皮組織的厚度。

前人研究大多數使用垂直於組織表面的光纖，測量到的漫反射光譜對於上皮層的散射係數靈敏度很低。針對此問題我們提出了使用斜角的入射與偵測光纖束的設計，圖一所示，並以蒙地卡羅法模擬的光譜加入隨機雜訊所製造出的擬真實驗數據，分別使用垂直入射與傾斜入射的光纖架構，以我們開發的反向光譜擬合工具來定量雙層組織的參數與上皮層的厚度。表一為比較上皮層(epi)和基質層(str)的吸收係數(μa)、散射係數(μs)以及上皮層厚度(Thickness)其定量結果與實際輸入參數值相比的誤差百分比和標準差(五次重覆)，可看出使用傾斜光纖的誤差大幅減少，表示傾斜入射的光纖能有效提升準確度。

為了進行臨床試驗，測試此方法是否能夠在活體得到組織的光學特性，並進一步分辨病變與正常的組織，我們建構了移動式高光譜顯微影像系統，如圖二、圖三所示，其內以寬頻白光及紫外光光源應用於光學漫反射及螢光光譜測量，並結合影像光纖束之光纖探頭(fiber probe)進行仿體與活體組織的量測。此系統採用上下兩層機箱的設置，下層為光源，較靠近量測端的上層則主要為透鏡、分光鏡以及高光譜影像儀，用以將光源聚焦至光纖探針端及收集量測之漫反射及螢光訊號，故上層無高功率電氣元件以降低臨床量測時可能的電氣安全風險。

我們以該移動式系統測量僅含散射源直徑1.0μm微米小球的液態仿體的漫反射光譜，並和蒙地卡羅演算法之模擬光譜做比對，其結果如圖五所示，目前在相對較近的光纖束(光源與影像光纖相距為0.3mm、0.4mm、0.6mm)的誤差大部分均在10%以內，最大誤差也都在15%以下：

圖六為活體測量正常人口腔黏膜的漫反射光譜，以及利用反向光譜擬合工具進行光學參數萃取的結果，圖六(a)、(b)、(c)分別為與光源相距0.4mm、0.6mm、0.8mm之光纖偵測區域的實驗光譜(Experiment)和擬合光譜(fitting)的曲線，結果顯示擬合的光譜在強度與波形上都與實驗光譜相當吻合。

目前對於細胞生物的知識多數是來自於細胞在體外(in vitro)環境下的實驗所觀察到的結果，而傳統上活細胞的觀察方式主要是將細胞培養在平面的基版如玻璃片上，再採用光學顯微鏡來觀察影像。然而在實際活體中大部分的細胞是處在三維的組織之中，被周圍的其他細胞或是細胞外間質分子與纖維結構所包圍，因此近年來利用三維細胞培養(three-dimensional culture)系統進行生物研究成為非常重要的方法。

近年，許多研究團隊報告顯示癌症病變過程中，細胞與組織的光學散射特性具有高度的差異與變化，而散射特性和細胞與組織的折射率分布具有特定的關聯性。因此，近來對於細胞的折射率分布研究逐漸受到重視。然而，傳統顯微技術均無法定量、精準地測得細胞三維折射率影像分布。因此，此本研究的目標為建構一套三維折射率顯微系統，用以精確定量活體細胞的三維折射率分布，藉由單一細胞折射率結構的取得，我們可以進一步利用電磁數值模擬工具，如FDTD，分析細胞的散射特性並了解結構、散射特性與癌症病變之間的關聯性。我們的三維顯微技術概念為量測細胞的二維多角度相位投影影像，並且結合繞射斷層掃描技術重建細胞三維折射率影像。

圖一為我們所開發的三維折射率顯微鏡，digital holographic microtomography (DHμT)，此技術架構主體為Mach-Zehnder干涉儀結合一單軸掃描鏡用以擷取各個角度下的細胞的相位投影影像。傳統相位顯微術為了降低環境與系統元件的振動干擾，需外加相位穩定回授機制或是於高度穩定的環境進行實驗；而在此系統中，我們採用多步隨機相移演算法，因此即使DHμT在系統受環境振動干擾時亦能正確計算樣本的二維相位影像，此技術可大幅降低系統複雜度與環境的要求，如圖二所示，其為振動環境下所擷取的二維相位影像，重建的相位十分符合理論值。 圖三為活體細胞的三維折射率分布影像，分別為BCC(basal cell carcinoma)、CA9-22(human gingival cell)、HaCaT(human keratinocyte cell)、SG(Smulow-Glickman gingival epithelial cell)四種不同的細胞株，每個細胞株皆為平貼在蓋玻片表面培養，每個斷層掃瞄影像(tomogram)的掃描角度為-65度至+65度，掃描角度共701個角度，掃描時間約為9秒。

目前本實驗室針對食道上皮組織癌前病變的研究發現在癌前病變組織區域較正常組織具有相對較高的散射係數，該現象和細胞密度與核質比具有密切關係，可望利用該光學特性提供臨床診斷更多參考資訊。另外，由於已證實血球幾何狀態與血液疾病有相當大的關聯性，我們亦利用DHμT能夠進行單細胞三維成像的優勢來分辨血球的正常與否。為將該系統性能提升，近年來我們接續發展影像自動化分析來節省人力並且利用圖形處理器來提升各步驟的處理效率。

本研究的目標是以近紅外光光譜技術重建腦部功能性影像，提供復健師腦部活化位置與變化趨勢，為了在腦中風後復健時達成更好的復健效果與效率。近紅外光在650 nm至950 nm的波段，能穿透至人腦淺層，由於帶氧與不帶氧血紅素為腦組織在近紅外光波段主要的吸收源，且兩者的吸收光譜有明顯差異(圖一)，故可用於量化大腦局部區域帶氧及不帶氧血紅素濃度的變化。由於神經細胞本身並沒有儲存能量的機制，所以神經活化所需要的能量來源：氧氣與葡萄糖，必須由血管提供。於是當神經衝動發生時，神經活化區域的局部血管中的帶氧血紅素總量會上升，故可用帶氧血紅素為指標探討腦神經活化區域。

功能性近紅外光光譜(fNIRS)是利用光經過組織時，依據組織的吸收散射特性不同，測量到不同強度的穿透或反射光，來重建組織特性的技術。fNIRS優點為造價遠低於磁振造影(約250萬至450萬)、時間解析度高、可在開放環境做測量、且相較於功能性磁振造影僅能測得不帶氧血紅素的近似值，近紅外光光譜可以同時測得帶氧血紅素的濃度與不帶氧血紅素的濃度。由於fNIRS的多種優勢，逐漸在復健研究上受到使用，尤其是在於需要較寬闊空間肢體活動的復健。

Diffuse optical tomography (DOT) 是利用fNIRS原理與陣列的光源與接收端所量測的資訊，建構出組織內部結構影像的方法，常被用來測量組織中帶氧血紅素與不帶氧血紅素的濃度。陣列的光源與接收端能測量出多筆的近紅外光漫反射光譜，藉由於空間資訊的不同，可回推原本腦中血紅素變化的區塊進行二維與三維的重建。

重建的方法首先猜測組織的光學參數以順向模擬得到一光譜，再用疊代的方式重複比較猜測到的參數經模擬後與偵測端的測量值差異，直到誤差小於一定值，便將此參數假定為組織參數，我們將此重建流程稱作逆向模型。目前主流的順向模擬方法為使用Diffusion approximation理論來實現finite element method，雖然此方法速度較快且能達到即時成像，但其最大限制是只適用在散射係數高的介質中。因為腦脊髓液的散射係數非常低，Diffusion approximation計算結果則會有誤差。本研究則是以蒙地卡羅(Monte Carlo)數值模擬方法建立順向模型，雖然此方法計算比較慢，但較準且目前有許多軟硬體加速方法如使用圖形處理器(GPU)。

本研究以模擬與實驗來探討組織發生癌前病變時，其結構上的變化以及此變化所造成的光散射特性的改變，以期進一步對於分辨病變與正常的組織，提出最佳的系統架構與分析方法。模擬方面使用有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)模擬細胞核與細胞的逆散射光譜以及散射場的角度分佈，實驗上測量單細胞的逆散射光譜(light scattering spectroscopy)，並且以低同調干涉術(low coherence interferometry)為基礎的光學架構測量組織的逆散射特性。

(1)有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)

我們實驗室已自行開發三維有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)電磁模擬軟體用以模擬細胞與電磁場之間的交互作用，應用於細胞的光學散射特性的研究，如圖一所示。有限差分時域法的概念是基於Maxwell 方程式在時間及空間的Yee 網格離散化。我們的軟體亦引入高斯脈衝平面波(Gaussian pulse plane wave)可同時模擬寬頻範圍的細胞散射光譜特性。結合三維折射率顯微術量測真實細胞的三維折射率分布，進一步利用FDTD計算可以分析正常細胞和癌症細胞的散射特性，並期待能從中了解結構與散射之間的關聯性，提供其它光學診斷技術更多的參考資訊。 目前我們從人造細胞核模型(artificial nuclear model)的模擬結果顯示：
1) 逆散射光譜的週期性振盪與細胞核的軸向尺度具有顯著的關聯性。
2) 細胞核中的不均勻分布(heterogeneity)的逆散射強度顯著地大於均勻細胞核的逆散射。

(2)低同調干涉術(low coherence interferometry)

光學同調顯微術可用於分辨癌前病變組織與正常組織，主要是藉由對上皮組織進行量測分析而得到其光學特性，並量測上皮組織中局部區域之結構分布，以偵測癌前病變組織與正常組織間細微之差異性。Full-Field Optical Coherence Microscopy(FF-OCM)為主要實驗架構，如圖二所示。其採用Linnik 干涉架構為主體，藉由PZT的四步影像還原法，將每一深度樣本散射回來的光，作一x-y平面的影像還原，再加上深度的掃描可得一樣本的3D結構圖。其中此架構的軸向解析度：5.65μm、橫向解析度：1.40μm，一x-y平面的視野為500μm *300μm，且放大倍率：16.5X。

FF-OCM加速了傳統x-y單點掃描的OCT技術，僅需移動z軸，即能得到大面積深度之資訊。在深度資料量測，目前是著重於仿體樣本之量測，以驗証此光學系統之效能。
(1)平均折射率：如圖三所示，其製作之仿體為三層仿體，第一、三層為玻璃材質，第二層為可置換不同折射率樣本之固定夾層，在此實驗中樣本分別是空氣、水、濃度36.5%蔗糖水，可觀察到三者經實際深度相同各走的光程差異的情形。利用光程長與折射率成正比之關係，可預測樣本之折射率。以空氣折射率為1做基準，可推估其他二者之折射率為1.31、1.37，誤差皆在2%以下。

(2)散射係數：以Beer’s law單次散射光會隨深度呈一指數衰減(I=I_0 \times exp(-\mu _sd))為理論主軸，量測樣本散射光強隨深度之變化，得樣本之散射係數。圖四為0.1%及0.3%TiO2與PDMS混合之仿體，兩者光強隨深度之曲線變化，其散射係數分別為0.699 mm-1、2.122 mm-1。

未來此光學系統將進行正常與癌前病變之口腔與皮膚切片組織的測量，進而找出隨癌病變進程產生之光學特性的改變趨勢。

• Publication List
• 現職
• 學歷
• 經歷
• 主要研究領域
• 聯絡方式
• 個人簡傳

實驗室主持人

宋孔彬 博士 (Kung-Bin Sung, Ph.D.)

現職

• 國立台灣大學電機工程學系 副教授
• 生醫電子與資訊學研究所 副教授

學歷

• Ph.D. Biomedical Engineering (2003) The University of Texas at Austin
• M.S. Biomedical Engineering (1999) The University of Texas at Austin
• B.S. Electrical Engineering (1996) National Taiwan University

經歷

• August 2014 – present
  Associate Professor, National Taiwan University
• July 2006 – August 2014
  Assistant Professor, National Taiwan University
• December 2003 – May 2006
  Research Scientist, Intel Corporation (Seattle, WA, USA)
• January 1999 – November 2003
  Graduate Research Assistant, The University of Texas at Austin (Austin, TX, USA)
• July 1996 – June 1998
  Communication Officer, R.O.C. Army

主要研究領域

• 生醫工程，Biomedical engineering
• 生醫光電，Biophotonics

聯絡方式

• TEL：+886-2-3366-9675
• E-mail： kbsung@cc.ee.ntu.edu.tw

個人簡傳

Dr. Kung-Bin Sung was born and grew up in Taipei, Taiwan. He received a Bachelor’s degree in Electrical Engineering from National Taiwan University in 1996. Then he joined the Army of R.O.C. and was commissioned a Second Lieutenant in communication. After finishing the 2-year military service, he entered the University of Texas at Austin in 1998, majoring in Biomedical Engineering. He received M.S. and Ph.D. degrees in 1999 and 2003, respectively. His main research project as a Ph.D. student was developing a fiber-optic confocal microscope to obtain images of epithelial cells in vivo for the diagnosis of early stages of cancer. He joined Intel Corporation as a research scientist in 2003 and collaborated with researchers at the Fred Hutchinson Cancer Research Center in the United States on research projects related to surface-enhanced Raman spectroscopy. Since July 2006, he has been an assistant professor in the Department of Electrical Engineering and the Graduate Institute of Biomedical Electronics and Bioinformatics in National Taiwan University.

Alumni

博士班

碩士班

專題生

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博士班

碩士班三年級

碩士班二年級

碩士班一年級

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TEL: +886-2-3366-9600     Room 703, Ming-Da Hall, No.1, Sec.4, Roosevelt Road, Taipei, Taiwan (R.O.C) 10617

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