光學同調斷層掃瞄技術之醫學應用

電機系  蔡孟燦 助理教授

　　光學同調斷層掃瞄技術 ( Optical Coherence Tomography, OCT )在醫學應用越顯重要，茲就口腔癌早期診斷及變異基因果蠅之心臟疾病研究應用結果說明如下：

（A）口腔癌早期診斷

　　光學同調斷層掃瞄技術是利用掃瞄光束重建生物組織的二維或三維結構，便於觀察者以任意方向，針對結果作判讀。相較於其他成像造影技術，它同時具有非侵入式、高解析 、高速掃瞄及成像等優點。而光學同調斷層掃瞄技術所得到的影像結果，相似於一般病理切片所得到的結果，又被稱做光學病理切片。其 OCT 影像解析度取決於所使用的光源頻譜寬度、波長及光學透鏡。一般而言，縱向及橫向解析度可達 1-10 微米。在掃瞄深度方面，因受限於生物組織內的水分子及黑色素吸收，不同的組織會有不同的掃瞄深度，對於一般生物組織，可達表皮下 2 釐米深度，適用於人體黏膜組織之早期癌症檢測，其中包含直腸癌、皮膚癌以及鼻咽癌的早期檢測。另外，OCT 也廣泛應用於眼科，做為視網膜病變以及角膜檢測。

　　根據 2008 年衛生署公佈國人十大癌症死因，口腔癌為國人癌症死亡的第六大主因。由於國人抽煙、喝酒及嚼檳榔的習慣，大大增加了口腔癌的罹患率，因此我們的研究工作著重於利用 OCT 作為早期口腔癌的檢測工具。本人從事此研究工作，開始於就讀博士班期間，架設了一套 OCT 系統於台灣大學醫學院附設醫院牙科門診，進行口腔癌前病變之臨床試驗，診斷早期口腔黏膜病變。我們初步發現，利用 OCT 口腔癌前病變之各個階段，我們亦將 OCT 掃瞄結果與切片病理影像分析比較，計算 OCT 掃瞄的準確度，結果顯示，統計上分析的 sensitivity 及 specificity 都可接近 100%。

　　圖一是經由 OCT 系統掃瞄正常口腔黏膜所得到的影像結果。除了提供二維影像掃瞄，OCT 系統也可提供三維影像重建。圖二分別掃瞄正常的嘴唇黏膜和癌組織的嘴唇黏膜所得到的三維影像。而圖三則代表正常和不正常位置所得到的病理切片以及 OCT 掃瞄結果。由圖三(a)的病理切片結果，可分辨出正常口腔黏膜組織是由上皮組織 ( Epithelium, EP )、固有層 ( Lamina Propria, LP )和結締組織 ( Connective tissue ) 所組成。由正常部位的 OCT 掃瞄影像，如圖三(c)，亦可分辨出不同層狀的結構組織。而不正常組織因為癌細胞由上皮層往下侵犯至固有層及結締組織，破壞了正常黏膜的層狀結構，因此，由病理切片結果亦無法觀測到其層狀結構，而由不正常組織的 OCT 掃瞄影像，也可獲得相似的對照結果。

（B）變異基因果蠅之心臟疾病研究

　　心血管疾病是造成人類死亡的重大死因，而許多先天性心臟疾病是由先天基因不全或變異所造成；因此，若能透過動物實驗找出因不全或變異基因所造成的先天性心臟病，醫學上就能先針對不全或變異基因加以治療或防範，降低病人的病發率及死亡率。目前有三種動物或昆蟲已被廣泛應用於基因疾病的研究，其中包含老鼠、斑馬魚以及果蠅。相較於其他兩類，老鼠最大的好處在於其心臟結構和人類極為相似，但由於生長週期長，因此在實際動物實驗上較難達到立即的效果。由於近年來斑馬魚基因改造技術發展成熟，並且其心臟具備再生能力，因此許多研究團隊利用斑馬魚做心血管疾病相關的研究，其缺點在於目前缺乏適當的儀器或設備，即時觀察其心跳行為。因此，相較起前兩類，果蠅生長週期短，可以快速得到基因改造後的效果，能夠提升在心血管疾病研究的速度。因此，在這研究中，我們利用光學同調斷層掃瞄技術來觀察，並記錄果蠅的心跳模式。

　　此套系統可以提供每秒 100 張的二維影像輸出，相較於一般果蠅心跳速度為每秒 5-6 下，此套系統可以精確地紀錄果蠅的心跳模式。圖四為沿著果蠅身體方向在不同的時間點，所得到的光學同調斷層掃瞄影像，其中黑色區域為果蠅心臟（箭頭所指的位置）。由圖四中可以發現，果蠅其心臟為長條狀，並且隨著心臟的舒張，圖四中黑色區域會逐漸變大，此現象可以從圖四(a)至(d)觀察得到。另外，圖五展示出另一掃瞄方向所得到的光學同調斷層掃瞄影像，相同地舒張情況，亦可由圖中觀察得到。另外，由圖五(c)，我們亦可觀察得到心臟外圍的肌肉組織。

 　　此套 OCT 系統除了可以直接獲得不同時間點的 OCT 二維影像外，此套系統亦能夠記錄隨時間變化的二維影像動畫檔，利用此方式可以方便記錄果蠅其心跳模式。除此之外，為了針對心臟的某一點觀測其隨時間舒張、收縮的情況 ( M-mode scan )，圖六(a)為正常果蠅在一秒內量測到的 M-mode 影像，而圖六(b)則為基因突變之果蠅的在一秒時間內 M-mode 掃瞄結果。