綠科中心前瞻光電組之 LED 在生醫上的應用研究
綠色科技研究中心 張連璧教授
多年以來，綠色科技研究中心前瞻光電團隊致力於 LED 相關研究，利用工學院 MOCVD 機台調控銦摻雜濃度，在藍寶石晶片上依序製作量子阱/量子點結構，形成雙色無螢光白光 LED 多層量子阱，再利用覆晶 (Flip-Chip) 方式進行封裝，解決藍光被低能階量子點層吸收的問題，提升無螢光粉LED發光效率。也完成垂直堆疊 RGB LED 模組混光結構，利用透明玻璃基板取代一般 PCB 底座，並利用三維垂直堆疊結構，製作出可發出各種顏色之 RGB LED，相關文獻發表於國際期刊中。在物理機制探討方面，與林瑞明教授合力研究，進行雙異質 LED 結構磊晶生長來探討 LED Droop 現象，發現單純之 electron overflow 機制並無法全然解釋該現象。研究成果被 Semiconductor Today 專文報導，2015 年更被諾貝爾物理獎得主之一的赤崎勇教授在其探討 LED Droop 機制中被引用，且有相同之看法。因此該研究團隊成員 (同為 2014 諾貝爾物理獎得主) 天野浩教授，在 2018 年 10 月訪台之際，下飛機後特別蒞臨長庚大學綠色科技研究中心舉行座談會，並指出在 LED 產業逐漸成熟之際，未來研究方向勢必需要改變，考慮本校特性，對綠色科技研究中心進行 UVC LED 在醫學上之合作研究充滿興趣。
近來與長庚醫院耳鼻喉科黃祥富教授進行合作研究計畫，希望藉由純光學早期診斷，可以提高口腔癌患者的生存率。我們先使用診斷率不高但是無侵入性的 VELscope 篩檢設備，依據照射口腔後產生的不同螢光響應，將影像經過統計演算法分析，區分正常、惡性前和惡性病變。我們另開發了一種新式的拉曼光譜法來強化判別的準確性。首先我們使用 VELscope 收集口腔癌患者的病變數據，VELscope 採用藍光 LED 為激發光源，可發射波長為 400–460 nm 之光線穿透上皮層和基底層，與基質層反應激發螢光。可疑病患繼續切片，然後以綠光雷射二極體為光源，掃描 523-1750nm 波長範圍的拉曼散射光。通過定量和統計方法分析，確定是否為口腔癌病變。
第一年度的 VELscope 實驗中我們採用了線性判別分析 (LDA) 和二次判別性分析 (QDA) 分類法。使用 LDA 線性判別分析，在舌頭和口腔黏膜準確率分別提高了 2% 和 14%，而使用 QDA 二次判別則分別增加了 16% 和 25%。
計畫的後半年我們嘗試將資料庫擴大，並改良拉曼量測，使切片在氮化鎵基板之上進行測試，與先前實驗結果比較，發現其準確率大幅提升，甚至達到 90% 以上。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
使用VELscope 與拉曼系統鑑別率分析報告 (30位患者) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
上表中可以觀察到綜合兩種不同的光學技術 (自發螢光成像和拉曼光譜分析) 可有效鑑別正常樣品與腫瘤樣品。 我們使用了 PC-LDA 和 PC-QDA 兩種分類統計模型，研究結果顯示 PC-LDA 有更好的效果，且呈現最高的靈敏度 (100％) 和特異性 (93.3％)。
雖然目前與長庚醫院的合作研究仍在起步的階段，但由以上的結果可以預見，未來結合光電與醫學著實有很大的發展空間。