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无所遁形,笔型显微镜帮你诊断癌症

无所遁形,笔型显微镜帮你诊断癌症
  罹患癌症,就像人生被卡车辗过一样糟糕,但你知道开刀房里,和你一起拼命的医师怎么决定手术范围吗?治疗的目的是把恶性肿瘤切干净,但癌细胞不会自己标明是坏东西,那该如何验明正身呢?通常和医师的经验判断有关,癌化组织,严重者会有明显色泽、形状差异,质感软烂或者偏硬,有时在边界会有一圈硬结(Induration),但介于正常跟显著异常中间的组织,医师就难由肉眼判断。因此医学上会有一些准则,比如口腔癌,切除范围会由病灶边缘,再往外延伸1.5 至2 公分当作安全距离(Safety margin)。
  当然还有更科学的方法,手术时,医师会取边缘组织当场送化验,以确定余下细胞为良性,这称为冷冻切片(Frozen specimen)法,亦即将检体直接送至实验室,历经急速冷冻、切片、染色、在玻片上固定组织,然后由病理科医师判读细胞型态,此法具可信度但耗时。
  若是状况稳定的病人,多等一点时间也许无妨,但如果是脑部手术,医师把头盖骨都掀开了,空等化验时间,无疑增加更多的风险。因此就有科学家思考,能不能把显微镜搬到手术室里呢?
  华盛顿大学(the University of Washington)机械工程系,和斯隆-凯特琳癌症纪念中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)、史丹佛大学(Stanford University)医学院、巴罗神经学研究所(Barrow Neurological Institute)合作,共同研发出一款镜头不到1.2 公分、笔型大小的双轴共轭焦显微镜(dual-axis confocal microscopy)。
  传统的显微镜价格昂贵,而且体积大,至少占一只吹风机或小型牙科X 光机的大小,但若为了让显微镜轻量化,又常会牺牲图像品质及性能,像是解析度、视野、深度、敏感性、影像对比度或处理速度,尤其当仪器对患处的穿透力不足,那切片组织结构就无法精准成像,因此影响诊断。
像「显微版」的电脑断层
  「共轭焦显微镜技术」的物镜焦点与聚焦透镜焦点位置相互对称,也就是照明点与探测点在光学成像上为「共轭」,兩镜焦点会同时落在样本表面,因而得名。一般来说,当光聚焦于样本上,那聚焦点的断层面,称为聚焦面( focus plane ),聚焦点外的称为非聚焦面(Out-of focus plane),而共轭焦显微镜利用空间濾波器來降低杂讯的强度,排除影像迷光(Stray light),得到更好的光学解析度。
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▲ 「共轭焦显微镜技术」的物镜焦点与聚焦透镜焦点位置相互对称,也就是照明点与探测点在光学成像上为「共轭」,兩镜焦点会同时落在样本表面,因而得名。图下方是试片,也就是照明点,右边是光侦测器,也就是探测点,下方的透镜是物镜,右边的透镜是聚焦透镜,两者互相对称。
  藉由此技术,可以取得在样本表面上特定深度的反射光讯号强度,因此操作者可指定样本的上及下点的位置,设定光学切片的厚度(optical sectioning),得到组织的横断面图像,并且能做连续性扫描,重组为立体影像,供各种角度的旋转或切面观察,就像是「显微版」的电脑断层。而它还能和其他技术结合,像是免疫萤光法、原位杂交技术,就能够观察到亚细胞水平上像是钠钾离子通道、酸碱值、膜电位等生理信号和靶分子(蛋白或基因等)的结构,因此成为近代最重要的生物医学影像发展之一。
  最早共轭焦显微镜为单轴系统,直至近年开发出「双轴系统」,若以比喻来说,就像你在浓雾中开车,即便使用远光灯,视线还是不清楚,但如果从不同角度去照,就能减低眩光的程度。同样道理,双轴结构就是藉由多个散射光具焦同一点,而减少多余的背景干扰。
  除此之外,当显微镜要变身为手持装置,最需要克服的就是成像速度以及手震。共轭焦显微镜技术最开始是采二维的点状扫描(point-scanned dual-axis confocal microscope),它能观看到更深的组织深度,但缺点就是成像速度慢,一幅图像就需约一秒钟,而且容易因为震动而产生移动假影(motion artifacts),因此,后来发展出线状扫描(line-scanned dual-axis confocal microscope),这能加快画面更新率(或称「影格率」, frame rate),每秒钟播放的静态画面数可达16祯,甚至更快,就能降低因手震而造成的影像模糊。
  而以华盛顿大学机械工程系为首的研究团队,另发展出一种模式,藉由成对可旋转的排列镜子,将双轴共轭焦显微镜的光束列队整齐,并结合一种特制的物镜(在显微镜前端,第一个接收到被观测物体光线的透镜或面镜),因此可以让显微镜达到2.0 微米(microns)的光学切层,和1.1 微米的横向解析度(水平方向上区分两个相邻质体最小距离的能力,lateral resolution)。
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▲由华盛顿大学机械工程所开发的双轴共轭焦显微镜。
  操作时,这个新式手持显微镜能将影像放大,让不透光组织呈像更清晰,并迅速就细胞和亚细胞层级(cellular and subcellular level)做图像扫描,比如说比头发还要细小50 倍的影像,或者血球细胞的动态即时摄影。
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▲新式手持显微镜能将影像放大,让不透光组织呈像更清晰,并迅速就细胞和亚细胞层级做图像扫描。
  但对于临床医师而言,笔型显微镜最重要的功能,是能够捕捉到组织表面下半毫米(millimeter)的影像,这个深度十分重要,因为相对于组织而言,对应的是基底层(basement membrane ),若基底层受到侵犯,就要合理怀疑组织有癌化现象,那么在医疗或手术现场,就能辨别正常跟恶性组织。
  为了证明装置具备获取萤光图像的能力,研究团队对小老鼠的耳朵、肾脏、结肠作测试,将组织以1% 亚甲基蓝(Methylene blue)染色来标记细胞核,并和常用于鉴别细胞核和细胞质的苏木紫──伊红染色(Hemotoxylin-eosin,H&E)病理切片做图像比对,发现两者皆能将同样的细胞特征呈现出来,意即笔型显微镜所看到的细胞结构,就跟实验室里的大型装置一样,并没有太大的差异性。
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▲研究团队对小老鼠作测试,发现以笔型显微镜所看到的细胞结构,就跟实验室里的大型装置一样,并没有太大的差异性。
笔型显微镜制程问题大
  可惜,笔型显微镜仍有许多待突破的困难点,首先制程就是大问题,这么精密的仪器是采微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS),一种类似半导体的制程技术。根据华盛顿大学机械工程系助理教授强纳森刘(Jonathan Liu)表示:
  「装置所有的零件细节,都必须特制,而且只能在实验室里手动组装,这意味着其精密程度为微米(micrometer)等级,比一毫米(mm)还要微小至千分之一,因此光是组装就耗时3年半。」
  此外,在实验室里,科学家能自由调整电线、光纤和螺钉的松紧程度来因应成像需求,但如果在医院由外科医生或肿瘤学家操控,那仪器设计必须更安全、更稳定、而且要能达到无菌或适合消毒的标准。
  另一个现实考量在于,现今医师的养成训练朝专科化发展,因此外科医师并不熟悉判读,而病理科专家不会手术,即便有即时组织影像,第一线医师恐怕还需要特训一番,或交由病理科医师诊断。
  但笔型显微镜对于临床的影响,仍是不可抹灭的,它帮助医师决定手术切除范围,更强化基层及偏乡的第一线癌症检测。以台湾来说,健保提供民众做四癌筛检,单以口腔癌部分,无论是牙医或耳鼻喉科医生,一旦发现患者黏膜异常,都必须仰赖切片手术来确诊,但这属于侵入性处置,造成病人伤口疼痛,而且检体(specimen)量大也会增加病理科的负担。
  姑且不论这装置现今可能的机会与限制,我们试着「跳出框框思考」,将成像、软硬体结合,会不会刚好就是未来医疗的雏型呢?以在医疗人工智能领域执牛耳地位的IBM来说,它们研究室开发的 Avicenna 软体,利用了深度学习来协助放射科医师做电脑断层影像的诊断;早先IBM更与斯隆-凯特琳癌症纪念中心合作,将图像识别技术和机器学习系统应用于皮肤癌临床外观的鉴别,且诊断准确率高达75-84%。
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▲IBM以华生(Watson)超级电脑来对病灶进行分析,协助放射科医师做电脑断层影像的诊断。
  因此,人工智能若确实具备可信度,那么未来笔型显微镜只要能和远端电脑连线,便能产出即时的病理诊断,这带给我们的想像是,携带式装置能大为取代医疗机构的检查功能,而未来,人类需要走进医院接受诊治的机会愈来愈少,也更趋向个人化的精准医疗(Precision Medicine)。
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