葉秩光／清華大學生醫工程與環境科學系特聘教授，專研於超音波生物分子診療及超音波於藥物輸送與釋放研究。

 

✤ 醫用超音波的頻率範圍集中在 1～20 百萬赫，能輕易到達深層組織，但影像解析度差，臨床上難以觀察到細緻的組織結構。

✤ 光學影像利用光的穿透、反射、散射、折射、吸收進行成像。由於光的波長比超音波短，因此能看見較清晰的影像，但可見深度較淺。

✤ 光聲效應是指當光線週期性的照射物質時會發出聲音，且聲音的頻率和強度會受到發射光影響，目前多應用於活體血管成像。

 

光學和聲學是大家日常生活中常見的兩大物理量，在人類早期的歷史中就被發現和應用，然而一直到近代這兩項技術才漸漸被引入醫學領域作為重要的診斷和治療工具。技術發展成熟後，科學家們開始觸及這兩大學門的先天物理極限。為了突破這些限制，兩大物理量間的協作和交互作用也開始被探索和研究，並嘗試導入醫學領域中。以下就來簡介一些常見於生物醫學領域中的光學與聲學應用。

 

醫用超音波

超音波（ultrasound），泛指頻率高於人耳能聽到的頻率範圍（20～20000 赫茲，Hz）的聲波。自然界中許多動物如海豚、鯨魚、蝙蝠等，都能夠發射超音波到周圍的空間，藉由接收回波訊號重建自己與周圍空間中的障礙物和獵物相對位置，如此一來就能夠在缺乏光線的深海或洞穴中移動和捕食。

20 世紀中葉，科學家開始研究超音波的機制，將超音波運用到空間成像和治療上，並在 1970 年後發展成醫學診斷和治療中不可或缺的工具。醫用超音波的頻率範圍大多集中在 1～20 百萬赫（MHz），由於超音波的波長在組織中不易發生散射和衰減，因此能夠輕易到達深層組織，使醫用超音波影像擁有良好的使用深度（可探測深度約 10 公分）。然而也因為波長較長，超音波的影像解析度通常較差，因此在臨床上難以觀察到細緻的組織結構。常見的醫用超音波影像有用來觀察胎兒的胎兒超音波，以及用來觀察血流流速的都普勒超音波（Doppler ultrasound）。

另外，超音波產生的機械效應和熱效應也能被用在臨床治療上。例如利用高強度聚焦超音波（high intensity focused ultrasound, HIFU）進行腫瘤熱燒灼治療、超音波碎石機進行結石清除，甚至是牙科醫師使用的洗牙器也是借助超音波的力量來清除牙結石。

 

醫用光學

光學影像是利用光的基本物理特性，如穿透、反射、散射、折射、吸收等進行成像。像是血液會在影像中呈現紅色是因為白光中紅色光的波段會被反射，但其他的波段會被吸收，使我們能觀察到紅色；又例如我們能用顯微鏡觀察到水中的微生物，是因為水體本身能被光穿透，但微生物會阻擋光，所以牠在影像中就會呈現黑色。

利用光的這些特性，許多光學成像技術如顯微成像、內視鏡（endoscope）、眼部光學同調斷層掃描（optical coherence tomography, OCT）等開始被應用於醫學診斷中。由於光的波長相較於超音波來說更短，能夠讓影像擁有更高的解析度。然而也因為波長較短，組織中的蛋白質和脂質會使入射光產生強散射，使重建後的影像模糊不清，因此光學影像的適用深度通常僅約一毫米（mm）。另外，光學系統同樣也能夠用於治療，例如以雷射手術治療近視、光熱療法（photothermal therapy）切除腫瘤等；但同樣會受到光散射的影響，基本上仍無法應用在深層組織。

前面提到超音波擁有優秀的組織穿透能力，但影像解析度受限；而光學影像則是擁有卓越的影像解析度，但卻因為組織中的強散射現象，應用被侷限在組織表層。如果將超音波與光學影像結合呢？這些先天的物理極限很難在各自的領域中有顯著性突破，為了獲取雙方的優勢並降低各自的劣勢，光學和聲學間的跨領域研究，例如將光聲效應（photoacoustic effect）應用於醫學影像的技術開始被提出，試圖敲開各自領域中的物理限制。

 

什麼是光聲效應？

光聲效應最早於 1880 年被蘇格蘭出生的美國籍加拿大發明家貝爾（Alexander Bell）發現，他在實驗中發現當光線週期性的照射吸光物質時會發出聲音，而且聲音的頻率和強度會受到發射光影響。但當時沒有高能量發射源和靈敏的量測工具，導致這項技術直到 1990 年代後期才開始被重視，並依據此效應發展出光聲成像技術，應用於醫學領域中。

 

光聲成像主要分為四個階段：

1.特定頻率的雷射脈衝，會被用於施打在組織中的吸光分子上。

2.雷射能量被吸收後產生瞬間的局部溫度上升，並在雷射能量消失後急速降溫。

3.溫度在短時間內的急遽變化，導致局部組織產生熱漲冷縮的現象。

4.組織的瞬間膨脹收縮，會以震波的形式將能量向外傳遞，接著利用超音波探頭去接收這些被光激發出的震波，即可重建出光聲影像。

 

光聲影像有一優勢⸺雷射光只需將能量送到目標區域讓吸光物質吸收（one-way，圖一），而不需要像傳統光學影像必須利用反射光成像（two-way）。由於光波只需要走單趟的路程，因此組織中的散射問題能夠被有效緩解，使成像的適用範圍提升至 50 毫米左右。另外，由於光聲成像必須依靠目標區域和周邊區域的吸光能力差異才能成像，因此光聲成像的應用多集中在活體血管成像，例如手掌微血管系統的光聲影像重建技術、血氧濃度分布、皮膚黑色素瘤、乳癌診斷等。因為血液中的血紅蛋白（hemoglobin）、皮膚中的黑色素、乳房中的腫瘤組織吸光度遠高於周邊區域，所以能在吸收雷射光後產生穩定超音波訊號。

 

▲ 圖一

 

目前在光學和聲學間的跨領域研究，僅有光聲效應因為發展較為成熟，並且被實際運用在醫學領域。近年來，愈來愈多的研究開始討論光和聲的其他交互作用，雖然目前這些研究都還處於探索和尋找作用機制的階段，但假以時日這些技術也可能成為醫學領域的明日之星。

 

降低光散射的超音波光導

前面提到光學技術在醫學領域發展中最大的障礙為光在組織中的強散射，如果能在組織中設計出類似光纖的全反射通道，是否就能夠降低光的散射，將光送到更深層的組織中？超音波光導（acoustic light guide）就應用了這項概念，2019 年美國卡內基美隆大學（Carnegie Mellon University）電子與電腦工程學系教授查曼扎爾（Maysamreza Chamanzar）的研究團隊，利用環形超音波探頭在組織中產生類光纖結構實現了光導的效果。這項技術的原理是利用超音波在行進時會壓縮、舒張介質的特性，創造出密度高和密度低的區域；接著再利用設計好的架構，讓超音波在中央產生駐波（standing wave），如此一來密度高和密度低的區域就會被固定。當光從高密度區域往低密度區域散射時，由於高密度區域為高折射率、低密度區域為低折射率，這些散射光就有可能發生全反射回到高密度區域，從而抑制光能量的損失，並提升光能量傳遞效率（圖二）。目前這項技術在解決光穿透深度問題上具有很大的潛力，但若要運用在醫療領域，其中仍有許多機制和架構問題尚待解決。

 

▲圖二

 

聲致發光

聲致發光（sonoluminescence）是一個被偶然發現的光聲跨領域研究。1934 年，德國科隆大學（Universität zu Köln）的研究者弗蘭佐（Hermann Frenzel）和舒特（Hans Schultes）在做相片顯影時發現當超音波施打在顯影液時，液體中的氣泡會隨之發光，而這項偶然發現的原理在 1989 年被正式確認。當超音波打到液體中的氣泡時，它的壓縮、舒張會導致氣泡破裂並產生空化效應，氣泡破裂的瞬間，溫度會超過太陽表面的卡氏溫度（5778K），產生近 4 倍的高溫（20000K），並且在當下產生一道閃光（圖三）。目前這個現象還沒有相關應用，需要等待相關機制被解析才能夠有進一步的發展。

 

▲圖三

 

應用於醫學領域的光與聲研究

光和聲之間的交互作用，給醫學研究帶來了許多新的應用和可能性，也為我們展現了跨領域研究的魅力及發展潛力。相信未來會有更多的科研人員持續投入此領域，為我們解開其中的物理機制、創造新的應用，屆時光學和聲學也將在醫學領域上解決更多未被滿足的需求。

 

延伸閱讀

1. Wray, P., et al. (2019). Photoacoustic computed tomography of human extremities. Journal of biomedical optics, 24(2), 026003.

2. Chamanzar, M., et al. (2019). Ultrasonic sculpting of virtual optical waveguides in tissue. Nature communications, 10, 92 , 1-10.

3. Sonoluminescence: Sound into Light. UCLA Putterman Research Group. http://acoustics-research.physics.ucla.edu/sonoluminescence/

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2022 年 11 月