看穿表皮的 Michelson diagnostics-光學同調斷層掃描技術

作者:余翔嘉

編輯:顏廷耘、王裕仁

在美國每年約有 5 百萬人罹患皮膚癌,其中以基底細胞癌( Basal cell carcinoma,BCC )和鱗狀細胞癌( Squamous cell carcinoma,SCC )居多,而黑色素瘤( melanoma )雖只佔 1%的比例,但致死率極高 [1]。透過早期診斷並即時給予治療,可以提高治癒率和存活率。皮膚科普遍的診斷器材例如皮膚鏡、伍氏燈( Wood’s examining light )僅能看表面或局部範圍,要做進一步的病理切片才能提供醫師正確的判斷,但病切檢驗耗時長且有局限性,存在誤判為良性腫瘤的風險,因此即時的活體影像系統的發展就極為重要,能夠協助醫師在診斷時作為參考的依據。其中,光學斷層掃描技術是利用光對物質的穿透和散射特性來成像,不同於電腦斷層( CT )和核磁共振( MRI ),它具有即時性和非侵入性等優點。使用這項技術的工具包括共軛焦顯微鏡( Confocal microscopy )、多光譜成像( Multi-spectral imaging )、光學同調斷層掃描( Optical coherence tomography,OCT )和極化儀( Polarimeter )等,能提供高解析度的活體影像來協助臨床診斷和病程追蹤、改善皮膚疾病的診斷與療程 [2]。

從 2016 年開始複合式手術室逐漸受到推廣,這樣的手術室可以在執行手術治療的同時進行即時影像檢查、減少患者在不同手術室間的移動並降低多次麻醉與轉移手術室的風險 [3]。也因為複合式手術室的興起,影像導引治療的需求也日益增加,藉此,擁有細胞等級解析度和微米級穿透力的光學同調斷層掃描技術( OCT )所受到的關注也越來越多。根據全球市場分析報告指出,OCT 至 2025 年止的市場應用將以 8.3% 的複合年增長率成長 [4]。此技術主要是利用光線進入生物組織後產生的背向散射光來成像,以干涉儀(最常見是麥克森干涉儀)過濾掉部分散射光來達到光線的同調性( Coherence ),掌握同調性的光源後,再利用干涉原理產生高解析度的成像,訊噪比高,生成影像的速度較快。這項技術原廣泛應用在眼科的視網膜病變和心血管領域,近年來逐漸延伸到皮膚科的輔助診斷上 [5]。

Michelson Diagnostics Ltd. 是將光學同調斷層掃描技術應用在皮膚疾病的先驅。這家醫材公司於 2006 年由 5 位物理學家和工程師成立,致力於提供醫師醫療輔助診斷的影像資訊。主要產品 VivoSight 是一個非侵入式的皮膚斷層掃描工具,在皮膚上以長寬 6 mm的面積產生 500 幀深度約1釐米的縱向切面的即時影像( B-scan ),這個影像的側向解析度( lateral resolution )可達 7.5 μm 、軸向解析度( axial resolution )可達 5.5 μm ,使其適用範圍可以觀察到角質層、上皮層、真皮-表皮連接處( Dermis-epidermis junction )的黑色素細胞分佈以及具有血管和膠原彈性纖維的真皮上層 [6]。透過 VivoSight 產生的影像來量測上皮層厚度、動態的血管網路以及毛囊和毛孔型態,可以幫助醫師在判斷疾病的進程中,以影像去監測腫瘤組織的邊緣,配合莫氏手術( Moh’s surgery )的切除範圍;另外,在微針注射療程裡,VivoSight 還可透過 3D 立體影像建構塊狀皮膚層,標示給藥的皮層深度,以達到精準醫療的需求 [7]。

2014 年 Michelson 在美國皮膚病學會( AAD )公布其在德國的前瞻性臨床試驗成果。在試驗中,比起臨床皮膚鏡診斷, OCT 對於基底細胞癌的特異性( specificity ) 和陰性預測值( Negative Predictive Value )有顯著的提升。這對於美國每年平均新增 2 百萬個 BCC 病例的診斷有很大的助益。也因此在年底, VivoSight 在皮膚病學領域的營收增長翻倍,達到 120 萬英鎊。 2015 年 VivoSight 拿到美國 FDA 510( K )的核准販售,以及歐盟/澳洲的 CE/TGA 認證 [8]。 2017 年得到美國醫學協會( AMA )批准的兩個第三類現行程序術語代碼( CPT code )用於皮膚 OCT 影像的保險給付 [9]。 Michelson 在至少六輪的募資裡募達一千萬美金 [10],並在 2020 年引進 AI 演算法,提升腫瘤標記物的檢驗速度以提供皮膚癌的治療策略。

OCT 技術的優勢在於毫米級的穿透力和高解析度,相較於研究上常用的共軛焦顯微成像技術( Reflectance confocal microscopy,RCM ),後者的穿透力較低且僅有水平軸向( en-face )的影像,難以直接跟病理切片做組織學對照。不過 RCM 的橫向切面的解析度達到 0.5-1 μm,可以觀察到活化的黑色素細胞以及真皮層裡不同型態的彈性纖維結構。 Caliber I.D. 即是一間使用 RCM 技術的公司,其產品 VivaScope 能產生長寬 8 mm 的皮膚橫切面 mosaic 影像,也在 2017 年拿到 CPT code [11]。另外,2014 年開始竄升的 DAMAE Medical 則是以 Line-field confocal OCT 為技術核心的 ,提供造影速率更快、解析度更高的 B-scan ,加上 confocal-like en face 幾乎能與 RCM 匹敵、改善傳統 OCT 影像噪率高的問題。近年發展的 deepLive 系統更可以建構立體的皮膚影像,滿足不僅在XY軸固定方向,還有各向同性( isotropic )空間解析度達 1 μm 的影像需求 [12]。

總結上述, OCT 能提供比皮膚鏡更深的穿透力與更高解析度的影像,這樣的特色在第一線會接觸到紫外線的皮膚層範圍的適用性更佳,非常適合用來觀察包含良性及惡性的色素病變。未來對於即時立體影像建構的需求日益成長, OCT 結合 AI 的影像學習後,透過演算法的結果能提供醫師更快、更全面的病灶資訊,增強對各種皮膚病的診斷精確度以解決臨床上的困難和挑戰。

[1] Medscape: Fast Five Quiz: Melanoma and Other Skin Cancers https://reference.medscape.com/viewarticle/953575

[2] Rey-Barroso et al., Optical Technologies for the Improvement of Skin Cancer 

Diagnosis: A Review. Sensors. 2021; 21(1):252. https://doi.org/10.3390/s21010252

[3] 複合式手術室的應用 https://sub.chgh.org.tw/surgical/hybrid_oper.html

[4] Optical Coherence Tomography Market: Global Industry Analysis, Trends, Market Size, and Forecasts up to 2025 https://www.sdki.jp/reports/optical-coherence-tomography-market/104110

[5] Wikipedia: Optical coherence tomography https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography

[6] Michelson Diagnostics Ltd. (MDL)https://vivosight.com/company/

[7] VivoSight Imaging and Measurements for Microneedle Optimization

[8] Michelson Diagnostics Closes £ 2.5M First Tranche Of £ 4.0M Series B Fundraising https://www.meddeviceonline.com/doc/michelson-diagnostics-tranche-series-b-fundraising-0001

[9] AMA Approves OCT Codes https://www.photonics.com/Articles/AMA_Approves_OCT_Codes/a62285

[10] CrunchBase: Michelson Diagnostics

https://www.crunchbase.com/organization/michelson-diagnostics

[11] Caliber I.D. – Imaging & Diagnostics, Inc. https://caliberid.com/vivascope1500-Overview.html

[12] Arnaud Dubois et al., J. of Biomedical Optics, 23(10), 106007 (2018) https://doi.org/10.1117/1.JBO.23.10.106007

Written by EBC_admin
September 4, 2021

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