漫反射光譜學理論

生醫光學(Biomedical Optics or Biophotonics)是利用光電科技偵測與量化生理參數的一門科學，而其中漫反射光譜學(Diffuse Reflectance Spectroscopy, DRS)技術，其無創、即時且可連續監控生理參數的特性，讓相關醫療技術不斷研究開發。利用擴散理論(diffusion theory)，可將漫反射光訊號換算成組織的光學參數(吸收係數absorption (μ_a)、散射係數scattering (μ_s))，並藉由所獲得的吸收、散射光譜再進一步推算出欲獲得之生理參數，如細胞的平均大小、血紅素、黑色素與水分等濃度，達到量化組織成份的目的。此技術也是目前非常熱門的光學穿戴式血糖、血壓量測的核心基礎。

適用於淺層組織漫反射光譜技術

傳統的漫反射光譜技術是使用光子擴散理論，配合最小平方誤差法去計算組織的吸收與散射特性，但因為擴散理論中的相位函數與能量分布的近似處理，所以只能使用在較長SDS，以及吸收遠小於散射的情況下。因此光子擴散理論無法處理SDS小於3 mm的量測狀況，以及待測物屬於高吸收或低散射的情況，本實驗室開發了可適用於量測淺層組織的光子遷移模型Modified two-layer (MTL)。

Modified two-layer 光學模型，又稱為調整雙層式光學架構，是將光源端出光口前加入一片高散射且低吸收的散射片，而偵測端則是直接穿出散射片，藉此讓光被接收前有獲得充分的散射，不僅可有效的滿足擴散理論的近似假設，也能接受到來自淺層組織的光訊號，有效定義出其光學特性，MTL光學模型如下圖所示。

色團擬和

光子在人體組織中傳遞的時候，會受到組織中各種不同的吸收物質以及散射物質的影響，導致漫反射的現象產生，這些吸收物質統稱其為發色團(Chromophore)，人體組織中有多種色團，各色團有其相對應不同特徵的吸收光譜，因此可以將量測所得到的組織光譜，與已知發色團的光譜做光譜擬合，藉此得到各色團在組織中的成分比例。為了算出皮膚組織中的發色團濃度，可藉由非線性曲線擬合函數，擬合皮膚組織之吸收光譜中的色團濃度。人體皮膚於500-1000 nm常見的吸收物質為：帶氧以及不帶氧血紅素、黑色素、脂質、膠原蛋白和水分，其吸收光譜如下圖所示。

皮膚生理組織臨床應用

初步的臨床皮膚檢測上除了問診，主要還可分為視診與觸診，如此的診斷方法除了需具備相當充足的醫學知識外，還需要臨床經驗的累積，才能將主觀的感受轉換成正確的判斷，例如膚色以及患部軟硬度的變化與差異等，可經由量化對應到何種病理與生理現象。組織切片的檢測方式雖然可獲得豐富且完整的資訊，但不僅需要耗時三到七天的等待時間，無法快速判斷皮膚患部的狀態，此外，造成開創性的傷口也是病患為之卻步的主要因素。因此以非侵入、準確且即時地提供醫師或其他醫療美容從業人員實用的量化資訊，讓醫師與患者皆能以更客觀、快速的方式了解皮膚變化，對臨床診斷與醫病關係將有極大的幫助。

膠原蛋白與蟹足腫疤痕之相關性研究

皮膚結構包含表皮層、真皮層與皮下組織。膠原蛋白主要位於真皮層內，提供皮膚彈性與支撐的功能。迄今，臨床上尚未有客觀評估與量化皮膚內膠原蛋白的方法。我們希望以光學偵測的方式研發非侵入式且快速量化皮膚內膠原蛋白含量的方法，以提供臨床醫師快速、方便且客觀的檢測儀器。而蟹足腫疤痕就是膠原蛋白不正常增生的疾病。

運用自行架設的穩態光DRS系統與成大醫院的皮膚科醫師合作，收集了71位患者共計228筆蟹足腫疤痕的光譜資訊，進一步做色團擬合的分析，發現的確可以使用DRS系統測量到的膠原蛋白含量作為蟹足腫嚴重程度的區分，還可以運用疤痕內的組織血氧與水分的變化來評估蟹足腫治療效果的好壞，這些都是以往臨床診治上難以觀察並量化的現象。

新生兒黃疸

新生兒黃疸好發於出生一至二週的新生兒，在亞洲有高達六成以上的比例，新生兒黃疸所致之核黃疸，更是開發中國家新生兒死亡的原因之一。目前臨床上仍需倚靠抽血為檢驗標準，而抽血檢驗除了造成新生兒疼痛，在一些沒有完善抽血檢驗設備的地區或是國家，更有感染風險及醫療廢棄物處理問題，因此經皮量測黃疸儀有其實質的醫學價值。

本實驗室運用自行架設的平台式DRS系統與高雄榮民總醫院的小兒科合作，總共量取35名足月(大於36周)且出生大於2000 公克之新生兒，利用DRS系統量測額頭與胸口兩個位置，量測結果與腳跟採血所獲得的總血清膽紅素值(Total serum bilirubin)做相關性比較，如下圖所示，額頭的相關係數為0.85，而胸口的相關係數高達0.95，可量測範圍為1.2-19.8 mg/dL，由此結果可知，漫反射光譜學系統，可為非侵入式的新生兒黃疸診斷工具。

新生兒貧血

貧血是一種常見疾病，根據WHO的資料，全球5歲以下孩童患有貧血的比例為41.7%，兒童貧血會影響行為、記憶、學習和感覺系統，多份研究報告指出，貧血兒童的運動和智能發展指數較正常兒童低很多。兒童患有貧血的風險很高，造成的神經發育傷害後復原困難，對學習以及成年後的發展都有著重大和深遠的影響。現行貧血診斷方法仍為抽血，但血液常規檢查並不在每年兒童健康檢查項目中，因此貧血問題容易被忽略，若無法及時診斷治療，長期的慢性貧血更可能造成其他器官病變，此外，兒童抽血困難，不僅需要專業的檢驗人員以及設備，又因為嬰幼兒血管較細與無法配合等因素，經常造成醫護人員壓力，因此非侵入式的快速檢測裝置有其必要。

運用自行架設的穩態光漫反射系統對新生兒的額頭、胸口與手臂等三個位置進行血紅素(Hemoglobin, Hb)測量，與新生兒腳跟採血所獲得的血比容(Hematocrit, Hct)做間接比對，實驗結果如下圖所示，於額頭、胸口與手臂的相關係數分別為0.76，0.94與0.86，該實驗目前持續進行中，受測者數量仍須增加，雖不是直接比對新生兒的血紅素數值，但初步結果仍可看出血紅素趨勢。團隊並將此量測系統進行穿戴式裝置的小型化開發，以便於需要長時間監控的場域使用，如此可預見DRS系統能有相當多元的臨床應用。

A.光學經皮量測黃疸儀之小型化開發

• 新生兒黃疸為新生兒最常見的病症之一，因此準確獲知新生兒膽紅素資訊並即早接受治療，皆有助於減少『高膽紅素血症』的併發症發生機率，進而降低新生兒神經損傷風險。

• 團隊於107年開始執行新生兒黃疸儀開發計畫，組裝了適用於膽紅素檢測的漫反射光譜量測系統(DRS系統)，並開發了相關演算模型，已確定團隊所開發的DRS系統有能力成為便利且準確的新生兒黃疸檢測儀器，目前進行DRS系統的小型化工作，以利臨床上的實際應用。