新時代非侵入性檢測儀器OpenWater

如果我們能夠用數位方式捕獲散射光線，並且重新建構組織原始形貌，就可以做出許多有趣的事情。最讓人振奮的應用應屬這篇無誤( OpenWater  Mary lou Jepsen )。

微型模組

約莫半年前，得知這個系統的存在，就開始筆記，概念上，它應用近紅外光可穿透人體特性，為身體組織內打光。但是當組織內的光散射成一大片時，是無法分析的。也因此推測，因為越深入身體組織，光線散射程度越高，可蒐集資訊越少，所以他們的展示品做成環繞身體的束帶形狀，每個部位僅蒐集附近區域訊息。

第二步驟，利用超音波會改變光的特性，經由控制在身體內不同位置聚焦，原本身體內瀰漫的紅色散射光，在聚焦點上，會有相位變化(影片中提到變成黃色散射光，似乎不可能吧)。本系統與超音波息息相關(連結)，這種發射聚焦的特性，在OpenWater系統中扮演很大作用，能為組織中某個特定區域，提供高能量，影像光波長改變。

第三步是，排除所有紅色光，僅分析黃光(同上述，非常質疑理論可行，文中稱為wavelength shifter)，重建該區域立體資訊。重複第二步動作，同時調整對焦位置，進行C-Scan，如此重複進行，就能得到整個區域的立體資訊。對於捕捉散射光，似乎可以再參考下面內容。

例如Monte Carlo光路模擬，下圖是25個紅外630 nm光子在食道組織的散射模擬，部分由表面逃逸，也有許多進入深層被吞噬。GITHUB上有完整範例程式(連結)。

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同時也有人試著利用這個特性，嘗試由散射結果，反向重建原本組織結構，如下圖，類似概念應該也就上述的原理(Monte Carlo模拟肠道组织的非接触式漫反射光谱)。

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回到Openwater簡報內容。

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下面是2018年某個演講摘錄畫面(連結)，已經可以分析和重建躲藏在盒子中的組織，且精度為0.5mm。雖然始終沒找到相關技術文件，還不能確定可行性，但僅僅"感到"科學技術的進步，就讓人振奮不已。網路上中文且探討這項技術文件不多，可參考交大黃俊榮(老婆臉友)文章(連結)。

最近陸續看到PATENT資料，認真參考，連結1 連結2 連結3  PATENTS的列表(連結) 挑了一篇看(連結)，有些觀念要澄清，例如是打出全息圖案，接收的原理應該是聲光衍射(連結)，無透鏡系統(連結)。

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因著2024他們開放更多資料，初步看了一下，上述技術被公司稱為Holographic Acousto-optic Imaging，是四個項目之一(其餘為lensless搭配雷射，超音波治療，機器校正)，詳細內容如連結。扣除校正這種輔助項目，此種Holographic Acousto-optic Imaging全像功能的開發似乎停擺了。連結

The Openwater Holographic Acousto-optic Imaging setup is a novel imaging modality employing both optical and ultrasound modalities to provide the functional information of near-infrared spectroscopy and spatial sensitivity of ultrasound. These devices have been used in a variety of pre-clinical studies.

Holographic acousto-optic imaging works by first directing light from a laser beam into tissue. When this light travels inside the tissue, it will be rapidly diffusely scattered and ultimately make it challenging to obtain any structural information from it. However, when an ultrasound beam’s focus is placed within the tissue at the same time, the laser light that crosses that focus region will be shifted to a very slightly different wavelength, this essentially ‘tags’ the light. By using lasers with very specific properties (notably high coherence), one can sort out this ‘tagged’ light from all of the other light exiting the tissue by holographically recombining it with some of the original laser light, similarly shifted in wavelength. Thus, holographic acousto-optic imaging can provide useful functional information at great spatial detail. This has been diagrammed in the image below. By moving the ultrasound focus across the entire tissue area, one can generate a 3D image of the functional properties of the tissue. Greater detail on the Openwater holographic acousto-optic image setup can be found in the hardware and software repositories on GitHub.

從資料看，他們重點放在後續兩項。2024/2/16資料：公司專注於雷射和lensless結合。Blood Flow OPEN MOTION 3.0(連結)，屬於非侵入性偵測裝置，如圖。

呈現結果是連續性的數值而非三維空間影像。雖然不是醫學專家，但基於腦部血流並沒有絕對值，單一數字能代表什麼呢？

The technology of Openwater Blood Flow devices is a novel method that utilizes light to measure and quantify blood flow within tissue. The technology utilizes highly refined laser light, emitting an extremely narrow range of wavelengths for very brief periods of time. As this specific type of light passes through tissue, its properties can be altered by the flow or movement of blood. Once the light exits the tissue, detecting and quantifying the small changes in flow is achieved by illuminating the transmitted light onto sensors with numerous tiny yet highly sensitive pixels. To accomplish this all, the technique employs simple, yet very sophisticated lasers and sensors that are either already in production for, or under development for, the mass market consumer electronics supply chain. This ultimately allows the device to be scaled down in cost dramatically compared to any other medical device, while providing unique and important biological information. Additional details on this technology and its application to stroke diagnosis can be found below:

2024/2/16資料：公司專注於超音波治療。使用機器OPEN-LIFU(連結)。看描述就是個可定位的超音波轟擊器，對象是腦部。值得注意是過程中需要外部機器例如MRI和CT輔助取得三維空間的資料庫，才能對比進行轟擊(這和腎結石碎石有什麼不同嗎？)。

因為是侵入性治療，過FDA的程序繁雜。功能包括了兩個，Neuromodulation和Oncolysis。The Open-TFUS Neuromodulation Platform is an ultrasound system that transmits focused ultrasound beams into a subject’s brain with the intention to be able to treat a variety of neurological diseases. The device works by uniquely employing a small array of low-frequency ultrasound transducers in order to precisely steer a small amount of energy to target regions within the brain. This platform has been used in a human clinical trial for depression.

The Openwater Preclinical Oncolysis Prototype is a therapeutic ultrasound system that uses low-frequency ultrasound with specific acoustic parameters in order to specifically target cancer cells while sparing surrounding healthy tissue. This platform has been used in a preclinical small animal study, demonstrating its performance.

與OCT的初體驗

左手食指表面(左)的OCT成像(右)

OCT是以光干涉現象為基礎的延伸應用，初期侷限在眼科視網膜細胞組織分析，近十年，隨著技術發展，逐漸往內視領域和組織觀察方向發展，範圍越發廣泛。

當我第一次瞭解到這項技術時，就對這項能夠在不破壞被觀察物體、不染色狀況下，即可一次觀察到數豪米內細胞排列，感到十分著迷。就如同，虎克透過顯微鏡揭開了自然世界面貌，自然科學的進步總是從觀測技術的突破開始，OCT的確有機會成為醫療檢測新利器。

這次參觀交大光電實驗室，實際接觸OCT，尤其是以元件層次而非商業成品觀察牠的運作，再加上專家解說，更當場伸進左手食指，直接在螢幕上看到論文中常出現的立體影像，收穫實在豐富。資料整理如下。

系統為SS-OCT，因為都是以元件形式連結，整個環境就像是大型樂高平台，光學工作板上插滿著台座及光纖軸線，完全就是光電所該有的樣子(笑)。值得一提是，幾乎所有的實驗元件都是購自THORLABS。

光學工作桌面

這團實體的對映架構圖如下。並且列出各元件資料。

照片翻拍自實驗室碩士論文

掃頻雷射(swept laser source)：品牌Santec型號HSL-20(連結)，中心1310nm，售價可能數十萬，專家特別提到機器有特殊Trigger可以通過DAQ讓PC開始運作。Santec其他雷射裝置(連結)。

光路：中間傳導部分都是光纖，接口應該是FC。

Coupler：分光功能，應該是類似beam splitter，光纖系統則是使用Coupler，每個至少上萬元(連結)，THORLABS資料庫可以依照波長和不同分光比例(50:50 75:25 90:10 99:1)依照需求購買。

目前系統使用三種不同Coupler，1:99的目的是提供系統觸發點開始運作。20:80的目的是將20送入參考臂，80送入觀測處。50:50的目的是減少雜訊(這部分聽不懂)。

APD：型號PDA05CF2(連結)，內為InGaAs，可將光訊號轉為電訊號，價格同樣萬元起跳。

參考臂：設計上，光纖點光源會由透鏡轉為平行光，並在端點又經過透鏡聚焦，再經反射鏡反射。下圖中左方是光纖，側邊是透鏡，平行部份約三十公分左右。類似透鏡也應用在樣品臂。另外，網路上有販賣FC接口的準直接環，應能將左邊透鏡合併。

賣場位置 連結 連結

調整光角度：因為要能對二維平面進行掃描，使用THORLABS GVS002(又噴了六七萬吧(連結)。

對焦：樣本臂上附有透鏡，調整其位置可直接影響樣品對焦平面，也就是說，OCT也是有對焦的功能。

光纖環型器：Fiber Optic Circulator，想當然耳，又是上萬元的零件(連結 連結)，對我來說，這個元件是新的概念，相關原理如連結。

PDB：原本以為PDA就可以，沒想到跑出個PDB，英文名稱是Fiber Coupled Balanced Amp，猜測具有訊號抑制的功能。他們使用的型號是THORLABS PDB480C-AC(連結)，六萬左右。

主機：程式LABVIEW，以DAQ CARD接收掃頻雷射和PDB的訊號，並且製圖。

整個架構，是由學理、器材選擇知識和金錢三方面累積起來，進入門檻頗高。作者提到，這是實驗室累積幾年的成果，目前以應用為主，包括和醫院合作分析正常與癌組織切片差異或是觀察腦部皮質細胞。後續可以朝提高解析度發展。

窄頻影像（Narrow Band Imaging, NBI）

窄頻影像，可看作是一般消化道內視鏡的加強版，它能強化原本影像中血管位置並提供深淺資訊，根據文獻內容，類似的血管分佈資訊能協助有經驗的醫師，發現肉眼不容易看見的病灶。

從學理上分析，窄頻影像使用到兩項生物組織光學特性。

一、減少紅光(紅外光)的干擾：下圖是各種不同波長光線，可深入人體組織距離資料，從圖中可以看出，組織對紅光和紅外光的吸收能力最強，綠光次之，藍光最弱。而紅(外)光進入人體後，又會產生大量散射，所以窄頻影像第一點就是遮蔽(不發出)紅(外)光。

組織與不同波長光現關係(連結)

綠光可以看到較深層組織，藍光則是觀察淺層組織。

綠光與藍光的層次關係(連結)

二、血紅素吸收特定光譜："血紅素"會吸收特定波長，尤其是藍光 415 nm與綠光 540 nm，因此若僅照射此二波長光線，調整過的光穿透黏膜後，藍光凸顯表面微血管的型態，綠光則凸顯較深層的血管。而血管部分就會呈現黑色而突顯出來。

去氧血紅素與含氧血紅素之光吸收頻譜分布圖(連結)

依照此概念，我們開始進行實驗。下圖是舌頭下方利用不同波長LED光線(連結)所拍攝圖片，大致能對應上面提到的學理基礎。

白光 遠紅 紅 綠 藍 紫

展覽：北美館2019【池田亮司】展

台北市立美術館展出池田亮司大型個展，諾大展間中，以單純的電子原音，搭配灰、黑、白三者簡明視覺圖像，鋪設出快速流動的線條，引發強烈的視覺與聽覺感官體驗。

進入展場，迎面而來是由高亮度白光照耀的碩大、完整黑洞，閃光下，球體似乎在與喇叭傳出的壓縮音樂抗衡，初次來到都會不自主的加速通過。第二次再觀賞，才有餘裕以慢動作錄影下超現實，幻彩多變異世界氛圍影片。

更往裡走，是由三座大型投影幕構成，影像與聲音綜合藝術。視覺上，黑和白構成的文字瀑布流，表現出現代人無時無刻接收著流動的訊息，好像生活中四處可見的文字、資訊、數據、簡報圖表，又或者捷運的路線圖，股市漲跌K線等等，龐大的視覺資訊充斥四周，強迫我們吸收，更不斷創造無力感。

展覽畫面抓拍

放大後，文字形成的瀑布流

聲音上，與古典音樂不同，電子音樂將各種類比聲波，並經由效果器重新處理，組合成為新的聲音，打破傳統音樂之節奏、旋律、和聲組合，像是對長久以來文明累積下的集體聽覺意識，重新進行省思。如此深入內心的聲音，更能引起神經層次的共鳴。就像女兒一直說，這裡面沒有大道理，反而覺得舒服。

不能免俗，在這展間也是得玩慢動作錄影。

最後展間展出作品macro，據稱是池田亮司在歐洲CERN粒子加速器中心駐村時作品，顏色多變且豐富，充滿更多宇宙塵埃與粒子散射的感受。

縱觀展出作品，均是依賴電腦科技和電子材料迅速發達，影像和聲音都大量進入數位化，經過複製、重組、拆解的技巧，將聲音特性、頻率重新解構，再以極簡圖像或者數字重新呈現，創造出多采多姿不同樣貌與風格的作品。( 音樂可參考專輯Ryoji Ikeda - data.matrix   headphonics  )。

對藝術、音樂、人文科學門外漢來說，這些巨大的投影、各種頻率與節奏的聲響、光影光束變換與閃爍，讓人覺得踏入了另一個時空，在其中，現實的時間與空間好像都消失了，身處其中，不斷在宇宙洪荒和微觀世界中切換著，習以為常的認知早已消失，僅剩下新興令人興奮的新世界。

閱讀：不「應該」的人生－在冰島的人生7堂課

因為要去冰島玩，四處蒐集資料時發現這本【在冰島的人生7堂課】，與一般旅遊書不同。本書沒有景點介紹，也沒有深入蠻荒和大自然奮力抗爭過程，僅僅是作者在冰島為期一周HomeStay的記行。

作者賴仕涵是位道地在台生活和工作的人，自認為性格封閉，不喜與人居，旅遊時總喜歡往偏僻恬靜小鎮去。此書出版時，冰島旅遊還沒有現今這麼暢旺，但這已經是他第二次踏上冰島旅遊。根據書中描述，首次的冰島旅遊已經歷過觀光行程，並且留下美好印象，二度來訪時，只想單純在VIK小鎮的青年旅館和民宿，進行短期HomeStay。

文章由出發前的動機寫到入住青年旅館過程，間或夾雜些短暫的小鎮漫遊及山中健行記錄，平淡質樸，讀來輕鬆又有趣。當然，若僅是如此，是無法寫出引人入勝作品，這就不得不提起作者開業心理醫師的背景。

或許是職業使然，他對旅程中發生的小插曲，除描述外，總能以客觀第三者的態度提出分析爬梳各種心理現象並歸納化為文字。僅管文字平鋪直敘，也會不經意流露出「原來心理醫生是會如是想」的心情。例如：

一，生活中，時時刻刻都需要面臨【選擇】，旅程中類似情況更多，為了讓效益最大化，我們得時常進行利益權衡，但若兩方差異不大時，就會陷入焦慮困苦。這也是第一課「撿石頭」的內容。

二、選擇後，不論結果如何，心態上都不能有事後諸葛亮的心態，總要坦然面對並接受，這也是第四課「接受」的人生智慧。而接受的前提，是相信主客觀環境總是變動無法掌握，無法盡如人意，這也是第三課「應該」不見得真的那麼應該的意義。

三、另外幾個項目，功能各有不同，例如第二課「獨處」是人生的必修課，鼓勵每個人關照自身內心思維。第六課少說「可是」人生會開始不一樣，則是教導人如何跨越障礙。第七課「死亡」是人生最難解的課題，第五課新時代「孝」的新解，這兩者則是比較單獨的議題。

這些故事和分析雖然發生在冰島，實際上卻無涉於冰島，更像是自我探索與整理的歷程。也就是說，是可以發生在任何一個青年旅社，或許是挪威、瑞士、當然也可以是花東縱谷。對於自認個性內向、沉靜，不喜與人居的人，能夠刻意將旅程安排在小鎮青年旅館，增加與人相處機會，並且開始大量使用社群媒體，都是跨越自己，面向廣大世界的突破，作者近年更自行出版小說，完全體現斜槓族多重事業的路向。

所以，若你是對冰島旅遊有興趣者，鑒於全書只有少少幾段VIK小鎮描述，大可跳過本書。不過本書特別之處，不是在探索外在風景，而是在探討，人生在侷限的範圍，例如海邊小鎮被風雨困住無法動彈時，該如何與內心對話，以健康、完整的心態，繼續向前，這或許更是現今旅遊如此方便情況下，更有意義的旅遊方式。