News

2021

Date Event Category
04/19 Invited talk - Kung-Bin Sung, “Toward quantitative dosage analysis of transcranial photobiomodulation with near-infrared light,” OPTICS & PHOTONICS International Congress 2021, oral BISC-Satellite-11(Invited), Mon. Apr. 19 2021 4:15 PM - 4:45 PM. Conference
04/19 Yu-Peng Hsieh, Tzu-Chia Kao, Kung-Bin Sung, “Non-invasive quantification of the photon fluence rate in the prefrontal cortex for transcranial photobiomodulation (tPBM),” OPTICS & PHOTONICS International Congress 2021, poster BISC-P-06, Apr. 19-22 2021. Conference
04/19 Ying-Ju Tsai, Sunil Vyas, Yuan Luo, Kung-Bin Sung, “Mueller matrix calculation using Electric field Monte Carlo simulation,” OPTICS & PHOTONICS International Congress 2021, poster BISC-P-12, Apr. 19-22 2021. Conference
04/19 Guo-Sheng Lin, Chong Ian Mok1, Kung-Bin Sung, “Two-Step Curve Fitting Combined with a Two-Layered Tissue Model to Quantify Intrinsic Fluorescence of Cervical Mucosal Tissue in Vivo,” OPTICS & PHOTONICS International Congress 2021, poster BISC-P-05, Apr. 19-22 2021. Conference
04/12 Huai-Ching Hsieh, Po-Ting Lin, Kung-Bin Sung, “Identification of Cell Death by Quantitative Phase Imaging,” OSA Biophotonics Congress: Optics in the Life Sciences, oral DM1A.2, Apr. 12 2021 5:30 - 5:45 (GMT - 07:00). Conference

2020

Date Event Category
04/20 Invited talk - Kung-Bin Sung, “Quantitative phase imaging and the application of deep learning on processing and analyzing such images,” Information Photonics 2020, Taipei, Taiwan (Sep. 12, 2020). Conference
02/03 Yang-Hsien Lin, et al., “Retrieval of red blood cell 3-D shape from single-shot quantitative phase image,” SPIE Photonics West, San Francisco, California (Feb. 01 - Feb. 06, 2020). Conference
02/02 Shih-Cheng Tu, et al., “Building and validating a data processing pipeline for extracting the central venous oxygen saturation,” SPIE Photonics West, San Francisco, California (Feb. 01 - Feb. 06, 2020). Conference

2018

Date Event Category
04/20 New publication:“Hybrid method to estimate two-layered superficial tissue optical properties from simulated data of diffuse reflectance spectroscopy,” Applied Optics, 57(12):3038-3046, Apr. 2018 Publication
04/01 New publication:“Modelling spatially-resolved diffuse reflectance spectra of a multi-layered skin model by artificial neural networks trained with Monte Carlo simulations,” Biomedical Optics Express, 9(4): 1531–1544, Apr. 2018 Publication

2017

Date Event Category
12/03 New publication:“Morphometric Analysis of Erythrocytes from Patients with Thalassemia using Tomographic Diffractive Microscopy,” Journal of Biomedical Optics, 22(11):1-11, Nov. 2017 Publication
11/23 Chiao-Yi Wang, et al., “Developing visible and near-infrared reflectance spectroscopy to detect changes of the dermal collagen concentration,” and “In vivo measurements of optical properties of human muscles with visible and near infrared reflectance spectroscopy,” SPIE Photonics West, San Francisco, California (Jan. 27 - Feb. 01, 2018). Conference
11/08 Yang-Hsien Lin, et al., “Phase Reconstruction on Digital Holographic Microscopy with NVIDIA Jetson TX2,” NVIDIA GTC Japan 2017, Tokyo, Japan (Dec. 12-13, 2017). Conference
06/26 Received the “MOST Innovative Medical Device Flagship Grant,” starting from May 1, 2017 Grant
05/24 Chiao-Yi Wang, et al., “Sensitivity Analysis for Detecting Oxygen Saturation of Deep Veins with Non-invasive Near Infrared Spectroscopy,”The 39th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’17), in conjunction with International Biomedical Engineering Conference of KOSOMBE, will be held at International Convention Center (ICC), Jeju Island, Korea (Jul. 11-15, 2017). Conference
05/07 Yang-Hsien Lin, et al., “GPU Implementation of 3-D Refractive Index Reconstruction in Common-path Tomographic Diffractive Microscopy,” NVIDIA GPU Technology Conference 2017, San Jose, CA, United States (May. 08-11, 2017). Conference
04/25 Invited talk - Kung-Bin Sung, et al.,“Fast profiling of three-dimensional refractive index maps of white blood cells,” The 7th International Multidisciplinary Conference on Optofluidics, Singapore (Jul. 25-28, 2017). Conference
04/20 Kung-Bin Sung, et al.,“Investigation of light scattering characteristics of individual leukocytes using three-dimensional refractive index maps,” Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC), Yokohama, Japan (Apr. 20, 2017). Conference
03/27 New collaborative research project with Apacer Technology Inc. Collaboration
01/17 Invited talk - Kung-Bin Sung, et al.,“Quantification of Tissue Optical Properties in vivo from Reflectance and Fluorescence Spectra using Multi-layered Monte Carlo tissue models,” The 10th International Conference on Computational Physics, Macau, China (Jan. 17, 2017). Conference

2016

Date Event Category
11/15 實驗室碩士生黃贊學將代表實驗室於「Japan-Taiwan Medical Spectroscopy International Symposium/ 14th Annual Meeting of the Japan Association of Medical Spectroscopy」發表研究成果。
題目:Probe pressure effects on the diffuse reflectance spectroscopy of invivo oral mucosa from normal volunteers
Conference
11/15 實驗室碩士生林豐正將代表實驗室於「Japan-Taiwan Medical Spectroscopy International Symposium/ 14th Annual Meeting of the Japan Association of Medical Spectroscopy」發表研究成果。
題目:A method to fix white blood cells avoid suspension and Using common-path tomographic diffractive microscopy to analysis and identify WBCs
Conference
11/15 實驗室碩士生俞婷文將代表實驗室於「Japan-Taiwan Medical Spectroscopy International Symposium/ 14th Annual Meeting of the Japan Association of Medical Spectroscopy」發表研究成果。
題目:Validating a GPU-based inverse fluorescence Monte Carlo method by two-fluorophore phantoms
Conference
11/12 宋孔彬教授受邀於「International Workshop on Holography and related technologies (IWH2016)」演講
演講題目:Common-path Tomographic Phase Microscopy for Studying the Morphology and Light Scattering Properties of Blood Cells
時間:Nov. 11-13, 2016
地點:Just Sleep Jiaoxi, Yilan, Taiwan
Conference
09/21 實驗室博士生林仰賢代表實驗室於「NVIDIA GTC Taiwan 2016」發表研究成果。
題目:GPU Acceleration of Phase Retrieval in Common-path Tomographic Diffractive Microscopy 榮獲海報競賽冠軍
Award
Conference
07/20 宋孔彬教授受邀於「The 6th International Multidisciplinary Conference on Optofluidics」演講
演講題目:Three-dimensional Refractive-index Microscopy for Live-cell Imaging
時間:July 24-27, 2016
地點:Park Plaza Beijing Science Park, Beijing, China
Conference
02/29 實驗室博士生廖英淇將代表實驗室於「2016 OSA Biomedical Optics Congress」發表研究成果。
題目:Simulation Study on Optimal Probe Numerical Aperture for Diffuse Reflectance Spectroscopy
Conference
02/29 實驗室碩士生葛凡華將代表實驗室於「2016 OSA Biomedical Optics Congress」發表研究成果。
題目:In-vivo diffuse reflectance spectroscopy (DRS) of oral mucosa of normal volunteers
Conference
02/29 實驗室碩士生俞婷文將代表實驗室於「2016 OSA Biomedical Optics Congress」發表研究成果。
題目:Extracting Fluorescence Efficiency with a GPU-Based Monte Carlo Model for Two-Layer Mucosal Tissue 榮獲OSA Student Traveling Grant
Award
Conference

2015

Date Event Category
10/01 New publication:“Precancerous esophageal epithelia are associated with significantly increased scattering coefficients,” Biomedical Optics Express, 6(10):3795-3805, Oct. 2015 Publication
03/24 實驗室碩士生蕭逸嫻將代表實驗室於「2015 SPIE European Conferences on Biomedical Optics」發表研究成果。
題目:Development of a movable diffuse reflectance spectroscopy system for clinical study of esophageal precancer 榮獲2nd Prize of Best Student Poster Award
Conference
02/01 New publication:“Tip-enhanced fluorescence with radially polarized illumination for monitoring loop-mediated isothermal amplification on Hepatitis C virus cDNA,” Journal of Biomedical Optics, 20(2), 027005, Feb. 2015 Publication

2014

Date Event Category
10/30 宋孔彬教授受邀於「第一屆日本醫學光譜協會與台大分子生醫影像研究中心聯合國際研討會Biomedical Molecular Imaging 2014」演講
演講題目:Diffuse reflectance spectroscopy for in-vivo detection of epithelial precancers
時間:10:30 – 10:50, November 7, 2014
地點:Spa Spring Resort, Beitou, Taipei, Taiwan
Conference
07/17 New publication:“Accurate extraction of optical properties and top layer thickness of two-layered mucosal tissue phantoms from spatially resolved reflectance spectra,” Journal of Biomedical Optics, 19(7), 077002, Jul. 2014 Publication
07/17 New publication:“Investigation of influences of the paraformaldehyde fixation and paraffin embedding removal process on refractive indices and scattering properties of epithelial cells,” Journal of Biomedical Optics, 19(7), 075007, Jul. 2014 Publication
07/17 New publication:“Tomographic diffractive microscopy of living cells based on a common-path configuration,” Optics Letters, 39(7), 2210-2213, Mar. 2014 Publication
03/23 實驗室碩士生謝弘柏將代表實驗室於「2014 SPIE Photonics Europe」發表研究成果。題目:Construct a new method accurately extracting parameters associate with absorption and scattering coefficients of epithelium and stroma: using perpendicular and oblique fiber bundle probes Conference
02/19 宋孔彬教授受邀於「Japan Taiwan Bilateral Conference on Biomedical and Plasmonic Imaging 」演講題目:3D refractive index mapping of living cells 時間:2014/02/26地點:臺灣大學生物科技館214室 Conference

2013

Date Event Category
11/08 Congratulation! 陳錫勳同學獲得102年度生醫電資所第三屆獎勵研究創新得獎-最佳碩士論文獎 Award
10/29 研究論文Digital holographic microtomography for high-resolution refractive index mapping of live cells (Journal of Biophotonics, 2013)收錄於Global Medical Discovery的Key Scientific Articles。 Publication
10/11 實驗室博士生蘇璟瑋將代表實驗室於「2014 Biomedical Optics Conference, SPIE Photonics West」發表兩篇研究成果。
1.題目:Investigation of the correlation between acetic acid-induced structural changes and backscattering of epithelial cells based on three-dimensional refractive index distributions of living cells (2 February 2014)
2.題目:Determination of light scattering properties of thin slices of epithelial tissue based on three-dimensional refractive index mappings of the tissue slices
Conference

Intro

研究主題
生醫工程、生醫光電

關於實驗室
我們實驗室的研究方向是以光學方法來觀察生物組織、細胞與分子,主要分為各種光譜的分析以及光學影像系統的應用,以期對生物醫學領域的研究有所助益,並開發新的輔助醫學診斷的工具。長期的目標是針對疾病(特別是癌症)的早期徵兆,發展低侵入性的診斷儀器系統。

給未來的學生
我很尊重學生的意願與想法,也很鼓勵學生作自己有興趣的題目,相對的,也希望學生能夠主動地學習,並且在這裡建立起獨立思考與處理事情的能力。如果你對於自己的興趣還不是非常清楚,我們這裡有很多不同的projects,你也可以先跟著學長姊從做中學。另外由於我們實驗室需要的專業能力相當的廣,因此實驗室是由大學不同主修的學生組成,特別適合勇於接受新事物的同學,也歡迎所有有志於投入生醫光電領域研究的同學加入我們的行列。

Research

● Publications: 

癌症長期為我國首位死因,其死亡率居高不下的主因是多數的癌症缺乏有效的早期診斷或篩檢方式,而越晚期才發現的癌症其治療效果急遽降低,因此提早發現癌病變仍是降低癌症死亡率與提升病患生活品質最有效的途徑。據估計超過85%的癌症肇因於上皮組織,而早期的上皮組織內的病灶並無法從外觀上分辨出,光學的檢測方式因具備非侵入的特性,且光在人體組織的穿透深度足夠包含上皮組織的厚度,故非常有潛力成為癌病變的早期診斷工具。

本實驗室自2010年開始發展定量光譜術以非侵入性偵測上皮組織癌前與早期癌病變,針對複層鱗狀上皮組織如口腔、食道、子宮頸等處之黏膜以及皮膚等,進行漫反射光譜與螢光光譜之量測,並以量化的組織光學參數來分辨癌(前)病變與正常組織。由於生物組織是由不同密度的物質構成各種尺寸(分子、奈米與微米)的結構所組成,當光在組織中傳遞時會受到散射的影響而改變方向,因此以光作為活體疾病診斷輔助工具之相關研發必須探討光與組織的交互作用,特別是光的散射。本實驗室的一個主要研究方向即是以模擬與實驗的方法,來探討上皮細胞與組織發生癌(前)病變時,其結構上的變化及其所造成的光散射特性的改變,以期進一步對於分辨病變與正常的組織,提出最佳的系統架構與分析方法。

為了精確測量細胞的三維結構,我們發展了三維折射率顯微術,可用於觀察活細胞的型態並且定量其三維折射率的分佈;由於此技術是以相位作為影像之對比來源,無需外加螢光標記,可避免外加物對於細胞的干擾以及螢光光漂白的缺點,因此特別適合長時間觀察細胞的動態。藉由無須標定且快速成像之優勢,我們結合微流道技術開發紅血球快速檢驗系統成像,採用深度學習技術快速且準確的自動辨別異常紅血球。

腦中風是十大死因之一,而且致死機率高於惡性腫瘤。然而,如果腦中風患者能在第一時間發現與搶救,就能避免悲劇發生。但即便患者能倖存下來,因為腦部缺氧缺血的關係,則會受到損傷而留下後遺症,導致患者生活品質下降以及家庭與社會的負擔增加。幸好人類腦部可塑性的性質能讓腦部未受損的部分接替損傷組織的工作,而復健則能協助此過程。研究顯示於病情解救穩定後儘早復健可以避免病情復發而且對於恢復健康會有較好的效果,同時也可避免關節硬化、肌肉萎縮等失用徵候群,由此可見復健的重要性。 為了能更有效率的提供復健,本實驗室近期開始發展非侵入式的功能性近紅外光影像系統,利用近紅外光較強的穿透性質與在不同波段被血紅素吸收的差異,探討腦部活化位置與變化趨勢。由於此技術對於受試者的活動較不受影響,且活動範圍比較不受侷限,故此系統適合用於探討腦部在復健時的變化。

定量光譜術非侵入性偵測上皮組織癌前與早期癌病變

本研究的目標是以定量光譜的技術,發展上皮組織例如消化道黏膜與子宮頸黏膜的早期癌病變的非侵入性檢測工具。我們所採用的方法是以影像光纖束在可見光波段擷取組織的漫反射(diffuse reflectance)光譜影像與螢光(fluorescence)光譜影像,與其他研究團隊最大的不同在於我們同時擷取光譜與影像的資訊,並以自行開發的數值模擬工具,分析光譜影像資訊以定量組織的光學特性,而這些光學特性已有許多前人的實驗證據顯示與上皮組織癌(前)病變有高度相關。我們在分析光譜時考量到光信號強度在空間上的變化,與他人的方法相比可增進對於不同深度的組織特性分析,這樣的優勢在多層的上皮組織更顯重要,因為其他團隊的研究大多將組織簡化為單一均勻的光學參數分佈,明顯與實際狀況(上皮層由幾乎完全透明但具有散射的上皮細胞構成,其下的基質(stroma)則主要是膠原蛋白纖維造成的散射與微血管內血紅素造成的吸收)有很大的差異。

在多層的鱗狀上皮組織例如口腔黏膜與食道黏膜,在癌病變逐漸加重的過程中,上皮組織內的細胞快速增生造成其散射係數(scattering coefficient)增加與散射角度分佈(scattering phase function)改變,而其下的基質則因為新生血管(angiogenesis)使組織的血紅素濃度上升造成吸收係數(absorption coefficient)的增加以及膠原蛋白網絡的分解造成散射係數的降低。另外膠原蛋白結構的改變也造成其螢光強度的大幅下降。我們以蒙地卡羅(Monte Carlo)數值模擬方法,建構了雙層的組織模型,可以預測組織光學參數對於漫反射光譜的影響,並進一步建立反向光譜擬合工具,可以從測量到的漫反射光譜準確定量雙層組織的散射係數、吸收係數與上皮組織的厚度。

前人研究大多數使用垂直於組織表面的光纖,測量到的漫反射光譜對於上皮層的散射係數靈敏度很低。針對此問題我們提出了使用斜角的入射與偵測光纖束的設計,圖一所示,並以蒙地卡羅法模擬的光譜加入隨機雜訊所製造出的擬真實驗數據,分別使用垂直入射與傾斜入射的光纖架構,以我們開發的反向光譜擬合工具來定量雙層組織的參數與上皮層的厚度。表一為比較上皮層(epi)和基質層(str)的吸收係數(μa)、散射係數(μs)以及上皮層厚度(Thickness)其定量結果與實際輸入參數值相比的誤差百分比和標準差(五次重覆),可看出使用傾斜光纖的誤差大幅減少,表示傾斜入射的光纖能有效提升準確度。

為了進行臨床試驗,測試此方法是否能夠在活體得到組織的光學特性,並進一步分辨病變與正常的組織,我們建構了移動式高光譜顯微影像系統,如圖二、圖三所示,其內以寬頻白光及紫外光光源應用於光學漫反射及螢光光譜測量,並結合影像光纖束之光纖探頭(fiber probe)進行仿體與活體組織的量測。此系統採用上下兩層機箱的設置,下層為光源,較靠近量測端的上層則主要為透鏡、分光鏡以及高光譜影像儀,用以將光源聚焦至光纖探針端及收集量測之漫反射及螢光訊號,故上層無高功率電氣元件以降低臨床量測時可能的電氣安全風險。

我們以該移動式系統測量僅含散射源直徑1.0μm微米小球的液態仿體的漫反射光譜,並和蒙地卡羅演算法之模擬光譜做比對,其結果如圖五所示,目前在相對較近的光纖束(光源與影像光纖相距為0.3mm、0.4mm、0.6mm)的誤差大部分均在10%以內,最大誤差也都在15%以下:

圖六為活體測量正常人口腔黏膜的漫反射光譜,以及利用反向光譜擬合工具進行光學參數萃取的結果,圖六(a)、(b)、(c)分別為與光源相距0.4mm、0.6mm、0.8mm之光纖偵測區域的實驗光譜(Experiment)和擬合光譜(fitting)的曲線,結果顯示擬合的光譜在強度與波形上都與實驗光譜相當吻合。

三維活細胞折射率顯微術

目前對於細胞生物的知識多數是來自於細胞在體外(in vitro)環境下的實驗所觀察到的結果,而傳統上活細胞的觀察方式主要是將細胞培養在平面的基版如玻璃片上,再採用光學顯微鏡來觀察影像。然而在實際活體中大部分的細胞是處在三維的組織之中,被周圍的其他細胞或是細胞外間質分子與纖維結構所包圍,因此近年來利用三維細胞培養(three-dimensional culture)系統進行生物研究成為非常重要的方法。

近年,許多研究團隊報告顯示癌症病變過程中,細胞與組織的光學散射特性具有高度的差異與變化,而散射特性和細胞與組織的折射率分布具有特定的關聯性。因此,近來對於細胞的折射率分布研究逐漸受到重視。然而,傳統顯微技術均無法定量、精準地測得細胞三維折射率影像分布。因此,此本研究的目標為建構一套三維折射率顯微系統,用以精確定量活體細胞的三維折射率分布,藉由單一細胞折射率結構的取得,我們可以進一步利用電磁數值模擬工具,如FDTD,分析細胞的散射特性並了解結構、散射特性與癌症病變之間的關聯性。我們的三維顯微技術概念為量測細胞的二維多角度相位投影影像,並且結合繞射斷層掃描技術重建細胞三維折射率影像。

圖一為我們所開發的三維折射率顯微鏡,digital holographic microtomography (DHμT),此技術架構主體為Mach-Zehnder干涉儀結合一單軸掃描鏡用以擷取各個角度下的細胞的相位投影影像。傳統相位顯微術為了降低環境與系統元件的振動干擾,需外加相位穩定回授機制或是於高度穩定的環境進行實驗;而在此系統中,我們採用多步隨機相移演算法,因此即使DHμT在系統受環境振動干擾時亦能正確計算樣本的二維相位影像,此技術可大幅降低系統複雜度與環境的要求,如圖二所示,其為振動環境下所擷取的二維相位影像,重建的相位十分符合理論值。 圖三為活體細胞的三維折射率分布影像,分別為BCC(basal cell carcinoma)、CA9-22(human gingival cell)、HaCaT(human keratinocyte cell)、SG(Smulow-Glickman gingival epithelial cell)四種不同的細胞株,每個細胞株皆為平貼在蓋玻片表面培養,每個斷層掃瞄影像(tomogram)的掃描角度為-65度至+65度,掃描角度共701個角度,掃描時間約為9秒。

目前本實驗室針對食道上皮組織癌前病變的研究發現在癌前病變組織區域較正常組織具有相對較高的散射係數,該現象和細胞密度與核質比具有密切關係,可望利用該光學特性提供臨床診斷更多參考資訊。另外,由於已證實血球幾何狀態與血液疾病有相當大的關聯性,我們亦利用DHμT能夠進行單細胞三維成像的優勢來分辨血球的正常與否。為將該系統性能提升,近年來我們接續發展影像自動化分析來節省人力並且利用圖形處理器來提升各步驟的處理效率。

紅血球快速檢驗系統

本研究採用共光路繞射斷層顯微術無須標定且快速成像之優勢獲取正常紅血球與海洋性貧血紅血球之影像。該系統藉由定量紅血球的光學參數與幾何特徵可更深入對單顆紅血球進行分析。此外,採用Mask R-CNN深度學習技術進行自動化紅血球偵測與辨別異常血球,可快速分辨出異常血球,判別準確率高達99%。

This project acquired the phase maps of healthy and thalassemic red blood cells (RBCs) using common-path tomographic diffractive microscopy, which takes advantage of label-free and rapid imaging for high-throughput RBCs screening. The optical properties and morphological features of RBCs can be quantified for further single-cell analysis. In addition, the Mask R-CNN, a deep learning technique, is implemented to distinguish thalassemic RBCs from health ones, and the classification accuracy of Mask R-CNN model achieve to 99%.

上圖為本計畫所建構的繞射斷層掃描顯微術系統,利用此系統可以得到紅血球的二維相位影像與三維折射率分布。下圖為採用深度學習技術辨別正常紅血球(hRBC)與海洋性貧血紅血球(tRBC)之結果。

The figure at the top shows a schematic diagram of an tomographic diffractive microscope developed in this project. We have used this novel technique to acquire quantitative phase images and three-dimensional refractive index tomograms of RBCs. The figure at the bottom show the inference results of Mask R-CNN technique on RBC phase images to classify healthy RBCs and thalassemic RBCs.

功能性近紅外光光譜(fNIRS)

本研究的目標是以近紅外光光譜技術重建腦部功能性影像,提供復健師腦部活化位置與變化趨勢,為了在腦中風後復健時達成更好的復健效果與效率。近紅外光在650 nm至950 nm的波段,能穿透至人腦淺層,由於帶氧與不帶氧血紅素為腦組織在近紅外光波段主要的吸收源,且兩者的吸收光譜有明顯差異(圖一),故可用於量化大腦局部區域帶氧及不帶氧血紅素濃度的變化。由於神經細胞本身並沒有儲存能量的機制,所以神經活化所需要的能量來源:氧氣與葡萄糖,必須由血管提供。於是當神經衝動發生時,神經活化區域的局部血管中的帶氧血紅素總量會上升,故可用帶氧血紅素為指標探討腦神經活化區域。

功能性近紅外光光譜(fNIRS)是利用光經過組織時,依據組織的吸收散射特性不同,測量到不同強度的穿透或反射光,來重建組織特性的技術。fNIRS優點為造價遠低於磁振造影(約250萬至450萬)、時間解析度高、可在開放環境做測量、且相較於功能性磁振造影僅能測得不帶氧血紅素的近似值,近紅外光光譜可以同時測得帶氧血紅素的濃度與不帶氧血紅素的濃度。由於fNIRS的多種優勢,逐漸在復健研究上受到使用,尤其是在於需要較寬闊空間肢體活動的復健。

Diffuse optical tomography (DOT) 是利用fNIRS原理與陣列的光源與接收端所量測的資訊,建構出組織內部結構影像的方法,常被用來測量組織中帶氧血紅素與不帶氧血紅素的濃度。陣列的光源與接收端能測量出多筆的近紅外光漫反射光譜,藉由於空間資訊的不同,可回推原本腦中血紅素變化的區塊進行二維與三維的重建。

重建的方法首先猜測組織的光學參數以順向模擬得到一光譜,再用疊代的方式重複比較猜測到的參數經模擬後與偵測端的測量值差異,直到誤差小於一定值,便將此參數假定為組織參數,我們將此重建流程稱作逆向模型。目前主流的順向模擬方法為使用Diffusion approximation理論來實現finite element method,雖然此方法速度較快且能達到即時成像,但其最大限制是只適用在散射係數高的介質中。因為腦脊髓液的散射係數非常低,Diffusion approximation計算結果則會有誤差。本研究則是以蒙地卡羅(Monte Carlo)數值模擬方法建立順向模型,雖然此方法計算比較慢,但較準且目前有許多軟硬體加速方法如使用圖形處理器(GPU)。

經顱紅外光刺激(TILS)

經顱紅外光刺激(transcranial infrared light stimulation, TILS) 是藉由頭皮照射低能量的紅光至近紅外光(620-1100 nm),刺激並活化腦細胞功能,在正常與年長受試者有增進專注力與短期記憶功效 ,有潛力延後失智症狀的發生或是減緩症狀。本計畫為優化TILS的功效,經由功能性近紅外光譜(functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS)技術利用漫反射原理以非侵入的方法測量大腦皮質中色素分子包含血紅素與细胞色素c氧化酶(oxCCO)的濃度變化,評估大腦活化程度。

Transcranial infrared light stimulation (TILS) is the use of low powered red to infrared light on the scalp to stimulate neuron function, and has been shown to improve short term memory and concentration with the potential to delay the onset of cognitive impairment. This study aims to optimize TILS by using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) technique based on diffuse reflectance to non-invasively evaluate the stimulation efficacy by measuring the changes in hemoglobin and oxidized cytochrome c oxidase (oxCCO) in the cortex.

圖一、fNIRS系統架構(左),由光纖將光源導至頭皮,再由接收光纖將漫反射光導至光譜儀拍攝光譜。受試者在雷射刺激時血紅素濃度的變化(右)。灰色區域為雷射開啟時間,紅線為帶氧血紅素、藍線為不帶氧血紅素、綠色為oxCCO。由此可見在雷射刺激會導致oxCCO濃度上升增加細胞代謝。

Figure 1. The fNIRS experimental system (left). Source light is directed to the scalp via the source fiber, and diffuse reflectance light is directed to the spectrograph via the detection fiber. Chromophore concentration changes of a subject undergoing TILS (right). The grey area is when the laser is on, the red line is oxygenated hemoglobin, deoxygenated is blue, and oxCCO changes are the green line.

上皮癌與癌前病變之細胞與組織散射光特性

本研究以模擬與實驗來探討組織發生癌前病變時,其結構上的變化以及此變化所造成的光散射特性的改變,以期進一步對於分辨病變與正常的組織,提出最佳的系統架構與分析方法。模擬方面使用有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)模擬細胞核與細胞的逆散射光譜以及散射場的角度分佈,實驗上測量單細胞的逆散射光譜(light scattering spectroscopy),並且以低同調干涉術(low coherence interferometry)為基礎的光學架構測量組織的逆散射特性。

(1)有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)

我們實驗室已自行開發三維有限時域差分法(finite-difference time-domain, FDTD)電磁模擬軟體用以模擬細胞與電磁場之間的交互作用,應用於細胞的光學散射特性的研究,如圖一所示。有限差分時域法的概念是基於Maxwell 方程式在時間及空間的Yee 網格離散化。我們的軟體亦引入高斯脈衝平面波(Gaussian pulse plane wave)可同時模擬寬頻範圍的細胞散射光譜特性。結合三維折射率顯微術量測真實細胞的三維折射率分布,進一步利用FDTD計算可以分析正常細胞和癌症細胞的散射特性,並期待能從中了解結構與散射之間的關聯性,提供其它光學診斷技術更多的參考資訊。 目前我們從人造細胞核模型(artificial nuclear model)的模擬結果顯示:
1) 逆散射光譜的週期性振盪與細胞核的軸向尺度具有顯著的關聯性。
2) 細胞核中的不均勻分布(heterogeneity)的逆散射強度顯著地大於均勻細胞核的逆散射。

(2)低同調干涉術(low coherence interferometry)

光學同調顯微術可用於分辨癌前病變組織與正常組織,主要是藉由對上皮組織進行量測分析而得到其光學特性,並量測上皮組織中局部區域之結構分布,以偵測癌前病變組織與正常組織間細微之差異性。Full-Field Optical Coherence Microscopy(FF-OCM)為主要實驗架構,如圖二所示。其採用Linnik 干涉架構為主體,藉由PZT的四步影像還原法,將每一深度樣本散射回來的光,作一x-y平面的影像還原,再加上深度的掃描可得一樣本的3D結構圖。其中此架構的軸向解析度:5.65μm、橫向解析度:1.40μm,一x-y平面的視野為500μm *300μm,且放大倍率:16.5X。

FF-OCM加速了傳統x-y單點掃描的OCT技術,僅需移動z軸,即能得到大面積深度之資訊。在深度資料量測,目前是著重於仿體樣本之量測,以驗証此光學系統之效能。
(1)平均折射率:如圖三所示,其製作之仿體為三層仿體,第一、三層為玻璃材質,第二層為可置換不同折射率樣本之固定夾層,在此實驗中樣本分別是空氣、水、濃度36.5%蔗糖水,可觀察到三者經實際深度相同各走的光程差異的情形。利用光程長與折射率成正比之關係,可預測樣本之折射率。以空氣折射率為1做基準,可推估其他二者之折射率為1.31、1.37,誤差皆在2%以下。

(2)散射係數:以Beer’s law單次散射光會隨深度呈一指數衰減(I=I_0 \times exp(-\mu _sd))為理論主軸,量測樣本散射光強隨深度之變化,得樣本之散射係數。圖四為0.1%及0.3%TiO2與PDMS混合之仿體,兩者光強隨深度之曲線變化,其散射係數分別為0.699 mm-1、2.122 mm-1。

未來此光學系統將進行正常與癌前病變之口腔與皮膚切片組織的測量,進而找出隨癌病變進程產生之光學特性的改變趨勢。

Principal Investigator

實驗室主持人

    宋孔彬 博士 (Kung-Bin Sung, Ph.D.)

現職

  • 國立臺灣大學電機工程學系 副教授
  • 生醫電子與資訊學研究所 副教授

學歷

  • Ph.D. Biomedical Engineering (2003) The University of Texas at Austin
  • M.S. Biomedical Engineering (1999) The University of Texas at Austin
  • B.S. Electrical Engineering (1996) National Taiwan University

經歷

  • August 2014 – present
    Associate Professor, National Taiwan University
  • July 2006 – August 2014
    Assistant Professor, National Taiwan University
  • December 2003 – May 2006
    Research Scientist, Intel Corporation (Seattle, WA, USA)
  • January 1999 – November 2003
    Graduate Research Assistant, The University of Texas at Austin (Austin, TX, USA)
  • July 1996 – June 1998
    Communication Officer, R.O.C. Army

主要研究領域

  • 生醫工程,Biomedical engineering
  • 生醫光電,Biophotonics

聯絡方式

個人簡傳

Dr. Kung-Bin Sung was born and grew up in Taipei, Taiwan. He received a Bachelor’s degree in Electrical Engineering from National Taiwan University in 1996. Then he joined the Army of R.O.C. and was commissioned a Second Lieutenant in communication. After finishing the 2-year military service, he entered the University of Texas at Austin in 1998, majoring in Biomedical Engineering. He received M.S. and Ph.D. degrees in 1999 and 2003, respectively. His main research project as a Ph.D. student was developing a fiber-optic confocal microscope to obtain images of epithelial cells in vivo for the diagnosis of early stages of cancer. He joined Intel Corporation as a research scientist in 2003 and collaborated with researchers at the Fred Hutchinson Cancer Research Center in the United States on research projects related to surface-enhanced Raman spectroscopy. Since July 2006, he has been an assistant professor in the Department of Electrical Engineering and the Graduate Institute of Biomedical Electronics and Bioinformatics in National Taiwan University.

Alumni

博士班

Name Topic/Education
林仰賢
(2020年畢業)
使用共光路斷層繞射顯微術之單細胞幾何與光學體積研究
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學所碩士
中國醫藥大學生物醫學影像暨放射科學系學士
魏世忠
(2015年畢業)
奈米金屬陣列侷域性電漿子螢光增強現象於生物分子交互作用即時偵測之應用
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
陽明大學生醫光電所碩士
陽明大學醫事技術學系學士
蘇璟瑋
(2014年畢業)
上皮細胞和組織的三維折射率與光學散射特性
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
臺灣大學電機工程學士
許瑋真
(2014年畢業)
發展三維折射率顯微術應用於細胞內生物分子定量觀察與分析
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
陽明大學生醫光電所碩士
台北醫學大學藥學系學士
廖克槃
(2013年畢業)
高性能微奈米流體樣品濃縮晶片之研製與其生醫應用
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
臺灣大學生電機工程研究所碩士
高雄醫學大學學士
曾德玉
(2011年畢業)
多光譜影像系統於生物醫學之應用性
臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
陽明大學生醫光電所碩士
陽明大學醫事技術學士

碩士班

Name Topic/Education
陳胤甫
(2020年畢業)
內頸靜脈血氧飽和度可攜式量測系統的開發與建立
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立清華大學生醫工程學系學士
林柏廷
(2019年畢業)
利用定量相位顯微術判斷視網膜色素上皮細胞之細胞凋亡
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立陽明大學醫學生物技術暨檢驗學系學士
沈心柔
(2019年畢業)
散射相位函數對子宮頸基質層組織模擬之影響
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立清華大學工科系學士
莫松恩
(2019年畢業)
兩段式曲線擬合結合雙層組織模型定量子宫頸組織的內在螢光特徵
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學生化科技學系學士
塗是澂
(2019年畢業)
利用多輸入神經網路及蒙地卡羅組織模型定量中央靜脈血氧飽和度
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立中興大學物理系學士
葉哲皓
(2019年畢業)
非侵入式中央靜脈血氧飽和度量測系統之建構與實測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立中央大學電機工程學系學士
林廷軒
(2018年畢業)
以近紅外光譜系統定量仿體及人體頭部組織光學參數
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
高雄應用科技大學電機工程系學士
詹朝舜
(2018年畢業)
以逆向白蒙地卡羅法分析模擬資料及人體大腦實驗尋找功能性近紅外線光譜技術之最佳化波長組合
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
王巧懿
(2018年畢業)
修正式蒙地卡羅逆向擬合模型於活體漫反射光譜研究:人體皮膚組織
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
林豐正
(2017年畢業)
Thesis
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系學士
俞婷文
(2017年畢業)
以空間暨頻譜解析漫反射光譜學技術定量中央靜脈血氧飽和濃度:模擬及仿體實驗研究
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系學士(光機電組)
黃贊學
(2017年畢業)
利用臨床移動式漫反射光譜系統定量子宮頸癌前病變之組織光學參數
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
高雄應用科技大學電機工程系學士
謝承志
(2016年畢業)
拉曼光譜應用於大腸癌之分析與預測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
中央大學電機工程學系學士
黃信祥
(2016年畢業)
利用三維折射率顯微術應用於定量式分析海洋性貧血
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學系學士
葛凡華
(2016年畢業)
蒙地卡羅於新型逆向擬合模型與活體漫反射光譜研究:口腔黏膜組織
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立交通大學光電工程學系學士
賴鈺銘
(2016年畢業)
功能性近紅外線光譜技術中探頭擺放決策的模擬研究
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
田耕豪
(2015年畢業)
利用螢光蒙地卡羅模型建立螢光強度資訊表格定量雙層組織的螢光光學參數
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學機械工程學系學士
謝朝茂
(2015年畢業)
三微折射率顯微鏡應用於定量式分析癌細胞之細胞週期與白血球分類
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立陽明大學生命科學系學士
蕭逸嫻
(2015年畢業)
利用螢光光譜辨別黏膜癌前病變
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
長庚大學生物醫學影像暨放射科學系學士
莊閔傑
(2015年畢業)
臨床移動式漫反射光譜系統之建構與實測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立中央大學學士
陳慶安
(2015年畢業)
利用三維折射率顯微術定量式分析紅血球細胞
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立成功大學系統及船舶機電工程學系學士
謝弘柏
(2014年畢業)
以參數光譜性質建立由漫反射光譜提取黏膜組織參數之方法
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
許芳瑋
(2014年畢業)
以GPU加速蒙地卡羅演算法並分析漫反射和螢光光譜
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
蘇鈺惠
(2013年畢業)
利用移動式光譜系統進行漫反射光譜及螢光光譜之量測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學系學士
蕭雅茵
(2013年畢業)
全場光學同調顯微術(FF-OCM)之組織量測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立成功大學物理學系學士
施光偉
(2013年畢業)
移動式光學光譜系統架構
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
黃振荃
(2012年畢業)
脊椎組織拉曼頻譜分析
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
劉彥麟
(2012年畢業)
利用表面電漿共振感測微奈米濃縮晶片中的蛋白質免疫分析反應
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
張智強
(2012年畢業)
利用有限差分時域法來模擬正常細胞和病變細胞的細胞散射光
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學電機工程學系學士
陳錫勳
(2012年畢業)
利用斜角光纖定量雙層組織的光學參數
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
中央大電機工程學系學士
畢襄辰
(2012年畢業)
移動式高光譜顯微影像系統之建構與實測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學系學士
賴怡璋
(2011年畢業)
上皮細胞之彈性逆散射光譜的量測與分析
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學生物環境系統工程學學士
李儀珊
(2011年畢業)
利用傅立葉轉換式高光譜顯微影像系統進行口腔黏膜光學參數量測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學生物產業機電工程學學士
張庭嘉
(2010年畢業)
以信號與影像處理技術分析糖尿病患者之眼底影像以偵測無灌流區
臺北市立醫院陽明院區眼科醫師
國立臺灣大學生醫電子與資訊研究所碩士
于念中
(2010年畢業)
利用表面電漿共振感測微米流體晶片中的蛋白質免疫分析反應
中華電信
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學生物產業機電工程學學士
陳俊宇
(2010年畢業)
運用高光譜影像系統量測組織仿體光學參數以及血氧濃度
工業技術研究院
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
聯合大學電機工程學士
吳政舉
(2009年畢業)
金屬奈米粒子標記於 DNA 微陣列晶片應用
創見資訊
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
國立臺灣大學農業化學學士
劉俊佑
(2008年畢業)
多變數曲線分析應用於混合光譜的分離
國立臺灣大學醫學工程研究所博士班
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
中山醫學大學醫學影像技術學學士
賴柏禎
(2008年畢業)
利用傅立葉轉換光譜影像技術快速測量金屬奈米粒子散射光譜
台灣積體電路製造股份有限公司
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
中原大學生物醫學工程學士
巢國山
(2008年畢業)
利用一個脈衝波的有限差分時域法來模擬寬波長範圍的細胞散射光
仁寶電腦
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
海洋大學電機工程學士
留連晉
(2008年畢業)
表面電漿共振感測系統應用於微奈米流體晶片之蛋白質檢測
國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士
中原大學生物醫學工程學士

專題生

Name Topic/Education
黃映晨
(2018)

多倫多大學生物物理系學士
吳奕萱
(2016)

臺灣大學電機工程學士
王貫蓁
(2016)
使用蒙地卡羅法對colin27進行吸收與散射之重建
臺灣大學電機工程學士
王巧懿
(2016)

臺灣大學電機工程學士
徐偉恩
(2008)

臺灣大學生命科學系學士
胡芳耀
(2006)
利用寬頻光譜與表面電漿共振技術,架構蛋白質檢測系統
Biomedical Engineering, Duke University 博士
臺灣大學電機工程學士
陳耿元
(98專題)
細胞逆散射之光譜分析
Bioengineering program, Penn State University 博士
臺灣大學生化科技學系學士
程子翔
(98專題)
從金屬奈米粒子的光譜看氧自由基的攻擊效應
MIT/Harvard Health Sciences and Technology 博士
臺灣大學電機工程學系
蕭宇珊
(98專題)
Confocal microscope
Biomedical Engineering, University of California–Irvine
臺灣大學電機工程學系

Members

博士班

Name Topic/Education
廖英淇 國立臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
逢甲大學生醫資訊暨生醫工程碩士學位學程碩士班
蘇佑恆 國立臺灣大學生醫電子與資訊所博士班
義守大學生物醫學工程系學士碩士

碩士班三年級

Name Topic/Education
張太睿 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立陽明大學醫學生物技術暨檢驗學系學士
潘韋翰 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
長庚大學電機工程學系學士
蘇文偉 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立高雄應用科技大學電機工程學系學士
高子佳 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立臺灣大學電機工程學系學士

碩士班二年級

Name Topic/Education
張祐祥 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立清華大學生醫工程與環境科學系學士
謝昕原 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立陽明大學生物醫學影像暨放射科學系學士
蔡瑩儒 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立臺灣大學電機工程學系學士
許逸翔 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立陽明大學生物醫學工程學系學士

碩士班一年級

Name Topic/Education
邱千容 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
中原大學電機資訊學院學士班學士(主修通訊、經營管理)
伍育汶 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
高雄師範大學工業科技教育學系學士
林國聖 國立臺灣大學生醫電子與資訊所碩士班
國立中興大學生命科學系學士

專題生

Name Topic/Education
解淮清 國立臺灣大學生命科學系
謝佑芃 國立臺灣大學電機工程學系

Courses

生醫工程概論

電機系複選必修
生醫工程(biomedical engineering)是一門跨領域的學門,主要是運用各種工程上的知識與技術,來協助進行生物相關的研究,以及在醫學上提供有助於診斷的資訊或是輔助疾病的治療。本課程由電機工程的基礎出發,簡介在生醫工程中較相關的主題,包含神經傳導與刺激、醫學影像、生醫感測、生物晶片、生醫信號的擷取與處理等。


生醫光譜與光學影像技術

大三大四研究所選修課
本課程在教授各種光譜及光學影像系統的基本原理、架構,以及其在生物醫學之應用。主要包含以下主題:
生醫光譜:(紫外/可見)吸收光譜,螢光光譜,振動光譜(紅外光譜,拉曼散射),光譜資料分析等。
生醫光學影像:顯微鏡成像原理,各種光學顯微鏡技術(phase contrast, darkfield, fluorescence, polarized light, DIC),共軛焦掃瞄顯微技術,光學同調斷層掃瞄。


醫學工程導論

生醫電子與資訊所碩士班必修
醫工導論之課程設計係以本組參與教師之研究領域與重點為基礎,兼顧醫工整體領域之發展需求規劃而成,側重於生醫電子相關課題,輔以重要分生生理等基礎知識,前半學期由生理分生開始後在製程、感測、電路與訊號方向上進行討論,後半學期在磁核共振、X光斷層掃瞄、超音波與光學造影醫學影像儀器系統上進行討論。


光學診斷技術

研究所選修課
本課程之目的在於介紹各種光學方法應用於非侵入式醫療診斷尤其是癌症前期病變。主要內容分為以下三部分:
一、以數學及物理模型描述光在生物組織中的傳遞。
二、介紹Monte Carlo法的基本原理,以數值模擬光子在生物組織中的傳遞。
三、以文獻回顧的方式,介紹各種光譜技術是如何獲得與細胞或組織病變有關或是對診斷有幫助的資訊。


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print 'It took ' + i + ' iterations to sort the deck.';

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  • Sagittis adipiscing.
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  5. Etiam vel felis lorem.
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Item Four Vitae integer tempus condimentum. 19.99
Item Five Ante turpis integer aliquet porttitor. 29.99
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