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案例研究 2:
使用多光譜成像偵測眼睛疾病

Annidis Corporation 的多光譜成像數位檢目鏡,可穿透視網膜及視網膜下層擷取資料

UVP

光學工程師接到這份設計工作時,首先從系統要求開始著手,執行初始計算,然後設計符合專案目標的光學設定。其中有一項步驟經常遭到省略:在建立客製設計之前,評估使用庫存光學產品的可能性。省略這項步驟是錯誤的。在可能情況下使用庫存光學產品的設計師,通常能夠降低風險、減少成本,並加速產品的上市時間。

多數時候,產品工程師能將庫存光學產品用於概念驗證及原型系統,迅速驗證其光學儀器功能。不過設計師使用庫存光學產品時,不必侷限在初始的設計設定,量產階段也能採用現貨或庫存光學元件。以庫存光學產品建構的系統,可具備強大的客製功能。例如 Annidis Corporation 的視網膜健康評估 (RHA™) 儀器,就是在可能情況下使用庫存光學產品建構而成。

Non-invasive Choroidal Imaging with Multi-Spectral Imaging at 940nm. Deep retinal imaging is made possible by the use of longer wavelengths which penetrate deeper into the structures of the eye. Photo courtesy of Annidis Corp.
圖1: 以 940nm 的多光譜成像進行非侵入性脈絡膜成像。由於較長波長可更深入穿透眼部結構,因此能夠進行深入的視網膜成像。相片由 Annidis Corp 提供。

轉化研究成果 為臨床適用

渥太華大學眼科醫院 (University of Ottawa Eye Institute)、渥太華健康研究機構 (Ottawa Health Research Institute) 及蒙特婁大學眼科學院 (University of Montreal, School of Optometry) 的研究人員,進行具有重大臨床影響的複雜研究。他們發現人類眼睛的多種疾病及症狀,會在特定光譜頻帶顯示具體特徵。這表示雖然傳統視網膜成像方法可能無法指出眼部問題,但在特別狹窄波長區域中取得的影像,可顯示疾病或退化徵兆。不過這類獨一無二的儀器,雖然能在研究環境中發揮效用,卻無法應用於醫療診所。Annidis Corporation (加拿大安大略省渥太華市) 接下這項任務,要將前述研究成果轉化為可行的臨床工具。

視網膜是複雜的多層結構,位於人類眼部背面,其中包含光受體細胞,除了能偵測光線,也會將電子訊號傳送至腦部。此外,視網膜位於脈絡膜上,而脈絡膜是具有大量血管的薄膜,建構於圍繞眼球的鞏膜組織之內。

眼科醫師普遍使用稱為眼底攝影機的儀器,檢查眼睛是否出現疾病或退化徵兆。眼底攝影機拍攝眼睛背面影像,不過其中可能會遭遇一些限制,需要進行額外的篩選測試。如果將眼睛的層狀結構,比喻為在包覆塑膠膜的一片鋁箔紙上,覆蓋多張彩色圖畫紙,則眼底攝影機拍攝的相片就是塑膠膜,或許會拍到一點點的第一層彩色圖畫紙。如果鋁箔紙出現皺紋,在皺紋大小足以影響頂層之前,攝影機是無法察覺的。這表示眼部深層的問題,可能更難以偵測。

人類眼部的多光譜成像 (MSI) 可將每一層結構分隔開來。如果底層出現「皺紋」,早在其影響頂層之前,就會由 MSI 偵測發現。Annidis 儀器是一種統包裝置,最多可在 12 種不同波長範圍擷取圖像,並穿透視網膜及脈絡膜擷取解剖特徵。RHA 以 520 至 940nm 的發光二極體 (LED) 光源照亮眼睛,空間及光譜濾光片則進一步調整光束,突顯需要關注的解剖特徵。  

邁向臨床儀器的發展過程

Annidis 於 2007 年成立,其願景是「透過以眼睛為主的產品和服務加強醫療保健,協助眼睛照護專業人士篩選、偵測、診斷、治療及管理眼部疾病。」然而他們面臨醫療設備新創企業的典型問題:

  • 研究成果是否能轉化為臨床上實用的量測技術?
  • 複雜獨特的實驗室儀器,是否能轉化為在實體結構和操作方面都堅固耐用的儀器?
  • 醫師是否能在其中發現臨床用途?
  • 儀器生產的價位是否能讓客戶負擔得起,並能讓廠商獲取利潤?

只有實際製造設備並將其置於臨床環境,才能解答以上問題。患者、臨床醫師及投資者都希望儘速瞭解以上問題的解答,也就是說產品要越快上市越好。Annidis 就是在這個時候與愛特蒙特光學 (EO) 接觸  

選擇優質元件

Annidis 在開發實驗室原型時,利用愛特蒙特光學全球最大的光學元件庫存。他們訂購多筆成像鏡頭及其他元件,然後微調其儀器的設計與效能──這是建立新型或加強光學設定時的普遍措施。不過 Annidis 的下一步則跳脫常軌。

Annidis 持續在任何可能情況下,使用庫存光學產品設計生產機型,如果沒有庫存光學產品符合確切的系統需求,就使用客製設計。這樣對 Annidis 及 EO 而言都可降低風險,因為製程期間的任何挑戰都已獲得解決。利用多種庫存元件也能縮短整體前置時間,例如客戶通常會選擇非標準玻璃製作客製化鏡頭,馬上讓前置時間延長 4 至 6 週。如果客戶選擇使用國外材料,製造時間可能更長,因為每種材料獨特的光學特性,可能需要額外的製造步驟。庫存光學元件既有且高度重複的生產程序,也代表可以降低元件成本。因此,Annidis 使用多項庫存光學產品進行設計,不但降低風險、縮短前置時間,也壓低成本。以上所有步驟讓 Annidis 迅速在市場上推出第一項產品。  

說明 必要的製造步驟 成本 前置時間
材料採購 研磨 拋光 修邊 鍍膜
庫存光學產品           $ 立即
修改現貨:客製鍍膜           $$  
修改現貨:尺寸修改         ( ) $$($)   ( )
修改現貨:改善表面精度           $$$$      
修改現貨:修改表面參數           $$$$$        
客製光學產品           $$$$$$          
圖2: 不論是選擇原型或量產使用的光學元件,重要的是瞭解成本與前置時間之間的平衡點。
  前置時間
$ 成本
() 額外前置時間需視修改情況而定

效能才是重點

就算降低成本及簡化供應鏈,如果產品效能無法達成目標,就沒有什麼意義。如果您生產的產品對客戶沒有價值,則產品的價格及成本效益就無關緊要。所以 Annidis 的 RHA 在臨床環境之中的表現如何?

RHA 在視網膜及脈絡膜內部多個平面的成像能力,使其成為眼科醫師心中的重要工具。其中有一些發佈的論文指出:「MSI 能夠以直接、非侵入及不受阻礙的方式,檢視有關 AMD [老年性黃斑部病變] 的黑色素破壞情形」[1];「多光譜成像可偵測第一型神經纖維瘤的脈絡膜損害;臨床檢查或其他成像形式並無法輕易觀察」[2];以及「多光譜成像可顯示高度定義的超反射類息肉結構,初步顯示 MSI 的非侵入性及簡單等優點,以及在診斷 PCV [多發息肉性脈絡膜血管病變] 時的效果。」[3]

如果庫存光學產品不符需求,使用半客製或客製元件進行設計也是絕佳的選擇。事實上,EO 正在支援 Annidis 的下一個設計迭代,其中下個版本的 RHA 可能包括客製濾光片及非球面元件,進一步縮小裝置體積。Annidis 使用庫存光學產品,生產複雜的光譜成像儀,在診斷及偵測視網膜病變時提供獨特的臨床價值。設計工程師在生產新型光學產品時,可利用相同途徑,在預算內降低開發風險並加速上市時間。  

圖3: 使用者採用 Annidis Corp. 的RHA 儀器,能夠偵測初期的 RPE 變化,並以前所未有的方式觀察脈絡膜。相片由 Annidis Corp 提供。
圖4: Annidis Corp. 的 RHA 儀器是多光譜成像數位檢目鏡,採用取得專利的光學系統,可由視網膜及視網膜下層取得高分辨率的圖像資料。相片由 Annidis Corp 提供。
圖5: 如果希望減輕整體系統重量,或減少系統之中的元件數量,非球面元件是理想選擇。
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