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大腦
 

大腦

光學產品和腦部診斷技術的重大突破

腦部是人體最強大的器官,是神經系統中樞,控制所有自主及非自主的身體功能。腦部也控制所有其他的器官功能、產生肌肉活動,並控制荷爾蒙的分泌。從簡單的反射到複雜的感官輸入,腦部及其數十億個神經元總是掌控一切。由於光學及醫療診斷的發展,我們現在比過去更深入瞭解每個神經元與神經膠質細胞的互動方式,不過,數百萬個神經元網路如何以單一單元運作從事複雜作業,這點仍有待研究人員解開謎團。如今有更多工具能進行腦部切片成像,並利用侵入性較低的光纖耦合成像系統,從電、化學及物理等層面瞭解腦部如何運作。腦部切片成像及光纖耦合成像系統的關鍵元件,就是無限補正的複消色差顯微鏡物鏡,具備高放大倍率及高數值孔徑。

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Blood and Optics

腦部疾病

以下列舉利用螢光顯微鏡等先進診斷技術發現的常見腦部疾病。顯微鏡物鏡及其他光學元件的進步,讓偵測及治療以下疾病變得更佳輕鬆。

中風

腦部血液供應受到長時間阻礙的身體病況,造成身體一側肌肉無力、喪失臉部控制、麻木及言語障礙。

阿茲海默症

一種漸進且無法治癒的失智症,會破壞記憶與其他重要心智功能,一開始病況發展緩慢,將隨時間持續惡化。

帕金森氏症

無法治癒的中樞神經系統 (CNC) 失調,會影響身體動作,包括產生無法控制的顫抖情形。

亨丁頓舞蹈症

這是一種無法治癒的遺傳疾病,腦部神經細胞會隨時間退化,造成身體動作不順暢,最終將無法說話。

腦膜炎

腦部與脊髓膜嚴重發炎,一般是因感染而造成,會出現發燒、頭痛及頸部僵硬等症狀。

癲癇

這種病況的特色為重複發作,主要原因是腦部電流活動異常及增加。

腦震盪

最常見的腦部創傷傷害,病因是重擊導致腦部在頭顱內部震動或移動。

腦部腫瘤

腦部生長惡性或非惡性的異常細胞,分為多種不同的嚴重程度及類型,包括星細胞瘤、胚細胞瘤、室管膜瘤及腦膜瘤。

診斷技術

有許多診斷技術用於檢驗、診斷及治療腦部,包括雷射顯微鏡、光遺傳學及 CLARITY。

GFP

綠色熒光蛋白(GFP)是一種特別的蛋白質,由一組特定的氨基酸組成,暴露於紫外線/藍光下會呈現綠色。它可以從從海洋生物中提取,最常見的激發波長為395nm至475nm,發射峰值從509nm到525nm。 GFP廣泛應用於非侵入性熒光成像系統,以檢測腫瘤生長,凋亡和其他細胞活性。

光遺傳學

這是一種使用光來控制活體組織中的細胞的生物技術,大多數情況下,光感受器可以對神經元進行基因改造,而這些光感受器會對不同的波段做出反應。

CLARITY

這是一種使用水凝膠使腦組織透明化的方法。配合抗體或生物標誌物,可以得到和研究有關腦部核結構的詳細圖片。

GCaMP

一種用於腦成像的遺傳編碼鈣指示劑。 GCAMP類似於綠色螢光蛋白(GFP),鈣調蛋白和肌球蛋白肽序列的融合。

大腦映射

神經科學技術旨在以空間表徵的方式映射和羅列出大腦的結構或特性。換句話說,通過成像技術了解大腦,脊柱和中樞神經系統的解剖結構和功能。

膜片鉗

這是一種電生理技術,可研究神經元、心肌細胞、肌肉纖維及其他細胞的單一及多個離子通道。

雷射顯微鏡

螢光、共焦、多光子及超級分辨率顯微鏡等顯微鏡技術,用於研究腦部切片的突觸、神經元及神經迴路。

Diagnostic Techniques

技術範例:螢光共焦顯微鏡

螢光顯微鏡是研究突觸結構 (包括樹突棘及軸突末梢) 功能或型態動態的主要技術之一,也用於瞭解神經迴路連接及動態的特性。其中一般是以雷射光束聚焦於針孔之中,作為點照明源。空間過濾光線由二向色濾光片反射,不一定需要光束擴束器填滿物鏡的整個孔徑。之後物鏡會將激發能量聚焦於樣本,其中將發出較微弱的螢光訊號,由相同物鏡收集。前述的發射光線穿透二向色濾光片進入第二成像鏡筒,然後通過最終針孔,再由 CCD 或 CMOS 傳感器偵測。在理想狀況下,兩個針孔均位於光學軸的共軛影像平面,讓影像能在物體平面完美重疊。由於共焦顯微鏡可觀測物體平面非常薄的小點,因此,透過掃描系統或電動制動器收集一系列影像以取樣光線,這點非常重要。前述影像之後將重新建構為 2D 或 3D 影像。

Flow Cytometry
圖 1: 螢光顯微鏡的基本光學濾光配置

螢光顯微鏡:直列式照明搭配成像濾光片

進一步瞭解如何組裝螢光顯微鏡系統。

無限共軛鏡筒長度計算器

判定無限共軛顯微鏡系統的最大鏡筒長度,以便使用物鏡焦距、物鏡 NA、成像鏡筒入瞳直徑、成像鏡筒焦距及傳感器尺寸,涵蓋特定影像傳感器尺寸,並且無邊緣失光。

產品焦點

多元素物鏡是任何顯微鏡技術的關鍵所在,包括許多腦部的診斷技術。瞭解不同類型物鏡相當重要,以確保針對應用使用正確物鏡。

Finite Conjugate Objectives

有限共軛物鏡

有限共軛物鏡是無需第二鏡頭聚焦於樣本的顯微鏡物鏡,一般最適合用於可見光譜,最多包含四個鏡頭元素。

圖 2: 有限共軛顯微鏡設計

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Infinity Corrected Objectives

無限補正物鏡

無限補正物鏡是能夠聚焦無限遠的顯微鏡物鏡,除了提供長工作距離,也能將光學鏡頭或光學濾光片等光學元件置於光學路徑之中。無限補正物鏡的分辨率高於有限共軛物鏡,不過重量較重,價格也比較昂貴。

圖 3 (左): 有限共軛 (無限補正) 顯微鏡設計

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瞭解無限補正物鏡解決功率及放大倍率問題

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搭配使用成像鏡筒與無限補正物鏡

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Reflective Objectives

反射式物鏡

反射式物鏡這種顯微鏡物鏡使用兩個反射鏡,在需要於廣大光譜範圍修正色差的顯微鏡應用中,可形成影像或聚焦雷射。

圖 4: 剖析反射式物鏡

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反射式物鏡簡介

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需要反射式物鏡的嚴苛應用

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Achromatic Objectives

消色差物鏡

消色差物鏡這種顯微鏡物鏡,可修正紅光及藍光波長的色像差,以及綠光波長的球面像差。消色差物鏡比複消色差物鏡更輕、更便宜,但其色像差與球面像差補正效果及視場平整度較為遜色。

圖 5: 複消色差 (左) 對比消色差 (右) 物鏡設計

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Apochromatic Objectives

複消色差物鏡

複消色差物鏡這種顯微鏡物鏡,在廣大波長範圍內 (可見光至近紅外) 提供更出色的色彩補正效果,優於消色差物鏡,並具備更優異的球面補正及視場平整度。不過這類物鏡比消色差物鏡更重,也更昂貴。

圖 6: 複消色差 (左) 對比消色差 (右) 物鏡設計

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愛特蒙特光學 對於腦部診斷技術的使命

  • 設計製造先進光學產品,提升全球腦部醫療品質
  • 推動光學系統開發,正確診斷全世界受人忽視以及新興的腦部疾病,例如中風、阿茲海默症、帕金森氏症、亨丁頓舞蹈症、腦膜炎、癲癇及腦部腫瘤
  • 為醫師、神經學專家、護理師或技術人員提供易於使用的光學裝置,只要輕觸按鈕便能快速正確診斷
  • 研發創新光學元件,為貧困地區或缺乏現代醫療資源的民眾提供重點照護裝置
  • 促進非侵入式光學診斷技術發展,降低腦部疾病對全球總體健康的影響

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