【2018年諾貝爾物理學獎】劃開時代的雷射物理工具

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提問：請問靜脈曲張的常見症狀？

李應陞醫師：通常在門診看到靜脈曲張的常見症狀，都是有下肢腫脹或是痠麻，走路走久會有疼痛的情形。有些患者會有抱怨半夜會有抽筋的症狀。常見的就是表淺會有浮出一些靜脈叢，我們俗稱蚯蚓在皮膚上面爬的情形。

提問：請問靜脈曲張可能出現哪些嚴重併發症？

李應陞醫師：常見的嚴重的併發症包含下肢會逐漸出現水腫，然後會有冒汁液的情形，甚至嚴重會產生蜂窩性組織炎。更嚴重的可能會產生下肢的傷口、潰瘍的情形，因為靜脈的壓力非常高，所以這類的潰瘍傷口其實都是很潮濕的，而且都會有發生一些惡臭的情形。如果不積極治療的話，都會讓傷口無法癒合。

提問：請問靜脈曲張的危險因子？

李應陞醫師：事實上在現代的社會上，久坐久站的工作者，譬如說護理師、公車司機、計程車司機等等，都需要去預防自己有可能會有靜脈曲張的發生。再來包括體重過重者，因為腹腔壓力過大，導致下肢的靜脈壓力過大，導致靜脈曲張等。然還有一些是有遺傳因子或家族病史等等，都應該要特別去注意自己是否有靜脈曲張的症狀。因為有荷爾蒙的關係，所以女性其實更應該去注意自己有沒有靜脈曲張的發生。

提問：請問要如何評估靜脈曲張的嚴重度？

李應陞醫師：靜脈曲張的嚴重度從腿部的外觀看是否有蚯蚓狀的浮現的靜脈，這個大部分都是在中級左右。再用病史去詢問病人，包括你是否有黃昏的時候比較容易水腫，或是覺得腳部因為久坐久站而導致的腫脹、難受，甚至半夜抽筋等等，都可以去區分出這個大概就是屬於中後期。再更嚴重一點的話，包括慢性傷口的產生，大部分都會出現在腳踝的內側。當發現這樣的傷口部位的時候，其實大部分可以斷定就是為比較末期的靜脈曲張的症狀。最標準的一個黃金診斷工具當然是超音波，我們會用超音波去看靜脈曲張的瓣膜，一旦有產生逆流的話，表示它是一個形態上面的缺損，就應該去跟病患討論是否需要積極做處理。

提問：請問該如何治療靜脈曲張？

李應陞醫師：靜脈曲張的治療有很多種，包含了最保守型的治療，建議病人穿醫用型的彈性襪，然後多抬腳，盡量避免泡熱湯。如果以介入處理來講的話，第一種是傳統型態，就是用靜脈曲張剝離手術。另外幾種微創的治療方式，包含以熱能為主的靜脈雷射治療，以膠水為主的屬於非熱能的治療，就是以現在俗稱的超級膠水，去做靜脈瓣膜閉合的治療。

提問：請問傳統手術會如何進行？

李應陞醫師：傳統手術通常都需要用全身麻醉的方式，而且病患需要住院。我們從整隻腿的上端跟下端各開一個洞，用醫用的鐵絲沿著靜脈往上走，然後兩端勾起來，直接抽取靜脈。術後病患產生的不適感會很嚴重，而且病患其實最擔心的就是他旁邊的神經會受到缺損，而導致病患在多年後都有可能會抱怨肢體麻木等情形。

提問：請問什麼是微創靜脈膠水治療？

李應陞醫師：顧名思義就是用一個特殊的醫用生物膠水，從一個微創的傷口放一個導管進去，大隱靜脈或者是小隱靜脈，從近端到遠端，做一個靜脈膠水的閉合的手術，使靜脈不再逆流，減少它的臨床症狀。

提問：請問微創靜脈膠水治療能帶給患者哪些幫助？

李應陞醫師：微創靜脈膠水帶給病患最大的幫助應該就是不需要全身麻醉，而且手術當日就可以離院等方便性。因為它是用微創的方式去進行的，只需要一個小洞給導管進去，把靜脈閉合起來即結束。所以說帶給病患最大的好處就是舒適感跟方便性，然後可以手術完直接離院，回歸日常生活作息。

提問：請問什麼是微創靜脈雷射治療？

李應陞醫師：微創靜脈雷射治療，顧名思義就是用一根熱能的導管，沿著大隱靜脈往上走，然後一路用熱能的方式去燒灼靜脈壁使之閉合。由於它是有熱能的形式，所以在術中都必須施打一些局部的腫脹藥劑，保護旁邊的神經，避免病患術後有疼痛感和麻木感。

提問：請問微創靜脈雷射治療能帶給患者哪些幫助？

李應陞醫師：雷射微創靜脈的處理方式，它和傳統的方式的最大差異，就是一個需要全身麻醉，一個只需要局部麻醉即可進行。微創靜脈雷射治療，它事實上閉合率極高，跟傳統的方式處理基本上是一樣的。它的優點就是當天即可出院。

提問：請問要如何避免靜脈曲張復發？

李應陞醫師：我們會叮嚀說，盡可能還是要去改變自己的生活型態。如果無法及時的改變，或者是因為工作的需求，還是無法避免久坐、久站的話，我們還是會溫馨提醒，需要穿著彈性襪工作。腳部泡熱湯其實是一個禁忌，如果有在泡熱水、熱湯的習慣，一定要減少這個次數，才能維持一個長期的良好預後。

李應陞醫師：趨近六十歲的一個男性病患，長期久坐，導致他的靜脈曲張的症狀非常非常嚴重，就是雙腳嚴重靜脈潰瘍，然後流著大片的汁液，完全無法癒合。在經過了靜脈曲張治療後，他的潰瘍在一年內逐漸的恢復，最後幾次來門診的時候，他的靜脈曲張的傷口完全癒合。他兒子跟病患本人都非常非常的開心。

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即使再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？畢竟電腦的電子元件和我們大腦中的神經細胞結構截然不同。再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？

錯，可以。

2024 年諾貝爾物理學獎跌破所有專家的眼鏡，頒給了兩位研究機器學習的科學家——約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）和傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）。他們以「人工」的方法打造了類神經網路，最終模擬出生物的「智慧」，奠定了當代深度學習的基礎。

為什麼解決人工智慧發展瓶頸的，竟然會是物理學？物理要怎麼讓 AI 更像人類？

從巴甫洛夫的狗到赫布理論：理解學習的基礎

為了解答這個疑問，我們需要一些背景知識。

20 世紀初，俄羅斯心理學家巴甫洛夫發現，狗在食物還沒入口前，就會開始分泌唾液。他進行了一系列實驗，改變食物出現前的環境，比如讓狗習慣在聽到鈴聲後馬上得到食物。久而久之，狗只要聽到鈴聲，就會開始分泌唾液。

大約 50 年後，神經科學家赫布（Donald Hebb）提出了一個假說：大腦中相近的神經元，因為經常同時放電，會產生更強的連結。這種解釋稱為「赫布理論」，不僅奠定了神經心理學的發展，更成為現代深度學習的基礎。

然而，赫布理論雖然描述了鄰近神經元的關係，卻無法解釋大腦如何建構出如此複雜的聯想網路。

霍普菲爾德網路：物理學家對神經網路的貢獻

然而，赫布理論雖能描述神經元之間的關係，卻缺乏數學模型。物理學家約翰·霍普菲爾德從數學家約翰·康威（John Conway）的「生命遊戲」（Game of Life）中獲得靈感，試圖建立一個可以在電腦上運行的記憶系統。

「生命遊戲」由數學家康威（John Conway）發明，玩家開始時有一個棋盤，每個格子代表一個細胞，細胞可以是「活」或「死」的狀態。根據特定規則，細胞會根據鄰居的狀態決定下一次的生存狀態。康威的目的是展示複雜的系統不一定需要複雜的規則。

霍普菲爾德發現，這個遊戲與赫布理論有強大的關聯性。大腦中的大量神經元，在出生時處於初始狀態，經過刺激後，神經元間的連結會產生或斷裂，形成強大的記憶系統。他希望利用這些理論，創造一個能在電腦上運行的記憶系統。

然而，他面臨一個難題：赫布理論沒有明確的數學模型來決定神經元連結的規則。而在電腦上運行，必須要有明確的數學規則。

物理學的啟發：易辛模型

霍普菲爾德從物理學的研究中找到了類似的模型：易辛模型（Ising Model）。這個模型用於解釋鐵磁性物質的磁性特性。

在鐵磁性物質中，電子具有「自旋」，自旋產生磁矩。電子的自旋方向只有「向上」或「向下」，這就像生命遊戲中細胞的「生」或「死」。鄰近的電子會影響彼此的自旋方向，類似於細胞之間的互動。

易辛模型能用數學描述電子間的相互影響，並通過計算系統能量，得出自旋狀態的分佈。霍普菲爾德借用了這個概念，將神經元的互動視為電子自旋的互動。

他結合了康威生命遊戲的時間演化概念、易辛模型的能量計算，以及赫布理論的動態連結，創造了「霍普菲爾德網路」。這讓電腦能夠模擬生物大腦的學習過程。

突破瓶頸：辛頓與波茲曼機

然而，霍普菲爾德網路並非完美。它容易陷入「局部最小值」的問題，無法找到系統的全局最優解。為了解決這個問題，加拿大計算機科學家傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）提出了「波茲曼機」（Boltzmann Machine）。

辛頓將「模擬退火」的概念引入神經網路，允許系統以一定的機率跳出局部最小值，尋找全局最優解。他還引入了「隱藏層」的概念，將神經元分為「可見層」和「隱藏層」，提高了網路的學習能力。

受限波茲曼機（Restricted Boltzmann Machine）進一步簡化了模型，成為深度學習的基礎結構之一。這些創新使得 AI 能夠更有效地模擬人類的思維和學習過程。

AI 的未來：跨學科的融合

霍普菲爾德和辛頓的工作，將物理學的概念成功應用於人工智慧。他們的研究不僅解決了 AI 發展的瓶頸，還奠定了深度學習的基礎，對現代 AI 技術產生了深遠的影響。因此，2024 年諾貝爾物理學獎頒給他們，並非意外，而是對他們在跨學科領域的重大貢獻的肯定。

AI 的發展，離不開物理學、生物學、數學等多學科的融合。霍普菲爾德和辛頓的工作，正是這種融合的典範。未來，隨著科學技術的進步，我們有理由相信，AI 將越來越接近人類的思維方式，甚至可能超越我們的想像。

本文轉載自顯微觀點

2018 年，陽明大學生醫光電研究所教授高甫仁在台北的「未來科技展」上，展示出一種直徑遠小於市面產品的內視鏡，只有不到 0.5 公厘。「內視鏡就像是帶著車頭燈的攝影機。」高甫仁說。這種小型攝影機像是條細長的電線，能夠透過微創手術深入人體內部，檢查呼吸道、腸胃系統或各種器官，藉由鏡頭前端的光源看見病灶影像。

「可是你會發現，光源沒有辦法做得更小。」內視鏡受限於發光二極體（LED）的體積，似乎難以再改良。然而，高甫仁利用比頭髮更細的光纖導入雷射，取代 LED 作為光源，大大減少內視鏡體積。如此一來，就能進一步縮小手術傷口，加快恢復時間。而且只需要一至兩根光纖，亮度就會超過好幾顆 LED。

雷射是一種能量集中的光束，再加上亮度高的特性，常被應用在光學儀器上。事實上，這已經不是第一次高甫仁利用雷射作為光學儀器的光源。鑽研雷射超過 20 年的他，深知這項技術所具備的潛力。

超快雷射結合顯微技術

其中一項重要的應用領域便是超快雷射，這種雷射的持續時間極短，甚至可達到飛秒（10-15秒）的程度，能夠形成瞬間能量極強的光，「超快雷射能夠達到的能量密度，可能是一般雷射的百萬倍以上。」高甫仁解釋。

1990 年代，超快雷射技術崛起，開始應用在各種科學場域上。當時高甫仁正在美國康乃爾大學攻讀博士班，主要研究的領域是固態物理，例如探討原子或分子間的交互作用，讓他也有機會學習使用與架設超快雷射。

然而固態物理的實驗十分昂貴，常常需要在超低溫、高磁場、超高真空等環境下進行。因此當高甫仁從美國回到台灣從事研究工作時，便面臨到經費不足的困境，「太空實驗、高能物理都不是一個人或一個團隊能夠負擔的，因此我思考，是不是能透過個人創意，在比較簡單的實驗室就能做出特別的東西。」

超快雷射除了應用在固態物理，也逐漸在顯微領域上嶄露頭角。因此高甫仁認為，若超快雷射能夠與光學顯微鏡結合，就有機會做出一番成果。於是在陽明大學的近代光學實驗室裡，高甫仁成功自製出應用超快雷射作為光源的雙光子顯微鏡，「很多以前只是在教科書上看到的非線性光學效應，跟顯微鏡結合後，居然真的實現了；本來看不到的東西，現在直接就看得到。」

一般使用傳統的螢光顯微鏡時，會採用較高能量、短波長的光子照射樣品，使螢光分子發出低能量、長波長的光子。若使用超快雷射作為光源，就能夠將能量低的光子轉換為高能量的光子，「就像用兩個五塊錢換一個十塊錢，可是兩個五塊錢要在同一時間打到同一個點，普通光源做不到這件事。」雙光子顯微鏡讓研究者可以觀測到深層組織，並降低雜訊干擾。

能量高、亮度高的超快雷射，還可以用來捕捉快速發生的自然現象，就像我們使用單眼相機拍照時，可以調控快門速度來清楚拍攝物體，「機械快門通常可達千分之一秒，電子快門可達萬分之一秒，但如果想要更快的快門，就得從光源下手，例如使用特殊的閃光燈，在百萬分之一秒內凍結影像。」若使用超快雷射，就能抓住兆分之一秒的瞬間。

「我一直對顯微鏡很著迷，做科學不是只有數據，而是能看到很漂亮的圖像、看到想要的東西。」高甫仁真切地說，「如果有一幅影像全世界沒有人拍過，而我是全世界第一個做出來的，就會感到非常振奮。」他說，二十多年前，他第一次看到氮化鎵（gallium nitride）所形成的光電流影像，當下的感覺無可比擬。

科學與藝術

「顯微鏡需要最尖端的科技，呈現的影像又具有藝術性，很少有領域同時具有這樣的特性。」高甫仁認為，顯微鏡所呈現的影像，就像哈伯天文望遠鏡所觀測的宇宙般令人驚豔，即使兩種科技的尺度天差地別，但都是透過光學成像技術映照出前所未見的世界。

從生物樣品到半導體元件等各種樣本，高甫仁都曾用顯微鏡觀察過，對於光學成像已有自己的一套心得，「所有的光學成像離不開三個原則：挑選與使用光源、如何用光學元件成像，以及如何偵測影像。」

高甫仁也提及，隨著人工智慧（AI）的普及，顯微鏡也已開始採用 AI。現階段顯微攝影已具備快速拍攝大量影像的技術，然而如何分析與處理影像，成為當前各研究人員急欲解決的問題，「AI的運算能力加上深度學習技術，可以分析上千張影像之間的關聯性。」高甫仁認為透過 AI，將能夠補足傳統光學顯微術的不足之處。

此外，高甫仁表示，未來還可能會出現量子光學，掀起另一波的顯微技術革命。「利用量子狀態的相關性，可以讓取像時間大幅縮短。」就像量子電腦可以利用量子位元提升運算速度，解決當前棘手的問題，「利用量子光學，只需要更少的光子，就達到同樣的精準度。」

高甫仁認為，「顯微鏡的目的，就是透過影像連結尖端科學。」影像裡所述說的故事，以及所負載的科學意義，將會持續推動科學家鑽研更新的技術，發現更多前所未見的世界。

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