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看見「看不見的」紅外線?

蕭汎如
・2014/12/16 ・1487字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

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The eye can detect light at wavelengths in the visual spectrum. Other wavelengths, such as infrared and ultraviolet, are supposed to be invisible to the human eye, but Washington University scientists have found that under certain conditions, it’s possible for us to see otherwise invisible infrared light. Credit: Sara Dickherber 來源:來源: Physorg

閱讀任何一本教科書,都可以得到相同的概念:「紅外線對於人類來說是不可見光」,舉例來說x光、微波這些光,都在人們可見光的波長範圍之外。然而,這個想法卻被由美國華盛頓大學聖約翰醫學院所領導的國際性(包含來自挪威、瑞士、波蘭等地的學者)研究團隊打破,他們發現,在某些特定的條件之下,視網膜可以偵測到紅外線,目前他們的初稿甫發表在2014年的12月1日Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 上。

該團隊利用強烈的出紅外線雷射脈衝,照射人類和小鼠的視網膜。研究者發現,當雷射光脈衝的頻率越頻繁,視網膜當中的感光細胞有時候可以收到紅外光能量雙倍的衝擊。這意味著,當這種情況發生的時候,眼睛就可以偵測到在原本的可見光譜外的紅外線。

華盛頓大學專門研究眼科以及視覺科學的資深教授Vladimir J. Kefalov表示,他們所做的實驗不僅試著提供醫生檢查病患眼睛的新工具,也可以用來測試視網膜特定部位的功能是否完整,他們希望這個新發現可以有實際的應用。

這個研究的契機源於研究團隊先前發現到,使用紅外光雷射時會伴隨偶爾的綠光閃鑠(這可不是一般用於演講的紅外線光點筆或是玩具,它是可以發出強列能量波的!即使人類看不見)。這現象燃起了該團隊的好奇心,所以他們開始找尋人類看見紅外線的相關論文。他們重做了實驗,分析這些不同的雷射光並測試為何可見的原因。

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「我們測試的時候,使用不同時間間隔但是擁有相同數量光子的雷射脈衝。發現雷射光的脈衝如果越短,人們越有可能看見」,計畫共同主持人Frans Vinberg解釋,即使因為實驗中測定的時間長度過於短暫,以至於裸眼的時候無法偵測的到,但這些脈衝仍然非常重要,因為它們能夠讓人們看見這些「看不見」的光。

一般而言,光子會被視網膜吸收,接著視網膜上的感光細胞會產生光色素(photopigment)來吸收可見光,提供清楚的影像並將資訊轉換為神經脈衝,刺激視神經傳遞至腦部成為視覺資訊。正常而言,每個光子可以被非常多個光色素所吸收。

然而,如果把很多的光子擠壓在一個頻率很高的脈衝雷射光中的短脈衝時,就可以產生一個神奇的現象:一個感光色素可以同時吸收兩個光子的能量。也是因為這樣,這兩個粒子疊加的能量就可以激活神經位元,讓人們的眼睛可以看見這些原本在一般條件下無法看見的「不可見」光。

Vladimir Kefalov adapter
Kefalov’s team developed this adapter that allowed scientists to analyze retinal cells and photopigment molecules as they were exposed to infrared light. The device already is commercially available and in use at several vision research centers around the world.Credit: ROBERT BOSTON 來源: Washington University

「人們可以看見的光波波長大約介於400至720奈米間」Kefalov解釋,「但是,如果一個視網膜的色素細胞被一對波長1000奈米的光子連續而且快速的撞擊,它所傳送的能量會與一個波長500奈米的光子相當,而這等同可以介在可見光譜中的能量,這就是為什麼我們可以看見「不可見」光的原因」。

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雖然這是首次有相關研究指出,人們的眼睛可以透過這樣的物理機制感知光線,但是這個「利用比較弱的雷射光來讓事物可見的」想法並不新鮮。舉例來說,使用雙光子顯微鏡(two-photon microscope)來偵測更細微的人體組織,還有更進一步運用在檢眼鏡(ophthalmoscope)的應用……等等。

這個想法的主要目的,是希望可以藉由照射短脈衝的、紅外光激光器( infrared laser)對眼球的刺激,讓醫生們可以刺激部分的視網膜並且從中理解更多視網膜的功能與結構,最終可以幫助那些眼睛有疾病(如:黃斑部病變)的人們。

參考資料:

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蕭汎如
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PanSci 實習編輯,台大公衛系,對世界充滿好奇,最喜歡的句子是王爾德在《溫夫人的扇子》中寫的一句台詞:"We are all in the gutter, but some of us are looking at stars. "。沒錯,我們都身陷在日常生活的爛泥溝渠之中,但還是可以抬頭,仰望燦爛星空。:)

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靜脈曲張不只是外觀問題,治療選擇與術後保養要點
careonline_96
・2025/09/05 ・2486字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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科學不只是數據,還能看到想要的東西──專訪高甫仁教授
顯微觀點_96
・2024/08/29 ・2167字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

圖/顯微觀點

「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。

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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。」

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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。

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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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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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全焦段散光矯正人工水晶體一次解決白內障、近視、老花和散光問題?一次手術重現良好視力?
careonline_96
・2024/06/21 ・2571字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「那是一位 50 多歲的女士,原本近視將近一千度,而在出現白內障後,近視的狀況又急速惡化,於是決定接受白內障手術。」花蓮慈濟醫院眼科部視網膜科主任何明山醫師表示,「經過詳細討論後,患者選擇使用全焦段散光矯正人工水晶體,希望解決白內障並同時矯正近視、散光、老花眼。」

手術完成後,患者順利恢復。何明山醫師說,全焦段散光矯正人工水晶體能夠提供遠、中、近連續視力同時矯正散光,讓患者不用再戴近視眼鏡,也不需要戴老花眼鏡,生活與工作都方便許多。

白內障是因為眼睛裡面的水晶體老化,而影響光線進入眼球。何明山醫師指出,水晶體就像照相機的鏡頭,當鏡頭變混濁,進到眼睛的光線便會減少,所以在比較昏暗的狀況下,會覺得視力模糊、顏色改變。由於光線進入白內障後會散射,讓電燈、車燈散開,所以容易出現眩光。

白內障的形成主要與年紀有關,在過去白內障大多出現在 50 歲以上的患者。不過還有許多原因可能導致白內障提早發生,危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。

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何明山醫師說,「隨著 3C 產品的普及,長時間使用 3C 產品的人越來越多,臨床上也發現白內障有年輕化的趨勢,有些患者在 40 歲就開始有白內障。大家一定要多關心眼睛的健康!」

當白內障已經對日常生活造成影響時,便會建議接受治療。何明山醫師指出,放任白內障惡化,除了影響視力之外,還會影響眼睛的健康,因為過熟的白內障可能造成青光眼,嚴重會導致失明,而且當白內障過熟時,也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。

利用人工水晶體解決近視、老花與散光

在白內障早期,可能會使用眼藥水,幫助延緩白內障惡化。何明山醫師說,待白內障成熟時,便需要利用手術移除混濁的水晶體,然後放入人工水晶體。

人工水晶體的選擇,主要由患者的用眼需求來決定。何明山醫師說,如果有近視、老花眼、散光等狀況,現在也可以一併用人工水晶體來矯正。

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傳統的單焦點人工水晶體可以提供遠距離視力,而中、近距離便需要配戴眼鏡。何明山醫師說,隨著光學技術的進步,人工水晶體持續進化,陸續開發出多焦點人工水晶體、全焦段人工水晶體等。

多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體,而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深,提供遠、中、近距離的連續視力,最近視距約 33 公分。何明山醫師說,中距離視力大約 60 公分,對患者非常重要,日常生活中經常使用中距離視力,例如開車看導航、煮飯、打電腦、打牌休閒娛樂等。擁有中、近距離的連續視力,能夠顯著提升便利性。

全焦段人工水晶體也能保有較佳的顏色對比度,減少夜間眩光。何明山醫師說,部分具老花矯正功能的人工水晶體有較明顯的夜間光學干擾,如果常有夜間駕車的需求,可考慮使用全焦段人工水晶體,提升行車安全。何醫師進一步表示,門診有幾位患者植入全焦段人工水晶體後,開長途車回診也都不是問題。

同時矯正散光,提升視覺品質

在台灣散光的盛行率很高,可能有四成至五成的患者有散光。何明山醫師說,散光超過 100 度便會影響視力清晰度,所以在進行白內障手術時,會建議一併矯正散光。

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因為散光具有方向性,所以放入散光矯正人工水晶體時,必須固定在特定角度,才能發揮矯正效果。何明山醫師說,傳統散光人工水晶體需要經過一段時間後才能夠穩定,若在術後出現位移旋轉,便會影響散光矯正的效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度,較不會產生位移,讓術後視力更清晰。

何明山醫師提醒,視力對生活與工作皆很重要,接受白內障手術前,請與醫師詳細討論,選擇合適的人工水晶體!

筆記重點整理

  • 白內障的形成主要與年紀有關,不過還有許多原因可能導致白內障提早發生,危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。
  • 當白內障已經對日常生活造成影響時,便會建議接受治療。放任白內障惡化,除了影響視力之外,還會影響眼睛的健康,因為過熟的白內障可能造成青光眼,嚴重會導致失明,而且當白內障過熟時,也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。
  • 如果有近視、老花眼、散光等狀況,現在可以一併用人工水晶體來矯正。多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體,而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深,提供遠、中、近距離的連續視力,顯著提升便利性。
  • 全焦段人工水晶體能保有較佳的顏色對比度,減少夜間眩光,有助提升安全性。
  • 散光超過 100 度便會影響視力清晰度,在進行白內障手術時,建議一併矯正散光。因為散光具有方向性,所以放入散光矯正人工水晶體時,必須固定在特定角度,才能發揮矯正效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度,較不會產生位移,讓術後視力更清晰。

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