光學元件如何影響呼吸系統研究
光學元件如何影響呼吸系統研究
呼吸系統健康的未來取決於我們對肺功能理解的進步。夏威夷大學馬諾阿分校的生物膠體和生物介面實驗室使用光學系統研究液滴的介面用於呼吸系統研究，進而促進醫療研究與治療進步。
為什麼觀察飛沫可以挽救生命
十多年來，生物膠體和生物介面實驗室一直致力於使用肺表面活性劑液滴類比和研究呼吸作用。在Yi Zuo教授的領導下，一個由大學生、研究生和博士後組成的跨學科團隊創造了一個光學系統，使肺功能的臺式分析成為可能。這個想法是，這些液滴類比了人肺表面活性劑，這是一種在健康個體的肺部產生的磷脂-蛋白質複合物，使他們能夠毫不費力地呼吸。為了仔細觀察呼吸類比，光學系統必須創建液滴的清晰圖像，以便分析其表面特性。本研究的最初主要應用是將研究結果應用於嬰兒疾病（如新生兒呼吸窘迫症候群）的肺表面活性劑治療的臨床應用。此後，這些應用已擴展到包括對環境有害的氣溶膠和 COVID-19 對呼吸過程影響的研究。Zuo 博士的實驗室獲得了 Edmund Optics 的 2020 年 Norman Edmund 靈感獎，以表彰其創始人 Norman Edmund 激發年輕一代對科學的熱愛的傳統。十多年來，該實驗室一直將Edmund Optics元件納入他們的研究中。
圖 1： Zuo 博士和他的團隊創建的表面活性計使用愛特蒙特光學的遠心鏡頭、遠心照明器、相機和光學機械來研究呼吸行為。圖片由夏威夷大學馬諾阿分校生物膠體和生物介面實驗室的 Yi Zuo 提供。
光學系統：遠心照明和成像
Zuo 博士和他的團隊使用一種稱為液滴形狀分析的研究方法，通過精確測量液滴的輪廓來確定表面張力。研究這些液滴的最重要因素是能夠通過銳利的邊緣對比度清晰地可視化它們的形狀和邊界。為此，水滴由遠心照明器背光，該照明器面向另一側的相機。該相機配有遠心鏡頭，以消除視差，從而可以準確測量液滴的大小和形狀。使用該系統時，呼吸模擬器模擬人體肺部的行為，而成像系統則捕捉震盪液滴的變化特性。
遠心照明器是該系統成功的關鍵因素，因為它發射準直的平行光線，從而在對物體進行成像時產生清晰的邊緣。在系統中加入遠心照明器後，可以清楚地捕捉到液滴的形狀，並使用毛細管的拉普拉斯方程式(Laplace equation)確定其表面張力。遠心成像鏡頭通過消除視差或透視誤差來進一步提高準確性，在傳統成像系統中，視差或透視誤差會使較遠的物體看起來比較近的物體看起來更小。
Zuo 博士實驗室使用的系統佈局的基本概述如下所示，其中使用遠心背光照明器、遠心成像鏡頭、相機和輔助光學機械裝置（圖 2）。
圖 2： 基本的光學系統設置，包括遠心背光照明和成像。
研究應用
肺表面活性劑研究
肺表面活性劑研究涉及研究純化的動物肺表面活性劑的表面張力，以及它們在表面活性劑膜壓縮和膨脹後在人體呼吸類比中的作用。多年來，此應用程式越來越受歡迎，並在美國的醫院使用，包括辛辛那提兒童醫院和紐約州立大學上州醫科大學。該研究的主要受益者是新生兒重症監護病房 （NICU） 環境中的嬰兒，因為早產兒容易患呼吸窘迫症候群。
圖 3： 如果沒有足夠的肺表面活性劑，早產兒的肺泡會塌陷，如上圖所示。這是呼吸窘迫症候群的癥狀，通常可能是致命的。
應對 COVID-19
在 COVID-19 大流行的早期階段，人們對病毒如何傳播的資訊知之甚少。一旦發現病毒是通過空氣傳播並通過呼吸道飛沫傳播的，生物膠體和生物介面實驗室就抓住機會為大流行應對做出貢獻。該團隊致力於使用先前為研究肺表面活性劑而開發的技術來類比病毒的氣溶膠傳播。表面活性劑被用於此應用，因為它們是保護肺部免受外來顆粒和病原體侵害的第一道防線。通過將氣溶膠引入表面活性劑類比並利用以前的分析模式，在微觀層面上研究了病毒的傳播。此外，通過研究攜帶 COVID-19 病毒的氣溶膠，還分析了對肺部的影響。COVID-19 的死亡部分是由於許多患者因肺部感染而經歷的急性呼吸窘迫綜合征。Zuo 博士和他的合作者現在正在研究使用肺表面活性劑作為治療 COVID-19 患者的支持療法的可能性。
環境問題
現在，氣候變化和環境保護比以往任何時候都更處於科學研究的前沿，更具體地說，是關注氣候變化影響和人類健康的研究。丹麥國家工作環境研究中心利用 Zuo 博士和他的團隊開發的系統來類比呼吸並研究人類對污染大氣的有害氣溶膠的反應。這是通過將氣溶膠顆粒引入表面活性劑並觀察響應來實現的。研究人員研究氣溶膠顆粒對人類呼吸的影響是偶然的，這樣就可以開發出解決方案來對抗任何有害影響。該過程類似於 COVID-19 回應的過程，其中液滴形狀分析用於肺表面活性劑研究，以了解整個呼吸如何受到影響。