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香港大學成功研發最新光譜分析技術PASTA
比傳統技術快一百萬倍
有助臨床病理判斷及智能節能引擎研發
2014年09月18日
PASTA 研究團隊 (左起) 工程學院電機電子工程系黃建業博士，李嘉誠醫學院外科系李珮瑜博士，電機電子工程系張馳博士。電腦圖像是利用PASTA技術檢測的老鼠食道樣本成像。
光譜分析技術普遍應用於日常生活，即時把物質內細微的化學成分呈現。在食物安全方面，可用作品質監測，例如最近地溝油事件，利用光譜分析儀可掌握油中的化學成分及有毒物質；俗稱吹波波的醉駕酒精測試，利用光譜分析技術可探測口氣中的酒精成分和濃度；對大氣層中溫室氣體或者工業有毒氣體的排放，利用光譜分析可以實時監控氣體濃度等等。
以香港大學(港大)工程學院為首的跨學科研究項目，成功結合光纖光學和激光技術，研製出嶄新的高速光譜分析技術 --「參量時域光譜分析儀」（簡稱PASTA），以比現有技術快一百萬倍的速度，精確地捕捉不同物質動態過程的光譜。在探測速度和精確度都大幅提升下，光譜分析技術將有革命性的發展，更廣泛應用於高端科技的開發。研究成果已於多份國際學術刊物及國際研討會上發表，刊登於六月份的Nature Scientific Reports，及其他學術刊物包括Optics Express和Applied Physics Letters等。
在工業應用上，新技術可以實時監控燃料的燃燒狀態在生物醫學及醫療科技上，新的光譜分析技術可提高實時成像的精確度和穩定性，應用於內窺鏡檢查和微創手術。現時一些臨床病理判斷，對腫瘤的探測與診斷，需要抽取病人組織切片樣本化驗，利用新的光譜技術，可即時透過內窺鏡分析身體活組織的物質結構，有助斷症及監測早期的細胞病變。在工業應用上，新技術可以實時監控燃料的燃燒狀態，從而優化內燃機燃燒效率，並有助研發智能節能引擎。
研究團隊由工程學院電機電子工程系副教授黃建業博士領導，其他主要成員包括電機電子工程系研究員張馳博士及李嘉誠醫學院外科系助理教授李珮瑜博士等。他們研發的PASTA技術能更準確和更有效的實現了高速動態光譜的分析。現有的光譜分析技術主要用來區分不同物質的化學成份，可用於量化的化學/醫療診斷，而不需要精確到分子形態結構。結合PASTA技術，光譜分析儀可以更加快速、精確、高效的捕捉不同物質成份光譜，有助於更多快速應用領域的研究。此研究技術能以0.02納米的精確解像度捕捉超快速動態過程（例如飛機引擎的燃燒）中高達每秒100,000,000幀的光譜，比現有光譜分析技術快至少1,000,000倍。除了單純的光譜分析，PASTA技術結合目前最先進的斷層掃描成像技術 --「相干光學斷層掃描」（簡稱OCT），能夠極大的提高OCT數據採集處理的速度，有助於提高活體成像的穩定性，從而實現微創手術中精確的實時監控。在工業應用方面，PASTA技術有希望通過觀測超快速的化學反應過程，從而優化內燃機的燃燒效率。
黃建業博士指出，新技術可應用在生物醫療的很多方面，結合顯微光譜技術實現對腫瘤的探測與診斷，以及臨床手術的輔助影像等。他說：「生物醫學及醫療科技是港大工程學院策略性科研領域之一。過去幾年，我們致力進行生物醫學工程研究，尤其是生物醫學成像技術。研究團隊重點研發的項目之一，是超高速及高精度的光譜分析技術PASTA，研製PASTA的過程極具挑戰性，然而其在手術時的實時影像和基礎生命科學研究是必要的。例如，現有的成像技術無法在手術的過程中實時的提供光譜顯微圖像；PASTA快速光譜技術卻能觀測超快動態光譜現象，同時滿足活體生物實時成像對高速的要求。我們對這項新技術的主要後續研究亦將會朝著此方向繼續發展。」
李珮瑜博士補充說：「PASTA是成像技術領域的一個重要發展，它可以讓醫療人員在手術過程中，或者通過其他的醫療手段（例如內窺顯微技術）實時的獲得活體樣本的結構和物質成份信息。由於傳統成像要求的時間較長，以及人體組織不可避免的抖動，PASTA技術通過提高成像的速度，極大的提高了實時成像的精確度和穩定性。PASTA技術的發展和應用為未來的生物醫學診斷及手術輔助帶來了很大的幫助及希望。」
圖解：利用參量時域光譜分析儀（PASTA）（左圖）和現有的光譜分析技術（OSA）（右圖）來觀測超快速掃頻光源（FDML）的光譜。PASTA技術每秒一億幀的採樣速率遠大于現有OSA技術每秒五幀的採樣速率，從而實現了對光譜動態過程的觀測。
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