第29卷 第 4期科 學 發 展 月 刊 234

專 題 報 導

國家生物顯微影像虛擬中心服務計畫謝昌煥 ／國家高速電腦中心

江安世 ／清華大學生命科學系

一、前言

國家生物顯微影像虛擬中心是結合國內生物

影像研究實驗室的相關資源，及國家高速

電腦中心的電腦計算資源 (含硬體及分析軟

體) 而成立，目的在提供一個網路虛擬服務中心，建

立生物顯微影像網站，並透過網際網路跨平台的瀏覽

器介面，做為國內相關研究人員資源共享、技術交流

的中心。

二、重要性

能夠進行學習、記憶、思考的大腦，無疑是人類

最有趣、最複雜的器官之一。在生物科技發展神速的

今天，我們幾乎可以預期，在下一個世紀研究大腦的

運作機制，主要是根據區域功能理論 (根據外科手術

證實，大腦可以依照功能畫分成不同的區域)，或整體

功能理論 (進行一個簡單動作時，例如聽、說、看

時，大腦許多區域都同時參與) 進行關於學習、記憶

及心智發展的研究。這方面的探討，將是下一階段生

命科學最重要的研究課題之一 (Posner and Raichle,

1994)。細胞結構生物顯微影像技術，例如國內大型教

學醫院所引進的非侵害性 (non-invasive) 醫學影像偵測

的功能性核磁共振造影機 (functional magnetic

resonance image, fMRI) 及正子放射斷層 (positron

emission tomography, PET) 掃描機，就是探索這一片神

秘天地的分析利器。

除了核磁共振造影與正子放射斷層掃描之外，利

用超音波 (ultrasound)、X光電腦斷層 (computed

tomography of x-ray, CT) 掃描等技術所取得的生物影

像進行臨床診斷，已在醫學影像臨床診斷的領域中有

許多卓越的貢獻。由此可知生物影像品質的重要性，

所以同理可知生物影像分析的輔助軟體工具亦有其重

要性。

電腦輔助生物顯微影像分析的快速發展，將對於

相關學術領域，例如計算神經科學 (computational neu-

roscience)、計算解剖學 (computational anatomy)、以及

發生學 (development)、形態學 (morphology) 等，有相

當大的影響 (圖一) (Ellisman et al., 1999; Holmes et al.,

1999)。同時在醫學應用上，可以幫助臨床醫學診斷、

分析腫瘤的形態，進行定量分析及測量其體積大小。

自從三百多年前虎克 (Robert Hooke, 1635-1703)

使用顯微鏡觀察軟木塞的蜂窩組織細微結構，並且命

名為細胞 (cell) 之後，探索生物細微結構的影像分

析，一直是生物學家重要的活動之一。隨著顯微鏡技

術的進步，解析度涵蓋了由光學顯微鏡的微米 (µm,

10-6m)，到電子顯微鏡的奈米 (nm, 10-9m) 範圍。然而

由於光同時存在有粒子性與波動性二種物理特性，而

其波動性的繞射特性，造成了選擇使用的觀測波長會

反映解析度 (波長愈短，解析能力愈高)，換句話說，

也就是限制了「看」清楚一個物體的最小尺寸

(Campbell and Dwek, 1984)。

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在這種先天條件的限制之下，電子顯微鏡選擇比

光子 (photon) 波長短的電子 (electron) 為照射源，則可

以看到最細微的生物細胞結構。電子束僅能穿透很薄

的生物組織，所以使用穿透式電子顯微鏡時，細胞必

需經過超薄切片等侵害性的處理過程，因此欲觀測活

細胞或較厚的生物組織時，就無

法利用穿透式電子顯微鏡來觀察

生物的細微結構。另外，掃描式

電子顯微鏡雖然可用於觀察較大

的生物組織，但僅限於外表，如

要觀察活細胞及內部結構則非常

困難。

近年來共軛焦光學顯微鏡

(confocal microscope) 的發展，以

雷射為光源，結合螢光顯微鏡技

術及電腦影像分析，可觀察到組

織的深層結構，而不再停留於僅僅是觀察組織表層的

細胞而已 (江安世，1993; Engert and Bonhoeffer, 1999;

Laissue et al., 1999)。因此細胞生物學家可以定量地進

行生物組織三度空間積體的測量，也可以用於研究細

胞之間的空間分布以及結構與功能的關係。更重要的

是可觀察並定量活細胞內之各項結構、分子及離子之

立體分布與瞬間變化 (圖二)。 如同傳統電子顯微鏡對

細胞生物的貢獻，共軛焦光學顯微鏡近年已廣泛應用

於細胞生物、神經生物、分子生物、及結構生物等各

生命科學相關之研究。

無論是電子顯微鏡、一般的光學顯微鏡或是共軛

焦光學顯微鏡，都可產生大量且高解析的生物影像。

藉由電腦輔助生物影像分析軟體，研究人員可進一步

分析生物體的胞器、細胞、器官及組織的量化與功能

的關係。此外，有時限於實驗的條件，研究人員取得

的生物影像會模糊不清，此時借助電腦的計算能力，

得以數學分析的演算方法去除模糊不清的背景，求得

細胞結構的清晰影像，也已成為細胞結構生物學家進

行研究重要的輔助工具之一。電腦輔助生物影像分析

在生命科學之相關研究非常廣泛，例如用以分析神經

細胞成長、神經系統連結的情形及進行發生學研究。

腦神經發展的研究，將有助於瞭解腦部的學習、記憶

等重要功能。此外，也可以進行胞器的重組，建構三

度空間的立體結構及大範圍的影像，甚至可能建立大

腦的結構─虛擬大腦 (virtual brain)，在裡面進行虛擬

航行 (navigation)。而應用在病理組織切片上，則可以

判斷腫瘤的大小及形態，進行醫療診斷。

電腦輔助生物影像分析在學術界將可適用於神經

圖一　經由電腦計算的輔助，研究工作者可以分析小至原子尺度 (埃,

Å, 10-10m) 大到人體尺度 (米, m) 的生物影像。有助於更進一

步瞭解人體內結構與生理功能之間的關係。

圖二　共軛焦光學顯微立體影像。 一個正在分裂中的人類細胞顯示p53蛋白分子(紫色) 與染色體

(紅色) 及著絲點 (綠色) 的立體分布。

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生物學、細胞生物學、發生學、分子生物技術、醫學

影像、生理學各學門，配合虛擬實境 (virtual reality)

進行解剖學教學等需求。在醫學應用上，可以幫助臨

床醫學診斷，分析腫瘤的形態及大小 (圖三) (Bitplane

AG. http://www.bitplane.ch/)。

三、國內外現況

國外有許多影像處理中心除提供研究所需，並且

透過聯盟的方式互相支援資源。例如：

1. Caltech : Biological Imaging Center Bower Laboratory

(http://bioimaging.caltech.edu/)

2. Johns Hopkins University : Center for Imaging Science

(http://cis.jhu.edu/scope/scope.html)

3. Montana State University : Center for Computational

Biology (http://www.nervana.montana.edu/)

4. Salk Institute for Biological Studies : Computational

Neurobiology Laboratory

(http://www.cnl.salk.edu/CNL/)

5. UCLA : Laboratory of Neuro Imaging

(http://www.loni.ucla.edu/)

6. UC San Diego : National Center for Microscopy and

Imaging Research (http://www-ncmir.ucsd.edu/)

7. Washington University at St. Louis : The Van Essen

Laboratory (http://stp.wustl.edu/)

8. State University of New York, Buffalo : Advanced

Microscopy and Imaging Laboratory

(http://corn.eng.buffalo.edu/AMIL/index.htm)

9. National Institutes of Health (NIH) : NIH Image

(http://rsb.info.nih.gov/nih-image/)

到目前為止，國內並無類似的機構，但就現有的

設備與人力來看，國家高速電腦中心應是最適當的設

置機構。

四、說明

生物影像的分析計算，需要相當大的計算資源

(圖四) (Bitplane AG. http://www.bitplane.ch/)，例如清

華大學生命科學所江安世教授的實驗，取得的圖像使

用了三種螢光染劑，每張解析度為2048*2048共五百

張，需要的記憶體大約是 6G Bytes (2048*2048*

500*3)。在一般的情況下，個別的研究機構無法維持

如此大規模的計算機器。

同時，影像透過網路傳輸，需要相當大的頻寬才

能符合實際的需求。而國科會與教育部共同推動的學

術追求卓越發展計畫中，例如清華大學的「以結構為

基礎的循理性藥物發展」、陽明大學的「人腦探索計

畫，從基因到認知研究」，及中山大學的「南台灣神

經科學卓越研究中心」等有關生命科學的卓越計畫，

都與生物影像相關，每天要傳送100M Bytes以上的影

圖三　生物影像涵蓋範圍可以從人體大小到原子尺寸大小。不同尺

寸大小的生物影像，有其相對應的實驗工具來取得。

圖四　生物影像計算所需要的計算資源非常大

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像資料。

基於計算量及網路頻寬的需求，國家高速電腦中

心可以提供大量計算的電腦主機，以及TANet2寬頻網

路，因此在國家高速電腦中心設立國家生物顯微影像

服務中心是適當的選擇 (圖五)。

五、服務方式

建立國家生物顯微影像中心伺服網站，利用國家

高速電腦中心的計算資源，及TANet2寬頻網路，透過

網際網路的方式提供服務。國家高速電腦中心已於二

○○○年購進一套生物顯微影像分析軟體 ─

IMARIS，可以透過X-視窗遠距連線的方式，免費提

供國內的研究人員使用。生物顯微影像利用 IMARIS

套裝軟體分析可達到以下效果：坽去除影像中糢糊的

訊息；夌石臘連續切片及電子顯微鏡連續切片立體重

組；奅共軛焦顯微鏡連續光切片影像立體重組；妵體

積、個數、表面積、螢光量度等定量；妺實體表面、

網狀表面、陰影等各式立體呈像方式；姏神經突觸追

蹤、分叉分析及網路模擬 (謝昌煥，2000)。

生物顯微影像網站提供的服務項目有：坽生物顯

微影像軟體、硬體諮詢；夌建立國內教學與研究的生

物影像3D立體動畫展覽館 (Bioimage Gallery)；奅螢

光染劑物理化學性質資料庫的建置；妵生物影像研究

討論群網站建置；妺結合虛擬實境技術進行虛擬航

行。

六、預期效益

共軛焦顯微影像系統的發展成功，提供了生命科

學研究者一種非破壞性的，利用光學聚焦方式逐步改

變聚焦面位置，達成斷層切片掃描任務的儀器。因此

經由數位影像的取得，結合電腦軟體的處理，能夠重

建生物體的三度空間立體結構，從不同的角度分析生

物結構，提供更進一步瞭解生物結構與功能的關係，

在生命科學研究領域中已取得很大的成果。

而電腦輔助生物顯微影像分析的快速發展，將對

於相關的計算神經科學、計算解剖學、發生學、形態

學等學術領域，有相當大的影響。例如可以分析神經

細胞成長、神經系統連結的情形，進行發生學的研

究。腦神經發展的研究，將有助於瞭解學習、記憶等

重要的腦部功能。同時在醫學應用上，分析腫瘤的形

態，進行定量分析及測量其體積大小，可以幫助臨床

醫學診斷。

國家電腦高速中心與學界共同合作，完成一個多

功能的生物顯微影像服務中心網站，提供研究及教學

所需的研究資源。除了收集國內相關研究的成果，成

立 3D立體動畫展覽館，並提供最新的生物影像發展

情況。生物影像實驗室的研究工作人員可利用一個整

合性的研究資源服務中心，隨時查詢相關資料及實驗

設計，加速實驗的進度。同時相關的研究人員也可以

透過這個網際網路的服務中心，進行討論及合作研

究。

誌謝

感謝國科會(NSC89-2311-B007-014-B12)，榮清陽合作研究

計畫 (VTY89-G4-04)及教育部大學學術追求卓越發展計畫(89-B-

FA04-1-4-F8)支持相關研究。另外，也感謝國家高速電腦中心許

玉珠博士提供TANet2網路圖。

參考文獻

江安世 (1993) 光學顯微鏡的新發展 ─ 雷射、電腦與細胞學，

科學月刊，24(1), 32-34。

圖五　生物影像透過網路傳輸，需要相當大的頻寬才能符合實際的

需求。國家高速電腦中心是TANet2寬頻網路的網管中心。

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專 題 報 導

謝昌煥 (2000) IMARIS ─細胞結構生物顯微影像分析軟體，高

速計算世界，8(1), 1-11。

Bitplane AG. http://www.bitplane.ch/

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Posner, M.I. and M.E. Raichle (1994) Images of Mind, Scientific

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(收稿日期：89年9月3日；接受刊登：89年12月15日)