0

0
0

文字

分享

0
0
0

行動超音波掃描

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/09 ・1856字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 608 ・十年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/劉珈均

提到超音波,腦海中率先浮現的印象大概是醫院的婦產科裡,醫生為孕婦產檢的畫面:醫生拿著「探頭(transducer)」貼在孕婦腹部,身旁一台PC般笨重的機器螢幕上即時顯示出扇形的黑白畫面。工研院生醫與醫材研究所試圖開啟不同的想像,團隊開發出體積如蛋捲禮盒大小的輕便超音波設備,團隊也設計友善介面,探頭與顯像裝置可無線傳輸,直接以平板或手機作為顯像裝置,解讀超音波影像。

超音波技術源於潛水艇的聲納,後者誕生於第二次世界大戰,潛水艇利用聲納探測地形、測定物體距離與運動速度。1950年代後,開始嘗試將技術原理移至醫療領域,以不侵入的方式探看人體組織。聲波在不同物質中傳遞時,會產生不同能量的回波訊號,經後端軟體分析處理便形成人體組織的結構影像。一個標準的醫用超音波系統大致分為發射與接收聲波訊號的「探頭」(依探測部位與發射頻率不同,一般有三種)、類比前端電路、將音訊「轉譯」為影像的後端成像運算技術。

「要跟『GPS』(指奇異、菲利浦、西門子公司)交鋒很難,不過台灣可以切進正在興起的趨勢!」生醫所超音波影像技術部經理吳國瑞博士說,超音波的應用有兩個趨勢,一是超音波機器小型化帶來普及的可能,目前配備超音波機器的單位多為中大型醫院,近年攜帶型的超音波設備問世,超音波技術可望從中大型醫院走出來,進入小型診所、救護車、居家照護、緊急醫療等。西門子和奇異公司自2007年起,已陸續推出多款手持式超音波機器,有無線傳輸款式,也有樣子精巧如貝殼手機。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另一個趨勢則是超音波技術的角色由「診斷」漸漸轉為「治療」,超音波適合觀察軟體組織,細節比X光片更清楚,國外已有將超音波與X光並行檢測乳癌,超音波沒有輻射,未來可能於某些檢測項目取代X光;醫美領域可用於消脂和塑身,超音波拉皮的效果甚至比電波拉皮好;治療癌細胞的標靶藥物大多有副作用,或破壞正常細胞,超音波藥物釋放系統則是將藥物包覆如膠囊,注射進人體後,等藥物循環至癌細胞附近,再以超音波激發、釋放,多餘的藥物則排出人體,如此可將副作用減至最小。動物檢驗也有相關需求,例如美國畜牧協會制定標準,以超音波確認牲畜肉質。

換言之,超音波系統的用途和使用場域持續延展中,吳國瑞說,超音波系統的核心技術在於晶片和軟體,這正好是台灣的強項:「台灣有很好的資通訊產業,但高階醫材產業還屬於起步階段。」吳國瑞認為,現在正是台灣藉資通訊產業的基礎發展高階醫療器材的時機,而超音波系統是最適合台灣著手的醫材產業,其他生醫影像儀器如X光、磁振造影等,對台灣而言技術門檻較高。

右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。
右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。

超音波小型化的關鍵在於晶片,但目前可攜式超音波設備的晶片技術掌握於歐美醫療大廠如奇異、西門子等廠商,只提供自有產品使用,不對外販售;晶片商的產品只能提供部分功能,無法提供多通道、多功能整合的專用晶片。工研院團隊自行開發專用晶片,以ARM+FPGA建構可做小型化超音波的多波束成型(Beam Former)與顯像平台,可支援32與64通道(超音波的通道愈多,成像愈清晰)

團隊約莫20人,有來自資通訊背景與醫工系,先前研究題目是消費性電子產品、影音播放機的編解碼器。自三年起團隊切入研究超音波技術,今年已跟醫院合作,進入臨床實驗階段。吳國瑞笑著說:「處理的東西差不多,超音波也是聲音和影像。」最大的困難在於以前處理五到十通道的東西,現在要變成幾十個通道。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

醫院裡基本款式的超音波機重量約6至10公斤,價格約150萬台幣,若要多加探頭或是功能則不只。而目前簡便的超音波設備雖已問世,價格仍相當昂貴,例如2013年西門子開發的無線超音波,三個探頭加總約150萬台幣。工研院團隊的超音波機器重量約950g,吳國瑞說:「超音波要普及大概只差cost down,以台灣的技術,有希望壓到美金一千以下。」超音波可探測心跳、血壓與血流資訊,或是打針時定位血管,集許多儀器功能於一身,若成本壓得夠低,超音波或許能成為健康照護的穿戴式設備主流。

(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。
(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。
小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。
小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。

更多資訊請參考解密科技寶藏

文章難易度
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 3 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
195 篇文章 ・ 299 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

5
2

文字

分享

0
5
2
植物口渴就喊:「啵、啵、啵~」
胡中行_96
・2023/04/06 ・2954字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

久旱不雨,植物悲鳴,[1, 2]類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」(khàu-iau)。[3]別問為何沒聽過,也不怪天地寡情,人類無義,從來漠不關心。植物叫那種超音波,傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙,轉換到常人的聽覺範圍,並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》(Cell)期刊,才廣為周知。[1]

轉換到人類聽力範圍的番茄「叫聲」。音/參考資料 1,Audio S1(CC BY 4.0)

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅,植物會做出多種反應,例如:改變外貌,或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。[1]過去的文獻指出,缺水引發空蝕現象(cavitation),使植物負責輸送水份的木質部,因氣泡形成、擴張和破裂而震動。[1, 4]現在科學家想知道,這是否也會產生在特定距離內,能被其他物種聽見的聲音。[1]

受試的對象是番茄菸草,分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器,以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段:首先,在隔音箱裡,距離每個受試對象 10 公分處,各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後,拿去進行機器學習。接著移駕溫室,讓訓練好的模型,分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來,觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後,也測試其他的植物和狀態。[1]

麥克風對著乾旱、修剪和對照組的植物收音。圖/參考資料 1,Graphical Abstract局部(CC BY 4.0)

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物,每小時平均發聲少於一次;而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地,遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物,反應則十分劇烈:[1]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
 平均值(單位)番茄菸草
乾旱發聲頻率(次/小時)35.4 ± 6.111.0 ± 1.4
 音量(聲壓分貝;dBSPL)61.6 ± 0.165.6 ± 0.4
 聲波頻率(千赫茲;kHz)49.6 ± 0.454.8 ± 1.1
修剪發聲頻率(次/小時)25.2 ± 3.215.2 ± 2.6
 音量(聲壓分貝;dBSPL)65.6 ± 0.263.3 ± 0.2
 聲波頻率(千赫茲;kHz)57.3 ± 0.757.8 ± 0.7

隔音箱中實驗組的錄音,被依照植物品種以及所受的待遇,歸納為 4 個組別,各組別再彼此配對比較,例如:乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型,判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行,自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音,來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後,令其區別乾旱與對照組番茄的聲音,結果 84% 正確。[1]既然能聽得出基本的差別,下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量(volumetric water content,縮寫VWC),即水份與泥土體積的比值或百分比,[1, 5]科學家狠下心,連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化;一邊錄下它們的聲音。起先水份充足,番茄不太吵鬧;4、5 天下來,發聲的次數逐漸增加至高峰;然後應該是快渴死了,有氣無力,所以次數又開始減少。此外,番茄通常都在早上 8 點(圖表較像 7 點)到中午 12 點,以及下午 4 點至晚上 7 點,這兩個時段出聲。[1]科學家覺得這般作息,可能與規律的氣孔導度(stomatal conductance),也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發,兩個透過氣孔進行的動作有關。[1, 6]

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現;當 VWC > 0.1,水份還足夠,就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05,以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來,都有七、八成的準確率。[1]

縱軸為每日發聲次數;橫軸為缺乏灌溉的天數。圖/參考資料 1,Figure 3A(CC BY 4.0)
乾旱狀態下,番茄發聲的時段。縱軸為每小時發聲次數;橫軸為 24 小時制的時間。圖/參考資料 1,Figure 3B(CC BY 4.0)

植物發聲的原理

實驗觀察所得,都將植物發聲的機制,指向木質部導管中氣體的運動,也就是科學家先前預期的空蝕現象[1]下面為支持這項推論的理由:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 木質部導管的口徑,與植物被錄到的聲波頻率相關:寬的低;而窄的高。[1]
  2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同:在木質部導管中,前者氣泡形成緩慢,發聲時數較長;而後者則相當迅速,時數較短。[1]
  3. 聲音是由植物的莖,向四面八方傳播。[1]
  4. 空蝕現象造成的震動,跟記錄到的超音波,部份頻率重疊;而沒有重疊的,其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。[1]
葡萄、菸草和番茄木質部導管的水平橫截面。圖/參考資料 1,Figure S4B(CC BY 4.0)
葡萄(綠色)、菸草(灰色)和番茄(橙色)的差異:縱軸為聲波頻率;橫軸是木質部導管的平均口徑。圖/參考資料 1,Figure S4A(CC BY 4.0)

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後,科學家不禁好奇,別的植物是否也會為自己的處境發聲?還是它們都默默受苦,無聲地承擔?研究團隊拿小麥玉米卡本內蘇維濃葡萄(Cabernet Sauvignon grapevine)、奇隆丸仙人掌(Mammillaria spinosissima)與寶蓋草(henbit)來測試,發現它們果然有聲音。不過,像杏仁樹之類的木本植物,還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外,科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒(tobacco mosaic virus)的番茄,並錄到它們的病中呻吟。[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出,海邊月見草(Oenothera drummondii)暴露於蜜蜂的聲音時,會產出較甜的花蜜。[2]若將角色對調過來:植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波,頻率約在 20 至 100 kHz 之間,理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲,例如:蝙蝠、老鼠和飛蛾,應該聽得到。[1, 2]以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾,或許能辨識植物的聲波,並做出某些反應。同理,人類可以用機器學習模型,分辨農作物的聲音,再給予相應的照顧。如此不僅節省水源,精準培育,還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。[1]

  

備註

本文最後兩個子標題,借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。[7]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

參考資料

  1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
  2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
  3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典(Accessed on 01 APR 2023)
  4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
  5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
  6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
  7. FireRock Music.(16 JUN 2019)「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
行動超音波掃描
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/09 ・1856字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 608 ・十年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/劉珈均

提到超音波,腦海中率先浮現的印象大概是醫院的婦產科裡,醫生為孕婦產檢的畫面:醫生拿著「探頭(transducer)」貼在孕婦腹部,身旁一台PC般笨重的機器螢幕上即時顯示出扇形的黑白畫面。工研院生醫與醫材研究所試圖開啟不同的想像,團隊開發出體積如蛋捲禮盒大小的輕便超音波設備,團隊也設計友善介面,探頭與顯像裝置可無線傳輸,直接以平板或手機作為顯像裝置,解讀超音波影像。

超音波技術源於潛水艇的聲納,後者誕生於第二次世界大戰,潛水艇利用聲納探測地形、測定物體距離與運動速度。1950年代後,開始嘗試將技術原理移至醫療領域,以不侵入的方式探看人體組織。聲波在不同物質中傳遞時,會產生不同能量的回波訊號,經後端軟體分析處理便形成人體組織的結構影像。一個標準的醫用超音波系統大致分為發射與接收聲波訊號的「探頭」(依探測部位與發射頻率不同,一般有三種)、類比前端電路、將音訊「轉譯」為影像的後端成像運算技術。

「要跟『GPS』(指奇異、菲利浦、西門子公司)交鋒很難,不過台灣可以切進正在興起的趨勢!」生醫所超音波影像技術部經理吳國瑞博士說,超音波的應用有兩個趨勢,一是超音波機器小型化帶來普及的可能,目前配備超音波機器的單位多為中大型醫院,近年攜帶型的超音波設備問世,超音波技術可望從中大型醫院走出來,進入小型診所、救護車、居家照護、緊急醫療等。西門子和奇異公司自2007年起,已陸續推出多款手持式超音波機器,有無線傳輸款式,也有樣子精巧如貝殼手機。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另一個趨勢則是超音波技術的角色由「診斷」漸漸轉為「治療」,超音波適合觀察軟體組織,細節比X光片更清楚,國外已有將超音波與X光並行檢測乳癌,超音波沒有輻射,未來可能於某些檢測項目取代X光;醫美領域可用於消脂和塑身,超音波拉皮的效果甚至比電波拉皮好;治療癌細胞的標靶藥物大多有副作用,或破壞正常細胞,超音波藥物釋放系統則是將藥物包覆如膠囊,注射進人體後,等藥物循環至癌細胞附近,再以超音波激發、釋放,多餘的藥物則排出人體,如此可將副作用減至最小。動物檢驗也有相關需求,例如美國畜牧協會制定標準,以超音波確認牲畜肉質。

換言之,超音波系統的用途和使用場域持續延展中,吳國瑞說,超音波系統的核心技術在於晶片和軟體,這正好是台灣的強項:「台灣有很好的資通訊產業,但高階醫材產業還屬於起步階段。」吳國瑞認為,現在正是台灣藉資通訊產業的基礎發展高階醫療器材的時機,而超音波系統是最適合台灣著手的醫材產業,其他生醫影像儀器如X光、磁振造影等,對台灣而言技術門檻較高。

右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。
右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。

超音波小型化的關鍵在於晶片,但目前可攜式超音波設備的晶片技術掌握於歐美醫療大廠如奇異、西門子等廠商,只提供自有產品使用,不對外販售;晶片商的產品只能提供部分功能,無法提供多通道、多功能整合的專用晶片。工研院團隊自行開發專用晶片,以ARM+FPGA建構可做小型化超音波的多波束成型(Beam Former)與顯像平台,可支援32與64通道(超音波的通道愈多,成像愈清晰)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

團隊約莫20人,有來自資通訊背景與醫工系,先前研究題目是消費性電子產品、影音播放機的編解碼器。自三年起團隊切入研究超音波技術,今年已跟醫院合作,進入臨床實驗階段。吳國瑞笑著說:「處理的東西差不多,超音波也是聲音和影像。」最大的困難在於以前處理五到十通道的東西,現在要變成幾十個通道。

醫院裡基本款式的超音波機重量約6至10公斤,價格約150萬台幣,若要多加探頭或是功能則不只。而目前簡便的超音波設備雖已問世,價格仍相當昂貴,例如2013年西門子開發的無線超音波,三個探頭加總約150萬台幣。工研院團隊的超音波機器重量約950g,吳國瑞說:「超音波要普及大概只差cost down,以台灣的技術,有希望壓到美金一千以下。」超音波可探測心跳、血壓與血流資訊,或是打針時定位血管,集許多儀器功能於一身,若成本壓得夠低,超音波或許能成為健康照護的穿戴式設備主流。

(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。
(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。

小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。
小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

更多資訊請參考解密科技寶藏

文章難易度
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 3 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

0

4
1

文字

分享

0
4
1
台灣蝙蝠知多少?沿著蘇花公路,探尋豐富的蝙蝠多樣性(下)——蘇花改特輯(二)
自然保育季刊_96
・2021/05/14 ・4772字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 589 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 本文轉載自特有生物研究保育中心,《自然保育季刊》第 112 期
  • 作者 / 鄭錫奇|行政院農業委員會特有生物研究保育中心研究員兼主任秘書、陳宏彰|行政院農業委員會特有生物研究保育中心計畫助理、周政翰|台灣蝙蝠學會理事

台 9 線蘇花公路山區路段改善工程歷時 9 年的努力終於在 2020 年 1 月 6 日全線通車。近年政府進行重大建設時日益重視工程對環境及生物多樣性的影響評估,蝙蝠類因其物種繁多、族群數量龐大、食性獨特、活動範圍廣泛且對環境變化敏感,其生存棲地品質攸關族群存續狀況,因此相當適合作為反應環境變化的類群。

上一篇〈台灣蝙蝠知多少?沿著蘇花公路,探尋豐富的蝙蝠多樣性(上)——蘇花改特輯(二)〉我們介紹了許多種臺灣蝙蝠以及調查過程,這篇我們將探討這些資料的分析結果。

棲所難尋但資料珍貴

蝙蝠棲息的處所通常隱密而不易探尋。不過, 一旦發現某種蝙蝠的棲所及族群,則可以進行深入研究以獲得許多生態相關的珍貴資訊。除了在夜間外飛覓食時段,蝙蝠在棲所度過很長的時間,包括其生活史的不同階段,諸如白天休息、尋覓伴侶交配、生殖育幼、日間休眠或冬季冬眠等。棲所還能提供保護的功能,降低蝙蝠被天敵掠食或人類干擾的機會,以及抵禦外界環境或氣候變化的影響,可見適當的棲所對涵養蝙蝠族群而言相當重要。

身形嬌小的玄彩蝠。 圖/鄭錫奇攝

本計畫歷年陸續在調查樣區中發現蝙蝠的棲所,諸如群居型的臺灣葉鼻蝠、臺灣小蹄鼻蝠,以及獨居型的臺灣大蹄鼻蝠喜歡陰暗潮濕的洞穴、隧道、涵洞等處;日間棲息在林道旁新生芭蕉捲葉中的玄彩蝠;會利用東岳冷泉鐵路高架橋橋墩下作為夜間棲所的堀川氏棕蝠。當發現臺灣葉鼻蝠或臺灣小蹄鼻蝠的族群時,我們會持續瞭解其族群量的變動趨勢,以及生殖育幼的季節;相對而言,獨居的臺灣大蹄鼻蝠雖較不容易發現,然而我們曾觀察到有 1 隻雌性個體居然連續使用同一處廢棄木屋長達 3 年之久, 而在春季時又發現另 1 隻雌性個體共棲,這種現象相當罕見;依據尤宣亞 (2015) 針對臺灣大蹄鼻蝠配對系統的研究指出,成體雌蝠間並不會共處於同一 棲所,但在懷孕期(4-5 月)則會和去年生產的幼蝠(或亞成蝠)共棲,因而推測牠們可能是去年繁殖的 一對母女蝠。

棲所勘查法—玄彩蝠喜棲於芭蕉捲葉中。圖/鄭錫奇攝

地區新紀錄種的發現

我們執行計畫的第一 (2012) 年即發現了 17 種蝙蝠,之後每年均可調查到 17-19 種之多,而且在前 5 年幾乎每年都有地區新種類的發現,譬如 2013 年增加了東方寬耳蝠(網具捕捉)及臺灣家蝠(音頻判識)而達 19 種;2014 年增加寬吻鼠耳蝠(網具捕捉)達 20 種;2015 年則再增加金芒管鼻蝠(網具捕捉)達 21 種;2016 年新增毛翼管鼻蝠(網具捕捉)後使得物種累積達 22 種至今 (2020) 年上半年。

參考特生中心於 2007 至 2010 年間在雲林縣斗六丘陵湖山水庫預定地與周邊區域所進行的多年蝙蝠調查結果,亦呈現類似的物種數累加趨勢,即幾乎每年都會有 1-2 種地區新紀錄種蝙蝠的發現 (鄭錫奇等 2010)。也就是說,若要確切得到一個地區相對完整的蝙蝠相,不僅需要運用多樣化的調查方法,而且須按季節持續 進行多年(至少 5 年)的調查始能達成。然而,納悶的 是,雖然我們努力調查多年,除了顯著地增加調查區域內 15 種蝙蝠的新發現紀錄外,迄今仍無發現弘益生態有限公司於 2010 年在同一區域調查所得之高頭蝠 (Scotophilus kuhlii) 分布資料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

與昔日調查資料比較

特生中心 2003 年在宜蘭與花蓮兩縣市進行的蝙蝠類調查,總計發現了 19 種蝙蝠(鄭錫奇與張簡琳玟 2003),然而若只篩選該成果中,沿蘇花公路及兩側延伸海拔 500m 以下區域(因本蘇花改計畫調查範圍低於海拔 500m),則為 12 種;另於 2004 年執行宜蘭縣和花蓮縣野生哺乳類動物及花東地區的翼手目調查,共發現 20 種蝙蝠,而在低於 500m 的區域則僅發現 9 種(鄭錫奇等 2004);而 2006 年進行花蓮縣野生哺乳類動物調查時,於秀林鄉發現了臺灣葉鼻蝠與渡瀨氏鼠耳蝠(現稱赤黑鼠耳蝠)2 種蝙蝠 (鄭錫奇等 2006)。

根據上述文獻所發現的物種與本計畫多年 (2012-2019 年) 的結果比較,同一海拔區域內僅臺灣無尾葉鼻蝠為本計畫迄今尚未有記錄的種類,而本計畫所發現的堀川氏棕蝠、絨山蝠、東方寬耳蝠、寬吻鼠耳蝠、毛翼管鼻蝠、金芒管鼻蝠、 黃胸管鼻蝠、隱姬管鼻蝠及東亞游離尾蝠等 9 種則為昔日文獻未曾記錄的地區新紀錄種。

太魯閣國家公園管理處曾委辦執行「太魯閣國家公園蝙蝠族群動態智慧監控規劃」(謝伯娟與陳宏彰 2016),該計畫同樣採網具捕捉、超音波測錄及棲所探查等 3 種調查方法進行調查,惟其執行範圍(於花蓮縣山區)沿台 8 線中橫公路東段涵蓋園區內低、中、高海拔區域,結果發現 5 科 15 屬 24 種,其中除了分布於中高海拔的臺灣長耳蝠、紅棕鼠耳蝠與姬管鼻蝠外,其他 21 種在本計畫皆有發現。可見台 9 線蘇花公路沿線及周邊範圍的蝙蝠物種多樣性堪稱豐富。

施工初期造成的棲地切割現象 2013。圖/周政翰攝
橋梁施工中棲地變化情形 2014。圖/鄭錫奇攝
橋梁完工後棲地恢復情形 2019。圖/鄭錫奇攝

蝙蝠的季節性遷移行為

由近 8 個年度的調查結果顯示,雖然不同季節發現之種數不盡相同,然而春、夏、秋季為物種出現較多的季節(2018 年春季最多可達 17 種),蝙蝠活動力較低的冬季則相對較少(2015 年最少僅發現 8 種)。雖然至少 15 種蝙蝠四季均可在調查範圍中發現,但部分物種僅於特定季節出現,如黃頸蝠和絨山蝠只零星於春、夏、秋季發現(音頻資料),在冬季則無任何紀錄。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

臺灣的蝙蝠會隨著季節的更迭而進行海拔垂直遷徙現象陸續被發現 (鄭錫奇及張簡琳玟 2008;鄭錫奇等 2009),其中以黃胸管鼻蝠最為典型,牠們在溫暖的季節 (如夏季) 通常會在低海拔區域棲息、活動及繁殖育幼,而在冬季時則遷到高海拔超過 3,000m 的山區度冬,年復一年地在不同海拔間遷移。

然而,我們調查捕獲的資料顯示,在 2013 年秋季及 2017 年冬季在花蓮秀林鄉同一樣區 (海拔 120m) 各捕獲 1 隻東方寬耳蝠,這 2 筆資料為該物種目前全臺海拔分布最低紀錄;同樣地於 2014、2017 年冬季及 2019 年秋季分別在花蓮秀林鄉樣區內各捕獲 4 隻、1 隻及 1 隻的寬吻鼠耳蝠雄性個體,此紀錄亦為寬吻鼠耳蝠於臺灣的最低海拔 (120m) 分布資料;另外也於 2015 年秋季及 2018 年度春季於花蓮秀林鄉和平地區的不同樣區內捕獲各 1 隻個體的金芒管鼻蝠。唯一 1 隻毛翼管鼻蝠則在 2016 年秋季以網具捕獲。這些溫暖季節主要分布於中高海拔的物種竟然在冬季時逆向降遷至蘇花改低海拔區域活動,其原因仍不清楚。

冬季時降遷至低海拔區域活動的東方寬耳蝠。圖/周政翰攝

捕捉標放探討時空變動

歷年研究人員以網具捕獲或棲所探查捕撈的個體都會以具號碼的翼標標示個體,並在原地釋放, 之後藉由再捕獲紀錄探討其不同時空下的變動情形。近 8 個年度本計畫總共捕捉標放了 17 種共 580 隻的蝙蝠,其中以臺灣管鼻蝠 219 隻最多,其次為玄彩蝠 (85 隻)、隱姬管鼻蝠 (66隻)、長趾鼠耳蝠 (64 隻)、長尾鼠耳蝠 (36 隻)、赤黑鼠耳蝠 (25 隻)、堀川氏棕蝠 (24 隻)、臺灣小蹄鼻蝠 (22 隻) 等,其餘如臺灣葉鼻蝠、東亞摺翅蝠、黃胸管鼻蝠、寬吻鼠耳蝠、臺灣大蹄鼻蝠、東方寬耳蝠、山家蝠、金芒管鼻蝠及臺灣家蝠之標放個體都少於 10 隻。

標放個體中有 8 種 78 隻陸續再被重複捕捉,最多者為臺灣管鼻蝠 31 隻,其中有 2 隻重複捕捉 4 次,10 隻 3 次,再捕捉間隔時間最長為標放 3 年後於相同樣點再次捕獲。這些重復捕捉資料顯示, 臺灣管鼻蝠對於當地棲地有明顯的棲地重複利用習性,牠們會棲息的處所包括乾枯的香蕉捲葉叢 (周政翰等 2008)、戶外枯木燈罩 (謝伯娟與陳宏彰等 2016)、枯萎的月桃捲葉 (鄭錫奇等 2017) 等。次多者為玄彩蝠,有 22 隻個體被重覆捕捉,有 3 隻捕捉紀錄達 5 次 (次數最多者),其中 1 隻連續 4 年 (2012- 2015) 在相同樣區的新生芭蕉捲葉中被發現,其餘達 4 次者有 4 隻、3 次者 1 隻、2 次者有 13 隻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

換言之,這些玄彩蝠經常出現在捕捉標放的地點或鄰近區域內。根據許家維 (2016) 在臺中烏石坑地區的研究,玄彩蝠對於當地蕉叢棲所及棲息環境有相當程度的依賴性,因此一旦蕉叢大量消失,都將影響玄彩蝠族群的存續。此外,有 4 隻長趾鼠耳蝠在不同年間於相同樣點捕獲,其中間隔年度最長為第一次捕捉標放 (2012年) 後的第 6 年 (2018)(間隔年度最長紀錄)。

另如前述,我們也曾發現臺灣大蹄鼻蝠會連續數年四季中均棲息在同一洞穴中、堀川氏棕蝠會多年重複利用一處橋墩下作為夜間休息處;其他較零星的捕捉標放資料尚包括赤黑鼠耳蝠、長尾鼠耳蝠、隱姬管鼻蝠等亦會經常使用某些棲地與處所 而被重複捕捉。這些現象顯示出蝙蝠對特定棲息地具有相當高的忠誠度 (fidelity)。

蘇花改工程會影響蝙蝠嗎?

由 8 個年度 (2012-2019) 的調查結果顯示,以年間蝙蝠組成而言尚稱穩定,雖然蘇花改不同路段的工程施工時程有別,而不同蝙蝠物種對於棲地工程干擾的反應也可能不一。蘇澳~東澳路段(本計畫北段)共計發現 5 科 10 屬 18 種蝙蝠,南澳~和平路段(中段)5 科 14 屬 22 種蝙蝠,而在和中~大清水路段(南段)則發現 5 科 10 屬 18 種蝙蝠,中段樣區內記錄的種類較多,主要差異為捕捉到一些主要分布於中高海拔山區的物種,如東方寬耳蝠、寬吻鼠耳蝠、毛翼管鼻蝠及金芒管鼻蝠等。

此外,由調查資料較多者之堀川氏棕蝠、長趾鼠耳蝠及山家蝠(視為指標物種)的 監測趨勢顯示,長期而言不同年間物種組成的差異 雖然不明顯,但在短期只要樣區環境發生突然的變化,如工程施作、棲地破壞(如林木大量砍除)、環境汙染(如除草劑或農藥噴灑),或每年的夏、秋季颱風來襲,常會立即反映在蝙蝠類群的調查結果(數量)上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,我們認為天災為自然現象,但人為的工程施作則應儘量縮小範圍,並避免非必要的植被移 除或破壞,因為森林型棲息地對某些蝙蝠(如臺灣管鼻蝠、隱姬管鼻蝠及玄彩蝠等)至關重要,一旦破壞則會嚴重影響其族群存續。事實上,每個物種對生態系都有牠們重要的功能,我們會在工程完成通車後持續瞭解蝙蝠利用棲地與棲所的狀況,咸信對物種的生活史及生態習性更為瞭解後,將可避免或降低人為工程施作對生物的干擾與傷害,以維持當地生物多樣性的豐富,達到與生態保育雙贏的局面。

(表2)2012-2019 年間於蘇花公路改善工程沿線發現之蝙蝠物種及其對應調查方法。圖/《自然保育季刊》第 112 期

後記

本文描述的年度主要為 2012 至 2019 年的調查結果,然而今 (2020) 年仲夏 7 月間研究人員特別在南澳至和平間新選一處樣點,利用網具進行捕捉調查,結果一夜間總計捕獲了 32 隻蝙蝠,其中還包括歷年只有超音波音頻資料的黃頸蝠,捕獲數量竟有 14 隻之多,同時亦捕獲 1 隻華南水鼠耳蝠,為本區域的新紀錄種,令人意外又驚喜。

這種結果除了直接證實以往僅利用音頻辨識發現的黃頸蝠的確存在蘇花公路沿線環境中外,更使得本計畫在蘇花公路沿線多年的蝙蝠調查紀錄(22 種)再添 1 種而達 5 科 14 屬 23 種,占臺灣本島食蟲性蝙蝠物種數之 72%,顯 示自然環境豐富而多樣的蘇花公路沿線所孕育的蝙蝠資源確實是多樣而特殊,值得我們持續瞭解並積極保育。

常活動於溪流環境的黃頸蝠。圖/周政翰攝

自然保育季刊_96
15 篇文章 ・ 12 位粉絲
自然保育季刊為推廣性刊物,以推廣自然教育為宗旨,收錄相關之資源調查研究、保育政策、經營管理及生態教育等成果,希望傳達自然科普知識並和大家一起關注自然!