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用呼吸寫書法,從偵測地雷到「讀心」的UWB

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/04/08 ・1530字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 617 ・十年級

文/劉珈均

紓壓音樂、駕駛狀態偵測、紓壓椅、運動計步器等等看似不相關的發明,都與「心跳」相關聯,而背後核心感測技術一開始是偵測地雷用的,這是怎麼回事呢?量測技術發展中心十幾年來研究非接觸式的生理感測技術,藉UWB與NPNS感測、解析生理訊號,研發一系列有趣而實用應用服務,已獲得67件專利。

「UWB(Ultra Wideband,超寬頻雷達感測技術)」與藍芽、Wi-Fi一樣,都用於無線短程訊號傳輸,而UWB其原理是低功率雷達,當受測目標產生脈動,發射與返回的脈衝信號時間間距也跟著變動,在適當距離內(約1公尺),UWB可透過微小變動偵測呼吸心跳等生理訊號,便成為非接觸式的感測器,不須緊貼皮膚,可隔著衣料感測,不受配戴形式或雜訊影響,特別適合需要密切監控生理訊號的對象如嬰幼兒、疾病患者。

量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。
量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。

團隊研究UWB已15年,工研院一開始與俄國航太大學合作研究,UWB早期作為軍事用途,如地毯式搜查地面下是否埋有地雷。「從出生到老,人對醫療的需求不減。」量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩說,因此團隊研究如何將UWB短程通訊轉而應用在醫療與民生用途,開發各式各樣的應用。

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林宏墩說,「心跳」透漏著許多訊息,首先就是生命跡象;另外,一般多用腦波分析評估睡眠狀態,但受試者須配戴一些配件,此舉就可能影響睡眠,若以心跳分析便無此顧慮。心跳資訊可對應於人的睡眠狀態,繼而判斷人的疲勞程度,甚至也可偵測呼吸中止;現代人的保健意識漸漸崛起,注重健康與運動,透過心跳也可評估人們的運動是否有效,結合動作感測器,幫助人們記錄運動狀態的計步器便由此而生;心跳變異也與交感、副交感神經的狀態相應,而交感與副交感神經的活躍程度正是與情緒相扣連,解析心跳便也能初步推導情緒狀態。

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林宏墩說,感測人們睡眠時的心跳呼吸也能據此分析睡眠情況,但單單知道呼吸、心跳數值的意義還不大,「我自己也知道我睡眠不好,更重要的是知道以後,要如何解決它。」團隊靠演算法將心跳數值轉為有意義的資訊,再將資訊轉化為後續應用服務。

把UWB嵌入床墊裡便成了智慧床墊,有些人有呼吸中止症,而床墊持續感測心率與呼吸,一發現有狀況發生,便自動微調頭部與頸部傾斜角度,在不打斷睡眠的情況下就能幫助使用者恢復正常呼吸;他們也曾與風潮音樂合作,探討特定旋律舒緩情緒的效果,發行紓壓音樂輯;團隊也研發了一款紓壓椅,椅子埋有UWB生理訊號感測器,即時偵測人的心跳,推導當下情緒壓力指標,並推薦適合舒緩心情的音樂。

文創也是個應用面向,團隊曾在花博館設計一項作品,觀眾站在特定位置,眼前屏幕長了幾棵樹苗,感測到觀眾的心律而生長,蝴蝶也因此從蛹脫出、翩翩飛舞,彷彿觀眾將生命能量傳送給它;書法講究「氣」的流轉,表現在呼吸上就是運息,團隊曾與故宮合作「行氣」,感測器埋於椅子下,人坐上椅子,控制呼吸,面前的投影布幕會自動寫下書法字,字體隨椅上觀眾的呼吸呈現或濃或淡的墨色,觀眾「用呼吸寫書法」,名副其實的具現「行氣」。

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回憶印象較深刻的研究過程,林宏墩說,有段時期團隊埋首研究騎腳踏車時的動作感測,成員賣力輪流騎腳踏車,先是在實驗室內騎健身腳踏車,再到路面試試顛簸環境下運作如何,「有成員騎到膝蓋都受傷了!」而研發困難點在於,實際應用場域不若實驗室單純,有許多雜亂的訊息干擾,必須不斷調整。

未來,團隊計畫研究非接觸式的血糖感測,並繼續開發更多應用服務。

研究非接觸式感測的量測中心團隊。
研究非接觸式感測的量測中心團隊。

更多資訊請參考解密科技寶藏

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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!

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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心跳過慢恐昏厥——生理性起搏式手術、智能速率心律調節器,助維持心臟功能
careonline_96
・2023/07/27 ・2506字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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「醫師,我的心跳好慢。」王女士說。

「有感到不舒服嗎?」醫師問,一邊把手搭在患者的手腕上計算心跳速率。

「就覺得很沒力,經常會頭暈。」王女士說。

「你的心跳每分鐘才 40 幾下,要趕緊檢查喔。」

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經過詳細檢查,確認患者屬於病理性心跳過慢,於是建議植入心律調節器治療。台大醫院內科部賀立婷醫師表示,由於患者的心臟功能較差,於是採用新發展的生理性起搏術式來裝設,並選擇了能依據生理需求調整輸出的智能速率心律調節器,能幫助大幅改善症狀,也能避免造成心臟衰竭。

我們的心臟會持續跳動將血液送往全身。賀立婷醫師解釋,在正常的狀況下,竇房結(SA node)會以穩定的速率發出電訊號,促使心房收縮,接著電流會經由房室結(AV node)傳到心室,造成心室收縮。若是竇房結發出電訊號的速率太慢,或是房室結的傳導中斷,都會造成病理性心跳過慢。

導致竇房結或房室結功能異常的主要原因之一為老化。賀立婷醫師說,其他的原因還包括心肌梗塞、心臟手術等。

心跳過慢的病人可能會覺得比較沒有力氣、頭暈。賀立婷醫師指出,還有部分患者的心跳會暫停,如果心跳暫停的時間過久,腦部無法得到足夠的血流量,就會昏厥。

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「正常狀況下,心臟會隨著身體的活動調整輸出量。」賀立婷醫師說,「心跳過慢可能無法滿足一般人在日常生活、工作、運動的需求,導致活動力變差、容易頭暈、喘,使生活品質受到影響,嚴重還可能導致暈倒、甚至引起腎臟功能惡化。」

智能速率心律調節器,根據生理需求調整輸出

發現心跳過慢時,醫師會嘗試找出病因,並排除藥物的影響。賀立婷醫師表示,如果確認是病理性心跳過慢,病人有症狀並影響到日常生活或器官的功能時,唯一的治療方式便是放置永久性心律調節器。心律調節器能夠發出電訊號,維持心跳速率。

我們的竇房結能夠依照生理需求,適時調整心跳速率。賀立婷醫師說,為了讓心律調節器發揮類似竇房結的功能,部分心律調節器會偵測身體動作,在動作增加時,調高心跳速率;在動作減少時,調低心跳速率。

但是偵測身體動作的機制會比較受限,賀立婷醫師解釋,因為心律調節器安裝在鎖骨下方,若是病人的動作不影響到胸部,便無法調整心跳速率。例如踩室內運動腳踏車,上半身動作幅度較小,心律調節器可能無法感應到動作;或者是在心情緊張但身體沒有活動的時候,這類心律調節器也無法調高心跳速率。

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智能速率心律調節器則能夠克服傳統心律調節器的限制,透過偵測心臟收縮率,有效調整心率輸出,故在患者靜坐休息、心情平靜的時候,智能速率心律調節器會調低心率輸出;在患者活動或是感受到壓力、緊張激動的時候,能適時調高心率輸出,充分滿足生理需求。

生理性起搏術式,幫助維持心臟功能

此外,因應醫學進步,自 2000 年開始電生理學界開始發展新的手術方式——生理性起搏術式。

正常的電氣傳導是從心房傳到心臟中間的房室結,然後經由希氏束(His bundle),再延著左束支、右束支傳向兩邊的心室。賀立婷醫師解釋,過去在置放心律調節器時是將導線放在右心室,所以電氣傳導的方向會和原本的方向不同。

生理性起搏術式正是為了貼近正常的生理狀態而出現。賀立婷醫師說,生理性起搏術式是將導線從右心室放入心室壁中靠近希氏束的位置,達到「希氏束起博」的效果,讓心律調節器發出的電訊號,能夠透過希氏束與左束支、右束支刺激心室收縮。

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生理性起搏技術還能根據患者的狀況調整,針對左束支傳導阻滯,將導線放到靠近左束支的位置,達到「左束支起搏」的功能。

採用生理性起搏術式能讓電流以貼近生理的方式傳導,在改善心搏過緩的同時,也能夠避免左、右心室收縮不同步,比較不會影響心臟本身的功能,避免造成心臟衰竭等併發症。

賀立婷醫師指出,一旦進展為心臟衰竭就不容易逆轉,所以針對已經心臟衰竭的病人,基本上都會盡量考慮採用生理性起搏術式,避免讓心律調節器的電訊號是由右往左傳;至於尚未有心臟衰竭的患者,若採用生理性起搏術式,也能大幅降低未來出現心臟衰竭的機率。

在安裝心律調節器前,醫師都會根據病況與家屬、患者詳細討論,協助選擇合適的手術方式。

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心律調節器能夠幫助患者維持心律,改善症狀與生活品質。賀立婷醫師提醒,即使狀況穩定,也要按時回診,定期檢查心律調節器,確保功能正常。目前已有蠻多心律調節器能提供居家遠端監控的功能,如裝有此功能心律調節器的患者,就能將資料上傳至雲端,若出現異常,醫療團隊也能迅速提醒患者回診。

貼心小提醒

放入心律調節器後,患者要避免接近磁場強大的地方,以免干擾心律調節器的運作。賀立婷醫師說,到醫院做檢查或通過安檢時,請事先告知工作人員。

日常生活中的吹風機、微波爐並不會影響心律調節器。若有任何疑問,都可以向醫療團隊諮詢喔!

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心房顫動易忽略,直到中風才發現!症狀提醒與治療解析
careonline_96
・2023/03/28 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

「醫師,我的心臟經常亂跳、心悸,而且我還會喘。」70 歲的老先生摀著胸口抱怨。

亞東紀念醫院心臟血管內科黃姍惠醫師回憶,該名患者經過連續心電圖檢查後發現患有心房顫動,而且一天中有快 7 小時的時間處在心房顫動的狀態。經討論,患者接受了冷凍消融導管治療。

「(手術)隔天老先生開心地說他的症狀消失了,沒有心悸、也不會喘,終於解決長期以來的困擾。」黃姍惠醫師說,「老先生都有持續回門診追蹤,目前也沒有復發的狀況。」

黃醫師表示,心房顫動是相當常見的心律不整,可能會導致腦中風、心肌梗塞、心臟衰竭,且整體死亡風險上升,及早診斷及治療,可以改善生活品質。

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心跳過快、不規則,當心心房顫動

心房顫動是最常見的心律不整,黃醫師指出,發生原因主要是心臟左心房肺靜脈出口處有不正常的放電,導致心跳過快、不規則。

黃醫師表示目前台灣的心房顫動的盛行率約 1.5%,若是超過 65 歲以上的族群,則每 100 人裡面可能就有 4 位罹患心房顫動;80 歲以上的族群,大概每 10 人就有一位。隨著社會高齡化,心房顫動的患者越來越多,超過 65 歲以上的民眾是高風險族群,都應該留意是否有心房顫動的症狀或心跳不規則的狀況。

心房顫動亦很容易跟慢性疾病共同存在,例如高血壓、糖尿病、心血管阻塞的病史,還有一些較容易被忽略的病患,包括睡眠呼吸中止症、甲狀腺功能亢進等。若您有這些疾病,也應留意自己是否有心房顫動。

心房顫動可能無症狀,直到中風才發現!

黃醫師進一步說明,心房顫動最常見的症狀是心悸、心臟亂跳的感覺。由於心跳過快,病患有時候會感到胸悶、喘,或因心跳過快導致心肌缺氧引起胸痛,以及心臟輸出量可能不足,而導致頭暈、無力。

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值得注意的是,部份心房顫動的病患沒有明顯症狀。黃醫師說,早期的研究統計,無症狀心房顫動的比例約 17%,隨著診斷工具的進步,2022 年發表的研究顯示,無症狀心房顫動的比例高達 25%,這些病患常常是在發生併發症,例如腦中風、肢體中風、甚至心臟衰竭之後,才被檢查出心房顫動。

由於心房顫動發作時,心房無法有效收縮,所以在左心耳可能漸漸形成血栓。黃姍惠醫師解釋,這些血栓若隨著血液流出心臟,就可能在身體各處造成栓塞,流到腦部會導致腦中風、流入冠狀動脈會導致心肌梗塞、流入腎動脈會導致腎臟中風、流入周邊動脈則會導致肢體中風。

此外,有些病患長期處在心房顫動的狀態,會導致心臟擴大,使瓣膜功能逐漸退化,而出現心臟衰竭的症狀。

因為可能出現腦中風、心肌梗塞、心臟衰竭等嚴重併發症,如果沒有積極治療,心房顫動患者比起一般人中風的機率是 5 倍以上、心臟衰竭的機率是 3 倍以上、整體死亡風險是 2 倍以上!不得不慎!

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積極治療預防中風

透過心電圖檢查可以診斷出心房顫動,但因為心房顫動可能是陣發性,所以只做一張心電圖未必能夠剛好遇到心房顫動發作。黃姍惠醫師說,這時候就需要做連續式 24 小時心電圖,甚至需要 7 天、14 天的心電圖檢查,才有辦法確定診斷。

心臟科醫師會依據病患的風險,來幫病患決定是否需要抗凝血劑,黃姍惠醫師說,如果是高風險的患者,需要終生服用抗凝血劑;如果是陣發性,或處在持續性心房顫動,有機會做心律的控制,一般會給予抗心律不整的藥物。如果抗心律不整藥物無法改善,就會建議進行導管消融治療。

心房顫動導管消融治療包括「傳統電氣燒灼術」與「冷凍消融術」,黃姍惠醫師解釋,這兩種做法的目的都是要封堵源自肺靜脈的異常電氣訊號,讓亂跳的訊號傳遞不出來,讓心臟維持正常律動。

封堵的方式不同:傳統心導管電氣燒灼手術,是利用熱能在肺靜脈口附近一點一點地燒灼,造成一個點狀的圓圈;而冷凍消融術是將一個球囊,放在肺靜脈出口處,然後將液態笑氣注入球囊中,使球囊溫度降到攝氏 -55 度,來冷凍肺靜脈出口的組織,製造一圈連續的傷痕。

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「傳統電氣燒灼術」與「冷凍消融術」都可以藉由 3D 立體定位的輔助,達到導管手術所需要的精準度。黃姍惠醫師說,傳統電氣燒灼術得一點、一點的燒灼把肺靜脈出口圈起來,手術時間大約需要 4 個小時;至於冷凍消融術能夠一次冷凍整圈肺靜脈出口,大幅縮短手術時間至 2 個小時,而且較不會有破裂、心包膜填塞的風險,有助提升安全性。

兩種導管消融術的成功率相當,約 8 成患者的症狀有顯著改善,約 6 成患者不再復發心房顫動。

貼心小提醒

心房顫動是最常見的心律不整,可能會讓人感到心悸、頭暈、無力、胸悶、呼吸急促,但約 25% 的人沒有明顯症狀。黃姍惠醫師強調,由於心房顫動會增加中風、、心肌梗塞、心臟衰竭的風險,所以不管有沒有症狀都要與醫師討論,及時採取合適的治療。

年紀越大,越容易出現心房顫動,超過 65 歲的民眾是高風險族群,都應該要注意自己的狀況,或做心電圖篩檢,才能早期發現、早期治療!

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