你還在虐「心」嗎?知曉心臟衰竭的致命因素，一同終結傷「心」！

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《心房顫動常無感，易中風！微創胸腔鏡左心耳關閉術降低中風風險，心臟外科醫師圖文解析》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「那是一個 70 歲的男性患者，罹患慢性肺病，且被診斷出二尖瓣逆流與心房顫動，需要手術治療，但是患者、家屬都擔心開胸手術傷口過大，而猶豫不決。」林口長庚醫院心臟血管外科主任陳紹緯教授表示，「經過詳細討論後，患者決定接受不停跳二尖瓣人工鍵索植入術及微創胸腔鏡左心耳關閉術來治療。微創胸腔鏡左心耳關閉術是透過 3 個小傷口，在胸腔鏡的輔助下，從左心耳外安裝左心耳夾。除了解決二尖瓣逆流的問題，一併處理了左心耳來降低未來中風風險，術後患者順利恢復，目前狀況穩定，在門診持續追蹤。」

心房顫動（Atrial fibrillation）是臨床上最常見的心律不整，陳紹緯教授說，正常狀況下，心房與心室會依序規則收縮，推動血液循環。當心房顫動發作時，心房的肌肉會像顫抖一般紊亂抽動，無法有效收縮，而讓心房失去功能。

心房顫動可能導致心悸、胸悶、頭暈、無力、呼吸急促等，也可能沒有明顯症狀。最麻煩的是，心房顫動會導致多種嚴重併發症。

長期處於心房顫動將導致心臟衰竭，若不治療心房顫動，患者因為心臟因素死亡的機會是一般人的 2 倍。陳紹緯教授指出，滯留在心房內的血液可能會漸漸形成血塊，若血塊剝落，隨著血液流出心臟，便可能造成血管阻塞，而導致腦中風、腸中風、腎臟中風、肢體中風等狀況，危及性命。若不治療心房顫動，患者中風的機會約是一般人的 5 倍。

左心耳關閉術幫助降低中風風險

心房顫動的治療包括矯正心律、預防中風。陳紹緯教授說，矯正心律方面可以嘗試口服藥物或使用電燒手術，降低心房顫動發作的機會。預防中風方面可以服用抗凝血劑，以及接受左心耳關閉術（Left atrial appendage closure）。

研究發現，心房顫動所產生的血塊約有九成是源自於左心耳。左心耳是心臟發育的遺跡，其內壁凹凸不平，容易形成血栓。利用手術關閉左心耳，有助於降低中風風險。陳紹緯教授說，如果是中風危險較高的心房顫動患者（CHA2DS2-VASc ≥ 2 分）、服用抗凝血劑還是反覆中風的患者、不適合長期使用抗凝血劑的患者，可以考慮接受左心耳關閉術。

目前有兩種方式能夠關閉左心耳，一種是利用心導管，從血管內進行左心耳封堵手術；一種是經由外科手術，利用左心耳夾從外面夾住左心耳。

左心耳封堵手術一般是從鼠蹊部的股靜脈穿刺，在 X 光輔助下將導管延伸到右心房，然後進行心房間隔穿刺術進入左心房，確定位置後將可擴張的封堵器放入左心耳。陳紹緯醫師說，術後要密切觀察是否出現相關併發症，例如心包膜積液、假性動脈瘤、裝置栓塞、動靜脈廔管、心臟破裂、中風等，後續也要追蹤封堵器的密合狀況。由於左心耳的解剖構造不規則，部分患者可能不適合接受左心耳封堵手術，術前必須經過仔細評估。

左心耳閉合手術是由外科醫師執行，從左心耳外面進行左心耳關閉。傳統手術是將左心耳剪掉，然後把開口縫起來。陳紹緯醫師說，但是因為左心耳非常脆弱，縫完之後容易出血，利用傳統手縫方式會增加手術中心臟停止時間。目前可使用左心耳閉合器，夾住後便能有效關閉左心耳，幫助縮短手術時間，並減少出血的機會，而在歐美先進國家，一般都是使用左心耳夾進行左心耳關閉術，使手術更快速且有效。

陳紹緯醫師說，如果心房顫動患者計畫接受心臟手術，目前的治療指引建議在術中一併關閉左心耳，根據大型臨床試驗結果，可避免血液滯留形成血栓，並有效降低未來腦中風之風險。

微創胸腔鏡左心耳夾閉合術 STEP BY STEP

過去左心耳夾已被證實能夠顯著降低中風的風險，現在也可以利用胸腔鏡進行微創左心耳關閉術。

「一般會經由 3 個小傷口進入胸腔，在胸腔鏡的輔助下，利用特殊器械安裝左心耳夾。」陳紹緯醫師解釋，「微創胸腔鏡左心耳關閉術不需開胸、不需讓心臟停止跳動，便可以有效的關閉左心耳。」

相較於開胸手術，微創胸腔鏡左心耳關閉術的傷口較小、手術時間較短、術後疼痛較少、恢復期較短。此外在心臟不停跳下，可藉由超音波的導引下確認左心耳完全被關閉及降低手術併發症。陳紹緯醫師說，對心房顫動患者而言，微創胸腔鏡左心耳關閉術將是一項幫助降低中風風險的利器。

貼心小提醒

心房顫動是常見的心律不整，也是造成中風的主要原因之一，可能導致失能、死亡。陳紹緯醫師提醒，心房顫動的發生率會隨著年紀而越來越高，大家要提高警覺，即使沒有症狀，也必須積極接受治療。

心房顫動所產生的血塊約有九成是源自於左心耳，如果是中風危險較高的心房顫動患者（CHA2DS2-VASc ≥ 2 分）、服用抗凝血劑還是反覆中風的患者、不適合長期使用抗凝血劑的患者，可以考慮接受微創胸腔鏡左心耳關閉術，幫助降低中風風險！

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• 本文轉載自 Care Online 照護線上《周邊血管學會成立，聚焦高血壓新療法腎動脈交感神經阻斷術，與下肢動脈血管治療趨勢》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「大多數人都不知道，高血壓可能跟腎臟有關！」馬偕紀念醫院心臟內科資深主治醫師李應湘醫師表示，「腎臟的功能不是只有排尿，它也是調控血壓的器官。某些患者的高血壓可以透過調控腎臟，而有效改善血壓的控制。歐洲高血壓學會、美國介入醫學會等皆已將高血壓導管治療列為控制高血壓的方式之一。」

高血壓的盛行率相當高，18 歲以上的人口中大概四分之一有高血壓，40 歲以上的人口中大概三分之一有高血壓，65 歲以上的人口中大概二分之一有高血壓。李應湘醫師指出，由於大多數的高血壓都沒有症狀，所以很多患者都不曉得自己有高血壓。

雖然沒有明顯症狀，但是高血壓會對全身血管造成傷害，而導致中風、心肌梗塞、主動脈剝離、視網膜病變、腎臟病變等嚴重併發症。

發現高血壓時，一定要積極處理，才能降低併發症的風險。台灣周邊血管學會理事長暨中國醫藥大學附設醫院周邊血管科主任徐中和醫師表示，想要控制血壓必須多管齊下，包括飲食要少鹽少糖、規律運動、維持理想體重等非藥物的方法，然後可以利用各種機轉的藥物達到控制血壓的效果。

「藥物治療的成效與治療順從度有很大的關係。」李應湘醫師說，「只要願意吃藥、按時吃藥，大部分患者的血壓可以維持一段時間內達標。但是看似簡單的動作，其實長期並不容易維持。臨床上可能有八成以上的患者，會因為各式各樣的原因而沒有完全依照指示服藥。」

高血壓導管治療的發展，有機會克服治療順從度的問題。徐中和理事長說，根據臨床試驗的結果，腎動脈交感神經阻斷術的效果能夠維持多年，多數患者只要做一次，就能達到長期舒緩血壓的效果。

隨著年紀增加，患者往往會有多種慢性病，而服用越來越多的藥物。李應湘醫師說，如果利用高血壓導管治療來控制血壓，患者就有機會能少吃一些藥，也能降低藥物發生交互作用的機會。

根據研究，部分高血壓患者的成因與交感神經、腎臟荷爾蒙有關，腎動脈交感神經阻斷術（Renal Denervation，RDN）就是直接針對源頭做治療。李應湘醫師解釋，腎動脈交感神經阻斷術是微創導管手術，一般會從腹股溝處的股動脈穿刺，然後將導管延伸到腎動脈，確認位置後便可利用高頻電波阻斷交感神經，手術時間短、傷口小且術後復原快。

台灣的高血壓導管治療已經累積超過 450 例，在全球扮演領先的角色。李應湘醫師說，長期追蹤的結果顯示，腎動脈交感神經阻斷術的安全性高，風險與檢查性心導管差不多，僅少數患者會在打針處術後出現瘀青的狀況。患者血壓的下降平均可達 13 mmHg，藥物的使用也可以減少。

已有許多臨床指南建議將腎動脈交感神經阻斷術作為高血壓處置選擇之一。徐中和理事長說，台灣周邊血管學會特別成立腎臟介入委員會，希望幫助交流臨床經驗，持續推廣高血壓導管治療。

盡量以不放支架的方式，維持下肢動脈暢通

處理周邊動脈阻塞性疾病亦是周邊血管介入治療的重要任務，針對下肢動脈血管介入治療，目前是朝「leave nothing behind」的方向發展。徐中和理事長指出，由於下肢關節的活動度大，如果放置血管支架，支架容易受到擠壓，而且支架也會遇到再狹窄的問題，所以會希望盡量利用不放支架的方式來維持血管暢通。

大腿的血液主要由一條動脈來供應，當動脈狹窄、阻塞時，一般是用氣球擴張把血管打通，但是單純採用氣球擴張，後續再度狹窄的機率會比較高。在治療 6 個月後，超過四、五成的病人有再狹窄的狀況。徐中和理事長說，為了降低再狹窄的機率，目前可以使用塗藥球囊導管。塗藥球囊導管撐開後能夠將藥物塗在血管病變處，抑制血管內皮細胞增生，降低血管再狹窄的機會。

使用傳統的導管氣球撐開血管時，血管可能出現剝離的狀況，造成血管損傷。如果出現剝離，就只能置放血管支架。徐中和理事長說，為了降低血管剝離的機會，可以考慮使用巧克力球囊導管。巧克力球囊導管具有鎳合金限制結構，讓氣球鼓起時，形狀類似一塊一塊的巧克力。巧克力球囊導管可以較均勻的撐開血管，避免氣球擴張時的壓力差，幫助預防血管剝離，減少血管支架的置放。

台灣周邊血管學會持續推廣血管介入治療

隨著科技的進步，血管介入的應用範圍越來越廣。徐中和理事長說，台灣周邊血管學會成立的目標就是推廣各種血管介入治療，包括腎動脈交感神經阻斷術、周邊動脈阻塞的治療、以攝護腺動脈栓塞治療良性攝護腺肥大、透過治療外陰動脈狹窄改善性功能障礙等。

台灣周邊血管學會定期舉辦國際會議，與世界各國的專家交流，同時也舉辦各種教育訓練，讓更多醫師能夠熟悉血管介入治療的進展，讓更多的患者能夠受惠於越來越進步的血管介入治療！

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