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心跳失靈怎麼辦?心律調節器就是心臟的 ABS 防鎖死系統

活躍星系核_96
・2020/02/21 ・2947字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

文/George Chan│希望從醫工的角度出發,與讀者分享醫材開發背後的巧思。藉由介紹醫材設計的觀點、開發醫材的經驗分享,與整理相關的知識資源,讓大家得知,醫材開發,有跡可循。

人工心律調節器(artificial pacemaker),一般直接叫心律調節器或 pacemaker,是我們植入人體的醫療器材中,最為常見也最為複雜的一種。「常見」在於現代需要心律調節的狀況增多,「複雜」在於要存放在有很多變數的環境,又要保持功能長時間正常運作。

有了這些要求,心律調節器設計上有有什麼要考量的點?

 

心臟的天然調節器:竇房結

人工心律調節器,就像是心臟的 ABS防鎖死系統

而當竇房結失去功能時,也就是不能正常的調節心律時,能怎麼做?就會需要人工的心律調節器。心律調節器屬於醫療器材,因為是為了輔助、替代竇房結,所以通常是植入心臟後同時用於「監控」與「調節」心律用:當測到較低頻率的心律時,就放電訊號刺激心跳回到正常的心律。

汽車的 ABS 防鎖死系統

Understanding Anti-lock Braking System (ABS) !

那心律調節器又是怎麼運作的?

我們先跳出來看看另外一個情境:通常我們汽車在運行時,遇到緊急狀況要踩剎車,情急之下會把煞車踩得很死,讓我們失去對輪胎的控制、無法轉動方向盤,進而讓車子失控並造成事故。

直到 20 世紀中期,ABS(Anti-lock Braking System)系統的出現,拯救了許多芸芸眾生。ABS 系統做的事很簡單,就是監控「如果煞車被踩得太死」導致方向盤失去功能,會自動幫我們以一定頻率的釋放煞車,讓我們的方向盤仍能順利運作。

ABS 與心律調節器的異同與洞見

鏡頭拉回,當竇房結失去功用時,就像是鎖死的煞車,而心律調節器就如同 ABS 系統,幫我們「監控」心臟的鎖死狀態並幫忙「調節」心律。在這兩個場景中,我們都看到了用一個外在輔助系統持續監控,讓原本可能發生的緊急狀況(煞車鎖死、心跳極緩等),能被「導回正軌」──控制汽車、維持心跳。

這兩者在情境上極其相似,像是在功能性上,都需要很強調穩定性,也就是感測功能要能持續、穩定順利運作;當需要控制煞車、釋放電流時,能強而有力又順利的做出調整(畢竟是人命攸關)。這也是為什麼如果看在設計上的考量,兩者在設計上有很多可以相互參照的點,之後設計心律調節器卡住時可以去對照看看 ABS。

The first lithium-iodide cell powered pacemaker. Cardiac Pacemakers Inc. 1972[53]

使用心律調節器的提醒

如果身邊的人有裝心律調節器,除了平常盡量避免直接的電磁干擾(像是拿磁鐵在心臟附近晃),也要記得要請他記錄使用的廠牌與型號,這樣能有效幫助很多後續檢驗的順利。像是在照 MRI 時,先確定心律調節器的材料就很重要,現在有越來越多的調節器可以進入 MRI,不過仍不是所有的。

參考資料:

  1. FDA 通過使用全世界最小心律調節器,嘉惠患有心臟疾病的病
  2. Cardiac Pacemaker
  3. Control Of Heart Rate
  4. Sinus Node Dysfunction
  5. Artificial Cardiac Pacemaker
  6. Hopkinsmedicine — Pacemaker Insertion

(延伸閱讀:讓小心肌聽話! — 自動體外心臟除顫機AED

本文轉載自:Unmet Needs 臨床工程專欄:心跳失靈怎麼辦?心律調節器 Pacemaker——心臟的防鎖死系統(ABS)

「臨床工程專欄」希望從醫工的角度出發,與讀者分享醫材開發背後的巧思。藉由介紹醫材設計的觀點、開發醫材的經驗分享,與整理相關的知識資源,讓大家得知,醫材開發,有跡可循。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》