Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

2

2
1

文字

分享

2
2
1

聰明的隱形眼鏡,替眼睛做健康檢查!

科技大觀園_96
・2021/07/17 ・2205字 ・閱讀時間約 4 分鐘

戴隱形眼鏡可以幹嘛?除了矯正視力,或讓虹膜看起來變大變漂亮,現在隱形眼鏡還能幫你的眼睛做健康檢查!交通大學電機工程系教授邱俊誠的團隊開發出一款智慧型隱形眼鏡,只要戴上,就能檢測眼球溫度、淚液蒸散速率、滲透壓、眼壓等數據,可提供眼科醫生做為診斷依據,協助研判病患是否有輕微或嚴重的乾眼症或青光眼症狀。

眼疾的檢測更準確,治療方法升級

這項研究對於眼睛的檢測帶來很大的突破,因為它可望讓眼疾的檢測變得方便快速,還能讓治療變得更加精準。乾眼症的成因不只一種,可能是淚液分泌不足,也可能是淚液成分中的油脂不足造成淚液蒸散過快,但過往的檢測方法並不能很有效的區分,因此醫生在給藥時,常常只能用自身經驗,做主觀的判斷。但有了智慧型隱形眼鏡協助檢測,能依據醫生的需求提供更精準的科學數據,也就能讓判斷與投藥更加正確。

邱俊誠團隊開發的智慧型隱形眼鏡,配戴起來如同軟式眼鏡一般舒適,將來有望為眼疾檢測帶來重大突破。圖/邱俊誠提供

而針對青光眼的患者,醫生也可以使用智慧型隱形眼鏡的數據,找出容易眼壓高的時間點,針對這些時間點給予藥物治療。邱俊誠進一步解釋:「這些檢測數據是珍貴的大數據資料,等到累積夠多數據,醫生或藥物開發商就可以分析出更準確的藥物配方。」因此這項研究成果一公布,立刻引起了各界關注。

另一個引起大家注意的重要原因,在於這是第一個可以戴得舒服的智慧型隱形眼鏡。目前全世界大部分的智慧型隱形眼鏡研發,都是以硬式鏡片做為基礎,但邱俊誠說:「我們一開始就是從『可配戴』的角度當出發點,因此是以現有的軟式隱形眼鏡材料矽水膠去做設計。」他們將可測量溫度、濕度、壓力等各種特性的感測器、處理晶片,以及傳輸資料用的天線等元件,就像三明治的內餡一樣夾在鏡片的夾層裡,因此配戴時的感覺,就和普通的隱形眼鏡一樣。

研究團隊把各種感測器、晶片、天線等元件夾在鏡片裡面。圖/邱俊誠提供

一度產生懷疑……真的做得出來嗎?

從 2011 年開始研發,到 2019 年宣布成功,這條路走了八、九年,邱俊誠表示:「其實並不是沒想過放棄,因為中間有太多困難,讓我一度沮喪,覺得看不到答案。」 

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

要做出這款智慧型隱形眼鏡,其中一個困難點在於元件的整合,儘管感測器都已經設計得非常精巧,靈敏度也夠高,但要整合在小小的曲面鏡片裡,還要能有效運作,有許多細節需要考量。邱俊誠舉例說,這些元件的檢測及訊號傳遞,需要從外界以無線電方式提供能量,能量過低無法啟動元件,能量過高可能造成鏡片溫度上升,因此光是能量的傳遞就花了許多時間研究。

另外,「隱形眼鏡是要戴在人眼上運作的,一旦牽涉到人,就會增加許多變異。」邱俊誠以裝在鏡片內的天線舉例,天線的設計必須將人戴上隱形眼鏡後的實際狀況納入考量,因為人眼會帶著隱形眼鏡移動,要如何讓天線的傳輸沒有死角,不因隱形眼鏡轉了一個角度就無法傳輸,讓團隊花費了不少心力。

幸好,邱俊誠的團隊裡有許多優秀的學生,不斷嘗試各種可能,堅持不放棄,邱俊誠說:「最後終於成功的那一刻,真的是五味雜陳。」

智慧型隱形眼鏡還有更多潛力與可能

目前,這款可以檢測眼睛的智慧型隱形眼鏡已經通過動物實驗,在相容性、毒性、敏感性、刺激性的測試都通過考驗,邱俊誠說:「接下來會進入人體實驗,希望在四、五年內讓產品上市。」換句話說,不久的將來,我們到醫院檢查眼睛,或許不再需要點散瞳、打麻醉、把試紙插入眼睛,而是戴上隱形眼鏡,坐等數據自動傳輸到醫師電腦就好。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

而邱俊誠對這款智慧型隱形眼鏡,也希望繼續做更好的調整與設計。目前的鏡片裡沒有電池,能量由外界傳輸提供,因此在檢測時,除了戴隱形眼鏡外,還得戴一個如同一般眼鏡般的裝置來搭配提供能量。邱俊誠說:「我們正在研究如何把電池也整合在隱形眼鏡裡,這樣一來檢測會更方便,看起來也更簡單美觀。」

透過類似一般眼鏡的裝置,為智慧型隱形眼鏡提供能量。圖/邱俊誠提供

在未來,邱俊誠還希望讓智慧型隱形眼鏡有更多功能,舉例來說,如果有一副隱形眼鏡,戴上就能自動調校視力,不論近視幾度,它都會自動改變曲率、厚度,來符合你的度數,這有多好!邱俊誠表示,這種鏡片的困難度在於內部必須要有動力來源才能改變並維持隱形眼鏡的形狀。「雖然困難,但我們已經著手在研究了。」

更甚者,未來在 5G 網路的發展下,智慧型隱形眼鏡可望做到擴增實境(AR),透過隱形眼鏡,可以將世界各角落的即時美景盡收眼底,也能隨時與親朋好友「視訊」,而且就彷彿對方直接在你眼前般真實。相信不久後,我們就能親身體驗到智慧型隱形眼鏡對我們的生活及這個世界帶來的巨大改變。

智慧型隱形眼鏡的未來應用。圖/fatcat11 繪

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
所有討論 2
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1126 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

7
2

文字

分享

0
7
2
正確診斷不只測眼壓——青光眼患者多數沒自覺!
careonline_96
・2021/04/01 ・1778字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

青光眼的病因有許多種,因此表現也十分多樣化,但它們又會造成近似的視神經傷害與視野變化,因此被歸類在「青光眼」的診斷。臺大醫院青光眼科主任王清泓醫師提醒,多數青光眼病人是沒有自覺症狀,唯有靠定期的眼科檢查,才能早期發現。

眼壓會變動,每人不一樣

王清泓主任說明,眼壓是青光眼重要的風險因子,它的高低會影響青光眼是否會持續惡化,因此眼壓測量是青光眼檢查的重要項目之一。

眼壓值要多少才正常呢?簡單來說,臺灣人正常眼壓值約在 10 到 20 毫米汞柱間,但是有一群人,他們的眼壓高於 20 毫米汞柱,可是其中 90% 的人,可能一輩子都不會發展成青光眼。這些人我們稱之為「高眼壓症」;相反的,另一群眼壓都在正常範圍內的人,他們的視神經、視覺功能卻一直惡化。有人稱這些人是「正常眼壓或低眼壓性青光眼」。

由此可以知道沒有一個放諸四海皆準的眼壓正常值,因為每個人視神經可以承受的壓力是不一樣的,病人也不需要因為今天的眼壓比上次高些,而心驚膽跳,寢食難安;但也不可以因為眼壓在正常範圍而輕忽了治療的必要性,更不要透過參考他人眼壓來揣測自己的病情。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

王清泓主任表示,目前使用的眼壓測量方法,都是透過角膜(黑眼球的部份)測得,角膜的厚薄會影響眼壓的測量。角膜較厚,測出來的眼壓可能會被高估;反之角膜很薄,測出來的眼壓可能被低估。接受過雷射近視手術的病人,因為角膜厚度被削薄,眼壓測量值可能會被低估,因而降低病人及醫師對青光眼的警覺。

另外眼壓也會有晝夜變化,每個人的生理曲線都有所不同,在門診時間所測量的眼壓,往往不是病人最高的眼壓,因此病人要了解,眼壓高低只是評估青光眼的一個重要風險因素,必須合併其他病情,才能做出正確的診斷與治療。

青光眼可能導致視神經盤的凹陷擴大

王清泓主任提到,視神經聯繫眼睛內的網膜神經節細胞和大腦視覺中樞,視神經纖維成束聚集後,穿出位於眼球最後部的開口,而奔往大腦傳達訊息,這個眼球後部的開口就是我們所稱的視神經盤。沒有被神經纖維填滿留下的視神經盤空間我們稱之為視神經杯,或視神經凹陷。

不論是正常人或視神經有異常的人,絕大多數的人視神經盤都有凹陷,但是青光眼病人視神經盤的凹陷,會隨病情而增大或表現出特有變化。經驗豐富的眼科醫師用眼底鏡及細隙燈生體顯微鏡檢查,多數就可以篩選出青光眼的可疑病人,要更進一步確定,可以利用眼底攝影和近十年來發展的定量測量視神經纖維儀器。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

進行視野檢查評估視野缺損

王清泓主任解釋,青光眼病人的神經細胞要損失 40% 以上,才會出現視野變化,多數視野缺損是從週邊先發展出來,再慢慢侵犯到中心,最後危及視力。因此病人自己不容易早期察覺,何況兩眼視野有相當大部分互相重疊,當只有一眼有問題時,更不容易自己發現,只能依賴眼科定期檢查,才能早期發現。

視野檢查只是青光眼追縱和治療的一部份,並不是青光眼最找早期的診斷方法,但是它協助醫師對病情基礎的建立,判斷是否惡化,擬訂或修改治療方針方面,還是很重要,並可幫助和其他疾病並作鑑別診斷。

王清泓主任補充道,我們也稱青光眼是一首三部曲,先有視神經病變,再導致視野變化,最後才造成視力的衰退及失明。因為視神經是青光眼最早有變化的部分,所以觀察視神經的變化就是診斷青光眼最重要的步驟。而長期追蹤時,視神經、視野、視力的檢查各具有不同重要性,要看病況是屬於早期或末期而定。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

0

5
2

文字

分享

0
5
2
眼壓正常,視野卻持續惡化,也可能是青光眼來襲?
careonline_96
・2021/03/09 ・1346字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

聽到青光眼,大家都會想到眼壓高,然而有些人量到的眼壓正常,但視野缺損卻持續惡化。臺大醫院青光眼科主任王清泓醫師分享,有位五十五歲家住南投山區的林太太(化名),每次回診林太太測得兩眼眼壓都大約 10 毫米汞柱,遠低於一般所謂的正常眼壓,但是她的右眼視野卻持續惡化。

確定點藥的方法、頻率與時間都遵照醫囑之外,也排除腦部或其他視神經病變的可能和全身性疾病,諸如;血壓、血糖、血脂肪等因素。於是醫師建議她購買可以在家中測量的眼壓計。

某天林太太吃晚飯後量得眼壓是雙眼5 毫米汞柱,比平時門診測得更低,但是第二天清晨剛醒來時,測得右眼眼壓 30 毫米汞柱,左眼 25 毫米汞柱,看到結果林太太大吃一驚,所幸後來醫師找到她視野惡化可能的原因。

每個人眼壓不相同,且會隨晝夜變化

王清泓主任解釋,林太太的經驗告訴我們,眼壓是有晝夜變化的,在青光眼病人身上尤其顯著,一般人通常眼壓最高的時候是在清晨、剛醒來的時候,這時候通常病人不會出現在門診就診,就診時眼壓通常已經從最高點降下來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

換句話說,一天當中最高的眼壓值,有三分之二的機會是發生在門診以外的時間,若不了解這生理現象,看到測得的眼壓值而自滿,不按照醫囑點藥,病情也就容易惡化。但這不意謂每個人都要緊張兮兮隨時觀察自己每分每秒的眼壓變化,只有病情惡化的人,我們才需要去做這特別的觀察。

王清泓主任另分享,有位六十二歲的趙先生是個十分成功的經理人,就診時坦承二十年前就診斷是青光眼,但他並不以為意,未曾接受治療。直到最近十個月,他發覺視力漸衰,驚覺事態嚴重,才開始進行治療。王清泓主任提到,多數青光眼病患,長時間多自我感覺良好,等到覺得不對勁時,大概都瀕臨失明的威脅了。

青光眼易忽略!定期檢查積極治療很重要

青光眼具有進行緩慢的特質,影響的視野又都從週邊先來,最後才影響中心視野和視力,這也是一般青光眼病人易輕忽,不願意好好接受醫囑治療的原因。

王清泓主任分析,青光眼的病人為什麼會失明?因為多數病患沒有自覺症狀,而病情進行緩慢,所以不會主動求醫。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

若有醫師告知診斷,病患通常也是半信半疑,不肯好好接受治療,而延誤病情,終致視覺功能嚴重受損,無法自主生活。但是也因為青光眼緩慢進行的特質,若及早診斷,接受正確治療,絕大多數青光眼病患終其一生,都不必擔心失明,或行動乃至於生活受限。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----