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雷達Level UP:光達

Whyjay
・2013/05/26 ・1494字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級
雷達。掃描中...

Google Earth的空照圖可以看到你家的屋頂?聽起來很厲害,但以後你可能會發現在便利商店買的自家附近的地圖上,竟然可以數得出來你家的屋頂上正有幾隻貓咪在做日光浴……

這可不是在開玩笑,近年來,遠距遙測與定位的技術發展與普及化可是有著爆炸性的進展。想想GPS吧,這東西也才出現不到二十年,而且直到十年前,一台GPS裝置大概也只有專業級的技術人員才想入手(因為CP值太低了);但是今天GPS晶片竟然已經快成為人手一台的智慧型手機的標準配備了!相較於GPS的流行,雷達這種東西則總是給人一種「這不是一般老百姓會使用的東西」的感覺。說得也是,誰會沒事想要探測自己身邊是否有敵對生物在潛伏阿?

但就在大家都沒有注意到的地方,雷達也在默默的進化。就在雷達與成熟的雷射技術與GPS導航技術結合之際,全新的升級版雷達就此誕生。我們稱之為──光達(Lidar,英文唸起來像是「瀨打」…我沒有在說打火機…)。傳統的雷達,在一面發射出無線電波的同時,一面接收被遠處物體反射回來的無線電波訊號,藉此得知物體的方位與距離;而進化版的光達基本上也遵循此一原理,只不過發出去的「光」從無線電波換成了波長較短的雷射光,例如紅外線雷射光(呃,再加上一把槍就變成狙擊槍了…)。由於發出去的光變成能量較集中且波長比較短的雷射,可想而知光達有著比雷達有更好的解析度。到底好到什麼程度?傳統的雷達,用於偵測空氣中的小水滴運動大概就是極限;但是光達卻能夠偵測到更小或是更高層大氣的粒子,甚至直接偵測空氣分子的運動。換句話說,光達可以幫助我們更了解大氣現象,在氣象學以及容易受天氣影響的天文觀測等領域是一大利器。

如果我們反過來把光達放在飛機上掃描地面,由於光達解析度很高的緣故,我們不只可以知道在地面上的物體的位置,在許多狀況下還可以更進一步地知道物體的外型。看看以下的兩張圖片,就可以知道:要數你家的屋頂上有幾隻貓咪,可不只是說說而已!

在上圖上方有一架飛機,內部有一具光達正在放出紅外雷射來「掃描」附近的地形。只要利用GPS來確認飛機的所在位置
(精確地說,是「飛機內的雷射光發射口的空間座標」),經由計算光達回波的時間,就可以得知周圍地形的3D結構。下左圖是測量結果的俯視圖,顏色代表高度;下右圖則是測量結果的側視圖(只顯示橋樑部分)。可以看到,光達基本上把橋樑的所有細部特徵都描繪出來了。圖出處

這張圖是利用與前面一張圖相同的概念(稱為「空載光達」)掃描的某個都市的俯視圖。圖中每個格子點距離200公尺,而顏色則代表著不同的高度。我們可以看出:道路、房子屋頂等特徵清晰可見,而在比較高的山坡,每一點的小突起其實都是一棵樹的頂端。當然,這種等高線圖平常是看不到的,因為對大部分的人來說,查地形圖時要看的不是有幾棟房子幾棵樹,而是地表的坡度變化(哪裡比較陡之類的)。因此會把房子與樹的高度扣掉以後,再輸出成地圖。圖出處

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Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)


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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_96
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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》