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以前的人會CPR嗎?──《科倫醫生吐真言:醫學爭議教我們的二三事》

左岸文化_96
・2016/04/26 ・6120字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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復甦術的歷史

就如同大多數的醫療領域,心肺復甦術的技術有段漫長的歷史,而且隨著現代醫學知識的出現而歷經戲劇性的轉變。不同的方法出現又消失,在死亡、瀕死與人性尊嚴的信念等變動的脈絡中斷斷續續地轉變。某些復甦方法雖然沒有生理學知識的基礎,卻被視為有效。相反地,也有些在實驗室細心研究過的方法,在醫療現場卻證實無效。在復甦術的舞台上,不只有研究科學與醫學的男男女女,也包括運用這些技術的常民,他們在面對猝死的威脅時,擔當「弟兄的守護者」(their brother’s keeper)。上個世紀此一領域的一些關鍵性突破來自於軍方,這點不令人意外,因為軍隊經常遭遇到猝死及伴隨而來的種種問題。儘管有著各種不確定性,使用的方法也隨時代而不同,但有兩件事情是不變的:猝死以及人們克服猝死的努力。人們相信這些技術是有效的;他們總是秉持這樣的信念而為。十八世紀如此,今日亦然。

醫療文獻經常將復甦術的根源追溯到聖經

三二、以利沙來到,進了屋子,看見孩子死了,放在自己的床上。

三三、他就關上門,只有自己和孩子在裡面,他便祈禱耶和華。

三四、上床伏在孩子身上,口對口,眼對眼,手對手,既伏在孩子身上,

孩子的身體就漸漸溫和了。

三五、然後他下來,在屋裡來往走了一趟,又上去伏在孩子身上,孩子打

了七個噴嚏,就睜開眼睛了。(列王記下,第四章,三二三五節)

在宗教當道的時代,只有上帝能讓死者復活。人類想做這樣的事情不只是徒勞無功而且還有罪。然而隨著時間的過去,人類的介入取代了神的介入。死亡不再是生命旅程中最後而無可避免的一段,死亡慢慢地變成人類能夠迴避與減緩的一段路。要了解復甦術所扮演的角色,我們必須區分「臨床的死亡」(clinical death)以及「生物學的死亡」(biological death)。臨床的死亡意謂著循環、呼吸等的衰竭;生物學的死亡是人類有機體不可逆的凋亡。兩者間的差距創造出復甦術的空間。第一次有系統地試圖創造出這樣的差距並主動加以介入,似乎源自於十八世紀。

溺水所造就的復甦科學

溺水而亡向來普遍,時至今日也還是如此(年輕人意外死亡的原因當中,只有交通意外是更大的死因)。復甦術運動始於荷蘭與英國這兩個人民濱水而居的國家,或許不會太令人意外。荷蘭人在一七六七年創立一個復甦溺水者的協會,並宣稱他們在四年之內救活了一百五十人以上。英國在七年後成立了皇家瀕死者救援人道協會the Royal Humane Society for the Apparently Dead),它的前身是瀕臨溺死者救援協會(Society for the Recovery of Persons Apparently Drowned)。它的主要推動者暨創辦人威廉豪斯醫師(Dr. William Hawes)在一七七四年提醒會員,指出去年在倫敦有一百二十五人溺水:「假如這裡面每十個人當中就有一個可以復原,而他自己、他的親戚或他的朋友就是這獲救的溺水者,還有誰會認為本會的宗旨不重要?」(引自 Timmermans,34)。然而許多人,尤其是教會人士仍然反對──這太像讓死人再起,而唯有上帝才有權這樣做。

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by William Ridley, published by John Sewell, stipple engraving, published 1 July 1802
威廉豪斯創辦了瀕臨溺死者救難協會。圖/wikipedia

為了克服懷疑,協會鼓勵人們蒐集受復甦術成功救活者的證言:每個案例都需要三個可信的證人,或一位有學識的人如牧師、醫師或軍官等來作證。由於遭到宗教上的反對,豪斯和他的同儕明確地區分復甦和復活:「前者只是對已經點燃的木材輕輕搧風,讓火焰重新燃起;後者則是在生命的火花已經完全熄滅之後,重新讓屍體恢復生命。」(引自 Timmermans,35)因此協會的口號是「也許還埋藏著小小的火苗(Lateat Scintillula Forsan)」。協會終於贏得教會的認可,要特別歸功於它致力於復甦自殺者(自殺被視為是最邪惡的死亡方式)。有位貴格會的成員舉出自然界的例子,就像凍僵的鰻魚在稍微加熱後會復甦一樣。如果上帝賦予簡單的動物復甦的力量,那人類當然可以致力於復甦而毋須多慮。豪斯向政府官員請願時,機巧地指出,如果可以復甦謀殺案的受害者的話,犯罪案件就能偵破!他也操弄大眾對活埋的恐懼。到了一七八七年,他的論點已經獲得公眾輿論的支持,喬治二世也贊助該協會。

早前協會成功復甦的比例是百分之四十七點三(總共有一七○六個案例),這個數字相當可觀。但這個比例混雜了不同類型的案例,包括人們在暴風雨中掉到水裡高聲呼救而被成功救起,以及那些因為吸入濃煙而失去意識的人。「復甦術」一詞涵蓋的救援情境範圍相當廣泛。隨著時間日久,人們日益認知到最佳的成果是在水邊處所得到,因此他們的努力也越來越專注於溺水(Timmermans,37)。

皇家人道協會起先用的是荷蘭盛行的復甦技巧,包括「保持溫暖、人工呼吸、將菸草的煙灌進肛門或者是用煙燻肛門、把身體放在桶子上滾動、按摩身體、靜脈放血,還有一些輔助的辦法,像是催吐、催打噴嚏以及內服的刺激劑」(Timmermans,38)。協會經常更動其所認定的最佳辦法,也不斷推薦(偶爾也會禁止)不同的技術。

讓受害者保持溫暖一直都是受歡迎的技術,它吻合希臘醫師蓋倫(Galen)的理論,認為溫暖是生命力必要的成分。很明顯的,死掉的身體是冰冷的身體。雖然停止呼吸意謂著死亡,但是在整個十八世紀,呼吸對於成功復甦的重要性一直有所爭議,而使用風箱來進行人工呼吸的做法,也一直有正反兩面的看法。長久以來,解剖學家已經知道在進行實驗時可以用風箱維持實驗動物的生存,但這個做法在一八三七年開始失去支持,因為法國研究者的報告認為用風箱突然對肺臟灌氣會殺死動物,並可能在動物身上導致肺氣腫(肺部有液體) 及氣胸(氣體跑進胸腔中導致肺臟崩塌)。甚至連皇家人道協會的主席班傑明布洛迪爵士(Sir Benjamin Brodie)都宣稱,呼吸沒辦法讓停止跳動的心臟恢復跳動。有趣的是,口對口人工呼吸曾進行過短暫的實驗,但是在一八一二年放棄這做法,因為當時認為呼出來的氣體是有毒的。

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口對口人工呼吸救難法在歷史上一度被救難者忽視。圖/wikipedia

復甦術的兩大流派

馬歇.霍爾醫師(Dr. Marshall Hall)在瞭解到人工呼吸並沒有列入人道協會的推薦步驟之後,在一八五七年於屍體上進行一系列實驗,進而提出關於溺死的新理論。他的結論是,溺水就類似於麻醉與中毒,因為這三者都涉及到二氧化碳呼出的問題。這使得幫肺臟呼吸又成為焦點。霍爾想要避免將受害者臉朝上進行復甦時,舌頭往後掉而堵塞呼吸道的問題。他的解決之道是把受害者擺在臉朝下的位置。霍爾基本上是把身體放在桶子上滾動的舊做法,轉變為他所謂的「身體姿勢法」(postural method)人工呼吸。將患者臉部朝下對胸腔與後面的背部施加壓力來造成呼氣。在壓力放鬆之後則會造成吸氣,而最後的步驟則是讓病人以側躺的姿勢滾動。

在此同時,一位年輕的外科醫師亨利席維斯特(Henry Silverster)提出另一種重要的手動呼吸技術。霍爾檢視的是死亡時哪些功能衰竭,相對地,席維斯特則是試圖模仿活人的自然呼吸運動。他偏好臉部朝上的姿勢,因為他相信這讓施救者可以檢查患者呼吸道是否阻塞。施救者站在患者的頭部位置,抓住他的兩邊手肘,然後把手臂往後拉到耳朵的位置來模擬吸氣的動作,接著把手背推回原來的位置,然後按壓胸腔來模擬呼氣的動作。霍爾和席維斯特的新技巧,各有當時立論深遠的理論與研究成果的支持,其成功程度也令人印象深刻。皇家人道協會碰到兩難。該採用哪種技術呢?他們對屍體進行比較研究,發現席維斯特的方法較有利於肺臟的呼吸;但不是每個人都信服這樣的結論。

皇家人道協會新上任的主席愛德華謝佛(Edward Schafer)在一八八九年重新進行評估,並提出另外一種間歇按壓胸部的手動呼吸技術,而患者又是放在臉部朝下的位置。協會對席維斯特法與謝佛法的優劣進行激烈的辯論。席維斯特本人反對臉部朝下的方法,因為施救者的姿勢會「跨在病人身上」,如果患者是女性的話,這種姿勢是很「不可取的(Timmermans,42)。早期的研究者用剛死掉而還有溫度的屍體或是狗來做研究,謝佛發明的現代技術則是使用忍住呼吸反射的自願者來做研究,並且測量其呼吸氣量(〔tidal air volume〕一次呼氣和吸氣的「循環」所置換的氣體體積)。然而,在五個自願者身上用十種不同方法所測得的呼吸量,卻都沒辦法提供定論。

一九○九年一位研究者回顧協會的復甦術紀錄後,提到「每一種復甦的技術,不管是禁止的或推薦的、生理學上合理的或荒謬的、有沒有使用人工呼吸,似乎都能夠拯救數量可觀的性命。」(引自 Timmermans,41)有一種不尋常的方法,是法國人拉伯德(Laborde)在一八九二年引進的拉舌術。這個方法是「把嘴巴撐開,然後用點力把舌頭拉出來」(Timmermans,4)。這種方法沒有生理學上的基礎,因此被列為禁用的方法,但拉伯德指出,有六十三個成功用這個方法救活的案例。

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最後協會會員同意保持身體溫暖以及進行人工呼吸,是救活受害者最好的方法,「人工呼吸」與「復甦術」二詞也開始等同使用。二十世紀前半的人工呼吸,不是採用謝佛這種臉部朝下按壓的方法為標準,就是採納席維斯特的技術作為標準。謝佛法在英國、法國、比利時以及美國最受歡迎,席維斯特法則在德國、荷蘭與俄國受到支持。要判斷是否需要進行復甦術,呼氣成為關鍵的生命跡象。肺部缺乏氧氣將導致死亡。把一面小鏡子放在受害者嘴巴前面,是當時決定是否還在呼氣的有效方法。如果鏡面起霧的話,受害者就還活著而不需要加以復甦,只需保暖就好。如果鏡面沒有起霧的話,就得馬上實施人工呼吸。鏡子實際上成了復甦術第一個採用的可攜式診斷工具。英國童子軍一九五○年代的訓練要求攜帶鏡子「待命」。

第二次世界大戰之後,復甦術的研究轉移到美國。回顧海岸防衛隊以及芝加哥、底特律以及洛杉磯的消防局之個案報告,顯示謝佛法在美國是主流,存活率是百分之六點七。儘管謝佛法廣泛使用,但戰時的表現並不好,許多運兵船上的士兵都淹死了。戰爭刺激新的研究,因為當時擔心德國可能會使用麻痺呼吸肌肉的神經性毒劑。美國陸軍與國科會(National Research Council)在一九四八年主辦一場研討會,召集醫師來比較所有不同的方法。與會者同意他們缺乏足夠的資料來決定最好的辦法,因此展開了廣泛的比較實驗。令人驚訝的是,結果發現過去五十年來居於主流、似乎拯救了數千條生命的謝佛法,從實驗的結果看來是毫無價值的。實驗發現它無法讓氣管中停滯的氣體流動,這意謂著沒有新鮮的含氧空氣能夠進入到肺部。實驗也發現,席維斯特法同樣有缺陷,因為患者被放在臉部朝上的位置,導致舌頭堵塞呼吸道。於是這時採用了一種新的手動呼吸方法,稱之為「壓背舉臂法」(back-pressure arm-lift method)。它是在一九五一年的一場研討會中引進的,與會者包括來自美國紅十字會、軍方、美國童子軍、AT&T、礦業局、營火女孩(Campfire Girls)、美國女童軍、基督教青年會(YMCA)、美國醫學會,以及許多公營事業與民防組織的代表。接著出版長達兩頁的標準方法並發行訓練影片,這是廣泛宣導活動的一部分。戰後的研究似乎終於找出了最好的復甦術。有一套大家同意的標準,受到許多的組織採納,運用於日常拯救生命的努力。

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舉臂壓背法教學。圖/NCBI

理論與實務的差距

不過短短四年的時間,新的標準就遇上麻煩。哈洛德里卡德(Harold Rickard)是位自稱有三十五年從事復甦術經驗的美國海軍艦長,他對復甦幼兒 的問題進行研究,指出呼吸道阻塞的問題。里卡德從自己的實際經驗得知,所有獲得推薦的技術都是沒有用的,因為患者鬆弛的舌頭會阻塞呼吸道。里卡德的想法沒有任何臨床的支持,然而彼得.沙法(Peter Safar)這位麻醉科醫師受到里卡德的啟發,使用光和肺活量計(用來測量氣流的裝置)進行研究,結果指出所有的手動人工呼吸技術,不管患者的臉部是向上還是向下,都有同樣的問題。此一發現再度令人震驚。所有在實驗室所做的測量似乎都有插管,而這預防了阻塞的發生。用來測量氣流的管子把舌頭給推開了!不過如果把患者的臉朝上,並且讓頭往後仰的話,手動人工呼吸技術是可以生效的,而且很明顯地,沙法的研究促使一個古老的技術再度受到注意:口對口復甦術。

軍方再度在此一新發展中扮演重要角色。迪克約翰斯(Dick Johns)與大衛庫柏(David Cooper)在一九五○年是陸軍研究團隊的成員,該團隊研發出在受汙染的環境下,對神經毒氣受害者進行防毒面具對防毒面具的復甦術(mask-to-mask resuscitation)。庫柏和約翰斯怨嘆美國陸軍的愚蠢及其對手動人工呼吸的態度,他們發展出一套將兩個防毒面具連在一起的方法,讓施救者的呼氣可以進入受害者的肺部。他們在彼此身上以及狗的身上用此一裝置進行實驗,然後寫了一份報告。他們試著引起美國海軍對這個裝置的興趣,但徒勞無功。他們的報告卻引起了詹姆斯.艾蘭(James Elam)這位年輕醫師的注意;艾蘭在小兒麻痺患者的鐵肺失去動力時,曾直覺地使用口對口人工呼吸救活病人。艾蘭在一九五○代取得人生中第一個大學職位時,開始進行口對口人工呼吸的研究。艾蘭的研究對象是手術後仍受到乙醚麻醉的病人,以口對口的方式將氣體吹進其氣管。在此同時,助手抽血測量氧氣的濃度。他發現此一方法的結果,遠優於使用手動人工呼吸的方法。

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艾蘭受邀參加一九五一年那場公佈新的手動人工呼吸標準的著名學術會議。他在會議接近尾聲時的一場特別報告中,急切地想要引爆他的「炸彈」。但結果卻是空包彈,因為主要的研究者認為他的技術不過是「常識」,而沒有太大興趣(Timmermans,48)。艾蘭試圖在華盛頓推廣他的新技術,並且在重要醫學期刊發表論文,卻沒有什麼效果。一九五六年出現突破,他在堪薩斯的一場麻醉科學術會議,與同時出席的沙法共乘一輛車子;沙法那時已經成為美國的復甦術頂尖權威之一,也是巴爾的摩市立醫院的麻醉科主任,此時他正開始實驗口對氣管的呼吸術研究,透過吹脹病人的肺來確認胸腔兩側的運動。他和艾蘭比較了兩種方法,結果顯示出口對口人工呼吸的好處。其他主要的研究者也很快確認了這樣的結果,一群國際研究者於一九六○年,在六個都會區一千個以上的麻醉病人身上,測試了口對口人工呼吸,並且推薦口對口人工呼吸是唯一適用於所有人的方法,只有新生兒例外。他們強烈推薦教導專業人員與一般人此種技術。商業公司企圖推廣一種必須將人工口腔呼吸道插入患者喉嚨的複雜技術,但這組研究人員抗拒這種作法,堅持新的技術是簡單、安全且容易學習的。

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我們現今學習的復甦術,其實是經歷過好幾世紀的經驗與實驗而來的。圖/TMCC@flickr

雖然沙法和艾蘭得到了研究社群的支持,但他們也很清楚,當初臉部朝下這類手動技術剛出現時,也曾有理論上的支持,因此在引進新技術時,沙法和艾蘭強調這種技術讓患者的臉清楚可及,可以檢查呼吸道並運用口對口的復甦術。這種實用性的論點贏得了支持,而口對口成為現在心肺復甦術訓練所採用的標準


 

本書從「安慰劑效應」到「接種疫苗的決定」,共舉出八個例子,說明醫學複雜的面向,並用合理的態度面對醫學得不確定性,改善與醫療專業的互動,《科倫醫生吐真言:醫學爭議教我們的二三事》,左岸文化出版。

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左岸的出版旨趣側重歷史(文明史、政治史、戰爭史、人物史、物質史、醫療史、科學史)、政治時事(中國因素及其周邊,以及左岸專長的獨裁者)、社會學與人類學田野(大賣場、國會、工廠、清潔隊、農漁村、部落、精神病院,哪裡都可以去)、科學普通讀物(數學和演化生物學在這裡,心理諮商和精神分析也在這裡)。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 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?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

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。

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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:

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  • 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

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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?

圖形處理的例子

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。

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典型的CPU與GPU架構

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?

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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?

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(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)

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。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 56 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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鑑識故事系列:水刑,沒有遺書
胡中行_96
・2023/08/07 ・1695字 ・閱讀時間約 3 分鐘

22 歲的義大利男性學生跟人講好時間,卻不知何故爽約。對方找上家長,但後者試圖電話聯絡,都無人接聽。該學生住所的公寓管理員,於是受家長請託,帶著備用鑰匙,前去查訪。當她推開門,潺潺水聲從浴室的方向,傾瀉而來。[1]

當時水不斷地從箭頭處的蓮蓬頭流出。圖/參考資料 1,Figure 1A(CC BY 4.0)

命案現場

急救人員接獲管理員的通報,抵達現場。看見一名膚色淺,體毛黑,近乎全裸的男性,躺在浴缸裡。蓮蓬頭的水,朝男子頭上罩著的帆布袋直沖。他們把水關了,剪斷頸部的白色尼龍繩,掀開帆布袋,宣告男子死亡。(請慎入命案現場無碼照片。)[1]

警察與鑑識專家稍後趕到蒐證:男子的手臂和手腕都被捆著,還有一只小鎖緊扣左右兩邊的尼龍繩。小鎖的鑰匙跟一把剪刀,落在浴缸底部,算是雙手可即之處。屍斑(post-mortem lividity)明顯,只是部份因背部擠壓而消失。脖子、四肢與開闔嘴巴的顳顎關節,都呈現屍僵(rigor mortis),已經硬化。[1](請慎入屍體照片。)

公寓內乾淨整潔;門窗沒有強行進入的跡象;廚房桌上,有咖啡及水各一杯;用剩的尼龍繩,則散落於臥室地板。家屬向警方表示,男子既沒有精神病史或社經困難,亦未曾顯露自殺傾向。[1]

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A. 臥室地板上的尼龍繩;B.(6)小鎖的鑰匙、(7)剪刀。圖/參考資料 1,Figure 3(CC BY 4.0)

死亡時間

由於男子似乎剛過世不久,從死後身體降溫的屍冷(algor mortis)現象,判斷死亡時間,會是最精準的方法。[2]此時室溫 24.0 °C,而男子的肛溫 32.5 °C,[1]再配合體重和衣著覆蓋程度等資訊,[3]根據 Henssge 列線圖(Henssge nomogram),可推估死亡時間為 5 至 12 小時前。[1]

Henssge 列線圖:綜合肛溫和環境溫度,以及體重、衣著等資訊,推測死亡時間。圖/HB on Wikimedia Commons(GFDL 1.2+)

司法驗屍

36 小時後,檢方要求米蘭鑑識機構(Milan Institute of Legal Medicine)進行司法解剖:男子高 180 公分,重 70 公斤。身上沒有鈍器損傷,或自我防禦的痕跡。照理來講,死前若曾掙扎,上肢通常會留下不少的傷。他頭顱兩側,位於耳朵附近的顳骨岩狀部出血。胃裡僅有 50 毫升的褐色液體,無食物殘渣。呼吸道方面,肺臟外表蒼白,內部進水,體積過度膨大,且部份區域出血;肋膜下有瘀點;氣管、主支氣管裡,則有帶血色的泡沫。死後理應崩塌的肺部,受支氣管裡的積水影響,於水性肺氣腫(emphysema aquosum)的情況下,維持著吸氣時鼓脹的形狀。 [1]

另外,由送驗的毛髮、血液、尿液、膽汁、鼻腔拭子、腦部切片和胃部殘留物等,排除男子在酒精或藥物抑制中樞神經的狀態下,被人殺害。而公寓內採集到的 DNA,都屬於他本人。警方調閱監視錄影,也證實在估計的死亡時間內,周邊沒有可疑活動。[1]

水刑

最後,法醫判定男子死於水刑(waterboarding)溺斃,一種向口鼻灌水,極其嚴酷的軍事逼供手段。然而,文獻統計 215 起浴缸陳屍案件中,僅 11 起為謀殺,而且遭人強迫溺水窒息的那 2 起,有諸多鈍器損傷,明顯與此案不同。上述的其他證據和檢驗結果,也指出案發當時,應該沒有別人在場。那麼尼龍繩與帆布袋,大概得由男子自己捆上身。警方根據男子於命案現場的樣貌,反推綁縛的步驟,認為雖然困難,但是確實可行。法醫則解釋死者之所以這麼做,通常是為了避免因痛苦而反悔。不過,公寓內尋無遺書。直到 2021 年鑑識期刊登載此案,男子自殺的動機,依然不明。[1]

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自殺防治專線
 衛生福利部安心專線 1925
 生命線協談專線 1995
 張老師輔導專線 1980

  

參考資料

  1. Galante N, Terzi M, Gentile G, et al. (2021) ‘An unusual suicide by self-waterboarding: forensic pathological issues’. International Journal of Legal Medicine, 135, 2351–2356.
  2. Shrestha R, Kanchan T, Krishan K. (30 MAY 2023) ‘Methods of Estimation of Time Since Death’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls.
  3. Wilk LS, Hoveling RJM, Edelman GJ, et al. (2020) ‘Reconstructing the time since death using noninvasive thermometry and numerical analysis’. Science Advances, 6, 22.

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鑑識故事系列:浸入性肺水腫,在冬季的日內瓦湖
胡中行_96
・2023/03/27 ・2373字 ・閱讀時間約 4 分鐘

於平均水溫 7°C 的 12 月底,一名 56 歲的男子,潛入瑞士日內瓦湖。肥胖的軀體(BMI = 33 kg/m2),緊繃著潛水衣,背上扛負沉重的開放式水肺。有 6 個月潛水經驗的他,在水中悠游無阻。10 分鐘後,來到水面下 19.5 公尺。[1]

瑞士日內瓦湖。圖/Alexander Kovacs on Unsplash

突然,他咳嗽且呼吸困難,但嘴裡仍含著潛水用的呼吸調節器。同行的人陪他,一起遵循減壓程序:[1]每向上一段距離,就稍作停留,再繼續移動。[2]3 分鐘後,他們回到水面,男子立刻吐血。緊接著在船上,他心臟病發,失去意識,被及時施予包含心肺復甦術(cardiopulmonary resuscitation,簡稱 CPR)在內的基本救命術(basic life support),長達 5 分鐘。直到船隻靠岸,改由急救團隊接手,執行高級心臟救命術(advanced cardiac life support):除了 CPR,還做氣管插管(intubation)。期間血沫從他的口咽滲出。[1]

鼻咽、口咽和喉咽。圖/GnolizX & U.S. Centers for Disease Control and Prevention on Wikimedia Commons(Public Domain)
非此案的高壓氧氣艙。圖/Hyperbaric Center of Queens on Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0)

在持續不斷的心肺復甦術下,男子被直升機送抵附近唯一設有高壓氧氣艙(hyperbaric oxygen chamber)的日內瓦大學醫院。進入急診室時,離急救開始,已經過了 84 分鐘。他呼吸著低流量的氧氣,情況依然不見好轉。時而心臟暫停跳動;時而心室頻繁顫抖。血液中乳酸含量飆高,pH 值下降。入院 20 分鐘,也就是展開 CPR 後的第 104 分鐘,男子被宣告死亡。[1]

死因與責任歸屬

他的死因與相關責任的歸屬,得從 3 個面向的線索來分析:

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  1. 醫療紀錄:咳嗽、咳血、血沫,還有愈往水面愈惡化的病況等。之前的事件描述,大致涵蓋了重要資訊。[1]
  2. 警方調查:水溫、證人筆錄、潛水紀錄,以及潛水用具的運作狀況。警方排除潛水用具異常致死的可能。[1]
  3. 驗屍報告:屍體解剖、電腦斷層掃描、病理現象分析、尋找溺水跡象,以及組織學和毒物學檢驗等。驗屍在男子死後的隔天進行。他肺泡與肺泡之間的肺間質(pulmonary interstitium),病變增厚;[1]肺泡破裂出血,形成肺氣腫(pulmonary emphysema),且淤積液體;[1, 3]部份肺臟被填滿,呈現肺實變(pulmonary consolidations)。另外,呼吸道有少量泡沫和血液;心臟肥大;而且因為肥胖的緣故,肺動脈及冠狀動脈有脂肪斑紋(fatty streaks)。不過整體而言,沒有任何溺水的跡象。[1]
男子的肺間質增厚與肺實變。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0)

浸入性肺水腫

最後男子的死因,被判定為浸入性肺水腫(immersion pulmonary oedema)。《國際法醫期刊》(International Journal of Legal Medicine)的論文,分析此症詳細的形成機制,有下列幾種可能:[1]

  1. 人在水中的時候,水壓會促進心肺氣體交換的血液循環,也就是肺循環,以及提升心臟的血液輸出量,即心輸出量。因此而集中的血液,帶來過大的壓力,令肺部的微血管不堪負荷,血液便滲入肺泡。此時,其他因素也可能惡化病況,例如:緊繃的潛水衣、冰水收縮血管、高血壓、心臟肥大、體內水份過多、心理壓力和劇烈運動等。[1]
  2. 水壓集中血液,增加了右心室的工作量,使得左右兩個心室的輸出失衡,也造成肺部微血管壓力衰竭,終致水腫。如果病患原本還有左心室或心臟瓣膜異常,問題會更嚴重。[1]
  3. 水壓升高肺部的血壓,以及從潛水氣瓶費勁吸氣,都可能危及肺泡與肺部微血管;而呼吸不順的心理壓力、運動大量換氣,還有不當使用呼吸調節器的氣流阻力等,則加重對肺部微血管的傷害。[1]

急救和治療

一般潛水者察覺身體不適,當下會想回到水面上。然而,在水中上升的過程裡,逐步減壓的身體,會產生下列變化:無法繼續溶於血液的氣體被釋出,氣泡於是傷害肺部微血管;胸腔裡的氣體膨脹,水腫重新分佈;肺泡內壓力下降,拉大肺泡與肺部微血管的壓力梯度。這些都會使浸入性肺水腫的症狀惡化。[1]

儘管如此,急救的第一個動作,還是得把病患盡快送至水面。[1]情況許可的話,才在不同的水深處暫時停留,使氣體能安全地從身體組織釋出,免於氣泡的產生。[2]遠離水壓,脫去潛水衣,並溫暖身體,以減少血液過度向心肺集中。如果沒有生命危險,就讓病患坐下,經由面罩吸入高濃度的氧氣,然後送去有加護病房和高壓氧氣艙的醫院。[1]

在醫院裡,無論是用侵入性或非侵入性的呼吸器,都要以正壓維持呼吸道通暢。除非併發減壓疾病,系統性的高壓氧氣治療,其實沒有必要[1]同時,醫師可能也會開 β2-交感神經促進劑(beta-2 agonists),這種常見的氣管擴張藥物,加速肺泡清除液體。[1, 4]至於心臟的部份,硝化甘油(nitroglycerin)點滴則能放鬆血管,調節左右心室的血液流量。[1, 5]

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多數浸入性肺水腫的案例,不像此男子這麼嚴重,大約 2 至 3 天即可出院。不過,1 個月內,絕對不得再潛水或游泳。最好由醫師診斷,是否罹患高血壓、糖尿病、高血脂等心血管疾病,並檢查呼吸功能有無異常。未來下水時,務必選擇水溫暖和的地點,穿著合身的潛水衣,限制活動的水深與時間長度,還要避免水份過量,或吸入太多氧氣。[1]

  

參考資料

  1. Evain F, Louge P, Pignel R, et al. (2022) ‘Fatal diving: could it be an immersion pulmonary edema? Case report’. International Journal of Legal Medicine, 136, 713–717.
  2. CHAPTER 3 — Underwater Physiology and Diving Disorders’. (2016) In: U.S. Navy Diving Manual — Volume 1. U.S. (pp. 50) Naval Sea Systems Command.
  3. Emphysema’. (28 APR 2017) Mayo Clinic.
  4. Hsu E, Bajaj T. (23 JUN 2022) ‘Beta 2 Agonists’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  5. Kim KH, Kerndt CC, Adnan G, et al. (27 SEP 2022) ‘Nitroglycerin’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。