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淺談無線生醫感測網路系統
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淺談無線生醫感測網路系統

電子系 馮武雄教授

  • 前言

  前年赴希臘科斯島參加國際電路與系統研討會時,大會特別介紹被世界尊稱為醫學之父的希波克拉底 ( Hippocrates ),他是希臘的內科醫生,其醫學思想對古希臘的科學一直有著持續性的影響。去年赴美國紐奧爾良市參加同一研討會時,麻省理工學院的情緒運算研究中心主任皮卡 ( Picard ) 教授提出情緒智慧管控技術,連續兩年在電子科技國際會議上聆聽跨領域之應用趨勢,留下深刻印象。

  近年來,我國積極推動前瞻優質生活、老人照護、e化行動台灣等方案,促使無線感測網路技術快速的發展,更顯現其重要性。因此,我們利用學校與長庚醫院的優勢,發展生醫感測科技與無線網路技術,是有其社會期待。無線電波對人體的影響,雖尚無定論,但對一般人而言仍有恐懼感,例如十年前在北京召開的國際電磁相容會議,摩托羅拉公司與易利信公司在無實際量測數據佐證下,仍然相互指控對方的手機電波,分別會對眼球的偏光性或腦幹引起化學作用等造成人體的傷害。

  近年來電子科技之研究發展趨勢,以改善人類之生活為目標。有鑑於此,本校醫、工、管學院近年來積極的發展跨院交流,建立的跨領域知識,並於去年九月邀集電子 、電機、資工系及醫學院的教授們,向國科會提出無線生醫感測網路系統的整合型計畫,發展比家電產品雜訊能量低的無線網路電波,來去除人們對無線電波的顧慮。此計畫業已獲通過執行。

  • 現況

  二十五年前學術網路推廣之初,主要以寄送檔案為主,使用率偏低。十年後個人電腦普及,網際網路開始盛行。隨後手機盛行,並結合網際網路,發展到家家戶戶都可上網,且使眾多功能持續發展下去。為了取代凌亂的網路等連線,自公元兩千年前後,國際電子電機工程 ( IEEE ) 協會訂定許多無線通訊規範,帶動國際相關產業發展,例如藍芽取代有線滑鼠、耳機等。隨後有無線區域網路 ( LAN )、都會網路 ( MAN )、無線室內網路,到目前的無線人體網路 ( BAN ),擷取人體相關資訊,提供醫療服務。

  當區域有線網路發展成無線網路後,相關半導體感測器的發展亦日趨成熟,結合感測器於區域無線網路為當今熱門的研究領域。例如:遠端監測農村果園或菜園的果蠅活動。同樣地,無線感測器亦應用在人體的檢測方面,分為體內與體外兩大類。體內應用最早首推五年前發展的無線膠囊,由口腔進入胃腸,至排出體外,費時八小時,送出數千張照片,提供間歇性出血病變資訊或體內定位治療之功能。由於體內的無線感測器發展到臨床應用,費時冗長。因此,非侵入式的體外無線感測器的發展,如雨後春筍般被廣泛地深入研究。從簡單的無線傳送體溫、呼吸、血壓、脈搏、心電圖、腦波等,到姿態、情緒、尿液、糖尿病分析等項目的發展與改良。

  最近無線感測網路 ( WSN ) 的發展,更顯現出其重要且應用面廣泛的研究領域。利用行動電話與網路基礎,提供健康照護的通用平台設計與製作,相繼大量提出。此項特別的網路包含許多異質感測器,它們擁有資料的傳送、處理及儲存等功能,應用在居家監管、環境監控、軍用監督、優質生活、智慧交通運輸、健康照護及其他產業服務等。基本上,平台架構包含三個層面:感測、通訊與管理。穿戴式感測器,係在不影響正常活動與舒適度下監測器官訊號;通訊層次係將數據及指令經由有線或無線方式,作為感測器與管理系統的橋梁;管理層面係負責資料處理、制定決策與功能估算,包含器官訊號處理、特徵擷取、潛在危險評估等。一個通用的平台必須提供規格化、模組性、擴充性與替代性的功能,擁有長期有效的健康照護與重要器官部位訊號監測。

  本研究團隊的無線生醫感測網路系統之研究,仍然遵循通用平台的設計規範,並依照本系在生醫中心的研究方向與國科會審查會議的建議,發展以尿液檢測、人體各部位功能分析及臉部情緒檢知,透過感測器收集資訊及放大後,以無線傳送至電腦,進行即時與長期傳送的大量資料之累積分析,提供預防糖尿病發生之研究。期勉三年的時間,研究團隊能就預期的目標,順利達成。

  • 未來發展

  近年來隨著科技的進步,人們對優質的生活環境及健康身體的追求,愈為迫切。雖然醫療單位持續增加,但是對於及早發現病因或根除病源的技巧,仍有待持續精進與發展。因此,利用嵌入式系統發展生醫感測超寬頻低干擾網路系統,從基本的生活環境、工作場 所之監控與人體生醫資訊收集,到影像視訊分析識別,再透過網際網路與全國醫療體系連接,配合相關醫師提供診斷協助。結合微機電與奈米技術,發展精細的智慧型無線感測人體網路,除持續縮小無線膠囊外,並增加感測與藥劑功能,以及提供即時動態視訊,精準定位與治療。未來隨著奈米科技進步,將有機會在人體血液中流動,傳送人體相關資訊,適時發出資訊,提供醫療訊息。又如三十年前使用離子佈植技術應用到半導體製程,準確地將適當的離子放置在設定的位置,全面改進傳統的擴散技術, 符合所謂每十八個月晶片的元件容量增加一倍之摩爾定律。同樣地,將小如分子或質子的物質,加速到一定能量,在取走帶電荷後進入體內適當部位,可將病毒剷除。結合優秀的醫療人才與精密電子儀器設備,對於危害人類的主要肇因,如癌症、心血管、腦血管病症,將可提供慢性與急性治療。

  未來無線生醫感測網路系統之研究成果,將可持續提供在居家環境上的使用,如造成登革熱的埃及斑蚊或引發 SARS 的家禽之監控,根除危害人體或家畜及農作物之病蟲害。因此,提供符合居家舒適配置與需求,結合人體生理醫學資訊擷取與處理,透過居家無線網路與外部有線網路連結醫療體系,發展安全舒適的居家生活與戶外活動安全,永續提昇人類優質生活品質及工作效能,為本研究團隊未來發展方向。根據數據統計,過去一百年人類壽命平均增加二十六歲。因此,上課時經常提醒同學要愛惜自己的生命,因為科技進步將可讓我們活到一百歲以上,並擁有健康的身體,去享受多采多姿的人生。

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