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作者:劉子吉(2003-10-14);推薦:徐業良(2003-10-21)
備註:本文為申請國科會科教處「93年度大學工程生物教育整合型研究」計畫構想書。

建立培養系統應用能力之「生醫光機電工程學程」計畫構想書

1.         總體目標及重要性

生物科技被公認是二十一世紀最具潛力之新興科技之一,而生醫相關產業更是全球未來數十年的科技產業發展新趨勢。台灣現有產業優勢在電子、半導體產業,傳統機械產業也有紮實的基礎,通訊產業的發展更是一日千里,因此國內在生物科技的發展上,如何從台灣現有優勢產業切入,將機械、電機、通訊等工程技術應用在生醫系統中,才能走出國內生醫相關產業具有特色與優勢的方向。從大學人才培育的觀點來看,如何培養工程科系學生在生物學、生物科技的基礎知識,向工程科系學生介紹工程技術在生醫系統可能的應用,進而讓學生經由實際專題研究,獲得系統應用實務經驗,培養符合國內產業特色與優勢的生醫光機電工程人才,確實是亟待努力的方向。

元智大學工程學院機械、電機、通訊三個學系,過去幾年來一直有教授的研究領域是在醫療、復健、輔具等相關科技研究,也有許多生醫工程的應用相關課程,但是一直未能有效整合,形成有系統的學程,十分可惜。此次國科會科教處徵求「93年度大學工程生物教育整合型研究」計畫,三個系共同提出「建立系統應用為核心之生醫光機電工程學程」計畫,整合現有課程與資源,除研究計畫的執行外,已提報工學院課程委員會及校課程委員會,正式成為元智大學跨系所學程。

本計畫人才培育對象為理工背景的大學部學生,總體目標在培養符合國內產業特色與優勢的生醫光機電工程人才。許多大學學程僅止於組織一些現有課程,而學程學生修習若干課程後即可獲得學程證書,較缺乏培養產業所需人才之實務訓練。本學程則以培養學生在生醫光機電系統應用之實務能力為核心目標,首先由機械、電機、通訊三系參與學教授,共同訂出元智大學現有資源及研究方向上,光機電工程技術在生醫系統之可能應用方向,包括科技輔具(assistive technology)、老人福祉科技(gerontechnology)、醫療自動化(medical automation)、病人模擬器(patient simulator)、生醫儀器設計(bio-instrument design)、生醫光電系統、遠距醫療系統(telemedicine system)等七項。本學程特色即在修讀課程之外,規定所有參與學程的同學都必須在大三暑假及大四上學期,由學教授指導參與系統設計與應用之專題研究計畫,在此七項生醫光機電系統應用方向上做「學士論文」專題研究。

以系統應用專題研究為核心,向前規劃出所需要之基礎與進階課程,包括整合或修改現有課程,以及規劃開授新課程,向後則以專題研究成果,做為學程學生實際學習效果評量指標。本計畫「生醫光機電工程學程」的建立,初期在培養工程科系大學部同學生物學、生物科技相關基礎知識,介紹工程技術在生醫系統可能的應用,進而訓練其研究及研發的能力,培養相關產業人才。中長期則希望持續提升元智大學生醫光機電工程研發能量,建立跨系所研發團隊,更有效地推動國內相關產業之發展。

2.         計畫之理念、研究架構、及進行方式

2.1 理念與計畫架構

本計畫研究架構如圖1所示,本計畫「生醫光機電工程學程」整體規劃共分四個層次,第一層是基礎課程學習,目的在給予工程系所大一、大二學生在生物學、生物科技、及醫學工程方面的基礎課程,並建立所需工程技術的基礎能力。第二層是專業進階課程之學習,目的在向工程系所大三、大四學生介紹工程技術在生醫系統可能的應用,並學習所需之特殊工具與知識。

1. 本計畫研究架構

研究架構第三層也是本計畫的核心特色,所有參與學程的學生在大三下必須修習「生醫光機電工程專題討論(seminar)」課程,瞭解本學程跨領域、系所之教授群研究方向與專題。此專題討論課程同時也是學程運作核心,參與學教授可藉此共同交換心得,並可作為前一屆學程學生學習成果展現的平台。大三暑假及大四上學期則必須修習「學士論文」,由學教授指導參與系統設計與應用之專題研究計畫,並將成果發表為學士論文。第四層則是以專題研究計畫參與校內外各項專題競賽、學程學生甄試研究所、以及學程學生畢業後就業,做參與學程學生學習成果之評量。

2.2 「生醫光機電工程學程」課程規劃

1為「生醫光機電工程學程」課程規劃總表。本學程共計25學分,其中包括基礎課程12學分、進階課程12學分、以及必修1學分「生醫光機電工程專題討論」、0學分「學士論文」。

1. 「生醫光機電工程學程」課程規劃總表

 

 

課程名稱

學分

開課單位

備註

 

12

近代生物學導論

3

機械系

必修

醫學工程概論

3

通識中心

二選一必修

生物科技概論

3

通識中心

二選一必修

機械設計(上)

3

機械系

選修

電子電路學

3

機械系、電機系、通訊系

選修

電腦網路

3

通訊系

選修

程式語言

3

機械系、電機系、通訊系

選修

 

 

 

 

 

12

生醫機械工程

3

機械系

選修

醫學工程原理與應用

3

機械系

選修

機電整合

3

機械系

選修

生醫電子學

2

電機系

選修

生醫光電學概論

2

電機系

選修

生醫信號處理

3

電機系、通訊系

選修

醫學影像處理

3

通訊系

選修

遠距醫療

3

通訊系

選修

醫療儀器法規概論

2

電機系

選修

專利分析

3

機械系

選修

三下

生醫光機電工程專題討論

1

工學院

必修

四上

學士論文

0

機械系、電機系、通訊系

必修

基礎課程12學分中包括必修「近代生物學導論」,以及「醫學工程概論」、「生物科技概論」兩門課二選一必修,以加強工程科系學生生醫方面之基礎知識,其他「機械設計」、「電子電路學」、「電腦網路」、「程式語言」則為機械、電機、通訊三系在生醫應用上所需的基礎工程技術課程,鼓勵學生跨領域選修。

進階課程則皆為機械、電機、通訊三系在生醫應用上的專業課程,介紹工程技術在生醫系統可能的應用,並提供學程學生光、機、電在生醫應用上工具的學習。除了工程課程外,並針對生醫光機電高科技產業特性,規劃「專利分析」與「醫療儀器法規概論」兩門法規及智慧財產權相關課程,增加學生相關概念。

最後必修1學分「生醫光機電工程專題討論」、0學分「學士論文」則是為了達成本計畫之核心目標,讓每位學程學生均能有系統應用之經驗,並能具體展現、評量學程訓練成果。本學程規劃每門課程內容,特別是在此學程之角色,一一簡述如下。

l          近代生物學導論 (Introduction to modern biology)

瞭解生命的運作模式以及生物與環境的互動,讓學生經由對生命及環境的認知,以便未來對機械的設計與應用能將此考慮進去,並融入對人性和環境的尊重。本課程包含(1)生命的化學,能量的獲得、釋放和轉換、(2)細胞的構造和運作模式、(3)生物的器官和系統及其運作模式、(4)生物的生殖和遺傳,及其分子基礎、(5)生命個體的生長和分化,生物的演化、(6)生物和環境的互動。

l          醫學工程概論 (Introduction to Biomedical Engineering)

醫療的各種行為其目的乃在於藉由各種外在的輔助或治療來達到維持生命現象或提升生活品質及便利,而其中最重要的便是來自於「工程」與「醫學」的結合。而所謂的「醫學工程」便是結合醫學、力學、電機、資訊、機械、材料、化工...等,故本課程即介紹各種不同領域學問的一門應用科學,藉由各種不同學科領域的結合,以治療或輔助人體的各種生命現象與行為為主要目標。本課程內容包含(1)醫學工程的領域與定義、(2)生醫訊號的介紹、(3)量測用醫療儀器的介紹、(4)生醫系統的介紹、(5)生醫材料的介紹、(6)臨床工程應用的介紹。

l          生物科技概論 (Introduction to bio-technology)

近來由於遺傳工程、細胞融合、蛋白質工程等新興關鍵性技術之發展,生物科技已成為當今應用生物學界最受重視的研究領域之一,而生物相關產業也成為各國政府爭相鼓勵的明日之星。本課程主要介紹近代生物科技發展的基本知識,並引導學生應用其科系專業知識於生物科技領域,其內容包含(1)生物科技之發展與重要性、(2)細胞及分子生物學概論、(3) 生物科技之技術原理與應用、(4) 生物科技之倫理。

l          機械設計 (mechanical design)

機械設計課程希望在為同學們建立一個「機械設計工具箱」,使同學在這一門課中能夠接觸到各類不同的設計方法與設計工具,並獲得正確的基本觀念,以便日後從事生醫機電系統設計工作時,了解有哪些設計方法與工具可以使用,能夠正確地使用這些設計工具,並且也能有足夠的能力能夠自行深入探索。課程內容包括一般機械元件原理介紹、設計方法、機構設計、機電整合設計、創意設計。

l          電子電路學 (Introduction to Electric Circuits and Electronics)

利用各種電子元件及微電腦介面電路控制機器,對於生醫光機電工程學程學生而言,是不可或缺的技術能力。本課程教導學生建立電路學及電子學之基本知識,以做為未來在實際應用上所遇到的設計電子儀器及控制系統的基礎,其內容包含(1)電路學、(2)交直流電路分析、(3)頻率響應、(4)暫態響應、(5)交流電力系統、(6)半導體與二極體、(7)電晶體、(8)電晶體開關與放大器、(9)運算放大器、(10)電子儀表與量測系統。

l          電腦網路 (computer networks)

在生醫光機電整合學程裡,電腦網路扮演著一重要的角色,尤其是在醫療資訊系統的應用裡,可藉由網路連結醫護端及病患端∕照護端,以達到遠距醫療的目的。本課程內容將包含(1)硬體部份:a.探討網路通訊介質及各介質的傳輸特性、b.網路拓樸概念及各種拓樸的優缺點與網路拓樸設計;(2)通訊協定:探討通訊模式及ISO制訂的七個通訊層架構,包括實體層、資料鏈結層、網路層、傳輸層、對話層、表示層、應用層;(3)基本通訊理論,包括頻寬概念、傳輸速率、多工技術。授課方法除了理論以外,並會安排程式課程,讓學生學習如何使用TCP/IP技術,並實地傳輸資料,以印證所學。

l          程式語言 (Programming Language)

本課程以計算機硬體及軟體之基本介紹為始,逐步引入程式設計的觀念與方法,藉以讓學生熟悉程式設計,便於開發生醫機電光等應用程式。本課程規劃以物件導向為基礎,逐步導入C++程式語言。內容著重程式設計能力之訓練及其在工程上之應用,同時輔以程式設計過程所應注意之程式結構、偵錯、可攜性、軟體工程的基本概念,使學生得以建立設計程式語言之基礎。有關電腦繪圖與數值方法之基本概念亦將於程式語法純熟後予以介紹。課程大綱包括(1)計算機系統概論、(2)物件導向基本觀念、(3)VISUAL C++程式設計環境、(4)程式結構、(5)基本函數呼叫、(6)流程控制、(7)資料結構、(8)電腦繪圖與數值方法。

l          生醫機械工程 (Biomechanical Engineering)

生物科技於二十一世紀所爆發的潛力為大家有目共睹的,在醫藥及醫療方面的應用更是無可限量。本課程的目的為使學生對機械工程應用於生物醫學領域有概括的了解,進而進入生醫工程的領域,了解各式各樣醫療器材與機械之結構及控制間緊密的關係。課程內容包括X光學檢查、電腦斷層、核磁共振、心導管、心電圖、霍特氏心電圖、超音波、血行力學、呼吸器、骨科醫材、內視鏡、介入性醫學、醫院參觀、臨床資訊整合。

l          醫學工程原理與應用 (Principles and Applications of Biomedical Engineering)

近二十年來由於臨床醫學之進步,人類壽命大幅提昇,人們需要在顧及生命尊嚴與生活品質的前提下延續生命。因此,近年來有關生命科學與醫藥科技的發展,逐漸受到各先進國家的重視。「醫學工程」顧名思義在「以工程的知識解決醫學的問題」,是一項結合工程技術與基礎醫學之跨領域學門,與生物科技並稱為二十一世紀的明星工業。本課程在教導學生醫學工程的基本原理與核心知識及其醫學工程的臨床應用,內容包含下列四大要項:(1)生醫電子工程、(2)生醫機械工程、(3)生醫材料工程、(4)臨床工程。

l          機電整合 (mechatronics)

整合不同領域之技術為現代工程科技發展的必然趨勢,結合機械及電子原理再以電腦為基礎之技術相結合,以做為機械之智慧控制,程序控制及機械結構。本課程主要建立同學在機電整合工程(mechatronic engineering)及自動化機械與系統(automated machinery and system)兩方面廣博的基礎知識、整體系統概念以及實務經驗。同學將分組應用樂高組件,配合可程式控制器(PLC)68HC11單晶片微控制器,設計並製作出可實際運作之雛型自動化機械。其課程內容包含(1)致動器、驅動器與機構之相關應用、(2)感測器與控制介面界面、(3)電氣控制、(4)電子邏輯控制、(5)微電腦控制、(6)單晶片微電腦控制、(7)個案研究。

l          生醫電子學 (Biomedical Electronics)

生物醫學工程,是全球未來至少十年的科技產業發展新趨勢。台灣憑藉電子電路設計能力完整、生產能力優異、應變迅速等優勢,在此一領域產業發展,近年來在小型醫療儀器等特定方面已有亮眼成績,生產量居全球重要地位。為配合台灣醫療儀器“小而美”的產業特性,在邁向產業升級的關鍵時刻,本課程規劃多項內容,介紹電子電路知識應用於生醫工程時的種種特殊情況,旨在使學生未來不論升學或就業,都能迅速銜接熟悉生醫工程的特點。內容包括(1)生醫電子電路概念、(2)小型生醫儀器系統架構介紹、(3)生醫信號前置處理、(4)生醫信號雜訊濾除電路設計、(5)生物電極與相關電路介紹、(6)生物晶片與生物感測器介紹、(7)醫療儀器電性安全設計。

l          生醫光電學概論 (Introduction to Biomedical Optics)

非侵入式量測與治療技術,由於安全性、使用親和度高等特點,為現今全球生醫工程研發重點。而光電技術在非侵入式生醫技術開發中,由於符合上述特性,是最有可能大放異彩的領域。在實際進行此一研發工作時,學生需先具備光學應用於生物體的基本知識,再結合電子、機械設計等技術配合,才足以創造出嶄新的研究成果。本課程將由淺而深、由元件選擇至系統設計,期望使學生對光電知識於生醫工程應用,能有初步認識。課程內容包含(1)生醫光電系統設計概念、(2)生醫常用光源介紹、(3)光訊號處理元件與系統、(4)生醫光電常用電路介紹、(5)干涉、繞射、散射原理與應用、(6)人體透射、散設光譜及其應用、(7)現今醫學影像技術原理介紹。

l          生醫信號處理 (Biomedical Signal Processing)

生醫信號處理是生醫工程、醫療儀器的原理基礎,對我國現今醫療儀器發展邁向產業升級具關鍵角色。本課程由生醫工程的觀點使修課同學建立生醫信號量測與生醫信號處理之基礎能力,內容共分九個單元,(1)生醫信號簡介、(2)數位信號與系統、(3)類比∕數位信號轉換、(4)DFT/FFT之原理與生醫應用、(5)數位載波器設計與生醫信號強化與雜訊消除之應用、(6)陣列處理原理與生產應用實例、(7)生醫影像之處理基礎、(8)生醫信號統計分析程序基礎、(9)生醫信號處理實現。

l          醫學影像處理 (Medical Image Processing)

在醫學資訊的領域裡,除了病患之生理訊號以外,另一重要資訊就是病患在放射部門所照的醫學影像,包括X光片、CT(電腦斷層)、MR(核磁共振)、Ultrasound(超音波),PET(正子發射斷層)等等影像,醫師可藉由這些醫學影像以診斷出病人的疾病,及給予相關之治療。本課程規劃將包括(1)醫學影像成像原理介紹、(2)醫院PACS(影像儲傳系統)介紹、(3)影像處理技術、(4)圖形識別基礎、(5)醫學影像之分析及應用。課程中並將輔以程式實作,以讓學生瞭解影像處理之過程,最後並安排書報討論,讓學生研讀相關論文報告,以瞭解醫學影像處理研究領域所探討之問題。

l          遠距醫療 (Telemedicine Systems and Applications)

遠距醫療為現代醫學中重要的一環,進行包括從遠距傳輸影像等有關病人的資訊之相關活動及診斷均可視為遠距醫療的一部份,本課程內容將包括(1)通訊網路之基本觀念,使學生瞭解資料傳輸的原理;(2)多媒體通訊,使學生瞭解有關醫學影像、生醫訊號、以及視訊與其他資料在傳輸上所面臨的種種問題,如,資料壓縮,傳輸安全性等;(3)遠距醫療上的通訊協定及標準,將介紹有關DICOMHL7IHE等,以使學生瞭解開發醫療資訊系統所需採用的標準;(4)遠距醫療系統及應用,介紹如遠距會診、遠距照護、救護車急難救護等相關的遠距醫療系統;(5)最後再輔以書報討論,讓學生自己研讀相關論文並報告,以更深入瞭解遠距醫療研究領域所探討之問題。

l          醫療儀器法規概論 (Introduction to Biomedical Instrument Regulation)

生醫工程產業與一般電子產業最大差異在於由於醫療儀器與人體接觸頻繁,需受法規於研發、使用、製造、售後服務等規範,以確保安全性與確效性(Safety & Efficacy)。各國都有其管制法規(如FDACE),任何產品不論規模大小,若不符合規範,將完全無法上市販賣,因此可說是醫療儀器業者攸關生存的大事,但在國內生醫工程人才培育時,往往忽略此一課題的重要性。本課程旨在灌輸學生醫療儀器相關法規概念,使其後來進入業界或升學從事各方面研發工作時,能事先具備相關規範事項,使研發成果得以迅速銜接業界需求,不致於對此一產業特性有偏差認知。課程內容包括(1)醫療儀器法規涵蓋內容概述、(2)醫療儀器法規各國現況比較、(3)醫療儀器安全性分類與發展流程規範、(4)醫療儀器研發法規介紹與演練、(5)我國GMP要求工作內容、(6)醫療儀器申請認證過程介紹、(7)其他測試,如滅菌要求、軟體驗證、電磁干擾驗證。

2.3 光機電技術在生醫系統設計應用規劃項目

如前所述,本計畫核心目標,為對學生生醫光機電系統應用實務能力的培養。學程學生在大三下即開始透過「生醫光機電工程專題討論」課程,瞭解本學教授之各項專題研究內容,除多方瞭解生醫光機電應用領域之外,也能進一步選定有興趣之題目與指導教授,進行學士論文專題研究。如圖2所示,本學程首先由機械、電機、通訊三系參與學教授,共同在訂出元智大學現有資源及研究方向上,光機電工程技術在生醫系統之可能應用方向,概分為「生醫機電系統(Bio-mechatronic system)設計應用」,以及「生醫資訊電子系統(Bio-infotronic system)設計應用」兩大類,包括科技輔具、老人福祉科技、醫療自動化、病人模擬器、生醫儀器設計、生醫光電系統、和遠距醫療系統等七項,內容大致涵蓋機械、電機、通訊專業領域,但大致均為跨領域整合項目,無明顯之系所分野。各項系統應用方向可能之專題研究實際內容簡述如下:

2. 元智大學現有資源及研究方向上光機電工程技術在生醫系統之可能應用方向

l          科技輔具 (assistive technology)

近年來身心障礙者輔具設計在國內外都受到相當的重視,所謂“科技輔具”是指“任何產品、零件、設施,無論是商業化、改造、或特殊設計下之產物,其目的在提升、維持或增強身心障礙者功能者。”

事實上高科技輔具已經是一個相當龐大的產業,各式高科技輔具如盲用手錶、弱視特製眼鏡或放大鏡、助聽器、特製輪椅、震動式手錶、人工電子耳、閃光振動器及警示器、門鈴閃光器、無線震動警示器、電話擴音器、特製三輪機車、盲用觸摸顯示器、特製汽車含改裝及人工講話器等等,都可以帶給身心障礙者許多工作及生活的方便。除了上述一般性的機具設備輔具外,愈來愈多的工作需要使用電腦與網際網路,因此電腦相關輔具也漸成為設計的焦點,例如手杖、頭杖、嘴杖、掃描輸入等可以解決操作鍵盤時的困難,對於操作滑鼠有困難者,則可使用軌跡球、頭控滑鼠、眼控滑鼠等輔具,視障者可運用點字輸入、語音箱與點字輸出解決操作使用電腦的困難等等。

l          老人福祉科技 (gerontechnology)

隨著生活水準不斷的提高,醫療衛生長足的進步,國人平均壽命逐漸的延長,臺灣地區在199465歲以上人口即已達7%,而開始邁入高齡化社會,目前65歲以上人口已經超過200萬人。許多先進國家人口老化過程所引發的問題已經顯現,除了生產力降低等經濟面問題,以及各種社會福利、扶養、醫療等社會安全制度的問題之外,從科技面來看,如何應用各種科技輔助,使得生理機能漸趨衰退的高齡人士,仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,也是一個非常值得重視的重要課題。

“老人福祉科技”這項跨領域整合的新興科技就是在這樣的背景與社會需求之下產生,老人福祉科技基於對老化現象的知識,從事技術和科技產品的研究開發,希望能為高齡人士提供較佳的生活與工作環境,以及配合的醫療照護。此領域的專題研究,將著重在發展老人福祉科技產品或服務,設計科技與環境,使得高齡人士能夠健康、舒適、安全地獨立生活及參與社交活動。

l          醫療自動化 (Medical Automation)

智慧型分析與控制近幾年來已經成為另一種有別於傳統數學公式化模型的科學計算方式,並隨著個人電腦計算能力的發展,使得智慧型分析與控制更適合作為電腦運算上的發展工具。在智慧工程研究領域上一般是分為模糊邏輯、類神經網路和遺傳演算法,而此專題即探討智慧型分析方法對於在發展一通用醫療自動化監測與控制的演算法則。

本專題將分為對手術房麻醉、加護病房(ICU)的顱內壓監控及腦波對於意識程度的判斷,利用人工智慧科技針對各系統特性做一探討並建立起具通用性及強健性的病人模型,以作為醫療自動控制之用。另一項要點為開發一視窗環境下的監控系統,視覺化的人機介面讓護士或醫師能利用滑鼠點選功能及更改所需的設定,透過親切的作業環境及圖形介面讓醫護人員更能專心於對病人的照顧上。

l          病人模擬器 (Patient Simulator)

所謂模擬器(simulator)就是利用軟體或硬體的技術,將實際的情況以非真實物體呈現出來;航空界所用的飛機模擬器是最早的模擬器,由於飛機造價千萬,所以無法以真實的飛機來訓練飛行員,故發明了飛機模擬器,利用模擬器不斷的訓練飛行員起飛與降落的操作步驟,便可增加飛航的安全性,而且成效不錯,從此模擬器的概念漸漸的被應用在各個領域的教學。隨著科技的進步,醫療用途的模擬器開始蓬勃發展,因為人類的生命是無價的,所以無法當作醫生的教材,也無法作為年輕醫師的測試對象,醫療模擬器的發明就提供了一個安全的醫療教學方式;完善的醫療模擬器必須能夠提供許多的病例場景、提供教學模式與測試模式,並且與實際狀況差距不可過大,最重要的是能夠將整個醫療的細節與治療過程完整的呈現出來,達成教學的目的。

本專題是要建立人體在加護病房、開刀房以及神經內科等病人的生理訊號模型(Patient Model),以此模型發展出一套病人模擬器,模擬病人在各種症狀下的生理訊號,若醫師對此模擬器做出醫療處理,模型也能夠立即產生處理後的系統回饋訊號,達到症狀與生理訊號都能夠被模擬呈現,醫師可以選擇查看此症狀的生理訊號,或由模擬的生理訊號辨識現在病人的症狀,藉此教導或考核年輕醫生或護士正確的醫療觀念與處理過程。

l          生醫儀器設計 (bio-instrument design):高效能癌症電熱療系統之開發

癌症高居先進國家十大死因之首,因此癌細胞的熱療是當今熱門的研究課題,各種方式如超音波、微波等都被嘗試作為熱源,但由於癌組織區域標定方法與能量聚焦技術的解析度限制(如X光影像、超音波影像,解析度約為1mm),遭遇到的最大問題卻都是如何分辨正常細胞與癌細胞,那個細胞才是該被殺死的。由過去循環力學的研究成果觀點,我們對此有一個新的想法:由於癌細胞生長初期,會大量增生血管,且大肆行無氧呼吸使局部pH值降低,若藉金屬電極量測pH,即可偵測癌細胞可能的增生位置;偵測到可疑(suspect)位置之後,我們可直接藉電極通電流加熱,由於酸性組織導電度較高,且大量增生的血管也使導電度提高,癌細胞周遭將會通過較大的電流,免除前述癌細胞定位的困難,而提昇殺死癌細胞的效率,並使附近正常細胞不致於受到損害。此一運作方式,極有潛力與內視鏡系統整合,即可運用至體內各器官癌組織的診斷治療。

本研究方向,須整合電子電路與生醫循環力學的相關知識,由於熱療電流施加於人體,儀器設計還須特別注重漏電等安全課題。此外尚需建立一軟體人機介面,便於調整熱療電流之強度、頻率、配合電極種類大小……等重要參數,以利於初步實驗驗證之執行。這些工作大學部學生即有能力部份參與,因此參與之學生將可在生醫電子、醫療儀器系統設計、軟體人機介面……等方面,獲得實作經驗,未來就業或升學時,對生醫工程的研發工作可迅速銜接、發揮所長。

l          生醫光電系統:非侵入式生理信號光量測系統之開發

非侵入式生醫量測技術,由於安全性、使用親和度高等特點,發展與市場潛力無窮,因此成為現今全球生醫工程研發重點。光電技術由於具備非侵入式、量測迅速、使用方式便利等特性,是最有可能達成此一夢想的跳板。基於過去的研究經驗,我們將嘗試把光電量測技術應用於生理量測系統的開發。應用原理都是藉由手指的透射光譜,分析透過血管脈動的光信號,再連結至生理參數,發展方向主要有二:

(1)    非侵入式生化檢驗技術:分析血中特定成分的光譜,觀察其變化情形,以建立光譜強度與生化成分的校正線,以此原理即可發展出此一成分的光量測技術。初期將以血氧絕對濃度為發展目標,血氧濃度光量測技術目前僅有相對濃度值,臨床應用上受限而只能提供存活指標(vital sign),無法藉以評估血中實際含氧量。此一技術發展將可對人體微循環供血、養分供給、復原能力等生理狀況,提供最直接、最迅速的資訊。

(2)    血壓波形光量測技術:藉由類似原理,若將前述光譜鎖定血液中含量較不易變動的成分,透射光譜即代表血管管徑的變化,據此可推算出血壓波形的變化情形。結合中央研究院物理所生物物理實驗室開發出的“共振理論血壓波形分析法”,由血壓波形量測分析,可對全身循環血量供給分佈做評估,可應用於藥物效果、復健狀況等生理評估。此一技術若與上述生化檢驗技術結合,還可定義出“組織應用血液效率”(循環血量∕組織應用)的生理指標,這也是另一項目前全球尚未發展出來的重要生理評估技術。

l          遠距醫療資訊系統 (Telemedicine Systems)

所謂遠距醫療就是結合電腦和通訊技術,進行從遠距傳輸影像、生醫訊號等有關病人的資訊之相關活動,以供醫療人員參考,解決緊急的醫療問題,遠距醫療資訊系統應用可包括:遠距會診、遠距照護、救護車急難救護等。

本專題的實作,整合了基礎課程與進階課程,如電腦網路、醫學影像處理、及遠距醫療等,使學生在修習上述課程後,藉由此專題的實作,能達到學以致用的目標。本專題主要讓學生自行開發一套遠距醫療資訊系統,能夠傳輸包括醫療影像、生理訊號、並結合醫用數位成像與通訊標準DICOM3.0 (Digital Imaging and Communication in Medicine)用以跟醫院的影像資訊系統PACS ( Picture Archiving and Communication System )相連接;並整合了視訊會議功能,以拉進遠距會診時兩端醫師彼此之溝通距離;同時,提供金鑰憑證機制,以增加系統之安全性,確保資料傳輸的安全與完整;在會診過程中,系統內建影像處理與分析功能,並且提供電腦支援之協同控制的工作環境CSCW(Computer-supported cooperative work)使醫師在會診時,能有更便利的使用環境。因此,不僅在遠距會診上,能達成改善偏遠地區之醫療服務品質的目的,同時,藉由系統的影像視訊傳輸溝通功能,與生理訊號監控與傳輸功能,也可以應用在慢性病患與老人的居家照護。

學程學生學士論文研究成果,可在次年之「生醫光機電工程專題討論」課程進行發表,亦可進一步參加校內外各項競賽,如本校工程學院論文競賽,中國工程師學會大專學生論文競賽、國科會大專學生研究創作競賽、創意實作競賽等。參與競賽成果以及學程學生甄試進入各校研究所的成績、或直接就業的情形,都將用來作為本學程學生學習成果指標。

2.4 計畫進行步驟及時程

3所示為本計畫計畫進行步驟及時程。本計畫共分三階段進行,從現在至20048月學程正式實施前,均為規劃、準備期,主要工作在學程之規劃、協調工學院及各系做學程相關課程之準備,以及學程申請相關行政流程之進行。此階段查核點為20048月,查核項目為學程相關課程已完成開課準備,學程申請相關行政程序已完備,次學期可正式開始實施。

20048月起的一學年為學程模擬實施期,此學年中大三、大四學生因不及修習學程基礎、進階課程,可能無法達成學程之要求,但是學程核心「生醫光機電工程專題討論」及「學士論文」等課程仍可實施,開始培養學生系統應用實務能力,同時瞭解學程運作是否有困難,是否有需要修正或各單位配合處。同時此學年中將針對大一、大二學生重點宣傳,參與此學程。此階段查核點為20058月,查核項目為學程相關課程是否均順利開課,大一、大二學生註冊參與學程之人數。

20058月起的一學年為學程正式實施期,此學年中本學程將正式完整運作,並預期200612月已有學生可以完成學程要求,獲得學程證書。前一年參與「生醫光機電工程專題討論」及「學士論文」等課程之學生,雖然可能無法完成學程所有課程要求,但其專題研究成果在此學年仍能參與各項競賽,對本學程學生學習成果作初步評量。此階段查核點為20067月,查核項目為預估本學年完成學程之學生人數參與學士論文學生成果之評量。

3. 本計畫計畫進行步驟及時程

3.         學校提供之資源

本計畫「生醫光機電工程學程」之成立,元智大學依據校內學程設立相關辦法,在行政體系上均會給予完整協助,且開課學分數上也會提供彈性。本計畫由機械、電機、通訊三系系主任直接參與,在系內行政、課程、教學實驗室等資源協助上,均會做完整配合。

在學程所需經費上,教學、實驗所需設備,除向國科會申請外,元智大學依據校內相關辦法,也會相對提撥20%設備配合款。在執行學生專題研究所需經費上,除向國科會申請外,元智大學機械、電機、通訊三系亦將相對提撥20%輔導教學費配合款。計畫結束後,除循元智大學校內系統爭取固定資源外,亦應以本計畫成果爭取產學合作案,邀請產也界共同支助本學程營運。

4.         人力與經費需求

人力需求方面本計畫主持人及共同主持人共八位,包含元智大學機械、電機、通訊三系系主任,以及三系研究及授課專長在生醫系統方面的教授,負責學程規劃、行政準備,與實際授課、帶領學生做專題研究。本學程生物學、生物科技、以及部分醫學應用方面的課程,仍須邀請相關專家協助規劃,因此除校內教授外,也邀請與元智大學合作密切的署立桃園醫院,心血管外科主治醫師陳高揚博士參與本計畫,做這方面課程的協助,同時作為大學與醫院實務需求之橋樑。每位主持人及共同主持人各需兩位研究生助理協助資料蒐集、課程教材編纂、及專題研究進行。學程整體行政工作則由各系現有行政人員支援,計畫僅支付部分工讀金。