中原大學醫學工程研究所學位論文
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在人口年齡結構日趨老化的現代社會裡，骨質疏鬆症是日益嚴重的大眾健康問題，在眾多預防與治療骨質疏鬆症方法中，以增加食物中鈣質攝取量，為最常被建議所使用的方法之ㄧ。然而傳統鈣劑溶解度低，不易被人體所吸收，因此本研究之目的在於探討，利用研磨方式將鈣劑奈米化，並進行其物化鑑定、生物安全性試驗與功效評估試驗。 製備出之奈米鈣劑，分別利用動態光散射粒徑分析儀、掃描式電子顯微鏡、原子力顯微鏡與X光粉末繞射分析儀，且探討鈣質可吸收率與生物利用率，及奈米化鈣劑之物化性質。在安全性評估方面，則進行7天急毒性試驗與28天亞急毒性試驗。在體外評估試驗，利用MTT及TRAP染色法以評估骨細胞活性與形態。在動物評估試驗中，將小鼠卵巢切除後，再分別投予傳統鈣劑與奈米鈣劑並添加維生素D3，於實驗6個月後，利用雙能量X光測定儀測定小鼠骨質密度變化；並測定血清中鹼性磷酸酵素之活性；而後，再作小鼠股骨組織切片染色分析，觀察骨質生理之變化。 實驗結果顯示，傳統鈣劑經研磨後所形成之水相奈米微粒，其平均粒徑可由2000∼3000nm降至200∼300nm，且經掃描式電子顯微鏡與原子力顯微鏡觀測得知，其形態呈現圓形，由X光粉末繞射分析儀得知，其晶格結構不受影響。且發現奈米鈣劑可吸收率與生物利用率高於傳統鈣劑。在7天急毒性試驗與28天亞急毒性試驗中，發現未造成ICR小鼠死亡，只能求得最大耐受量為2.34g/Kg/day。 在體外評估試驗，發現粒徑為200∼300nm，濃度為0.5mM與1.5mM之鈣劑有促進造骨細胞之存活率，但在濃度為2.5mM與5mM，對於造骨細胞存活率有下降之趨勢。在蝕骨細胞方面，發現不論是傳統鈣劑或是奈米鈣劑，濃度在1.5mM、2.5mM與5mM則會降低蝕骨細胞之生成數。 在動物功效評估試驗，顯示出共同投予傳統鈣劑與奈米鈣劑併用維生素D3，在骨密度的改善與股骨組織切片染色及血清中鹼性磷酸酵素之活性方面上，且奈米鈣劑更優於傳統鈣劑。 利用研磨技術可將傳統鈣劑製備為穩定的奈米鈣劑，安全性評估證實奈米鈣劑不具有毒性，鈣劑確有調節骨質代謝的效果，可能是藉由抑制蝕骨細胞的活性來降低骨質流失，且可活化造骨細胞，促進骨質生成；奈米鈣劑與維生素D3併用可能有更好的效果。
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本研究目的是發展低價格且能長時間記錄光體積描記圖和血氧濃度的記錄器。此記錄器是利用具有轉檔錄音功能的市售MP3數位錄音機來將所記錄的光體積變化描述圖壓縮成MP3檔案格式。光體積變化描記圖訊號以350Hz的頻率取樣記錄後再傳送到電腦進行訊號的處理分析。由於可攜式數位錄音機通常使用低電壓的電池來提供電力，因此不用顧慮使用時的電安全問題。這種安全且便宜的生理訊號記錄器將方便人們經常性地記錄與檢查自己的生理狀況，並且有助於提早偵測出心血管系統的問題。MP3錄音機只要內建有1 GB的快閃記憶體，就可以記錄超過10小時的訊號，因此真正可記錄的時間長度是受限於電池的所能提供電力的時間長度。 文獻報告曾指出在運動後的心率恢復速率可以做為評估心血管系統狀況的有用指標，也就是在運動停止後的第一分鐘內心率恢復如果低於12次，將來會有較高死亡率。MP3錄音機所使用的16位元類比/數位轉換器，因為具有非常高的訊號解析度和非常大的動態範圍，加上所使用的快閃記憶體錄音機兼具有體積小和重量輕的優點，因此方便在運動時隨身攜帶在身上，隨時記錄心率與血氧濃度的起伏變化情形。雖然心率和血氧濃度不能在記錄過程中立即顯示在記錄器上，但這反而可使量測結果更為客觀。將所記錄分析的心率和血氧濃度與市售的醫療儀器進行比較測試的結果顯示，兩者之間血氧濃度值的差異小於2％，而心率值和變化趨勢則幾乎完全一致。
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本課題的目標為建構無線感測網路平台，探討其於居家照護應用之可行性。平台的建構是以Zigbee為基礎的無線感測網路，含五組無線感測節點之設計製作以做為擷取感測訊號之用，藉iZAP堆疊平台整合無線感測網路，應用在遠距居家照護系統。無線感測網路通訊效能是本課題的探討重點，測試項目包含資料收集中心的最大頻寬、障礙物對於通訊效能的影響與無線感測網路拓樸的傳輸限制。 無線感測網路的頻寬與距離範圍測試的探討結果顯示，資料收集中心的通訊頻寬上限為400 bytes/秒，最遠通訊距離為10 公尺。木門障礙對於Zigbee的通訊影響測試結果指出，在通訊路徑與木門成900角時，具有最佳通訊效能，且可穩定傳輸的最遠距離為3公尺；鋼筋混泥土之轉角障礙對於Zigbee通訊影響的測試結果是，穩定通訊地最遠距離可達4公尺。樹狀式無線感測網路是藉由Router節點協助轉傳封包，因此在同一樹枝線上的Router節點數將影響其通訊效能，這方面的結果顯示與預測相同，也就是傳輸路徑有越多的Router節點，則通訊效能越低；又，當路徑改變時，Router節點因重新搜尋新路徑需得花費時間，其時若資訊充塞，訊息遺失將不可豁免。在星狀式多點傳輸的模式下，因感測節點競爭通訊權，獲權者才可進行資料傳送；實驗結果顯示，當其中一節點連續傳送訊息且速率高於100 bytes/秒之時，其他節點因無法取得通訊權，將有訊息資料遺失之虞。 以現今Zigbee科技發展階段而言，將之運用於高速連續式生理訊號的通訊，其限制性較大，但若將Zigbee 做為傳遞訊息式生理訊號的工具，可行性則較高。
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光動力療法（Photodynamic therapy，PDT）乃利用光感藥物可選擇性的累積於特定腫瘤組織，並吸收特定波長光能引發光化學反應之特性，進而產生活性氧分子對於腫瘤組織造成專一損害性，以達到癌症治療效果。先前研究顯示四種葉綠素衍生物 pheophytin a（A3）、pheophytin b（B3）、pheophorbide a（A4）、pheophorbide b（B4），能夠對於人類舌癌鳞狀細胞（SCC-4）產生光損害性，然而對於細胞死亡機制卻不清楚，因此本實驗針對四種葉綠素衍生物，個別進行探討其在 PDT 後誘發 SCC-4 死亡之機制。以 MTT 試驗探討不同藥物濃度經過紅光發光二極體（660 nm，10 mW/cm2）照射對細胞之致死率，結果發現光照能量 5.1 J/cm2，A3 及 B3 在濃度 250 ng/mL，A4 及 B4 在濃度 125 ng/mL 時，SCC-4 細胞致死率皆達 50 % 以上。在相同藥物濃度條件下，若光照能量增加為 10.2 J/cm2，SCC-4 細胞致死率則增加至 75 % 以上。藉由 Annexin V/PI 染色，觀察 PDT 後之早期反應，發現 A3 及 B3 大部分只有累積 Annexin V 染劑，具有細胞凋亡前期特性，而 A4 及 B4 則發現大量 Annexin V 與PI，具有細胞壞死現象。並且 PDT 後皆造成細胞形態損害與粒腺體膜電位喪失現象。此外，利用西方點墨法觀察，發現四種葉綠素衍生物在經過 PDT 後，皆造成細胞色素 c 由粒腺體釋放至細胞質中，並且發現 caspase-9 活化作用及 PARP 斷裂，其中 A3、A4 還造成caspase-8 及 caspase-3 活化作用。在 PDT 後 12 小時，皆發現具有染色體濃縮與 DNA 斷裂之現象，亦具有 LDH 釋放之壞死作用，而 PDT 後 24 小時 DNA 斷裂作用更顯著。本實驗結果了解 A3、B3、A4、B4-PDT，對於 SCC-4 細胞在早期皆具有凋亡訊號產生，並且具有壞死與凋亡共存作用，引發細胞死亡。此結果應能夠進一步應用於未來動物實驗之參數，並作為臨床治療條件之重要參考依據。
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低能量光照具有促進細胞增生、加速傷口癒合及調控細胞活性的特性，目前各界正積極探討其對於各種生物細胞之影響。人類骨髓間葉幹細胞 ( human bone marrow mesenchymal stem cells，hBMSC ) 因具有多向性分化能力，具有醫療潛能，但在臨床應用上常有數目不足的問題，如何促進 MSC 之增生，為目前幹細胞研究的重點之一。本研究將探討紅光 ( 660 nm ) 發光二極體 ( Light emitting diode，LED ) 光照刺激對於 hBMSC 增生及硬骨分化的影響。實驗結果發現以5 mW/cm2、1 J/cm2單次光照，及 10 mW/cm2、4 J/cm2 連續光照刺激，可促進以 2 % FBS培養之 hBMSC 之生長速率；而 10 mW/cm2、2 J/cm2連續光照刺激，可促進以10 % FBS培養之 hBMSC之生長。而在光照刺激 hBMSC 形成CFU-F個數之結果發現，光照刺激參數：5 及10 mW/cm2 ，1、2及4 J/cm2 連續光照刺激和 10 mW/cm2， 1 J/cm2單次光照刺激，均可促進 hBMSC 形成 CFU-F個數的增加，其中以 10 mW/cm2 ，1、2及4 J/cm2 連續光照此三種參數表現最佳。利用此三種參數刺激 hBMSC 硬骨分化，發現能量1 J/cm2 連續光照，可以使 hBMSC 之鹼性磷酸酶活性提高，此研究結果證明某些光照參數可以增加 hBMSC 形成 CFU-F 個數和促進硬骨分化
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就如同心電圖一般，可協助連續血壓訊號進行心臟方面疾病之診斷。在臨床應用上，侵入性血壓量測裝置可提供連續血壓訊號，雖精準卻不可能在一般例行性檢查中進行。非侵入性血壓量測計可應用於一般檢查或居家環境中，卻僅能提供收縮壓與舒張壓兩個特徵值，無法呈現完整血壓訊號的資訊。 本研究建構之系統主要包括血壓校正量測系統、穩定之恆定壓力控制迴路及LabVEIW即時訊號處理程式。以單晶片MSP430為核心，搭配PI(比例-積分)控制器進行電動幫浦電壓調控，將氣囊內壓維持於39~41mmHg之間以進行長時間的連續血壓訊號量測。 本研究針對10位無心血管疾病之正常年輕男女的自願受測者，利用憋氣實驗以改變人體生理狀態，並以自製的非侵入式連續血壓波型量測裝置。於憋氣前、憋氣中與憋氣後量測手臂及手腕兩部位的連續血壓波型訊號，即時推導出周邊血管模型與周邊血管特性之關係，藉此探討正常受測者在周邊血管特性之間的差異性。同時評估系統訊號處理程序的有效率以及準確度。 在每一個連續血壓訊號區段進行特徵值分析之前，會先判斷訊號是否會因電動幫浦的充氣動作或是達到飽和狀態，而導致結果偵測錯誤；因此，血壓有效訊號之評估主要可分為整體有效率、手臂有效率以及手腕有效率，其平均有效率分別為：70.62%、73.88%、94.34%。接著比較在相同的頻率範圍下，手臂及手腕的血壓特徵值之間的相關性；將手臂及手腕原始訊號經過相同的頻率濾波後，以人工的方式來檢查各特徵點之偵測結果是否正確。由結果得知，手臂及手腕訊號在每個對應心搏的血壓特徵之平均偵測率，分別為：90.96%、83.13%及45.87%；另外，訊號經過整體平均處理後的血壓特徵平均偵測率，分別為：99.76%、85.93%及53.12%。在每個對應的心搏或是經過整體平均處理的所有血壓特徵之相關度，並沒有呈現出相同的趨勢變化，因此大部份的相關度均不高；其中，有兩位受測者部份的血壓特徵(血壓振幅及增大指數)分析，則是呈現負相關。 本研究尚有許多值得探討與需要改良的地方，如增大指數(AIx)特徵點P1之偵測方法：雖已有學者提出方法，但實際結果還是會有誤差，若能找出更好的方法，對於增大指數分析是非常受用。
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在臨床應用上，侵入性血壓量測裝置可紀錄連續血壓訊號，雖精準卻不能在一般例行性檢查中進行。非侵入式血壓量測計可應用於一般檢查或居家環境中，卻僅能提供收縮壓與舒張壓兩個特徵值，無法呈現完整血壓訊號的資訊。 本研究改良連續血壓系統，進行系統周邊裝置改良以及功能建構，主要包括血壓校正量測系統、周邊裝置及恆定壓力控制迴路。本系統內部以數位訊號處理單晶片進行即時特徵參數偵測與數位訊號處理，配合微處理器MSP430，搭配PI(比例-積分)控制法進行電動幫浦電壓調控，將氣囊內壓力維持於39~41mmHg之間，達到長時間、即時擷取連續血壓訊號之目的。 本研究針對六位正常年輕自願受測者，進行憋氣實驗以提升血壓與心率，同時利用所發展之非侵入式連續血壓波型量測裝置測量正常受測者手腕與手臂之連續血壓波型，並計算其血壓波型增大指數(augmentation index, AIx)、周邊阻抗(peripheral resistance)、動脈血管順應性(arterial compliance)等參數並以評估本裝置之正確性。實驗結果分為憋氣前、憋氣中與敝氣後，利用本系統即時處理之結果與Matlab處理結果進行比對。 系統測試結果，針對六位受測者，測試系統校正功能與床邊監視器(Spacelab 9036)所偵測之平均血壓、收縮壓與舒張壓間的相關度分別為0.71、0.78、0.90。連續血壓量測功能，針對六位受測者，本裝置扣除電動幫浦充氣訊號區段與訊號飽和區段後，平均資料可用率為47.3％，平均資料正確率為78.5％。 本研究完成之非侵入連續血壓量測系統，以數位訊號處理單晶片進行即時連續血壓量測功能與AIx、時間常數等特徵參數之偵測。系統利用PI控制法改善電動幫浦達到穩態響應時間，並增加血壓校正模式在。在硬體架構上，需改進裝置產生飽和的情況，在軟體撰寫上，修改電動幫浦充氣訊號區段的訊號處理方式，即可提升系統資料可用率。另一方面AIx、時間常數與振幅的偵測法，若能做部分修正，即可提升資料正確率與裝置整體性能。
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在心臟疾病的診斷與治療上左心室的收縮與舒張的功能性測定是很重要的。室壁收縮與放鬆的功能可能可以從心動週期心室容積的變化中得之，利用四維心臟超音波影像，許多參數可以從心臟的容積時間曲線研究中取得，這些參數包括射血比率、最大排血率和最大充血率，而最大排血率到最大充血率的變化率可以表現出收縮與舒張狀態的功能。 在一個心臟週期，四維心臟超音波影像需要18到22個心臟影像的序列，每一個心臟影像序列可以從心內膜的輪廓計算出一個左心室容積。利用容積時間曲線可以簡易的找到舒張末期容積、收縮末期容積以及射血比率，而從容積時間曲線的一次微分計算可以得知最大排血率與最大充血率。在心內膜與心外膜的輪廓是使用動態邊緣模組，利用這些輪廓的資料，可以計算出室壁運動百分率以及室壁厚度百分率。 分析五個正常人的實時心臟超音波影像，其平均射血比率為54.75±6.71%，射血比率可以表示這些對象的左心室功能皆為正常，而在結果中顯示出最大排血率到最大充血率的變化率大者其射血比率也相對的較好(r=0.97)，也顯示出射血比率與室壁運動百分率和室壁厚度百分率參數也有很高度的相關性，相關度分別為-0.95與0.95。代表著左心室腔室在收縮期間所作用的力量較大，而從心室打出去的血液也會相對的多，腔室在運動時與心肌力在收縮時的功能性越強其射血比率會因此變的越高。
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光動力療法（Photodynamic therapy，PDT）為癌症患者提供另一創新之醫療概念；其原理是利用光感物質來標定腫瘤細胞，再配合特定波長之光源照射病變組織，進而選擇性的殺死癌細胞。具有不傷害周圍正常組織，以達到治療癌症的優勢。先前本實驗室已證實以菠菜所萃取出之葉綠素衍生物pheophytin a （A3），pheophorbide a （A4）、pheophytin b （B3） 及pheophorbide b（B4）可作為光感物質，導致人類肝癌細胞（HuH-7）死亡，本研究將持續探討PDT對HuH-7導致細胞死亡之作用機制。在研究結果發現四種葉綠素衍生物均會標定於HuH-7細胞之粒線體上，再給予紅光（660 nm）刺激執行PDT後產生大量之ROS，而這些ROS造成HuH-7細胞同時進行凋亡與壞死。針對凋亡之路徑探討結果發現，PDT造成HuH-7細胞的粒腺體膜電位喪失，使Cytochrome c從粒線體釋放至細胞質，Procaspase-9會被活化成Caspase-9，最後再活化Caspase-3。Caspase-3被活化後會將細胞核內的PARP切斷，使PARP失去修復DNA之功能，導致DNA斷裂，造成HuH-7細胞進行凋亡。
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本研究中，首先以單甲氧基聚乙二醇為起始劑對己內酯單體做開環聚合反應合成單甲氧基聚乙二醇-聚己內酯團聯共聚物(mPEG-PCL)。mPEG-PCL以琥珀酸酐改質為末端具有羧酸之化學結構並接枝於2-羥乙基纖維素(2-hydroxyethyl cellulose)側鏈得到具有梳狀結構的mPEG-PCL-g-2-hydroxyethyl cellulose團聯共聚物。使用氫質子核磁共振儀、紅外線光譜儀、掃描熱分析儀及凝膠滲透層析儀分析該團聯共聚物的結構與組成。由於該團聯共聚物具有雙極性(amphiphilic)，所以本研究利用1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene為螢光探針測量其臨界微胞濃度(CMC)並探究其形成微胞的行為，結果顯示團聯共聚物接枝纖維素後仍可形成微胞並且結構穩定，CMC為2.2×10-1 wt%~9.9×10-3 wt%。該團聯共聚物配製成5%、10%之水膠並以冷凍乾燥形成具有孔洞性薄膜，孔徑大小介於64~132.5微米；掃描式電子顯微鏡中發現5 wt%薄膜表面的孔洞較致密且分佈較均勻。在薄膜水中溶解度試驗中，純mPEG-PCL-g-cellulose的薄膜僅能在水中維持90分鐘。為了維持水中結構安定性，以該團聯共聚物水膠與末端改質壓克力的PEG-HEMA，並以AIBN加熱形成交互穿刺網狀結構的薄膜，結果顯示5 wt％薄膜混合10 wt% PEG-HEMA以及10 wt%薄膜混合20 wt% PEG-HEMA的可在水溶液中維持結構完整達七天以上。 本研究合成之團聯共聚物以纖維素為主鏈，導入雙性聚乙二醇與己內酯團聯共聚物(PEG-PCL)於纖維素側鏈作為藥物載體，預期可以應用於藥物釋放及組織工程。