中原大學醫學工程研究所學位論文
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一種新的非侵入式評估肱動脈動態順應性(compliance)的技術，其基礎是利用有關於動脈與臂帶模型之壓振式的理論。在充氣的過程中，分別藉由壓力感測器與微量流量計來測量臂帶於充氣時的壓力和體積變化，來建立出臂帶的特性；於洩氣的過程中，利用壓力換能器我們可以得到臂帶內的壓力與臂帶壓振波(OAs)，然後利用此兩種參數建立出包絡(envelope)。因此，一旦我們知道了臂帶模型與壓振波的封包，我們就可以計算在不同臂帶壓力下的每次心跳所造成的動脈體積改變量，也就是肱動脈的動態體積—壓力(volume-pressure curve)曲線。然後將此動態體積—壓力曲線，除以脈波壓，肱動脈的動態順應性即可獲得。然而在系統上，我們設計了一個間接校正的系統，用來校正經過系統運算後的動態動脈體積改變量。此外，為了確效系統上所測得之動態動脈順應性，在取得32位病人資料的同時，一並做了以超音波的方式來測量肱動脈的血流速，並計算其肱動脈的順應性，最後將兩者的數據進行比較。而這32位病人均是經由醫師診斷後，需要進一步進行動脈硬化度或動脈阻塞檢查的病患。最後在結果的呈現上，分別針對當臂帶壓等於平均血壓、收縮壓與舒張壓三處時，進行與超音波測到的數據來比較，並得到一正相關的結果，其相關度分別在平均血壓時r=0.707，在收縮壓時r=0.648，在舒張壓時r=0.773。這也表示了此系統採用壓振法所萃取出的壓振波特徵方式來評估動脈動態順應性上頗為有效。
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影像歸檔與傳輸系統(picture archiving and communication system, PACS)建置的訴求，是提供醫療人員便捷的診斷資料，但美中不足的是，在中大型醫院之就診高峰時段中，巨大的資料流會破壞系統建置初衷的美意；因此在現有的影像歸檔與傳輸系統架構上，融入智慧系統調控的概念是本研究之根本立意。 本研究透過系統資源調控工作站的運作，實現一個虛擬的系統管理者，監視系統運作效能，在PACS伺服器面臨負載過重時，進行系統資源調整，以維持伺服器穩定的效能表現。研究中依照各系統資源參數對於伺服器工作效能的影響力，定義出整體負載指數，以之量化伺服器效能的變化，作為評估伺服器工作狀態的依據。一般而言，PACS的影像傳輸途徑是經由影像擷取工作站傳送至影像伺服器中，再透過伺服器的分送服務，把影像資料傳遞到指定影像顯示工作站；因此，系統資源調整之負載分散機制的驗證，將在臨床負載分佈趨勢之模擬環境中，分別對上述兩階段的影像傳輸效能表現予以探討。 研究結果顯示，使用負載分散機制啟動閥值為60之高負載啟動情況下，兩階段的傳輸速率與未啟動機制前相較之下，分別提升了62.88%與73.92%；相同於前述實驗，當啟動閥值為15之低負載啟動情況下，兩階段的傳輸速率分別提升了62.39%與80.57%。根據以上的研究結果，吾人認為本研究所設計的反應機制對於臨床上應有所助益。預期它不但可以提升高負載狀況下系統的整體運作效能，並可改善臨床負載所造成的效能下滑趨勢。
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近年許多使用超音波技術偵測血液凝固的研究，多數探討靜態血液的凝固性質，而正常人體的血流皆為動態，故本研究嘗試使用都卜勒超音波量測動態血液之凝固性質，探討不同流管直徑、血液流速與血容比對血液凝固的影響。 本研究首項工作為建構一套可攜式的數位脈衝都卜勒超音波系統來應用於血液凝固的偵測。系統以微處理器為核心控制之單元，由數位訊號處理器即時計算與顯示都卜勒訊號，提供電腦端訊號擷取、分析與即時顯示的連結介面。經不同血容比血液與流速的驗證結果，顯示本自製數位脈衝都卜勒超音波系統的功能及準確性，適合用於血液相關特性的偵測。血液凝固於不同流管直徑的探討是使用直徑3 與7 mm的流管，調整血液之流速，使血流的剪應率皆相同；血液凝固於不同剪應率的探討則是在單ㄧ流管下設計兩種剪應率，分別為145 s-1、310 s-1。結果顯示在相同剪應率下，大流管之血流較小流管平均早224秒發生凝血。血流在相同流管直徑下，兩種不同的剪應率的實驗結果，顯示凝血的起始時間隨剪應率的增加而平均提前165秒。血容比對於流動血液凝固影響的實驗結果顯示，血容比由20%增加到80%時，凝血的起始時間平均提前225秒。而流速變化與散射訊號變化的時間差距並不因血容比上升而改變(p>0.1)。
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幹細胞具有自我更新及多向性分化的特性，具有修復體內受損器官及組織之潛能。因應臨床治療應用之大量細胞需求，促進幹細胞增生的方法成為目前幹細胞研究的重點之一。光照刺激屬於非侵入性的物理刺激，先前研究顯示其可促進細胞增生及增加相關因子表現量。本研究目的在探討低能量光照刺激 ( low level light irradiation，LLLI ) 對幹細胞之影響，所使用的細胞是大鼠骨髓間葉幹細胞 ( rat bone marrow mesenchymal stem cell，rbMSCs )，刺激光源採用波長 630 nm 之發光二極體 ( light emitting diodes，LEDs )，以不同的功率密度 ( 5、10和15 mW/cm2 )、能量密度 ( 2及4 J/cm2 )、頻率 ( 單次和連續 ) 進行光照刺激。在 rbMSCs 的基本特性探討中，發現 rbMSCs 具有分化成硬骨、脂肪及軟骨的能力；細胞活性會隨代數增加而降低，且低密度培養的細胞之增生速度較高密度培養的細胞快。LLLI 實驗結果發現以連續光照的方式對 rbMSCs 會有促進增生的效果，尤其以功率密度 15 mW/cm2、能量密度 4 J/cm2 之光照參數表現最佳。將此參數應用於 rbMSCs 硬骨、脂肪分化的過程中，發現光照刺激可以促進 rbMSCs 分泌鹼性磷酸酶、骨鈣素及降低三酸甘油脂的累積量。此研究結果證明特定參數光照刺激能促進幹細胞增生及硬骨分化，並抑制脂肪分化。未來可應用於幹細胞療法，以調控幹細胞增生及分化方向。
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定期生理參數檢測對慢性病患者極其重要卻也極具負擔。以糖尿病患者為例，每天的血糖監測是其賴以保命所必須。因此輕便精準生理訊號檢測儀的研發殊為重要。 電化學檢測方式具有微量量測、快速反應、準確度高和感測電路容易微小化及分析之優點。本研究以植入式系統為概念，整合無線雙向傳輸的技術與微型電化學感測器進行葡萄糖檢測，藉此探討整合系統之表現。 在本研究課程中，業已完成一套微型雙向無線電化學感測系統，主要可分為信號擷取分析子系統與微型電化學感測子系統兩部分。射頻傳輸頻率為820 kHz，發射線圈輸出功率均方根值為46.3 W，資料傳輸率為1200 bps。經無線傳輸距離探討，得知接收端耦合功率至少要大於76.5 mW才得以驅動微型電化學感測子系統正常運作，據此，進一步探究得本系統之傳輸距離最遠為3.2公分。在感測功能驗證方面，本系統偵測電流靈敏度為20 nA；在過氧化氫濃度介於0.002 ~ 0.1 mM時，感測電流線性度高達0.999；偵測葡萄糖濃度介於1 ~ 12 mM時，感測電流線性度可達0.997。於空氣或豬肉介質中發射線圈與接收線圈相距3公分並不會影響本系統感測功能性及準確性。注射維生素C的動物實驗結果證實本系統可以在老鼠體內正常進行感測。總理本研究，結果顯示吾人研製之微型雙向無線電化學感測系統，具有良好的感測線性關係，並克服無線傳輸距離困擾，達到淺層皮下植入檢測功能。
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血液透析設備性能的好壞，會直接影響透析病患的生命安全。因此，全球各先進國家對於設備性能特性的管理，大都採用標準規範，做為設備製造品質系統查驗與設備上市審查的依據，以確保設備的安全性與功效性，值得在國內參考、訂定與推廣。 本研究包括兩個部份。第一部分根據AAMI設備標準規範中的警報系統條款，進行包含1.除氣系統；2.排水的虹吸逆流防護；3.供水系統的逆流防護；4.透析液系統與血液迴路的監測與警報等四類條款的要求條件整理。另根據FDA設備上市審查指引中的申請設備之描述，進行包含1.物理的且/或電子的零組件；2.作用及功能；3.材料及生物相容性；4.軟體等四類，以及申請設備之性能，進行包含1.功能測試；2.水平危害分析；3.電學安全性測試；4.電磁相容性測試等四類要求資料整理。第二部根據第一部所整理的AAMI設備標準規範之要求條件，執行相關的查核檢驗。 由AAMI設備標準規範整理結果得知，這些要求條件已明確訂定設備運行中與即將產生安全危害時，其監測、控制、偵測與顯示等相關功能，應達到相當的準確度、靈敏度與安全防護措施等要求條件；由FDA設備上市審查指引整理結果得知，這些要求資料已明確指引申請設備應提供設備各組件的作用與相關功能之全面性的資料，以及設備的測試與相關分析之全面性的資料。另由已上市設備查核檢驗結果得知，膜上壓與靜脈壓之壓力警報值與AAMI標準規範有所不同，原因為壓力警報值的設定範圍可以適時變更調整；其他監測、偵測、控制、顯示與達到警報條件應產生安全防護措施等相關功能，皆符合AAMI設備標準規範的準確度、靈敏度與安全防護措施等要求條件。 本研究有系統的整理AAMI設備標準規範與FDA上市審查指引的管理要求，並由設備查核檢驗了解已上市血液設備符合標準規範之要求條件的實際情形，未來將有助於國內制定設備標準規範或設備上市審查要求法規一個重要的參考依據。
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生物醫學界仰賴顯微鏡活細胞培養系統之程度與日俱增，優化臻善之工作因之更為重要，尤其在該系統培養細胞之溫度、濕度與二氧化碳濃度控制為最。 本研究課題針對顯微鏡活細胞培養系統中之溫度控制系統進行改良，著重於培養皿內培養液中心位置溫度偏低之克服。所使用的方法是依據射頻電磁波可在鐵、鈷和鎳金屬上誘發渦電流並在其上產生溫升，以及射頻可使液體產生熱效應。 主要實驗設置含有一具射頻發射器和一座加熱平台。該平台仿自倒立式顯微鏡之培養皿置放機構，其特點在於該加熱平台具有加熱線圈置入及擺設不銹鋼環狀圓盤(內徑2.5 cm；外徑7 cm)的設計。實驗證實射頻對液體與不銹鋼片均產生熱效應，並顯示15 V的驅動電壓所操作的133.2 KHz之射頻電波進行液體與不銹鋼片的加溫，可獲得最均勻的溫度分佈及較快的加溫速率。藉此適用參數進行溫控測試，培養液溫度由32 ℃到37 ℃所需時間為18分鐘，在溫度分佈方面，本系統證實可將培養皿外圍與中心的溫度差異下降至1 ℃以內。 將所研發之加熱系統整合濕度與熱風控制系統作用於0.84 升之培養空間為實驗組，以市售培養箱為對照組，進行神經細胞(Neuro-2a)培養以驗證實驗組系統之實用性。經過七小時細胞培養，以MTT細胞存活率測試，結果顯示實驗組之細胞存活率為87 %。 本研究課題所研發之加熱系統具有改善培養液溫度分佈問題之能力；後續再整合二氧化碳供給系統成為完整之細胞培養裝置，應可達到更高之細胞存活率。
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隨著我國正式邁入高齡化社會之後，骨質疏鬆所造成的骨折對國人的健康影響也日愈嚴重。故本研究將以停經後婦女64名為對象，予以隨機分配為中藥龜鹿二仙膠治療組及空白對照組，並在用藥前、停藥時(第12週)及停藥後14週(第26週)，分別以雙能量X光骨質密度儀（dual energy x-ray absorptiometry, DXA）測量腰椎(lumbar spine)及股骨頸(femoral neck)的骨質密度(bone mineral density, BMD)及定量超音波骨質密度儀(quantitative ultrasound, QUS) 測量足跟骨(calcaneus) 的寬頻超音波衰減值(broadband ultrasound attenuation, BUA)。再據以探討龜鹿二仙膠對停經後婦女骨質密度的影響，另亦比較DXA 與QUS之間的相關性研究。 本研究結果顯示治療組(n=32)在服用龜鹿二仙膠第12週後，其DXA腰椎L1-L4之BMD(g/cm2)增加率為1.15%、DXA股骨頸之BMD增加率為1.11%、QUS足根骨之BUA(dB/MHz)增加率為3.26%，其增加量均達顯著水平 (p<0.01)。另外於第26週除了DXA腰椎L1-L4之BMD增加率未達顯著水平外(0.35%, p>0.05)，DXA股骨頸及QUS足根骨，其增加量(1.80%, 3.76%)亦達到顯著水平(p<0.01)。在對照組方面，除了第26週之DXA腰椎L1-L4之BMD改變率減少達到顯著水平 (-0.98%, p<0.05)外，其餘均未達顯著水平(p>0.05)。所有骨質密度測量部位，治療組之骨質密度增加幅度均大於對照組(p<0.01)。結果顯示中藥龜鹿二仙膠確實可增加停經後婦女之骨質密度，且其藥效作用可持續增加股骨頸及足根骨之骨質密度至停藥後14週。 另外，DXA和QUS的相關性研究結果顯示，QUS(Quidel QUS2)根骨之T-score和DXA(Hologic QDR 4500C)腰椎L1-L4、股骨頸之T-score間的線性迴歸係數為中度相關(r=0.615及0.583,p<0.0001)，此和其他文獻之結果相似(23-26)。但若要將QUS足根骨的診斷骨質疏鬆症靈敏度(sensitivity)達到95%(true positive fraction=95%)時，則其T-score cutoff level 值等於 -1.7，因此QUS(Quidel QUS Ⅱ)對於骨質疏鬆症的定義建議應考慮調整為：「當QUS測量之T-score < -1.7時，即為可能為骨質疏鬆症之高危險群」。綜合以上結果顯示，我們可以廣泛使用QUS測量足根骨的BUA值，來做為停經後婦女的骨質疏鬆症的篩檢，但是當QUS之T-score < -1.7時，必須經過DXA中軸骨(axial bone)骨質密度檢測之再確認，以避免造成漏診或誤診。
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一般傷口癒合的研究實驗，大多使用動物樣本，採用皮膚組織切片來評估癒合情形。由於組織切片的製作過程耗時，對動物產生侵入式傷害，且無法對同一傷口長期觀察其癒合狀況。由於高頻超音波具有非侵入及高解析度影像的優點，可用來即時就地長期觀察傷口組織之變化。先前研究証實超音波逆散射訊號的包封機率密度函數與介質內散射子濃度、大小、分佈狀況以及散射橫斷面的均勻程度有關。所以本研究嘗試以高頻超音波影像針對燒燙傷皮膚組織的燙傷程度及傷口癒合情形做定性觀察，另以逆散射訊號的強度及包封統計模型參數定量評估組織之特性。 本實驗使用雌性Wistar大鼠，分為燒燙傷程度及傷口癒合之評估兩組進行實驗，第一組實驗以100℃的黃銅片分別接觸單隻老鼠背部皮膚組織5秒、10秒、15秒及20秒，以產生不同程度的燒燙傷，再以高頻超音波影像系統掃描燒燙傷組織並計算逆散射訊號之積體逆散射(integrated backscatter, IB)、均方根值 (root mean square, RMS)與Nakagami參數以評估大鼠之燙傷程度。第二組實驗以100℃的黃銅片接觸老鼠背部皮膚組織20秒，再每日掃描傷口組織之高頻超音波訊號，並計算相關參數，共持續28天。 實驗結果顯示，燒燙傷程度愈嚴重， RMS、IB與Nakagami參數皆以指數函數的趨勢下降，能有效評估分辨燒燙傷程度。在燒燙傷組織癒合部分，IB、RMS與Nakagami參數在燙傷後1至10天呈現下降的趨勢，隨著組織逐漸癒合，在第11天至28天呈現上升的趨勢。其中Nakagami參數上升的趨勢較明顯，能有效評估傷口癒合情形。高頻超音波影像亦可觀察傷口癒合時皮膚組織的變化。
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植入式電子功能器含有微印刷電路板和電極，一般微印刷電路板需要封裝以隔離生物體組織，電極則裸露與生物組織接觸。常使用的封裝材料有聚二甲基矽氧烷和硼矽玻璃，電極多半是貴重金屬，因為封裝材料和電極材質不同，所以在封裝上將有不緻密的問題，封裝是為達到保護植入式功能器電子元件免於水氣或體液破壞之目的，確保封裝完整之重要性，是一大技術挑戰。 硫醇基丙基三甲氧基矽烷(3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTMS)經水解及縮合反應後形成網狀結構，並具有Si-O-Si以及-SH兩種官能基，有助於接合玻璃與黃金，適用為封裝材料。本研究藉溶膠-凝膠方式對MPTMS進行水解反應後，進行物理及化學特性分析、細胞毒性測試、封裝效果測試及生物相容性方面之探討。 研究結果顯示，MPTMS經溶膠-凝膠反應後具有可與玻璃及黃金鍵結的官能基，且MPTMS複合物於兩基材上皆不會發生龜裂；MPTMS複合物細胞毒性測試，結果指出，其不具細胞毒性；封裝效果測試運用二氧化碳感測器讀取數值變化量，顯示結果為MPTMS複合物具封裝效果；以組織切片研究生物相容性方面，植入大白鼠肌肉四週後測試，驗證MPTMS複合物具生物相容性。 本研究之結論為MPTMS複合物確實可與玻璃及黃金基材鍵結適用於封裝，且具有生物相容性。