清華大學生醫工程與環境科學系學位論文
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環境輻射量測與模式模擬對於環境與人們的輻射防護，扮演著非常重要的角色。此論文中將報告對於環境輻射監測與大氣模式驗證的精進努力，以提升輻射防護能量。於研究中，此論文作者發現一些創新方法，來進行環境輻射量測與模式結果驗證與展示，包括設計一個新型氣冷式蒸餾裝置來用於環境氚水監測和一個行動環境偵測系統 (MESS) 用於管理經營環境輻射偵測等。二者都已經獲得美國與本國專利。 本論文第一章為對核能重要性、輻射防護、環境輻射監測與模式模擬之簡要概述。第二章為對環境輻射監測與模式驗證之文獻回顧。第三章詳細描述該氣冷式蒸餾裝置，該裝置於組合與操作上，都比傳統蒸餾裝置簡便。當裝置組成之一的樣品容器高度從7 公分增加到20 公分，除汙因子將增加約20 倍。第四章內容有MESS 的詳細設計說明，MESS 藉由地理資訊系統 (GIS)，可依據工作人員位置與預先設定的指定區域，經營管理環境輻射監測活動及在任何地方即時展示最新偵測結果。MESS 可以確實改善環境偵測團隊的效能與靈活度。第5 章呈現對於大氣擴散展示與評估平台(ADDEP)的描繪，可以展示大器擴散模擬結果於Google Earth 上，並可藉由網路介面整合資料數據以驗證模擬結果，有助於決策及模式改善。最後，第六章為此論文的總結。
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新光醫院迴旋加速器中心主要是生產18F-FDG之放射性藥物，提供新光醫院正子照影(Positron Emission Tomography, PET)中心做診斷相關檢查。本研究主要評估迴旋加速器中心之工作人員在生產、分裝與運送18F -FDG(2-fluoro-2-[18F]-fluoro-D-glucose)藥物過程中工作人員所接受到的輻射劑量曝露。此外，醫用迴旋加速器(GE MINI-trace)在生產放射性同位素18F過程中，會使用鈮靶(Niobium water target)與銀靶(Silver water target)系統，在不同的射束電流下，探討不同的靶極系統所誘發的中子能譜變化。 本實驗利用雙熱發光劑量計方法(TLD-600/700)評估迴旋加速器中心之工作人員在生產、分裝與運送18F-FDG藥物過程中，工作人員所接受到全身Hp(10)以及手指部Hp(0.07)輻射劑量曝露。此外，利用金箔搭載鎘片(113Cd)之中子活化分析的方法測量熱中子通量，以及採用波納式球能譜儀(Bonner Sphere Spectrometer, BSS)搭載6LiI(Eu)閃爍偵檢器進行中子能譜測量，探討醫用迴旋加速器在銀靶系統(Target 1與Target 4)與鈮靶系統(Target 4)下，不同射束電流所產生的中子能譜的變化。 根據實驗結果得知，工作人員在分裝過程中，全身Hp(10)及手指部Hp(0.07)的總曝露劑量分別為5.30 mSv y-1及252.35 mSv y-1，在運送過程中分別是1.04 mSv y-1及25.56 mSv y-1；在生產過程中，全身Hp(10)光子與熱中子的劑量分別為309.06 μSv y-1及22.48 μSv y-1。當迴旋加速器使用Target 2運轉過程中，在屏蔽外側獲得的熱中子劑量率(15.93 nGy min-1)與熱中子通量率(19.7 n cm-2s-1)是Target 1約2.5倍；且Target 2所獲得的中子能量通量率是Target 1約2倍，主要是因為靶體積的差異造成影響。此外，鈮靶系統(Target 4)的平均18F飽和產率(93.3 mCi μA-1)比Taregt 1多10.1 mCi μA-1，但Target 4獲得的中子能量通量率比Target 1增加2.7倍，主要是因為靶系統間之靶體積、靶體的材質、靶體的幾何形狀與靶的組成之間的差異所造成中子能譜的影響。 總之，迴旋加速器中心之三位工作人員平均每人的全身Hp(10)及手指部Hp(0.07)的劑量分別為2.18及92.64 mSv y-1，最大的劑量貢獻是在分裝過程所接受的曝露。當迴旋加速器在使用不同的靶系統與射束電流下，會產生不同的18F飽和產率及誘發不同強度的中子能譜，且此一變化量是不可忽略。
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4-bromobiphenyl經三步合成methyl 4-oxo-4-(4'-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)butanoate (6)，總產率81.6%，經由通入[18F] F2 30分鐘進行放射化學標幟，得到4-硼頻那醇甲基[18F]氟芬布芬 ([18F] FFBpin)，放射化學產率為3.3%，比放射活度為12.3 MBq/ μmole，非放射性產率為：16.2%。 利用核磁共振儀及質譜分析FFBpin的結構與前驅物methyl 4-oxo-4-(4'-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl)butanoate (6)比較，前驅物1H-NMR於δ 7.80和δ 7.85訊號在FFBpin的1H-NMR中消失，而生成了δ 7.51, 7.56和7.65三個新的訊號，且19F-NMR於δ -119.07和δ -119.6各出現了一個訊號，以Hesse Meier Zeeh公式計算推測，氟連接於硼原子鄰位與間位的兩種分子均有生成。FFBpin質譜預測值為m/z : 412.1857，低解析質譜的實驗值為：[M+H]+ 413.21，高解析質譜的實驗值為：412.1858。 [18F]FFBpin對COX-1的半結合抑制值為：3.16 μM，對COX-2的半結合抑制值為：11.22 μM；而[18F] fluorocelecoxib對COX-1的半結合抑制值為：12.59 nM，對COX-2的半結合抑制值為：0.13 nM。 [18F] FFBpin對膽管癌細胞的累積情形隨時間遞增，至120分鐘時，累積量從1 %提升至1.5 %。而對纖維母細胞隨時間沒有明顯的變化。
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針孔單光子發射斷層掃描成像系統已被廣泛應用於小動物實驗中。在此基礎之上，使用多針孔準直儀可以增加成像系統的靈敏度而螺旋形偵收軌道則可以進一步增加視野或成像系統照野大小。傳統的針孔單光子發射斷層掃描所使用的系統模型為射束追蹤法，包含了單射束射束追蹤與多射束射束追蹤演算法。然而，在所有的射束追蹤法的演算法皆沒有辦法處裡針孔之有限孔徑與單光子發射斷層掃描的深度效應問題。在此研究中，我們提出一個全新的系統模型計算方式來模擬光子的發射與偵收模式，稱為體素基準模型。體素基準模型是透過幾何計算而得，此模型同時包含了有針孔限孔徑與單光子發射斷層掃描之深度效應的資訊。此外，射束追蹤法會造成的資料遺失現象也不會在體素基準模型中發生。結果顯示，使用體素基準模型在多針孔系統中，能重建出較高品質的影像，並且可以判斷體素基準模型亦適用於螺旋形軌道偵收系統。多針孔螺旋形偵收系統乃是一個高空間解析度與大照野的成像系統，而體素基準模型除了適用於這個成像系統外，更可以進一步提高影像品質，進而可以大幅提高針孔單光子發射斷層掃描有更高的臨床實驗與研究的可用性。
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鋰離子二次電池在我們日常生活中扮演了極重要的角色，應用範圍小至手機、平板、筆電的電池大至電動車的電池，都能發現其蹤影，所以如何提升鋰離子電池的儲電量，將成為現今的一大課題；矽作為地殼上僅次於氧含量第二多的元素，擁有無毒性及前處理容易等優點，更重要的是其理論電容量為~4200 mAh/g，相對於市售鋰電池碳負極材料理論電容值372 mAh/g，電量高出十倍，是具有相當優勢的負極材料之一，但在充放電反應時，矽的體積會產生劇烈的膨脹導致顆粒碎裂，造成電容值的急速下降，而此問題將成為矽成為商業化產品的一大阻礙。 本研究將成功地使用不同維度的碳材，分別製備出一維(奈米碳管)、二維(還原氧化石墨烯)和三維(規則中孔洞碳材)的矽-碳複合材料，做為負極材料應用於鋰離子電池上，利用不同種類的碳之結構特性，減緩充放電過程中所帶來體積過度膨脹的問題且避免奈米矽顆粒的聚集，並經由充放電儀測試，得到不同維度下矽-碳複合材料之最佳比例，最後使用其他電化學分析去加以驗證；不同維度：一維、二維及三維之最佳比例的複合材料，經100 mAh/g充放電速率下掃描一百圈下，其電容值分別為~800 mAh/g、~1000 mAh/g及~1300 mAh/g，且庫倫效率皆達到97%以上，表示本研究的複合材料能在長圈數的充放電下，維持材料的結構不受破壞以及電化學反應的穩定性，而未來將可透過此方法，改善在充放電過程中體積膨脹率大的材料上，例如：錫、銻、鎂、鋁等，用以提升鋰離子電池的效能以及增進電容量。
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隨著越來越極端的氣候下,都市洪水事件發生的頻率與嚴重性 已在全球性的範圍下愈加嚴重,然而綜觀目前研究而言,對於都市 內的小區域所進行即時減災決策所需要的實境影像資訊較為不足。 本研究提出以河川與水資源監視影像為基礎的洪水影像自動化監視 與水位漲落分析,加值傳統的被動式水情監視攝影機使其具有智慧 化視覺感測與分析能力。 結合本研究所提出之視覺感測方法,傳統的水情監視鏡頭可具 有感測與分析現地洪水事件的能力,解決現有水情監測仍需仰賴人 力進行全天畫面監看的現況。再者,視覺感測網路與傳統感測網路 相比,傳統感測網路多數只能提供感測器所量測到之一維物理參 數,視覺感測網路則可以提供監測現場的動態影像資訊,補足水利 防災單位在進行減災行動的決策時缺乏的實地視覺資訊。 本文以視覺感測方法,提供自動化分析遠端水情監視之畫面, 並測定洪水事件之形成,並使用近期洪水事件進行實驗驗證,證實 能夠進行電腦自主式的畫面監看與測定洪水事件發生工作,藉由提 供洪水事件之預警偵測與水位變動數據,將能使水利防災管理單位 能快速正確地理解當地水情狀況,進而明確地發起相應的減災措 施,未來更可應用在智慧化都市之洪水監控。
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奈米藥物載體有助於提高抗癌藥物的傳輸效率，進而改善治療功效與降低副作用，然而現今在評估新開發奈米藥物的療效時，多數僅依賴觀察腫瘤大小與實驗動物的存活率，與搭配腫瘤組織內的載體總累積含量來評估藥物的傳輸情形，因此往往高估載體藥物的有效濃度與低估藥物本身的治療效果。為了克服上述難題，本研究分別結合抽壓導管取樣串連鐵氟龍管分離裝置與感應耦合電漿質譜儀，以及微透析取樣串連線上序列酵素衍生化程序與螢光分析儀，針對監測小鼠腫瘤組織間液內奈米藥物載體及指標性物種的分析需求，發展具有快速、連續與動態分析能力的自動化連線分析平台。 在完成上述連線分析系統的最佳化探討與系統效能驗證之後，本研究針對小鼠腫瘤組織細胞間液內之金奈米粒子藥物載體，進行線上連續偵測的工作，實驗結果顯示經聚二乙醇修飾之金奈米粒子確實有較好的癌細胞標定能力。此外，在針對小鼠腫瘤組織細胞間液中各項生理參數的分析監測上，本研究亦已完成開發可同時監控過氧化氫、乳酸與葡萄糖的線上螢光衍生化連線分析系統，用來觀測經原位注射刺激後，過氧化氫、乳酸與葡萄糖濃度的動態變化情形；上述結果亦說明本研究所建立的二套連線分析系統，確實具有監測活體動物腫瘤組織間液中金奈米粒子、過氧化氫、乳酸與葡萄糖動態變化趨勢的能力，預期藉由整合上述兩個新穎的線上分析系統，可為奈米藥物載體在藥物動力學與藥效動力學的量測上，提供嶄新的跨領域思維及技術平台。
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本篇研究主要在評估一套具有高時間解析度的蒸氣凝結氣膠微粒收集器，並可以串接水相的化學分析儀器。此收集器可區分成以下幾個部分: 混合腔、蒸汽產生器、冷卻系統、慣性衝擊板以及幫浦。當顆粒性物質進入混合腔時，蒸氣與氣流方向平行，顆粒會開始與蒸氣進行混和，此時蒸氣將會附著於顆粒表面以增加顆粒的大小，以便後端慣性衝擊板收集。冷卻系統維持混合腔體的溫度維在20度C左右，以確保腔體內部具有較高的相對濕度以利於蒸氣冷凝於顆粒表面。此蒸氣凝結氣膠微粒收集器可操作在每分鐘5.0到16.7公升的流量範圍內，依照不同的採樣流速，顆粒於混合腔體內部停留時間為1.23秒到4.11秒。為了去評斷此台蒸氣凝結氣膠微粒收集器之效能，設計了一系列的實驗，藉由流量與顆粒大小等參數對其的性能作系統性的量測。首先針對慣性衝擊板對不同粒徑及流量做測試，而得到在每分鐘5.0、10.0以及16.7公升的流量下，慣性收集板所能收到的最小粒徑，此時如將氣動粒徑轉換成史托克數可以預測在此流量範圍內的所對應的流量的最小收集粒徑。第二部分是在量測不同的顆粒大小及流量，經過混合腔體後，顆粒長大的程度，數據顯示，大部分32.2-194.0 奈米的微粒均可長至 2-13微米左右。第三部分探討不同粒徑及流量下，顆粒的收集效率，在每分鐘5.0-16.7公升的流量範圍下，89.8-300.0奈米的微粒回收效率都接近百分之百。最後，將此蒸氣凝結氣膠微粒收集器串接狹縫虛擬衝擊器對周遭的空氣濃度利用慣性的方式做濃縮，得到的實驗濃縮效率大概為3到4倍左右。
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