微型檢測晶片應用趨勢:半導體創新正加速傳統醫療邁入智慧化

半導體產業

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*本文為寫點科普與 SEMI 國際半導體協會之合作文章

SEMICON 2019 國際半導體展 智慧醫療論壇會後報導

近年來半導體技術快速發展,從微米邁入奈米等級製程:運算晶片、微機電感測器到通訊設備在生活中已經不可或缺,數據的積累更衍生出蓬勃的網路經濟,同時「數位醫療」概念也逐漸導入向來保守的醫療體系,許多專家團隊致力研究半導體科技與醫療結合的可能性,例如醫院數位化、病患生理感測器、微機電檢測晶片或是醫療數據分析系統等。

著眼於半導體與智慧醫療產業之間愈來愈密切的跨界技術合作,今年 SEMICON Taiwan 的智慧醫療論壇邀請半導體專家、醫院教授、醫療新創企業以及學術研究中心等跨領域的專家共同探討智慧醫療的未來方向。

大量數據正在改寫醫療產業生態

數位科技促成現在的智慧生活,網路與通訊設備在生活中無處不見,「數據」因而成為珍貴的現代資產,但醫院對比二十年前差異卻不大,因為醫療體系的安全與隱私要求非常嚴苛,轉型難免趨於保守,但美爾敦股份有限公司執行長吳昉冀 (圖1) 表示,今年已經看到市場對於醫療科技的強勁需求,他預測未來幾年科技就會改變醫療產業的面貌,而數據將在其中扮演關鍵的角色。

吳昉冀提到醫院缺乏資訊整合工具,使得醫療數據未被充分利用。為了採集醫療數據,美爾敦團隊結合追蹤器與感測器打造一系列的醫療用數據基礎建設,像是在病房內設置熱視覺感應器,不需要接觸皮膚就能即時了解病患體溫與環境溫度,藉此建立數據積累的平台與通路。此外,他也強調數據品質的重要性,因為蒐集病患數據的最終目的,便是透過累積、分析數據,達到預測病患可能行為的功效,比如偵測病患跌倒前數秒的動作特徵,讓醫院能即時做出反應等。

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(圖1) 美爾敦股份有限公司執行長吳昉冀表示,除了採集數據的基礎建設外,數據品質也相當重要,即使演算法再強,劣質數據只會造成垃圾進垃圾出的結果。

除了累積病患數據的基礎建設,美盛醫電執行長陳長宏 (圖2) 把焦點放在個人化行動醫療。他的團隊針對心血管疾病開發了一款專門測量穿戴者心跳指數的心血管監測儀,原理是透過脈搏以光學感測器測量心律,能允許患者在任何地點及時間進行篩查,協助及早發現心律問題。此外,團隊還應用了 AI 技術來辨別心律異常。根據他們的研究, AI 演算法能將原先 85.05% 正確率提升到 95.07%,大幅提高光學感測結果的準確性。

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(圖2) 美盛醫電執行長陳長宏表示,公司致力於開發行動醫療解決方案,以提供更有效的心血管疾病管理。 公司第一項產品 Freescan 就是一種透過心電圖及橈骨動脈脈搏波(radial pulse wave)檢測血壓和心房顫動的手持裝置。

醫院如何「數位化轉型」?

除了行動醫療技術的應用遍地開花,醫療院所的數位化轉型也刻不容緩,成為智慧醫療的體系中重點發展的一塊。微軟亞洲健康產業營運主管 Keren Priyadarshini (圖3) 指出,發展人工智慧在醫學上的應用是有其急迫性的,因為全球醫療資源普遍稀缺且分配不均,病患時常要長時間排隊,有些甚至為了候診要等待數日;而醫生過少也是個嚴重的問題,一名醫生往往需面對龐大的病患數量,縮減了單一病患的看診時間與品質。

更棘手的問題在於看診過程中,醫生除了需要不斷重複詢問患者的症狀之外,還要忙於打字筆記、填寫及上傳資料,無形中浪費了大量時間,無法專注於病患本身。因此,微軟希望透過人工智慧技術改善醫生跟病患的對話品質,技術上是利用語音識別抓取重要的關鍵字,自動完成資料的比對作業,電腦則根據病患的症狀給予醫生對應的診療建議,讓醫生可以投注更多時間與精力在與病患的對話以及分析病情上。

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(圖3) 微軟亞洲健康產業營運主管 Keren Priyadarshini 表示,醫療與科技的界線已經逐漸模糊,AI在醫學上的應用備受重視,而微軟也已致力於在智慧醫療的領域成功拓展各種應用。

高雄榮民總醫院創新長楊宗龍 (圖4) 則從醫院的角度探討該如結合科技與醫療。他認為未來智慧醫院都會導入結合 IoMT 與 BIM 的資訊系統,這是以感測晶片與醫院數位化構成的平台,其中「Digital Twins」是數位醫院的核心概念,意思是透過採集大量數據,將現實環境掃描成一份數位複製品,而方法是在院內部署智能感測系統,以匿名的形式採集醫院數據,再利用數據視覺化處理方便管理人員理解,並將大量的數據轉化成有意義的資料。

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(圖4) 高雄榮民總醫院創新長楊宗龍指出,醫院數位化不只是技術應用,醫院整體的系統流程跟設計哲學也是重要的價值,要能夠相容原有的流程並提高效率,才是系統成功導入的關鍵。

半導體與醫療技術的完美結合:檢測儀器與藥物傳輸

工業技術研究院生醫與醫材研究所所長林啟萬 (圖5) 分析醫療產業正朝向個人化精細醫療發展,醫學器材也正導入 ICT 與半導體技術。為此,工研院致力推動衡量標準與研究合作網路,他列舉了數項工研院開發的醫學裝置,包含整合了多項半導體晶片與感測器的設備,其中一項是手持式光學同調斷層(OCT)皮膚檢測儀,能夠把大型光學檢測儀器縮小成手持式裝置,利用光學解析方式短時間即可檢測出人體膚況,未來這項技術可用於有大量膚質檢測需求的醫美產業。

其他創新還包含可用於檢測食物鮮度的非接觸無線介電質感測器 (Noncontact Wireless Dielectric sensor)、家用手持式超聲波掃描器 (Wireless Handheld Ultrarsound System)、行動心律檢測儀 (Wearable Cardiac Output Monitoring) 等,都可結合手機 APP 呈現掃描影像或是分析結果。

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(圖5) 工業技術研究院生醫與醫材研究所 (BDL) 所長林啟萬指出,創新的數位醫療保健和有利的政府法規不僅有效提升醫療實踐和患者照護水平,也創造了新的價值鏈,囊括遠距醫療、行動醫療、健康分析與數位醫療系統等。過去幾年中,工研院BDL致力於促進智慧醫療生態系統的發展,包括可穿戴設備、智能演算法和基礎架構,以實踐「服務即產品」。

另一方面,半導體創新正在改變傳統的藥物傳輸方式,特別是慢性病患者需定期注射藥劑,比如糖尿病患者必須定期施打胰島素,但在地域廣大的區域,病患回診成本相當高,因此大多選擇居家療程,然而傳統的居家療程中注射針頭的方式有一定的技術難度,常常造成病患的額外痛楚。

為了解決這個問題,潔霺生醫科技股份有限公司執行長李柏穎 (圖6) 致力開發微幫浦藥物傳輸系統,將 MEMS 晶片安裝在幫浦注射裝置中,藉由晶片控制微幫浦實現客製化輸送藥物的功能,能為動物與人體提供精準的藥物注射,商用產品包含人體穿戴式注射裝置、實驗室定時定量注射裝置等,只需在人體貼上穿戴式注射器,該注射器便會依照設定好的劑量,在貼合處伸出微型針頭迅速注射,不但能精準控制每次劑量、減輕痛楚,而且速度更快、更安全。

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(圖6) 潔霺生醫科技股份有限公司執行長李柏穎表示,潔霺生醫擁有一種新穎而強大的生物 MEMS(Biomedical MicroElectroMechanical Systems)微幫浦平台技術,可為多種藥物輸送應用提供靈活的客製化服務,可以滿足製藥客戶不同給藥劑量、對象等多元需求。

奈米製程打造基因分析及神經微晶片

當半導體技術進入奈米等級的解析度,達到與細胞同樣的奈米大小, imec 研發長 Maarten Fauvart 博士 (圖7) 表示,半導體能引發更多醫療上的技術創新,如他們團隊開發出一種義肢專用的神經晶片,晶片電極能夠發送精確電波到人體的神經末梢,刺激穿戴者的觸覺,讓義肢操作起來更接近真正的人類手臂。

另一個趨勢,則是將大型檢測儀器微縮成小型晶片。Maarten Fauvart 指出,imec 正在研發一種多層堆疊的基因檢測晶片,各層負責不同功能,例如第一層是微流控元件 (microfluidics),可以透析血液樣本,第二層是以光學晶片解析血液中不同的細胞基因,藉此判定 DNA 種類,還具備感測、運算等分層架構,速度比傳統檢測儀器快上許多,未來可用於檢測癌症及腫瘤細胞等疾病。

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(圖7) imec 研發長 Maarten Fauvart 博士指出,生物學過程,例如神經元信號傳導、代謝和基因表現等,是自然界中最複雜的微觀和奈米級程序。藉由半導體技術,imec 利用強大的 CMOS 製造技術開發了用於分子和細胞分析的關鍵技術,不僅可協助釐清生物學上的複雜性,還可以推動針對個人的客製化診斷與藥物治療。

半導體先進製程與大規模生產的特性有效降低了醫學檢測設備的成本,達到可商業化的檢測方案。未來除了醫院導入數位系統、個人化醫療成為趨勢之外,在半導體技術的推波助瀾下,檢測與治療設備也將會迎來全面的微縮與精細化。

原文出處:SEMI Taiwan 半導體技術加速智慧醫療邁入智慧化與普及化

One Reply to “微型檢測晶片應用趨勢:半導體創新正加速傳統醫療邁入智慧化”

  1. pachinko表示:

    wa….

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