[第22期] 科技報導 — 及時疾病偵測及通報技術新突破 – 半導體和生醫技術的新結合

呂學士

　台灣大學跨領域研究團隊結合電機、資訊、生醫、微機電等不同領域之專家 — 台大電子所呂學士教授、台大應力所李世光／ 黃榮山教授、台大醫學院林世明教授、台大醫院王堯弘／周迺寬醫師 — 已開發出手錶大小之無線C-反應蛋白（CRP，C-Reactive Protein ， 一種人體發炎指標） 或前列腺癌等即時疾病偵測系統， 並可透過手機或電腦通報主人病情， 就像一位數位守護天使， 二十四小時隨時通報緊急狀況。

　此跨領域研究團隊的最大突破在於將以往影印機大小的C-反應蛋白偵測器縮小至手錶大小， 而且無須對血液作專業之螢光標記處理。研究團隊並預期於一年內將此偵測器縮至米粒大小， 以便植入人體。成功的關鍵在於將無線／ 半導體技術應用於生醫領域。向來， 無線／ 半導體技術與生醫技術彼此並無交集。本研究成功地以半導體技術來製作C-反應蛋白偵測器，意謂著大量生產的可行性， 以及伴隨其而來的低價生醫感測器。

　隨著科技之進步， 人們也愈來愈重視生活品質的提昇。生醫即時看護無線感測網路即為一種提昇人類生活品質的技術。在大多數先進國家中， 心血管疾病為眾多死因之首， 對於現代人來說， 檢測此類疾病對維護健康相當重要。近年來血液中CRP濃度被發現與心血管疾病有相當程度的關聯， 是檢驗此類疾病的新指標。因此本無線C-反應蛋白即時疾病偵測／通報器之開發成功， 亦可說是給心臟病患者帶來極大的福音。此項技術不僅可應用在CRP檢測， 也可應用於其他與疾病相關之檢測， 以幫助醫生做適當之個人化臨床醫療決定（clinical decision），例如：新生兒黃疸症膽紅素之即時檢測、血液中阿摩尼亞濃度檢測。施打藥物後， 因個人代謝能力不同， 需做藥物濃度之即時檢測。例如心臟衰弱時， 施打強心劑毛地黃時， 其濃度需做即時檢測。

　對於遭受病毒（ 如SARS 、禽流感） 、颶風（ 如卡崔娜） 、地震（ 如921 ） 或海嘯（ 如南亞） 襲擊之疫區或災區， 這種攜帶方便、無須專業人處理血液樣本之無線即時疾病偵測／ 通報器， 可做為醫院之延伸而可進行大量篩檢， 將是非常重要的緊急救難醫療資源。

　居家老人若使用此無線生醫感測系統， 透過無線生醫網路可將生醫資訊傳送到手機及電腦等裝置， 利用現有的網際網路（ Internet ） 或無線通訊（GSM、GPRS、3G） 架構， 將生醫資訊傳送到家人或醫護人員手中。如此一來， 家人不必再擔心老人在家中出現狀況而無法緊急應變， 醫生可隨時提醒老人的身體狀況， 並且可長期追蹤。在緊急情況下， 救護車上之救護人員也可透過此無線生醫感測系統與醫院結合， 隨時對醫院通報病患的病情， 讓醫護人員及早做好準備。在加護病房中， 無線生醫感測系統的即時檢測， 可幫助醫生在急救時能作更準確、即時的判斷。

　本研究CRP感測器的偵測原理及製造程序如下所述：首先將0.6微米厚的氮化矽沈積在矽基板上， 再根據微機電技術產生V字型的微機電微懸臂樑。其尺寸是根據彈力常數及懸臂樑在溶液中之流場分析做最佳化， 其照片如圖1 ( a ) 所示。圖1 ( b ) 為微流道之照片圖。

　因CRP抗體 (Anti-CRP) 無法直接連結在氮化矽上， 故需鍍上鉻(Cr)／金(Au) ， 而使bio-linker 一端可與金鍵結，另一端則可與CRP抗體鍵結。CRP感測器的結構如圖2 ( a ) 。CRP與CRP抗體結合後會造成CRP感測器中的微懸臂樑彎曲， 如圖2 ( b ) 所示。微懸臂樑彎曲的量， 可經由光學雷射反射後角度的變化量來量測。

　圖3 所示為一無線CRP 量測系統實驗設置。其利用PDMS（poly-dimethyl-siloxane）形成兩個微流道及一個反應室並罩在微懸臂樑上方。待測液是由注射筒注入微流道以產生反應。反應後微懸臂樑彎曲所造成之雷射角度的偏移， 由位置感應器（PSD, position sensitive detector）將偏移量轉換成電訊號。此電訊號經由自行所設計的433 MHz ASK 發射機將資料傳送到遠端控制器， 再將資料傳入個人電腦或智慧型手機。

　我們提出的無線生醫系統單晶片（BMW SoC） 整合了射頻電路、類比電路及數位電路於同一晶片上， 達成真正的SOC ( System-on-Chip) 的目標。

　為了完成無線生醫網路之通訊晶片， 單純由被動RFID架構的單向溝通模式是無法滿足無線進身網路通訊晶片的需求。所以，我們提出的無線生醫系統單晶片滿足了雙向溝通的功能，達成主動式RFID。

　我們可將此無線近身網路通訊晶片分成三部分， 如圖4 所示： 感測器端類比積體電路（ 含前置放大器及類比數位轉換器）、前端射頻收發機（ASK收發機）、微控制處理器（含記憶體）。

　經由無線傳輸所量測到不同濃度之CRP產生的不同偏移量對時間的關係如圖5 所示。為了證明此偏移量是由CRP-antiCRP鍵結所造成的， 將100ug/mL 濃度的CRP加入無antiCRP的系統中， 可得到無偏移量的結果。另外， 當把系統中的CRP用高濃度（1mg/mL）的BSA（bovineserum albumin）取代時，可得到無偏移量的結果， 如此可驗證其專一性。由圖5可知，在一般的情況下（1~500ug/mL） ， 此系統都能明確的量測出其濃度範圍。

　傳統來說， 抗體抗原的鍵結只能用強酸使其分離， 如圖6 ( a ) 所示。本研究提出一種使用振幅為1V的低頻（0.2 Hz）交流訊號， 加在微懸臂樑四周的鎳電極及其本身的金電極上，如圖6(b)。圖6( c ) 顯示出在加電場後， 微懸臂樑可恢復到未反應前之原來位置， 表示其CRP 與a n t iCRP 已分離。如此便可重複使用此CRP感測器。

　台灣大學此次跨領域整合研究， 結合了無線／ 半導體及生醫的新技術突破，成功的將積體電路與生醫和微機電等技術作跨領域的技術結合， 並獲得國際知名會議 (ISSCC) 之認可發表。根據2006年1月的固態電路學會季刊中之報導， 對本研究的肯定為： “These improvements open new portable/wearable health monitoring applications that require minimal human interaction.”（本研究成果開啟了全新簡便的可攜式／穿戴式健康監控的應用）。

相關連結：

台灣大學電子工程研究所：呂學士教授
http://mems.ee.ntu.edu.tw/

台灣大學應用力學研究所：李世光教授
http://www.iam.ntu.edu.tw/Chinese/CHpeople/CH-people-Faculty-frameset.htm

台灣大學應用力學研究所：黃榮山教授
http://www.iam.ntu.edu.tw/Chinese/CHpeople/CH-people-Faculty-frameset.htm

台大醫學院：林世明教授
http://www.mc.ntu.edu.tw/department/coebm/people/teacher.htm

台大醫院：王堯弘醫師
http://radiology.mc.ntu.edu.tw/zh/staff/yhw.html

台大醫院：周迺寬醫師
http://med.mc.ntu.edu.tw/~surgery/vs/isurg55.htm

呂學士， 電機系1985年畢業， 現任臺大電機系教授。