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Cover Story | 封面故事 2014. 3月號

嗅出肺炎 把關病人呼吸道安全 電子鼻商品化有望

文/ 林亞歆

加護病房是患者與病魔交手的一級戰區,各類細菌、病毒如死亡的陰霾般遊走各處,更時常從插管病人開放的呼吸道趁 虛而入,肺炎便成了加護病房中的阿基里斯腱—微小卻致命的弱點,清華大學電機系鄭桂忠教授的團隊盼能以「嗅」出 肺炎的電子鼻破解這項詛咒。

鄭桂忠教授

清華大學電機系鄭桂忠教授。(圖/ 林亞歆)

 

清華大學電機系教授鄭桂忠於 美國加州理工學院攻讀電機工程博 士時,以跨生醫、電子領域的仿生 科技-電子鼻作為論文題目,發現 其於商業上的應用十分可觀,且雖 然已有許多研發案例,電子鼻在實 際應用上技術仍需改進、突破。

因此,2006 年回台後,鄭桂忠 便以電子鼻為長期研究的方向,也 希望最終能將研究成果帶出實驗室。 目前於清大任教的他,在各大 相關系所搜羅人才組成研究團隊, 2007 年,電子鼻團隊以判別魚類腐 壞與否作為應用,爭取到國家科學委員會的「晶片系統國家型計畫- 嵌入式系統專案」。

他在計畫執行 的3 年期間累積相當的研發基礎, 也奠定了感測器、晶片、系統整合 和演算法開發等相關專業人才的研 究團隊,其中包括負責感測器元件 製程的饒達仁教授(奈米工程與微 系統研究所)、及負責氣體辨識演 算法的劉奕汶教授(電機工程系)。

2011 年,鄭桂忠的研究團隊結 識對電子鼻興趣濃厚的臺北醫學大 學呼吸治療系教授施崇鴻醫師,他向 團隊提出一項臨床需求,而這個待解 的問題也讓鄭桂忠的電子鼻團隊加 入第三期的晶片系統國家型計畫- 智慧電子國家型科技計畫(NPIE)。

 

輔助診斷 快速判別肺炎與其感染菌種

施崇鴻主要負責加護病房呼吸 治療,他在臨床經驗中發現人工呼 吸器插管病患是感染肺炎的高危險 群,但症狀發生時,臨床醫師無法 即時判別感染菌種,只能先憑著經 驗給藥,待抽痰、菌種培育後才能 進一步確診,時常因此錯過黃金治 療時間。

為了解決這項臨床需求,電子 鼻團隊將晶片置於呼吸管上,直接 收集患者呼出的氣體,並快速判別 患者是否感染肺炎,透過晶片分析, 也能確診病毒或細菌的種類,做為 投藥參考。

目前,團隊已開始與北醫合作 進行臨床實驗,並且累積了約200 多個案例,正逐步朝著醫療器材目 標邁進。 這項技術不僅能降低加護病房 死亡率,也能減少住院醫療支出成本,此技術也能延伸用於空氣污染、食品辨別、毒氣檢 測等其他相關的氣體感測應用。

 

嗅覺機制複雜 電子鼻仿生不易

執行電子鼻相關研究已有一段時日的鄭桂忠表示「要 把電子鼻研究做好其實是很不容易的」;電子鼻為一仿 生系統,顧名思義便是要模擬並延伸生物的嗅覺機制。

然而,人類對於「嗅覺」的認知遠不如視覺和聽覺,許 多複雜的神經傳導模式與互動網絡仍需深入研究。

單就人類而言,人體鼻腔中有1000 種以上的嗅覺受 器,且每種受器都有數百、數千餘個,如此才足以接收 生活中各類的資訊,並由大腦解釋、分析這些訊息總和 成為「氣味」。

但「生物嗅覺構造遠遠比現在科技能力所能達成的 複雜太多了!」鄭桂忠解釋,以目前的科技,仍無法將 數量如此龐大的感測器整合於單一晶片,且後端演算法 多僅止於分析實驗室中簡單的控制情境,但實際應用上 仍有過多變數。

「就像香水可能是由幾百種成分組成的,我們聞起 來卻是一種新的味道」,鄭桂忠表示,而空氣中能影響 嗅覺的雜訊更是不勝枚舉,感測和演算法的不足成了電 子鼻實際應用上的最大門檻。

 

晶片設計ISSCC 脫穎而出

為跨過這道門檻,電子鼻團隊在清大化學系楊家銘 教授的研究中找到一種新材料-中孔洞碳材,其特殊的 孔洞構造能增加表面積提升感測器靈敏度。

由於這項突破,團隊於電子鼻整體的系統整合已能 達到縮小於單一晶片上,且保有約ppm 等級的靈敏度; 鄭桂忠表示,國際現有的電子鼻產品(如Cyranose320、Alpha Mos)多為大型機台或實驗室用的裝置,目前團隊 將電子鼻整合成晶片的技術已領先國際。

且系統的微小化也象徵著其未來應用的多元可能, 例如與手機、手錶等裝置結合,或手持型設備等。 目前,電子鼻系統整合的相關論文也於近期登上 有「IC 設計奧林匹亞」之稱的國際固態電路研討會 (International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)。

雖然團隊已克服電子鼻於商業應用上的部分瓶頸, 但鄭桂忠仍認為電子鼻離商品化「還有一段很長的路要 走」。他指出,台灣氣體感測、研發的相關廠商數量非 常少,相關電子產業也不願以身犯險,因此籌資困難。

且在團隊與廠商洽談的過程中也發現,大廠商對跨 入生醫的商品「要怎麼賣」也有產業不同程度的障礙。 於是團隊在系統、技術漸趨成熟後,便萌生創業意願, 規劃商品化主要項目與發展時程,希望從技術到販售一 切白手起家。

「電子鼻的應用不應侷限於醫療領域」鄭桂忠表示, 為要使電子鼻順利打入消費者市場,團隊規劃短、中、長 三個商品化時程。現階段盼能將電子鼻與相關智慧電子裝 置結合,自民生消費性商品入門;中程再進一步發展至環 保、工業安全等工業化用途,最後待經驗、法規、商品接 受度發展至一定程度時,才真正跨足醫療器材領域,逐步 朝著長程目標邁進,期待電子鼻團隊能在創業的天堂路上 披荊斬棘,「嗅」出台灣醫材發展的新方向。

 

>>本文刊登於《環球生技月刊》2014年3月號

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