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ZigBee遠距醫療系統 導師: 楊弘吉 老師 姓名: 許峯瑞 黃柏翔
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參考資料 http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=0803260014
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建立臨床診斷微小化/即時醫療檢測系統 傳統檢測生物標誌的分子生物方法，包含酵素連結免疫吸附法(Enzyme-link Immunosorbent Assay, ELISA)、免疫散射比濁法(Turbidimetric Immunoassay, TIA)(圖1a)、快速免疫擴散法(Rapid Immunodiffusion)，以及光學凝集法(Visual Agglutination)。這些方法主要透過免疫反應中抗原(Antigen)抗體(Antibody)的專一性(Specific)鍵結，並透過標 定螢光的方式達到定性及定量目的。
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圖1 (a)傳統生化檢測儀器、(b)為光學式微懸臂樑生醫無線感測晶片、(c)為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
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以微機電開發微型化生醫感測器 利用微機電技術(MEMS)開發單臂光學式微懸臂樑感測器(圖1b)作為感測平台以取代化學與螢光標定的檢測方法。此V字型的微機電微懸臂樑尺寸是根據彈 力常數及其在溶液中之流場分析做最佳化之設計。當生物與化學的反應過程轉換為奈米力學的變形運動，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。該結果並獲邀發表在IC設計最頂尖的國際研討會ISSCC 2006的前瞻技術領域(Technology Direction)，也成功量測免疫球蛋白與其抗體、C反應蛋白與其抗體及前列腺腫瘤之生物標記PSA。 目前，為避免傳統光學式微懸臂樑感測器須架設複雜光場及容易受到環境影響所造成的檢測誤差，更發展壓阻式微懸臂樑生物感測器(Piezoresistive Micro-cantilever Biosensor)，將具有壓阻效應的材料放在感測器的薄膜結構上。
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利用生物固定化的技術將抗體固定在微懸臂樑上，並透過專一性使相對應的抗原與抗體結合，抗原抗體間鍵結時由於表面應力改變造成懸臂樑彎曲，懸臂樑中之壓阻 阻值也會隨之改變，因此在實驗架構上配合惠司通電橋(Wheatstone Bridge Circuit)作為轉換機制，將抗原抗體結合反應透過壓阻效應轉換為電壓訊號，經由後端電路放大器等處理將訊號傳出到電腦分析。生物感測晶片之設計包括 微懸臂樑感測晶片(Microcantilever Biosensor Chip)、微流道(Microchannel)與後端電路(Circuits)。
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完成規格為微懸臂樑晶片長2毫米、寬2毫米、高300微米。其中微懸樑長150微米、寬50微米，再經無線傳輸系統單晶片將訊號傳出到電腦分析，以達到遠 端即時診斷的目的，因此製作壓阻式微懸臂樑生物感測器須較光學式更考慮到絕緣水、電等問題。此外，此平台可利用適當的生物標誌來檢測不同的疾病指標的蛋白 質，尤其是心血管疾病，甚至包括重金屬的濃度，相信將來會朝向以一滴血同時檢測多種疾病的設計。並輔以晶片系統的架構將微懸臂樑生物感測器做為整合概念， 必能提供許多在臨床上有用的訊息，藉以作為之後數據比較之資料庫。
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在生醫感測系統方面，所須處理的生醫訊號包括多導程心電圖、心音、血壓及體溫等可直接自皮膚以非侵入式量測的生醫訊號。這些生醫訊號之變化較快速，須要透 過適當的訊號調適(Signal Conditioning)以濾除雜訊與放大原始訊號。心電圖等生醫訊號將在第一級採用儀表放大電路以消除人體所感應的60Hz雜訊(共模電位)，並在其 後串接最佳化之帶通濾波器，其後再經由多工器將不同的訊號依序以A/D轉換器數位化並經由無線傳輸到電腦端監控，其架構之方塊圖如圖2所示。
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圖2 生醫感測系統架構圖
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以ZigBee打造疾病偵測收發系統 硬體部分在本無線疾病偵測系統內其電路功能分兩個部分，一個為可和電腦連接的接收資料端並可發送電腦控制的電路--電腦控制端，另一個為可把生醫資料轉換成數位訊號之後傳輸出來並可接收電腦控制的電路--生理訊號發射端。 在這兩個電路間的I/O部分則是以ZigBee協定來進行溝通。電腦控制的部分，主要的目的在於使系統在有必要時才由生理訊號發射端傳送訊號，平時在生理 訊號發射端的電路中只有電腦控制電路及射頻(RF)介面會持續工作，當電腦控制端發出啟動訊號時生理訊號發射端的電腦控制電路會喚醒所有電路來開始進行生 理資料的傳送，其目的在於減少不必要的功率損耗。
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該研究的ZigBee架構，如圖3所示，首先撰用Microchip PIC18F4620當作微處理機，主要由於該公司提供完整的ZigBee通訊協定堆疊(ZigBee Protocol Stack)且開放源碼。我們自製整個微小化的ZigBee模組，如圖4所示，其所用面積約為3公分×2公分。本研究採用現在超低功率消耗的ZigBee 模組來作為無線訊號傳輸之介面。在此測試平台，可將簡單的生理訊號，例如體溫或心電圖等，將其所需的感測器(Sensor)、前端放大器 (Preamplifier)、類比數位轉換器(ADC)模組化。而遠端電腦有一組ZigBee無線接收機來接收調變過的生理訊號。在遠端電腦的部分使用 RS-232的介面來進行資料的接收與傳送。
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圖3 遠端醫療系統架構圖
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圖4 無線生醫感測網路硬體設備圖
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發展之心電訊號量測系統配合無線傳輸系統，已在金山衛生所執行過初步的測試，受試者將此量測系統與無線傳輸系統的發射端配戴在身上，可在醫院內自 由走動，而不影響記錄到的心電圖訊號。ZigBee通訊距離在發射功率-7dBm時為室內約10公尺、發射功率0dBm時為室外約30公尺。無線化 (Wireless)具有極佳的即時性與近用性，目前病人在傳統有線檢測，極為累贅。從病人移動中，傳達出無線化的便利性以及人性化的醫療思維。
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ZigBee離床感知系統
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遠距視訊系統架構
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在此架構圖中，允許第三個系統同時觀摩台大醫院與金山衛生所的影像與聲音，而此系統目前設置於台大電子所其性質類似服務平台的提供者(Service Provider)特別配置較大的資料庫以儲存維護這些影音歷史記錄，以供日後調閱之用。負責整合資料庫、生理訊號量測裝置及開發接收生理訊號的介面與資 料庫管理軟體
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開發遠距診斷心肌梗塞醫療模式 目前完成所有自行開發的WSN系統元件，每一個裝置可視為ZigBee通訊協定中所定義的一個節點，RFD或FFD，這些裝置都是用來與各種生理訊號感測器所連接，並利用外接RF天線做來增強訊號的傳遞距離，此RF元件的距離可達30公尺。 目前該研究已成功地連接各式的生醫儀器及生醫感測器，包括體溫、收縮壓、舒張壓、EKG、脈搏、心跳、心音等體外資訊及CKMB、MYO、TNI、BNP 與DDIM等血液資訊
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對談室 如圖7(b)所示，該頁讓病人及患者在沒有語音的情況下可以互相對話，另外最上面也有系統訊息傳遞的資訊供使用者參考
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病歷室 如圖7(c)所示，該頁提供有建檔病人的病歷資訊供醫生參考。
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心電室 如圖7(d)所示，該頁是針對本急性心肌梗塞示範應用所建立，用來即時觀看心電資訊的觀測圖(EKG)
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量測室 如圖7(e)所示，該頁可以顯示針對本平台所用到的儀器，包括BIOSITE、CleverChek或微懸臂樑生醫感測器等所量測到的生物資訊
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歷史量測圖 如圖7(f)所示，該頁可以顯示過去曾經量測過的資料，供醫生及病人生理資訊作參考，例如糖尿病患若能按時量測血糖的話，則有長期的生理資訊可供觀察
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無線感測網路實現遠距醫療系統 透過跨科技與醫學領域的團隊合作，本研究首次成功地示範生醫、無線、感測、網路的完整架構與系統平台，達成功能性與即時性的遠距醫療。而以ZigBee技 術構成的無線感測網路最大好處為省電與微小化，如此才可方便地長期監看受測者的生理資訊，讓醫檢過程更有效率。該系統能針對以病人為中心的全方面評估，即 視診、生理監測及血液生化分析等，方能正確診斷疾病，並給予最快速的治療。
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以急性心肌梗塞當作即時遠距醫療診斷系統之示範應用，平台完成才知關鍵技術與關鍵知識之所在。而以現在醫學的發達，可應用的疾病也十分的多樣化，該平台尤 可應用於心血管系統的急性心肌梗塞、心絞痛、高血壓、粥狀動脈硬化等；非心血管系統的慢性阻塞性肺病、心臟衰竭。最終的目地便是透過遠端醫療模式，形成有 組織的遠距醫療系統。將社區內的醫療、保健、福利機構密切地整合在一起。
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