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跨域風潮吹進白色巨塔!電資、工程如何跨界醫學,成就防疫英雄、協助臨床治療?

大數據、人工智慧、物聯網發展得如火如荼,資訊科技席捲各大產業,從金融業的 FinTech、不動產業的 PropTech,到法律界的 LegalTech⋯⋯,以資通訊科技(ICT)輔助產業提供更好的服務已是時勢所趨。而這股風潮也吹進醫療健康產業,形成新聞上常見的「智慧醫療」(Smart Healthcare)。
2022-03-07

知名科技大廠為何相繼跨足「智慧醫療」?

台積電、鴻海、廣達、友達、華碩⋯⋯,國內知名的科技大廠在近幾年紛紛將佈局重點轉向「智慧醫療」,從生醫晶片、醫療設備及輔具、穿戴式裝置到智慧醫療場域、雲端運算都有資訊科技得以切入醫療的發展可能。

(Photo Credit: https://unsplash.com/photos/zs4gtT8thO0)

一直以來,臺灣科技業的實力傲視全球,若能將此能量挹注於醫療照護產業,正好能發揮產業整合的最大優勢。廣達董事長林百里即於出席「健保資料人工智慧應用研討會」時指出,AI、大數據與 5G 的結合,可帶動「智慧醫療」成為臺灣的下一座護國神山。

智慧醫療就是用資通訊科技改善傳統的醫療方法,例如遠距醫療、零接觸醫療、電子病歷,這幾年世界受到疫情的影響,公共衛生的監測也需要科技幫助。

以遠距醫療照護為例,長庚大學電子工程學系金國生教授表示,於患者配戴的穿戴式裝置或輔具置入感測晶片、加速規,可監測其姿勢是否改變,若偵測出異常或風險時,照護者能夠及時因應;而這樣的設計就需要晶片設計、積體電路、影像處理、無線傳輸等電資領域的專業,除了臨床上的應用,也能有效協助新冠肺炎的防疫。

寫程式、做機台,理工人也能成為新冠肺炎的防疫英雄

當疫情爆發時,如何快速定序、與公開巨量資料庫比對、解析可能的病毒演化與傳播鍊,就必須運用資料科學與程式語言的專業。

在新冠疫情一爆發,龔于農教授便投入分析新冠病毒基因序列、中和抗體檢測,而他本身就是電資、醫學跨領域學習的最佳代表;從資工系畢業後,他進入電機所博士班的資工組,將程式語言、演算法的技術應用於生物資訊,博班畢業後受聘於長庚大學新興病毒感染研究中心,擔任研究員。

疫情之初,研究中心自國門邊境收到來自各國的檢體,加上全球研究機構互相分享的病毒株,龔于農教授馬上想到可透過程式語言、巨量資料分析,自動化比對大量的基因序列,並針對採檢樣本做次世代基因定序,抽絲剝繭分析出可能的病毒演化與傳播鏈。

而後,人們開始需要檢測施打疫苗後的體內抗體量,以得知疫苗的效用;龔于農教授說傳統的中和性抗體檢測都要進入 P3 實驗室,費時也費力,但他運用機器學習與迴歸分析的技術,讓一般實驗室就能預測中和抗體的含量,大大節省了防疫的成本。

而當長庚大學工學院賴朝松院長率領團隊開發「全自動中和抗體效價檢測自動化平台」時,龔于農教授便負責最核心的血清抗體含量預測模型,以及機台內的演算法、資料處理,開發跨平台運行的軟體,最終打造出能夠方便移動、快速檢測的自動化檢測機台。

一個抗體檢測機台,醫學、電機、資工、機械的專業都要有!

「中和抗體效價檢測自動化平台」一開始的發想是看到防疫護照,以科學來講,當觀察到抗體下降,才是打加強劑的最好作法,有了抗體檢測的機台,對於大眾、醫院、邊境管理都有幫助。

專精於生物感測器、晶片製造的賴朝松院長表示,當醫學專業找出新冠病毒的抗體後,需要轉譯為民眾看得懂的結果,最簡單的例子就是以一條線、兩條線代表陰性或陽性;而要轉譯複雜的醫學資訊時,就需要工程的人才將抗體、抗原反映的結果,以顏色、光,在工程端設計機器。

有了醫學院找到的抗體結果,我們再結合工學院裡懂光、電、機械、自動化、程式設計的人,共同開發一個整合多功能的機器,解決原本要拉到實驗室、分成多個機器進行的困難,讓檢測過程變得簡單快速,還可視覺化。

賴院長說,科技產品的發展絕對不止是垂直發展,而是水平整合,如機台的自動化橫跨電機、機械兩個科系,需要電路設計,也要控制機台會動,又隱含資工系的程式語言。而由隸屬管理學院的醫務管理系掌管的健康大數據,經過分析能得出重要的臨床意義,這類大數據的運算、分析也需要資工的專業。

除了基因序列分析、中和抗體檢測,賴朝松院長表示電資、工程的專業在新冠防疫還有許多可發揮之處,例如在人流多的場所設置人工智慧人臉辨識系統,監測出入民眾的體溫及是否配戴口罩;又或是以紫外線結合光觸媒的光電技術,消除殆盡冠狀病毒,打造主動防疫的環境。

磁振造影、穿戴式裝置,電資人才比起醫學本科有哪些優勢?

在醫學影像處理上,我認為資工系出身的去跨領域,會比醫放系本科來得更有優勢。

任教於長庚大學資工系的趙一平教授,自醫學工程所考上臺大電機所博士班,研究電腦斷層掃描影像分析、磁振造影,他說自己當年想著「都唸到台大了,當然要多修一些台大資工的課」,成天出現在台大資工所,再將程式語言、演算法用於醫學資訊的分析。

趙一平教授說,醫放系也會學習影像處理的程式語言,但其目的在於「知道答案」,大多使用 Matlab,而資工系還會使用其他程式語言,寫出一套完整的介面,讓使用者按幾個按鍵就可以完成。

(Photo Credit: https://unsplash.com/photos/ufnhDMFOZ_M)

「不是說醫放系完成沒辦法,但資工系在程式語言比較專精,更有能力做出新的發展。」趙教授說,除了程式語言與介面設計,資工系的訓練還包含數據挖掘、雲計算,由於數據量越大,在疾病判斷上就更接近精準的結果,一旦涉及大數據,就更顯資工系的優勢。

穿戴式裝置像 Apple Watch、智能眼鏡,很重要的裡面的感測器,這就很仰賴電機系、資工系的專長。

趙一平教授解釋,穿戴式裝置的感測器就像 Apple Watch 背面的光,透過光的反射、折射得以計算出心跳率、血管和脈搏,而壓著手錶上下的電極,就能量測心電圖、心律不整,判斷步伐、前傾與否則是仰賴手錶內部的加速規。

(Photo Credit: https://unsplash.com/photos/3_PaUEEcwMc)
為什麼穿戴式裝置可以做這麼小?貼一個小小東西在身上就有這麼多功能,這都是靠晶片設計。

趙教授說,電機系、資工系專長的 IC 晶片設計,能把大量電路、程式語言輸入到小小的晶片中。將處理好的資料藍芽傳輸的手機、心律不整或跌倒後撥出緊急電話、系統介面與趨勢預測等功能會運用到資工系擅長的判斷式及演算法,而感測器、光學技術、訊號的放大和濾波、加速規都是電機系的專長。

機器人、物聯網運用於臨床醫療,已經是「現在進行式」

機器人,科普地說就是「鋼鐵人」,用在醫療上是一種機械結構,就看你要保護身體的哪個部分。

成功打造「外骨骼機器人」的長庚電機系張永華教授說,將具備動力輔助功能的機械結構,包覆在上肢、下肢運動的主要支撐點,能夠幫助癱瘓、中風、神經損傷或行動不便者站立、行走或進行復健運動。

打造機器人首先需要機構設計,運用電機系專長的陀螺儀、加速規、感測器,預測患者的移動方向、身體將要蹲下或起身,將嵌入式系統縮成小小的單元或卡片型電腦,以方便攜帶及移動。

再者,需要設計機械延伸性的動力輔助,開發演算法,完成資料的擷取、儲存與傳輸,並透過分析感測資料,判斷該提供的動作指引。

物聯網的三大主軸是感測、資料傳輸、資料運用,外骨骼機器人就是實際應用物聯網的例子。

張永華教授直言,物聯網已經是普世價值,各行各業都需要用到物物相連的機制,以外骨骼機器人為例,測量力的回饋、使用者步態的移動屬於「感測」,晶片和晶片之間的傳輸、雲端的無線傳輸、行動通訊的傳輸屬於「資料傳輸」。

而這些資料不能只停留在蒐集的層次,必須即時運用,才能避免患者受傷,評估進一步的療程。他說物聯網的精神就在於「資料運用」,若資料蒐集來沒有分析、對目標優化,就只是做半套而已;當資料結合機器學習、深度學習、大數據分析出有用的資訊,對於人類工作、臨床醫療就有實質的幫助。(延伸閱讀:醫學電子、心震圖,原來與電機系有關?

電資跨醫學是趨勢,那產業會提供哪些工作?

從臺灣現在的產業來看,會發現智慧醫療這塊其實很夯,廣達、緯創、Acer 到臺灣所有的 ICT 廠商都設立醫學資訊、醫療儀器相關的部門。

趙一平教授說,自己經常接到廠商打來徵求畢業生的電話,在 ICT 產業(資訊與通信科技,Information and Communication Technology)幫助醫院開發 AI 演算法、醫療儀器與穿戴式裝置的系統開發、醫療數據的資訊安全、生醫晶片設計都是電資跨入醫學領域的可能出路。

張永華教授也說,系統介面、RD 研發並不限於科技業,醫療健康產業也很需要,例如紫外光的殺菌設備需要電子電路、控制以產生紫外光光源,需要工程背景的 RD 以及能與客戶溝通、負責打件的系統工程師。

近期,「電子五哥」之一的緯創資通創立新的事業群「緯創醫學」,開發醫學量測設備、外骨骼設計、尖端人工智慧演算法開發,便與長庚大學工學院進行產學合作,是張教授眼中發展智慧醫療相當典型的公司。

工學院學生正站在醫學領域的出海口,就業機會絕對比你們想像得還要多!

除了科技公司,賴朝松院長表示,生技、藥廠也是理工科能走的產業,「理工科同學不要忘記,醫院裡所有檢測設備都來自大公司,像是奇異、美商亞培、Johnson & Johnson⋯⋯。」從 X 光、超音波、MRI、CT、IVD 體外檢測裝置⋯⋯,各種醫療器材、設備都不可能與電機、資訊脫鉤。

「電機系可以做 IC 研發,資工系可以寫介面、程式語言,但是電機系、資工系本身的訓練對於醫學知識又不足。」趙一平教授建議有志於跨域醫學的理工科學生,可以一面深耕電資、工程的專長,同時從修課、專題研究嘗試跨域的可能。

「我有很多資工系的學生,碩士班就轉去做醫學資訊。」由於長庚大學設有醫學院,同時具備長庚醫院、研究中心的資源,不少工學院的學生跨修醫學院的課程,或跟著醫學專長的教授做專題、產學合作案,畢業後將理工專長發揮在助人的醫療照護產業。

而雖然臺灣在基因定序晶片、關鍵零組件上已經有相當亮眼的成績,但由於臺灣過去的醫療設備都以進口為主,國內發展的時程較晚,因此人才相當短缺,醫電可以看成下一個藍海。賴院長自信地說:「醫療領域對電資人才的需求持續提升,這一點絕對是肯定的,只要有產品的地方就離不開工程。」

當人類持續追求健康、良好的生活品質,除了以醫療照護維持健康、加速疾病的治癒,人工智慧、物聯網更早已深入生活的每一個細節,將尖端的資訊科技輔助醫療的「智慧醫療」的兩強結合,絕對是銳不可擋的時代趨勢。

受訪者簡介

賴朝松教授,長庚大學電子工程學系教授,兼任工學院院長,專長為生物感測器與晶片製造技術、半導體元件物理、VLSI 製程技術。

張永華教授,長庚大學電機工程學系教授,專長為電控、物聯網、嵌入式系統、智慧型系統,近期開發外骨骼機器人。

趙一平教授,長庚大學資訊工程學系教授,專精生醫影像處理、大腦磁振造影分析、電腦視覺、人機介面。

龔于農教授,受聘於長庚大學新興病毒感染研究中心,專長為生物資訊學、機器學習,於長庚大學新興病毒分子醫學國際碩士學位學程授課。

作者 Bella Huang

主修中國哲學,終其一生都在追尋人生而在世的意義。