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微型前瞻系統單晶片開發 生醫聯手半導體精準治療帕金森氏症

 全球人口結構加速邁入高齡化,如何完善老年生活是你我即將面對的問題,科技部配合「5+2產業創新方案」,自108年起推動「台灣腦科技發展及國際躍升計畫(108-109)」,透過跨領域結合臺灣在資通訊、機械控制、臨床醫學及人文社會等領域優質研發能量,提升腦科學研發及腦科技應用,帶動生醫領域、大數據、智慧/精準醫療、健康福祉等產業發展。

帕金森氏症是僅次於阿茲海默症的神經退化疾病,是老年人中最常見的神經退化疾病之一。(科技部提供)
 帕金森氏症(Parkinson's disease)是僅次於阿茲海默症的神經退化疾病,是老年人中最常見的神經退化疾病之一。帕金森氏病的病程很長,長期服用左多巴藥物易產生肢體不受控制的異動症,或突然出現藥效的開-關現象等副作用,嚴重影響病人的生活品質。中、晚期的帕金森氏症患者目前也可選擇「深腦刺激系統」,透過外科手術在腦部植入電極,藉由高頻率電刺激來治療帕金森氏患者的動作障礙以及改善生活品質,但目前自美國進口的深腦刺激系統只能採用無差別連續性的電刺激,具有過於耗電且容易產生副作用等缺點,因此在療效提升與副作用控制等各方面,仍有很大改善空間。會降低病患日常活動以及失去自主生活的能力,經常加劇病人及家屬在醫療及經濟上的負擔。

 在科技部「台灣腦科技發展及國際躍升計畫(108-109)」的支持下,交通大學電子研究所教授柯明道,也是交通大學生醫電子轉譯研究中心主任,與林口長庚醫院動作障礙科主治醫師陳瓊珠共組跨領域研究團隊,採用台積電(TSMC)半導體製程研製出一款「微型前瞻系統單晶片(System-on-a-Chip)」,應用於開發最新的「智慧型可適性閉迴路深腦刺激系統(adaptive deep brain stimulation)」,可根據個別帕金森氏病患者腦中獨特生理訊號來驅動電刺激,透過回饋控制訊號機制,給予所需要的電刺激治療,達到帕金森氏症的高效率智慧型療法。

 該項新治療技術的成功關鍵在於長庚醫院研究團隊與英國牛津大學在過去數年內,經由分析帕金森氏症病人深腦訊號,發現與疾病相關的生理標記,只要透過這些特殊的生理標記指引之下,便可根據病人臨床症狀的不同來決定進行電刺激的最佳時機,增強療效、降低副作用,達到帕金森氏症的精準療法。此外,最近亦發現在深腦刺激手術過程當中所記錄到的生理訊號,可以預測該項手術的長期療效以及病人後續的情緒變化,這些結果有助於深腦刺激術的個人化、精準化,並可擴展到其他神經疾病的治療。

 利用深腦訊號的生理標記作為回饋控制訊號是新一代深腦刺激術的發展趨勢,但目前國際間的研究仍是透過如桌上型電腦體積大小的裝置在測試,若要能讓病人長時間配戴可適性深腦刺激裝置,勢必要讓相關裝置大幅度地微型化。深腦刺激裝置微型化的實現,可藉由系統單晶片的技術來達成。柯教授團隊所開發的「微型前瞻系統單晶片」整合了類比前端放大器、類比數位轉換器、數位訊號處理器、可調式多通道電刺激器、以及無線傳輸及電源管理等多項電路功能,採用台積電(TSMC)半導體製程所實際製作之系統單晶片,將晶片體積縮減到比米粒還小,並大幅降低耗電量與提升運算效能。目前此系統單晶片已製作完成,即將以此系統單晶片為核心組建「智慧型可適性閉迴路深腦刺激系統」,並進行迷你豬的動物實驗以驗證安全性以及功能性,在通過安規檢驗等相關認證後,預計將於今年底申請人體臨床試驗,在病患身上驗證此「智慧型可適性閉迴路深腦刺激系統」的功效。

智慧型可適性閉迴路深腦刺激系統。(科技部提供)
 本計畫所開發適用於人體規格之「智慧型可適性閉迴路深腦刺激系統」,將臺灣先進的半導體積體電路技術與優異的醫療專業做完美的結合,充分善用臺灣的優勢,未來科技部也將透過過往奠定的深厚基礎,跨部會推動「臺灣精準健康戰略產業發展方案」,發展全球首創之前瞻技術,提供神經調控精準醫療一盞明燈,也為臺灣生醫電子產業的未來發展種下希望的種子。


歸鴻亭

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