2024年「未來科技獎」：智慧醫療領域技術重點介紹
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李淑莲╱北美智权报 编辑部
于今年4月初开始广征受国科会、中研院、教育部及卫福部补助的学研计划成果报名的2024年「未来科技奖」，在经过初、复审的评审意见交流与严谨把关，最后评选出82件关键指标技术。其中，有超过三分之一与生技医疗相关，本文介绍其中7件与生技新药和AI精准医疗相关的创新技术。
食安新利器：高灵敏经济可靠拉曼光谱筛检晶片
食品安全是我们日常生活中不可忽视的议题。从抗菌剂、瘦肉精到防腐剂过量，许多食品问题往往在不经意间爆发，对消费者健康构成威胁。然而，现有的检测技术无法满足大量样本的快速筛检需求，这使得市场对于更高效的解决方案充满渴求。
国立成功大学机械工程学系教授钟震桂及其团队，针对这一痛点开发出了一项崭新的检测技术 — 基于表面增强拉曼散射（SERS）技术的晶片。这项技术的核心在于突破了传统晶片设计的限制，采用了二维奈米孔洞结构，显著提升了检测的灵敏度、稳定性和时效性。同时，这样的设计还能避免传统奈米颗粒因氧化造成的性能衰退，使得晶片能在长时间内保持稳定且高效的表现。
与传统质谱（HPLC）技术相比，SERS晶片在许多方面展现了强大的优势。首先，它无需前处理即可直接进行样本检测，这不仅大幅缩短了检测时间，还能有效减少背景污染。此外，该晶片的制作成本较低，使用的是阳极氧化铝技术，成功避免了昂贵且复杂的半导体制程。这些特性让SERS晶片成为食品安全检测领域的一项革命性技术。
在实际应用中，SERS晶片可以快速筛检抗菌剂、瘦肉精、四环霉素等多种物质，尤其适合食品厂或海关等需要处理大量样本的场景。这项技术既能高效地识别问题样本，又能与传统质谱技术形成互补，为深入分析提供支持。值得一提的是，该技术还可整合资料库并搭配月租模式，为中小型食品厂商提供经济实惠的解决方案，进一步降低检测门槛。
团队在研发过程中，不仅与台湾本地业界紧密合作，也成功吸引了国际伙伴的注意。瑞典某知名医学院在了解到这项技术后，主动与成功大学展开接触，并最终签订了技术转移协议。目前，这项技术的多项专利已在美国、日本等地进入审查阶段，未来前景令人期待。
心肌梗塞治疗策略革命性突破：奈米医学与光流体导管的融合
计划主持人台湾大学教授张维典指出，心肌梗塞目前是国内心血管疾病中的重要死因之一，而心血管疾病更是国人仅次于癌症的第二大死因。心肌梗塞的主要成因在于急性冠状动脉阻塞，导致心肌坏死。目前的治疗重点在于尽早打通血管，但很少人注意到，血管再灌流后可能伴随严重的再灌流伤害，包括氧化压力增加和细胞凋亡的诱发。研究显示，在缺血后初期灌流的过程中，氧化压力大量增加，可能会进一步触发细胞死亡机制，使得本已受损的细胞进一步恶化，进而影响心脏功能和患者的预后。
基于这样的挑战，研发圑队的治疗策略聚焦于两个关键点：第一是利用抗氧化剂来减少氧化压力的伤害；第二是诱发抗凋亡的保护机制，阻止细胞进一步死亡。为了实现此一目标，圑队选择了一种内生性物质S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）作为核心药物。GSNO可以分解为谷胱甘肽和一氧化氮，其中谷胱甘肽是一种有效的抗氧化剂，可以清除再灌流初期的大量氧化物；而一氧化氮则能诱发抗凋亡机制，进一步保护心肌细胞。此研究在技术创新上主要体现在两方面：首先是基于奈米技术的药物设计，其次是光学流体心导管的应用。
在药物设计上，团队采用了FDA认证的PLGA材料，内层包覆GSNO，外层使用奈米金进行封装，形成一种类似金沙巧克力的结构。这样的双层设计在未激活时可稳定保存药物，避免提前释放。当导管送至冠状动脉口并受到光刺激时，奈米金外层会被触发，GSNO随即释放出谷胱甘肽和一氧化氮，不仅有效降低氧化压力，还能诱发抗凋亡反应。同时，奈米金本身也参与反应，进一步提升抗氧化能力。
为了实现精准投药，团队开发了一种结合光纤的心导管技术。这种光学流体导管可以将药物准确送达心肌梗塞的关键部位，并借助光刺激在需要的时刻启动药物释放。在实验阶段，团队使用了猪的心肌梗塞模型进行验证，发现经过治疗后，冠状动脉的直径明显增加，氧化压力的指标显著下降，心肌坏死的范围明显缩小，且细胞凋亡也大幅减少。同时，治疗后心脏功能得以维持，纤维化情况也有显著改善。
这项技术不仅在急性心肌梗塞治疗中展现了出色的效果，还具备在其他血管阻塞疾病中的应用潜力，例如急性脑中风或周边血管阻塞。此外，由于导管技术能够精准投药和局部释放，此一解决方案也可能应用于癌症的光动力治疗等需要精准控制药效的医疗领域。随着技术的进一步发展和临床试验的推进，此技术平台有望成为未来各类疾病创新治疗的一大突破，为患者带来更安全有效的治疗选择。
ToFEye：应用于浴厕环境之人工智慧飞时测距异常姿态辨识系统
「适用于浴室和厕所的AI异常行为识别系统，利用飞时测距感测器（ToF Sensor）来解决浴室安全问题。」是高科大团队的作品。
高雄科技大学电子系教授张万荣指出，在浴室或厕所中，异常行为通常包括浴室久留、久坐马桶、滑倒、跌倒或昏倒等情况。这些问题过去很难解决，因为浴室环境不适合使用带有影像视野的感测器，同时穿戴式设备也因不方便而不被接受。因此，团队的研发目标是开发一套既能有效监测，又能保护隐私的解决方案。
根据世界卫生组织WHO的统计，浴室跌倒事件是全球意外事故的第二大原因，每年导致的医疗成本高达20亿美金。在台湾，这类事件也是医院病案报告中的第二大问题。然而，如果能够及早侦测并及时通报这些异常行为，患者的康复率可以提升50%以上。
ToFEye系统基于ToF感测技术，感测器捕捉的影像仅显示轮廓资讯，而不会暴露身份特征，充分保护使用者隐私。这些影像会传输至NVIDIA边缘运算平台，透过团队自行设计的AI模型进行姿态辨识。模型能提取人体的关节点，判断是否发生跌倒、久坐或其他异常行为，并及时通报相关人员。
目前，这套系统已经在全台至少10家医院建置，包括台大医院；并应用于浴室、卧室以及公共照护场所。此解决方案不仅克服了传统穿戴式设备的限制，也超越了其他红外线或毫米波技术的准确性和隐私保护能力。团队期望未来能与更多医疗机构、养老院、辅具厂商合作，将这项技术应用于更多环境，提升老人和病患的生活安全。
ERAfilm速效生物膜清除组合，助解决导尿管感染问题
导尿管在医疗现场是非常常见的器材。全球约有25%的成年人在住院期间需使用导尿管，而在台湾，有约48万名长辈因行动受限依赖导尿管生活。然而，高达75%的导尿管使用者面临导尿管相关性尿路感染（CAUTI）的风险。这种感染不仅会延长住院时间、延误治疗，甚至可能引发菌血症等严重并发症，使死亡率上升至32.8%。
感染的根本原因是细菌在导尿管和膀胱表面形成生物膜（Biofilm），这层屏障阻碍抗生素渗透，削弱免疫系统攻击，是反复感染与治疗失败的主因。
为了解决这一问题，台大团队研发了ERAfilm速效生物膜清除组合。此一技术由小分子化合物SC5005和二十二碳六烯酸（DHA，已通过FDA认证）组成。研究显示，ERAfilm可在极低浓度下迅速清除生物膜，10分钟内即可完全去除导尿管表面的细菌和真菌，且不受细菌种类及抗药性影响。实验证实，它的效能远超现有的后线抗生素，即使对多重抗药性病菌，仍具有卓越表现。
在安全性方面，经细胞毒性测试，ERAfilm对人类肠道及肠管上皮细胞无毒性影响，适合长期使用。长达35天的测试中，ERAfilm未诱发抗药性，确保安全可靠。
在临床应用中，ERAfilm利用导尿管原有的灌溉功能进行操作。将含ERAfilm的生理盐水注入膀胱进行冲洗，再将冲洗液排出体外。整个过程仅需10分钟，无需添加额外医疗器材，操作简便，适合居家患者每日使用。
现有的处理方案，如氯己定酸，虽能清除生物膜，但对患者有较强的刺激性副作用；而无菌水则完全缺乏清除能力。相比之下，ERAfilm结合了速效性、无毒性、无抗药性与操作简便的优势，是现有方案的理想替代。
根据估算，全球导尿管使用人数的不断增加，将使这项技术的市场规模达到39.7亿新台币，未来产品毛利率预期超过80%。ERAfilm技术已在多篇国际期刊上发表，并取得美国、欧盟、中国与台湾专利。它不仅获得了第20届国家金创奖，也入选了国科会创新激励计划，成为长期照护领域的重要突破。
全球首创视网膜细胞高效转化技术：带来视力恢复新希望
中央研究院团体研发出全球首创的视网膜细胞转化技术，此一技术为视力恢复带来了前所未有的希望。团队的研究目标是解决失明此一全球性问题，其核心技术是利用体细胞转化成视神经细胞，这些体细胞主要来自成纤维细胞（fibroblasts）。中央研究院基因体研究中心副研究员吕仁指出，此一技术与传统的诱导性多能干细胞（iPS）技术有所不同，iPS细胞的转化过程需要大约120天才能完成，但中研院的技术仅需5天时间，属革命性的突破。
与目前的竞争者相比，中研院的技术在治疗视觉障碍方面具有显著的优势。首先，现在的竞争者尚未完成动物实验的基础研究，而中研院的技术不仅可以处理黑白视觉的问题，还可以解决彩色视觉的恢复。根据中研院团队的研究结果，其转化效率达到了42.8%，这意味着技术成功率相当高。且已经在动物实验中取得了良好的成果。在盲鼠的实验中，研究员将转化后的细胞注射到盲鼠体内，结果这些盲鼠成功恢复了视觉，表明此技术具有很大的潜力来治疗人类的视力问题。
团队的目标市场主要集中在三个领域：黄斑性病变、糖尿病引起的视网膜病变以及夜盲症（视网膜病变）。这些疾病都对患者的视力造成了重大影响，特别是夜盲症；它属于孤儿药的一类，因此对于药物和治疗方法有着强烈的需求。在病患数量方面，黄斑性病变的患者数量大约为2亿，糖尿病视网膜病变有9300万人，而夜盲症则有200万名患者。根据预测，这些疾病的市场价值到2030年将达到200亿美元。
如果将目光放眼未来，考虑到细胞治疗的市场潜力，数字会更加惊人。如果黄斑性病变、糖尿病视网膜病变以及夜盲症的晚期患者数量总合达到1200万，那么这一领域的市场价值将有望高达4800亿美元。假设有10%的患者选择团队的治疗方式，则其市场价值将接近45亿美元，是一个非常可观的数字。
AI应用领域：数位病理影像与基因表现预测技术
国立成功大学资讯工程系教授蒋荣先团队的研究目标，简单来说，就是希望能从数位病理影像中，获得更多的基因表现讯息，并利用这些数据来预测病患的预后。在传统的临床情况下，医师通常会对疑似肿瘤的病患进行切片检查，然后病理科医师会在显微镜下进行分析，并给出诊断结果。然而，随着近年来科技进步，特别是在影像数位化和AI技术的发展下，这些检查过程已经得到了显著改善。团队希望进一步利用AI技术来分析肿瘤及其他细胞组织，以达到更精确的诊断。
然而，当前的数位病理影像解析度非常高，这使得每一幅影像都非常庞大，直接使用这些影像进行分析会面临不少挑战。因此，需要建立一个新的AI训练框架，来帮助解决这个问题。
当拿到一幅完整的数位病理影像时，由于影像太大，团队的技术平台会先将其切割成多张较小的图像。而且，此时会遇到一个问题：每一张小图像本身并没有标注过的病理讯息，这意味着无法仅依赖人力去一一标注所有小图。为了解决这个问题，圑队提出了「多实例学习」的方法，这是一种新的训练框架，能够帮助AI模型从大量的小图像中整合出关键讯息，进而完成病理诊断。
团队的首要目标是希望能够基于多组学的数据来预测病患的集体表现，并进一步预测病患的预后。除了预测病情的发展外，也希望能够为医师提供更多的参考资料，协助他们作出更准确的诊断。团队还根据公开的资料和一些组织数据来训练模型，从而能够准确地识别不同小图像中主要由那些组织构成。
在实际应用方面，团队的模型已经取得了一些突破。举例来说，即使是初期的肿瘤病患，也能够根据团队的模型，区分出不同预后的患者群体，并预测他们的短期与长期生存概率；这对医师来说是一个非常重要的辅助工具，因为有时候，尽管病人被诊断为相同的肿瘤阶段，实际上不同的患者可能有不同的预后。有些病人可能只剩下几个月的时间，而有些则能够存活多年。
团队的模型能够帮助医师识别出那些生存时间较长的患者群体，并且同样可以帮助找出那些可能面临较短生存期的病人。此外，其技术还能帮助医师了解患者在接受治疗后，肿瘤的进展情况。例如，对于一些病情得到控制、肿瘤无法在临床上被发现的患者，也能预测他们是否会进入缓解期。
I-Fiber：多维奈米银镀层可拉伸导电纤维应变感测器技术
南台科技大学的多维奈米银镀层可拉伸导电纤维应变感测器技术是一种全新的导电纤维技术，称之为I-Fiber，具备多维奈米银镀层，并能够进行拉伸应变感测。现今穿戴式电子技术已经非常发达，许多人拥有智慧型手表、眼镜等装置。最近，除了AR眼镜和VR眼镜成为热议话题，具有智慧功能并能够传递讯号的衣物，也已经成为科技界讨论的焦点。随着未来智慧衣物应用的快速发展，此一领域将会变得愈加重要。
南台科技大学教授周盈年指出，在智慧型衣物的发展中，动作侦测技术是至关重要的，而这正是团队的应变感测器（Strain Sensor）技术的核心；其应变感测器能够广泛应用于运动科学、健康照护，甚至未来的元宇宙等领域。
这种新型的应变感测器可以侦测到不同形状的变化，且具备拉伸与弯曲的能力。传统的导电纤维仅能进行弯曲侦测，无法进行拉伸感测，而团队的技术解决了这个问题。利用具有弹性的Spandex纱线，并通过奈米银镀层技术，制作出直径仅200微米的超轻薄纱线，并能够将其拉伸达200%，且能够重复超过1万次不会损坏，这样的技术让感测器在各种运动或穿戴场景中更具应用潜力。
团队的专利技术能够在弹性纱线上成长不同维度的银结构，包括奈米球、片状银或一维银线。这样的三维银结构使得团队的导电纤维具备优异的拉伸与弯曲能力，并且能够反映细微的电阻变化，为动作侦测提供准确数据。
目前南台科大的技术已经在多个领域中实现应用。例如，在长照单位中，团队开发了一种智慧型束缚带，用于侦测病人的呼吸状况，帮助解决人力不足的问题。当呼吸异常时，系统会自动向照护人员发出警报，确保病人得到即时照顾。
此外，团队也与成大护理系合作，开发了一种智慧型止血带，可以监测止血带是否被及时移除，并将警报讯号传送至中央护理站。这项技术已经通过专利，并准备进入临床测试阶段。
未来，此一技术还将应用于智慧手套、智慧衣物、智慧护膝等领域，并且预计能够在运动科技中发挥重要作用，帮助运动员提高表现。团队相信，这项技术将会在未来的元宇宙应用中发挥巨大的潜力。
半导体科技杂志(SST-Taiwan)总编辑
CompuTrade International总编辑
日本电波新闻 (Dempa Shinbun) 驻海外记者
日经亚洲电子杂志 (台湾版) 编辑
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