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2021-01-08
化學系研發呼氣偵測器 吹氣可望瞭解血糖變化 檢測糖尿病不用再挨針
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臺師大研發 糖尿病患者吹氣即可能評估血糖高低的居家型儀器
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研發團隊與貴賓合影
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臺師大化學系林震煌教授(中)與研發團隊學生合影。
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臺北醫大呼吸治療學系施崇鴻教授說明
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喝豆乳之後呼氣中二氧化碳濃度和血糖值之間的關係圖
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淺層呼氣與深層呼氣偵測的原理
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臺師大化學系林震煌教授(前排左二)與研發團隊合影。
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化學系林震煌教授開發 即時呼吸商感測泛用型技術

糖尿病患者吹氣即可能評估血糖高低的居家型儀器

可望取代傳統的侵入式檢測 提早發現前期患者

糖尿病患者在家自我測量都需扎針滴血檢測,侵入性檢查不論程度輕重,當事人感受到的壓力總大過於非侵入性的檢測。近年來大眾飲食習慣的改變,使全球糖尿病患者逐年攀升,並有年輕化的趨勢,目前全臺約有200多萬名糖尿病患者,每年增加約2萬5000名,不論大人與小孩皆可能為潛在患者。

國立臺灣師範大學化學系林震煌教授開發「即時呼吸商感測泛用型技術」,嘗試運用即時的檢測方式,讓患者透過吹氣,分析其二氧化碳及殘氧含量的相對濃度,希望能取代糖尿病患者侵入式的檢測,並發現前期患者。

臺師大於1月5日舉行學術成果發表記者會,由臺師大許瑛玿研發長、理學院陳焜銘院長主持,包括化學系李位仁主任、呂家榮教授,以及臺大化學系笠井俊夫客座教授、臺北醫大呼吸治療學系施崇鴻教授、萬芳醫院前院長連吉時教授、緯宇國際公司劉柾甫執行長、中央大學化學系丁望賢教授、臺北醫大生醫材料暨組織工程研究所陳建中教授等貴賓及參與研究的師長及學生共襄盛舉。

對儀器吹氣即可評估血糖高低的技術

一般醫學數據顯示,糖尿病患者吐氣中的丙酮濃度會高於 1 ppm,當血液葡萄糖濃度偏高時,呼氣中丙酮濃度也會跟著上升,尤其是重症患者的呼氣中會含有明顯高濃度的丙酮。不過目前對於糖尿病潛在的患者,無法及時發現而預防。

林教授的研究目的,是希望能減少患者侵入式檢測的頻率與壓力,並提升儀器的精密度與準確度,以找出糖尿病的早期患者。一般常使用的氣相層析質譜儀來偵測氣體的種類與含量,這是使用氣密注射針將氣體樣品注入分離管柱之後,由氣體鋼瓶中的氣體載送的同時,經過氣體分離管柱吹往質譜偵測端。不過此類儀器體積龐大,分析程序細緻且繁複,不利於普及患者自我檢測使用。

逾十年的跨國、跨域合作完成「呼氣偵測器」開發

開發新型氣體感測技術研究後,林教授曾集結了各域專家進行相關儀器研究與開發,包括前期與微機電晶片氣體檢驗方面的專家師大呂家榮教授及無機觸媒領域李位仁教授、高分子吸附材料專長的臺北醫學大學陳建中教授等,共同研究各項儀器中的精密感測器。

從2014年發表研究論文(Talanta, 2014, 120, 386–390),以阿達瑪轉換/氣相層析質譜法,對多名糖尿病患的呼氣進行檢測以來,最近又開發了「氣哨音波感測泛用型技術」(Analytical Sciences, 2020, 36, 1-5 )。該方法是利用氣相層析分離設備,依分析物相對於聲音訊號出現的時間與頻率變化量,確認分析物的成份與含量。

一般相關的檢測,常使用質譜儀或其他種類的偵測器來偵測不同種類的氣體,而林震煌教授的研究,是以一支迷你哨子,透過物理的方式來偵測氣體,當不同氣體經過哨子時,會發出不同頻率的聲音,利用麥克風接收,將訊號送到電腦分析處理,藉由頻率變化,計算出氣體經過哨子時的量,是全球唯一運用聲音頻率變化量做定量分析的研究技術。

林教授更與臺大化學系客座笠井俊夫教授、菲律賓德拉薩大學物理系等共同研製攜帶型呼吸測量器,以及各項監測機制。現階段進行的測試,則多借重臺北醫學大學具有多年臨床經驗的施崇鴻教授的經驗,致力朝向研發成快速簡單的居家醫護檢查用具。

日前更是指導研究生劉書豪和王昱翔,共同成功開發了「即時呼吸商感測泛用型技術」。這儀器可以針對淺層呼氣或深層呼氣進行偵測,計算出呼吸商的數值。或許不久的將來,糖尿病患者與潛在患者們,只要對著小型的「呼氣偵測器」吹氣,即可測知血糖濃度的變化。

檢測糖尿病不用再扎針 吹氣可望瞭解血糖變化

林震煌教授說:「用深層呼吸用丹田吸氣,吐出來的氣二氧化碳濃度會比較高,這樣我們能評估深層呼吸,是不是和血糖或其他肺部疾病有相關性。」

雖然儀器不能明確亮出血糖值數字,但可以提早警告「你可能有糖尿病了」,得趕快去醫院報到,別錯過治療,林震煌說:「二氧化碳濃度增加一直都不會掉下來,表示血糖濃度可能很高,有找志願者來測量,給他吃葡萄糖或吃東西時,血糖上升、二氧化碳濃度也會上升。」

林震煌教授指出,吹氣可能評估血糖高低,不是要取代醫師,是希望取代傳統的侵入式檢測,降低壓力也提高警覺,下一步就要和北醫大臨床合作,增加樣本數。不過,醫師表示準確率不會是人人百分百,北醫大呼吸治療科施崇鴻醫師強調:「還要做一些臨床試驗,有些病人原本二氧化碳濃度就比較高,COPD(慢性肺阻塞)病人肺氣腫病人,有可能二氧化碳濃度就高,可能就不準。」

由興趣萌生的發明契機

「氣哨音波感測泛用型技術」的研究構想其實很早就在林震煌教授的腦海中運作,靈感源自於他吹長笛的興趣。當氣流通過長笛管口時,部分向外通過,部分向內進入,兩列氣流渦漩相互吸引,產生碰撞與摩擦而發出聲音。

不同演奏者吹出的音色不盡相同,那麼氣流中不同氣體所產生的音頻也應是依身體的狀態而有所不同。林教授「將興趣與專業結合」,一方面進行各項氣體流動頻率的分析,一方面製作各式迷你型哨子測試濃度準確度,並與學生攜手完成相關儀器的開發。

先成為唯一 再邁向第一

堅持十多年的研究與開發終見曙光,林教授秉持「不一定會成為The Best One,但一定要是The Only One」的研究精神激勵自己,也以此鼓勵學生。隨著「呼氣偵測器」開發成果愈趨精良,林教授帶領師大學生與美商國家儀器公司下游廠商進行產學合作,由學界開發最佳化模組,再由業界進行小型化量產。希望將來測試完成後,能讓這項全球獨創技術所開發的「呼氣偵測器」,將像耳溫槍或血壓計一樣,成為適合居家使用的簡易型裝置。(撰文:公事中心余庭翎 / 編輯:胡世澤 / 核稿:鄧麗君)

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