108 高普考高考三級 醫學工程 醫學工程概論 考古題詳解

核心觀念

生醫感測器利用生物辨識元件選擇性地辨認待測物，再由轉換器將辨識或反應所造成的變化轉成可量測訊號。題目問的是前端的「感測分子元件」，也就是具有辨識待測物能力的生物材料；電極、光學元件等則屬於訊號轉換或讀取部分。

辨識元件與待測物作用的方式，主要可分為兩類：一是酵素等元件催化反應，二是抗體、受體或核酸等元件與待測物進行專一性結合或辨識。

解題方法

依生物辨識材料的種類列舉，並簡述其辨識方式與用途，即可完整作答。常見感測分子元件包括：

1. 酵素：利用酵素與受質的專一性催化反應，例如葡萄糖氧化酵素可用於血糖感測。
2. 抗體或抗原：利用抗原與抗體的專一性結合，常用於免疫感測及疾病標記檢測。
3. 核酸：以 DNA 或 RNA 探針與互補序列雜交，適用於基因或病原體核酸檢測。

核心觀念

正子造影（positron emission tomography, PET）是利用正子放射性核種標記藥物，追蹤藥物在體內的分布與代謝，再由環繞人體的偵測器收集訊號並重建影像。它主要呈現的是生理與代謝功能，而非單純的解剖結構。

解題方法

（一）PET 的成像原理

1. 將含正子放射性核種的示蹤劑注入體內；示蹤劑會依其生化特性分布，例如含氟去氧葡萄糖（$^{18}\mathrm{F}$-FDG）可反映葡萄糖代謝。
2. 核種衰變時放出正子。正子在組織中移動一小段距離後，與電子發生湮滅。
3. 湮滅時產生兩個能量各為 $511\ \mathrm{keV}$ 的光子，約朝相反方向（約 $180^\circ$）射出。
4. PET 偵測器若在極短時間內同時偵測到這一對光子，便判定發生符合事件，並將兩個偵測位置連成一條反應線（line of response, LOR）。
5. 蒐集大量符合事件後，以影像重建方法估算放射性示蹤劑在體內的分布，形成斷層影像。

因此，PET 的定位依據是成對光子的符合偵測；偵測器不直接偵測正子本身。

（二）常用放射性物質及半衰期

半衰期是放射性核種活度衰減至原來一半所需的時間。核種活度隨時間的變化為：

$$A(t)=A_0\left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$$

常用於 PET 的正子放射性核種如下：

放射性核種	半衰期約值
氟-18（$^{18}\mathrm{F}$）	110 分鐘
碳-11（$^{11}\mathrm{C}$）	20.4 分鐘
氮-13（$^{13}\mathrm{N}$）	10 分鐘

核心觀念

本題旨在評量考生對**細胞生物力學（Cellular Biomechanics）**實驗技術的掌握程度。細胞並非均質的彈性體，而是具有黏彈性（Viscoelasticity）、主動收縮力（Actin-Myosin contractility）與複雜細胞骨架結構（Cytoskeleton）的動態活體系統。

量測細胞生物力學需涵蓋兩大面向：

1. 被動流變與彈性特徵（Passive Mechanical Properties）：外加微小應力（Stress）測量應變（Strain），推導楊氏模數（Young's modulus, $E$）、黏滯係數（Viscosity, $\eta$）與細胞膜表面張力（Membrane tension, $T_c$）。
2. 主動力產生（Active Force Generation）：細胞附著、爬行或受質交互作用時產生之細胞牽引力（Traction forces）與單一分子馬達作用力。

關鍵物理模型與控制方程式包括：

• 赫茲接觸模型（Hertz Contact Mechanics）（用於原子力顯微鏡球型壓痕）： $F = \frac{4}{3} \frac{E}{1 - \nu^2} R^{1/2} \delta^{3/2}$ （$F$ 為壓入力、$E$ 為楊氏模數、$\nu$ 為卜松比、$R$ 為壓頭半徑、$\delta$ 為壓入深度）
• 微吸管抽吸楊-拉普拉斯定律（Young-Laplace Equation）： $\Delta P = 2 T_c \left( \frac{1}{R_p} - \frac{1}{R_c} \right)$ （$\Delta P$ 為抽吸負壓、$T_c$ 為皮層張力、$R_p$ 為微吸管內徑半徑、$R_c$ 為管外細胞球體半徑）
• 光學陷阱虎克定律（Hooke's Law for Optical Trap）： $F = -k_{\text{trap}} \cdot \Delta x$ （$k_{\text{trap}}$ 為光學剛度/彈簧常數，$\Delta x$ 為微珠偏離光斑中心的位移）

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解題方法

本題為申論評述題，作答策略必須「綱舉目張」，針對細胞力學領域公認之五大主流儀器與技術，以標準化的比較維度（測量力範圍、典型設置、時間尺度、空間解析度、優缺點及生物應用）作答，最後輔以整合性對照表，展現系統性的學科知識架構。

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一、 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）

1. 典型實驗設置：

• 核心組件：微懸臂樑（Cantilever，彈簧常數 $k \approx 0.01 \sim 10\ \text{N/m}$）、微探針（尖銳錐狀探針或球形膠體探針，直徑數微米）、壓電陶瓷掃描器（PZT）、雷射二極體與四象限光電二極體（PSPD）。
• 原理：懸臂樑探針壓入或拉扯細胞表面，雷射反射至 PSPD 測量懸臂樑偏折量（Deflection），由虎克定律計算受力，並結合壓入深度與力-距離曲線（Force-displacement curve）推算彈性特徵。

2. 可測量力之大小：

• 量測力範圍：約 $10\ \text{pN} \sim 100\ \text{nN}$（力解析度可達 $\approx 1\ \text{pN}$）。

3. 時間尺度（測量所需實際時間）：

• 單次壓痕（Indentation）測試：約 $10^{-3}\ \text{s} \sim 10^0\ \text{s}$（毫秒至秒級）。
• 全細胞剛度力學分佈圖（Force Volume / Mechanical Mapping）：約數分鐘至數十分鐘（$10^2\ \text{s} \sim 10^3\ \text{s}$）。

4. 主要應用：

• 活細胞局部剛度（Stiffness）測定（如癌細胞與正常細胞軟硬度差異）、細胞黏附力測定、單分子配體-受體解離力（Single-molecule unbinding force）。

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二、 光鑷／光學鑷子（Optical Tweezers / Optical Trapping）

1. 典型實驗設置：

• 核心組件：高數值孔徑（High-NA，通常 $\text{NA} > 1.2$）油鏡物鏡、近紅外線連績雷射（波長 $1064\ \text{nm}$，避免細胞熱損傷）、樣品載物台與象限光電偵測器（QPD）。
• 原理：雷射光經高 NA 物鏡強烈聚焦形成高強度光子電場梯度。高折射率介電微珠（如直徑 $1\sim3\ \mu\text{m}$ 之聚苯乙烯微珠）被微光束之梯度力（Gradient force）捕獲於光焦點中心。藉由監測微珠偏離光焦點之位移計算作用力。

2. 可測量力之大小：

• 量測力範圍：約 $0.1\ \text{pN} \sim 100\ \text{pN}$（極限可至約 $200\ \text{pN}$，解析度高達 $0.05\ \text{pN}$）。

3. 時間尺度（測量所需實際時間）：

• 典型取樣頻率達數十 $\text{kHz}$，動態力學響應時間為微秒至秒級（$10^{-5}\ \text{s} \sim 10^1\ \text{s}$）。

4. 主要應用：

• 分子馬達（驅動蛋白 Kinesin、肌凝蛋白 Myosin）步進行走步階力、單一 DNA/RNA 分子拉伸彈性、細胞膜繫鏈（Membrane tether pulling）提取試驗。

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三、 磁鑷（Magnetic Tweezers, MT）

1. 典型實驗設置：

• 核心組件：永久磁鐵對或電磁線圈組、倒立顯微鏡、高速 CCD/CMOS 相機、超順磁性微珠（Superparamagnetic beads，直徑 $0.5 \sim 5\ \mu\text{m}$）。
• 原理：超順磁微珠修飾特異性抗體結合於細胞表面或生物聚合物末端。透過調控磁鐵與樣品之距離或線圈電流產生磁場梯度，微珠受外加磁場吸引施力，由高速影像處理追蹤微珠三維位移。

2. 可測量力之大小：

• 量測力範圍：約 $0.01\ \text{pN} \sim 10\ \text{nN}$（依磁場梯度強度與微珠體積而定，常用範圍為 $0.1\ \text{pN} \sim 1\ \text{nN}$）。

3. 時間尺度（測量所需實際時間）：

• 反應時間約 $10^{-2}\ \text{s}$ 至數小時（$10^{-2}\ \text{s} \sim 10^4\ \text{s}$）。

4. 主要應用：

• 具備無熱效應（無雷射光熱傷害）、施加扭矩（Torque）與長時間恆力蠕變測試之優勢。廣泛應用於細胞表面受體之機械傳導（Mechanotransduction）及染色質去折疊測試。

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四、 微吸管吸引法（Micropipette Aspiration, MPA）

1. 典型實驗設置：

• 核心組件：微米級開口內徑之硼矽酸鹽玻璃管（內徑 $R_p \approx 1 \sim 5\ \mu\text{m}$）、精密水頭壓力或氣壓調節器（水柱水壓控制系統）、三維微操縱儀（Micromanipulator）、明視野/微分干涉倒立顯微鏡。
• 原理：微吸管端面貼緊懸浮細胞表面，施加負壓吸力 $\Delta P$，使細胞膜與細胞質部分被吸入管內形成舌狀突出（Aspiration length, $L$）。即時記錄 $\Delta P$ 與舌長 $L$ 隨時間之演變，配合液滴模型（Liquid drop model）或固體均質彈性模型計算皮層張力與黏彈性參數。

2. 可測量力之大小：

• 等效測量力範圍：約 $10\ \text{pN} \sim 100\ \text{nN}$（施加之負壓約 $0.1\ \text{Pa} \sim 10\ \text{kPa}$）。

3. 時間尺度（測量所需實際時間）：

• 秒至數十分鐘（$10^{-1}\ \text{s} \sim 10^3\ \text{s}$），極適合觀測幾十秒至數分鐘之黏彈性潛變（Creep）與應力鬆弛（Stress relaxation）。

4. 主要應用：

• 懸浮全細胞（如紅血球、白血球、軟骨細胞、胚胎細胞）之總體等效剪切模數、細胞膜皮層張力測定與變形能力（Deformability）評估。

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五、 細胞牽引力顯微術（Traction Force Microscopy, TFM）

1. 典型實驗設置：

• 核心組件：可調彈性基質（如聚丙烯醯胺 PAA 凝膠，表面包覆細胞外基質膠原蛋白）、微米或奈米級螢光微球標記、倒立共軛焦或落射螢光顯微鏡、細胞解離試劑（Trypsin）。
• 原理：細胞在包覆螢光微珠的軟彈性基質上鋪展貼附，細胞收縮帶動基質變形使微球位移。

核心觀念

生醫材料是用於醫療用途、能與人體組織或體液接觸，以診斷、治療、修復或取代組織與器官功能的材料。選材的核心不是材料本身「無毒」就足夠，而是它在預定用途、接觸部位、接觸時間及使用環境下，能安全且可靠地完成任務。

解題方法與作答要點

作答可由「與人體互動是否安全」及「能否長期完成用途」兩方面整理：

1. 生物相容性良好：不應引起不可接受的毒性、刺激、過敏、發炎、免疫反應、致癌或致畸等不良反應；也須考慮溶出物、磨耗微粒及降解產物對人體的影響。生物相容性須依材料的預定用途與接觸情境評估。
2. 適當的機械性質：強度、硬度、彈性、韌性、耐磨耗與疲勞性等，須符合使用部位和負荷需求。例如承受負重的骨科植入物，須能承受反覆負荷而不早期破裂或變形。
3. 化學穩定與耐腐蝕性：在體液、溫度及使用環境中，材料須維持所需性能，不應因腐蝕或化學反應而產生有害物質、失去強度或失效。
4. 適當的表面與組織反應：材料與血液、細胞或組織接觸時，須符合用途需求。例如血液接觸材料應降低血栓風險；骨植入材料則可要求促進骨整合。
5. 符合預定用途的功能與耐用性：材料須在預定使用期間維持功能；若設計為可吸收材料，其降解速率與組織修復或替代的時程應配合，且降解產物須可被人體安全處理。
6. 可製造、可滅菌且品質穩定：須能加工成所需形狀，並可採合適方式滅菌；滅菌與加工不應使材料性能明顯劣化，批次品質也須穩定。

**解題技巧：**可用「生物安全、機械合用、化學穩定、功能持久、可加工滅菌」作為答題骨架。若題目只問「條件」，不要把生物相容性縮減成「不排斥」；還要涵蓋毒性、血液相容性、組織反應，以及材料在體內使用後的變化。

（二）依材質分類及各類優缺點

核心觀念

依材料性質，生醫材料常分為金屬、陶瓷、高分子及複合材料四大類。選材須配合用途：沒有一類材料能同時具備最高強度、最佳組織相容性、最佳加工性與最低成本。

解題方法與分類比較

核心觀念

這小題考查外傷後頭暈的初步評估，以及各影像檢查的用途。騎車摔倒可能造成腦震盪、顱內出血或顱骨骨折；頭暈也可能與頸椎受傷、前庭系統或其他身體狀況有關。因此，應先由醫師評估意識、神經學症狀和受傷機轉，再依臨床需要安排檢查，不能只憑「輕微外傷」判斷沒有嚴重傷害。

解題方法

1. 先做病史與身體檢查：詢問有無昏厥、失憶、嘔吐、頭痛加劇、抽搐、視力改變、肢體無力或麻木，以及是否服用抗凝血藥；並評估意識狀態、瞳孔、步態、平衡與神經學徵象。若意識改變、反覆嘔吐、神經學缺損或頭痛惡化，應儘速急診處理。
2. 視風險安排頭部 CT：若疑似顱內出血或顱骨骨折，非對比頭部 CT 可迅速檢查急性出血、骨折及明顯腦部損傷，是急性頭部外傷常用的影像檢查。
3. 依症狀評估其他部位：若有頸部疼痛、壓痛或神經症狀，需評估頸椎傷害，並由醫師決定是否安排頸椎影像。若頭暈持續或伴隨其他特定症狀，則依檢查結果進一步評估前庭或其他原因。

解題技巧

作答時要把「先臨床評估、再依風險選檢查」寫清楚，並交代檢查要排除的傷害。頭暈本身不代表一定要做所有影像檢查；是否安排 CT 或其他檢查，應由醫療人員依病史、理學檢查及危險徵象判斷。

（二）X 光、CT、MRI、PET 與超音波何者副作用最小？

核心觀念

核心觀念

聲音是由物體振動所產生的機械波。物體振動時，會使周圍介質（例如空氣、液體或固體）產生疏密交替的變化，形成聲波並向外傳播。聲音需要介質才能傳播，在真空中無法傳播。

以聽診器為例，心臟瓣膜開閉、血液流動或呼吸氣流等會引起身體組織振動，振動再經由人體組織、聽診器的胸件與管路傳至醫師耳朵。

解題方法

作答時依序交代「振動源 → 介質受擾動 → 聲波傳播」即可。題目問的是聲音如何產生，重點是指出振動是聲音的來源，並說明聲波透過介質傳遞；不宜只寫「空氣振動」，因為聲音也能在液體與固體中傳播。

解題技巧

可用「先有振動，才有聲音；傳播需要介質」作為記憶句。振動是聲音的產生原因，介質則是聲音傳播的必要條件，兩者不可混為一談。

（二）聲音的三大要素是什麼？

核心觀念

聲音的三大要素為音調、響度、音色：