【答案】

一、核心觀念

本題整合三個層次：

1. 以 Goldman-Hodgkin-Katz Equation（GHK 方程式）說明靜止膜電位。
2. 以電壓閘門離子通道說明動作電位的產生與波形。
3. 以體表電極、Einthoven 導程及 Wilson 中央端子說明六個額平面 ECG 導程，並分析量測誤差與抑制方法。

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（一）GHK 方程式與靜止膜電位

1. 靜止膜電位的形成條件

可興奮性細胞在靜止狀態下：

• 細胞膜內外存在離子濃度差。
• 細胞膜對不同離子的通透性不同。
• 細胞膜具有選擇性通透性。
• 細胞內外離子分布由鈉鉀幫浦等主動運輸機制維持。
• 細胞內通常帶負電，形成負的靜止膜電位。

神經元與骨骼肌細胞的靜止膜電位通常約為 $-60$ 至 $-90\ \text{mV}$。

2. GHK 方程式

對主要為單價陽離子 $K^+$、$Na^+$ 及陰離子 $Cl^-$ 的細胞膜，GHK 電壓方程式為：

$$V_m=\frac{RT}{F} \ln\left( \frac{ P_K[K^+]_o+P_{Na}[Na^+]_o+P_{Cl}[Cl^-]_i }{ P_K[K^+]_i+P_{Na}[Na^+]_i+P_{Cl}[Cl^-]_o } \right)$$

其中：

• $V_m$：膜內相對於膜外的膜電位。
• $R$：氣體常數。
• $T$：絕對溫度。
• $F$：法拉第常數。
• $P_K$、$P_{Na}$、$P_{Cl}$：細胞膜對各離子的通透性。
• 下標 $i$ 表示細胞內濃度，下標 $o$ 表示細胞外濃度。

氯離子在公式中的內外位置相反，是因為 $Cl^-$ 為陰離子。

3. 靜止狀態下的主要機制

在靜止狀態：

• $P_K$ 遠大於 $P_{Na}$，細胞膜主要允許 $K^+$ 通過。
• 細胞內 $K^+$ 濃度高，$K^+$ 沿濃度梯度向外擴散。
• $K^+$ 外流使細胞膜內部逐漸帶負電。
• 當化學驅動力與電力驅動力平衡時，膜電位接近鉀離子的平衡電位。
• 少量 $Na^+$ 漏入及其他離子的通透性，使實際靜止膜電位不完全等於 $E_K$，通常比 $E_K$ 更正。
• $Na^+/K^+$-ATPase 每消耗一個 ATP，將 $3Na^+$ 泵出細胞、將 $2K^+$ 泵入細胞，維持濃度梯度並產生些許電生性作用，使膜內更偏負。

4. 影響因素

主要影響因素包括：

1. 離子濃度梯度：細胞內外 $K^+$、$Na^+$、$Cl^-$ 濃度改變，會改變各離子的平衡電位。
2. 膜對各離子的相對通透性：哪一種離子的 $P$ 最大，對膜電位的影響就最大。
3. 鈉鉀幫浦活性：影響離子濃度梯度及膜內負電程度。
4. 溫度：GHK 方程式中的 $T$ 會直接影響電位。
5. 膜完整性與漏通道數量：膜受損會使離子選擇性降低。
6. 細胞種類與生理狀態：不同細胞具有不同離子通道分布與通透性。

解題技巧

看到「靜止膜電位」應掌握三句話：

• 主要由 $K^+$ 漏通道決定。
• 真正膜電位由各離子濃度與相對通透性共同決定。
• 鈉鉀幫浦負責長期維持濃度梯度，不是單獨決定瞬間膜電位的唯一因素。

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（二）動作電位的主要機制與離子電流波形

1. 動作電位的產生

當刺激使膜電位達到閾值時，電壓閘門通道產生正回饋反應：

1. 刺激使膜電位去極化。
2. 達到閾值後，電壓閘門 $Na^+$ 通道快速開啟。
3. $Na^+$ 大量內流，使膜電位迅速上升。
4. $Na^+$ 通道失活，$K^+$ 通道延遲開啟。
5. $K^+$ 外流使膜電位下降，產生再極化。
6. $K^+$ 通道關閉較慢，造成短暫過極化。
7. 漏通道及鈉鉀幫浦逐漸恢復靜止狀態。

動作電位具有：

• 全或無特性。
• 不因刺激強度增加而增加單一動作電位的振幅。
• 以不衰減方式沿軸突或肌膜傳播。
• 具有絕對不應期與相對不應期。

2. 離子電流變化

以膜內電流方向表示：

• $I_{Na}$：$Na^+$ 內流，屬於內向電流，電流通常為負值。
• $I_K$：$K^+$ 外流，屬於外向電流，電流通常為正值。

其主要變化為：

時期	主要通道	離子流	電流特性	膜電位變化
靜止期	$K^+$ 漏通道	少量 $K^+$ 外流	小幅外向電流	維持負值
去極化期	電壓閘門 $Na^+$ 通道	大量 $Na^+$ 內流	快速內向 $I_{Na}$	膜電位上升
峰值期	$Na^+$ 通道失活	$Na^+$ 內流停止	$I_{Na}$ 下降	達正峰值
再極化期	電壓閘門 $K^+$ 通道	$K^+$ 外流	延遲外向 $I_K$	膜電位下降
過極化期	$K^+$ 通道尚未完全關閉	持續 $K^+$ 外流	外向電流延續	低於靜止電位
恢復期	$K^+$ 通道關閉、漏通道作用	離子分布恢復	回到基線	恢復靜止膜電位

3. 動作電位示意圖

膜電位 Vm
 +30 mV /\ 峰值
 / \
 0 mV / \
 / \
 -55 mV --------閾值---------/ \---------
 去極化 再極化
 -70 mV ____靜止狀態________________________
 \
 -90 mV \___
 過極化

 Na+通道快速開啟 Na+通道失活
 K+通道延遲開啟 K+外流增加
時間 ───────────────────────────────────────>

離子電流的相對變化可表示為：

電流
外向(+) IK ／＼
 ／ ＼____／ ＼

0 ───────────────────────────────────────────

內向(-) INa
 ＼____／＼
 快速內向
時間 ───────────────────────────────────────>

解題技巧

動作電位的時間順序不可寫反：

$$Na^+\text{快速內流} \rightarrow Na^+\text{通道失活} \rightarrow K^+\text{延遲外流} \rightarrow 過極化$$

常見錯誤是將 $K^+$ 內流、$Na^+$ 外流，或將鈉鉀幫浦誤寫成動作電位快速上升的直接原因。

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（三）六個額平面 ECG 導程與等效電路

1. 電極配置

標準四肢電極包括：

• RA：右臂電極
• LA：左臂電極
• LL：左腿電極
• RL：右腿電極，通常作為接地或雜訊抑制電極

RA、LA、LL 三個電極形成 Einthoven 三角形，量測心臟去極化向量在額平面上的投影。

2. 標準雙極肢導程

核心觀念

本題考查生物感測器如何把「分子辨識」轉成「可量測訊號」，以及葡萄糖酵素電極的反應機制與植入式連續血糖監測（CGM）的設計考量。作答時可依序整理為：

1. 辨識目標分子的方式：離子、氣體、代謝物或細胞成分。
2. 辨識後的換能方式：電位、電流、電導、光學或質量變化。
3. 葡萄糖感測的辨識層：葡萄糖氧化酶（GOx）或葡萄糖去氫酶（GDH），以及酵素反應產生的電子如何到達電極。
4. 植入式設計的限制：生物相容性、訊號穩定性、傳質、干擾、漂移與組織反應。

生物感測器通常包含三個部分：生物辨識元件（例如酵素、抗體、受體或核酸）、換能器（例如電極或光學元件）及訊號處理電路。選擇性來自辨識元件或選擇性膜；感測器則將辨識反應造成的物理或化學變化轉成電訊號。

解題方法

先依題目列出的檢測物分類，再說明各類常用的辨識原理與訊號型態。第二部分則以最常見的酵素電化學式葡萄糖感測器為主軸，依序說明酵素反應、電子傳遞世代演進，以及植入後的測量限制。

（一）不同檢測項目的生物感測器種類與原理

檢測項目	常見感測器與辨識原理	訊號與要點
pH	玻璃電極、離子選擇性電極（ISE）、離子敏感場效電晶體（ISFET）	以氫離子活度造成的電位變化換算 pH。理想情況下，電位與 pH 呈近似線性關係；實際量測需校正並使用參考電極。
$P_{O_2}$	Clark 氧電極	氧氣透過氣體可透膜，在工作電極被還原，量測還原電流；電流在適當範圍內與氧分壓相關。
$P_{CO_2}$	Severinghaus 二氧化碳電極	$CO_2$ 透過膜進入內部電解液，形成碳酸並改變局部 pH，再由 pH 電極量測。屬於以化學反應間接測量氣體分壓。
$Na^+$、$K^+$、$Ca^{2+}$、$Cl^-$	離子選擇性電極	離子選擇性膜對目標離子產生選擇性電位，依能斯特關係與離子活度相關。臨床儀器常以離子選擇電極直接量測。
血容比 hematocrit	電阻抗／電導法、光學法	紅血球比例改變血液的電導、阻抗或光吸收／散射特性，據此推估血容比。儀器需以血液特性校正。
總血紅蛋白與血氧飽和度	分光光度法、共氧計；脈搏血氧則以多波長光學法估算	不同血紅蛋白型態的吸收光譜不同，可由多波長吸光度估算各型態比例。血氧飽和度是氧合血紅蛋白占可結合氧血紅蛋白的比例；不可將其與 $P_{O_2}$ 混為一談。
Glucose、lactate	酵素電化學感測器	酵素對底物具選擇性，反應造成氧消耗、過氧化氫生成或介體氧化還原變化，再由電極量測電流。葡萄糖常用 GOx；乳酸常用乳酸氧化酶。
Creatinine、urea	酵素式或酵素串聯感測器；也可搭配電導、電位或光學換能	尿素酶水解尿素，產生的離子或局部 pH 變化可由電位、電導或 ISFET 量測。肌酸酐可用特定酵素反應或酵素串聯反應形成可量測的電化學訊號。

以上感測器可依換能方式概分為：

• 電位式：量測開路電位差，例如 pH 電極與離子選擇性電極。
• 安培式：在固定電位下量測氧化還原電流，例如 Clark 氧電極及酵素電極。
• 電導／阻抗式：量測溶液導電性或阻抗變化，可用於電解質及血液性質評估。
• 光學式：量測吸光、螢光或散射變化，例如血紅蛋白與血氧相關測量。
• 質量式：量測表面結合造成的質量或共振變化；在本題列舉的急診血液分析中，並非主要方法。

實際臨床分析儀通常會將多種感測器整合於同一設備，但不同分析項目所需的辨識化學與換能原理並不相同。

（二）植入式連續血糖感測系統

1. 血糖感測器的設計原理

常見血糖試片與多數植入式 CGM 感測器，採用酵素電化學感測。感測器以工作電極、參考電極及必要時的輔助電極構成電化學系統；酵素固定於感測區，葡萄糖經選擇性膜擴散至酵素層，反應所造成的電子轉移則由電極量測。

以葡萄糖氧化酶（GOx）為例：

$$\mathrm{Glucose + GOx(FAD) \rightarrow Gluconolactone + GOx(FADH_2)}$$

第一代感測器以氧氣再氧化酵素，並量測氧氣消耗或過氧化氫生成：

$$\mathrm{GOx(FADH_2) + O_2 \rightarrow GOx(FAD) + H_2O_2}$$

核心觀念

本題考查理想運算放大器的等效模型、反相加法器的偏壓抵消，以及三運算放大器儀表放大器的架構與優點。

主要公式如下：

• 差動輸入電壓： $v_d=v_2-v_1$
• 開迴路輸出： $v_o=A(v_2-v_1)$
• 反相加法器： $v_o=-R_f\left(\frac{v_i}{R_i}+\frac{v_b}{R_b}\right)$

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（一）理想運算放大器的規格特性

圖-a 的等效模型可表示為：

$v_o=A(v_2-v_1)$

其中 $A$ 為開迴路差動電壓增益，$R_d$ 為差動輸入電阻，$R_o$ 為輸出電阻，$BW$ 為頻寬。

理想運算放大器具有下列特性：

1. 開迴路電壓增益無限大

$A\rightarrow \infty$

因此只要存在極小的差動輸入電壓，便可產生足夠的輸出。

2. 差動輸入電阻無限大

$R_d\rightarrow \infty$

兩個輸入端幾乎不吸收電流，因此不會對前級訊號源造成負載效應。

3. 輸出電阻為零

$R_o\rightarrow 0$

輸出電壓不因負載電流而明顯下降，能理想地驅動負載。

4. 頻寬無限大

$BW\rightarrow \infty$

對所有頻率範圍內的訊號皆具有相同增益，不存在頻率響應衰減。

5. 輸入失調電壓為零

當

$v_1=v_2$

時，輸出為零。

6. 共模拒斥比無限大

$CMRR\rightarrow \infty$

只放大差動訊號，完全不放大兩輸入端共同存在的共模訊號。

7. 無限大的輸出擺幅與驅動能力

理想模型中輸出不受電源電壓限制，且可提供任意負載電流；實際運算放大器則會受到電源電壓、輸出電流及飽和範圍限制。

若圖中的 $z$ 表示負載阻抗，理想運算放大器因 $R_o=0$，其輸出電壓不受負載阻抗影響；若 $z$ 表示寄生或頻率相關阻抗，理想化時則視為不造成負載與頻率效應。

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（二）消除 DC offset 的反相加法器設計

解題方法

圖-b 為反相加法器，非反相端接地，因此反相端為虛地。輸出電壓為：

$v_o=-\frac{R_f}{R_i}v_i-\frac{R_f}{R_b}v_b$

其中：

• $v_i$：包含 DC offset 與實際生理訊號
• $v_b$：由 $+15\ \mathrm{V}$ 與 $-15\ \mathrm{V}$ 可調整的補償電壓
• $R_i=10\ \mathrm{k\Omega}$

1. 決定回授電阻 $R_f$

題目要求放大倍率：

$A=-10$

生理訊號由 $v_i$ 經 $R_i$ 輸入，因此令：

$-\frac{R_f}{R_i}=-10$

代入 $R_i=10\ \mathrm{k\Omega}$：

$R_f=10R_i=100\ \mathrm{k\Omega}$

2. 設計偏壓電阻 $R_b$

假設輸入訊號含有：

$v_i=v_{\text{phys}}+v_{\text{offset}}$

其中：

$v_{\text{phys}}=\pm1\ \mathrm{V},\qquad v_{\text{offset}}=\pm5\ \mathrm{V}$

為消除 DC offset，必須使 offset 所造成的輸出為零：

$$-\frac{R_f}{R_i}v_{\text{offset}} -\frac{R_f}{R_b}v_b=0$$

約去 $R_f$：

$$\frac{v_{\text{offset}}}{R_i} +\frac{v_b}{R_b}=0$$

因此：

$v_b=-\frac{R_b}{R_i}v_{\text{offset}}$

圖中偏壓電壓可由 $+15\ \mathrm{V}$ 至 $-15\ \mathrm{V}$ 的電位器取得。為使 $\pm5\ \mathrm{V}$ 的 offset 由 $\mp15\ \mathrm{V}$ 抵消，令：

$v_{\text{offset}}=\pm5\ \mathrm{V},\qquad v_b=\mp15\ \mathrm{V}$

則：

$$\frac{5}{10\ \mathrm{k\Omega}} = \frac{15}{R_b}$$

所以：

$R_b=30\ \mathrm{k\Omega}$

3. 驗算輸出是否飽和

抵消 DC offset 後，輸出只剩下生理訊號：

$v_o=-\frac{R_f}{R_i}v_{\text{phys}}$

$v_o=-10v_{\text{phys}}$

當：

核心觀念

生醫資訊（biomedical informatics）以資訊科學與電腦科技處理生物、醫學及醫療照護資料，目的在提升研究、診斷、治療、公共衛生與健康管理的品質。生物資訊與醫療資訊都會使用資料庫、統計分析及運算工具，但兩者的主要資料、研究對象與應用目的不同。

解題方法與內容

可從「處理什麼資料、解決什麼問題、成果用在哪裡」三方面區分：

比較面向	生物資訊（bio-informatics）	醫療資訊（medical informatics）
主要資料	基因體、蛋白質體、代謝體及其他分子或生物資料	病歷、檢驗、影像、處方、醫療流程、照護及公共衛生資料
主要研究對象	生物分子、生物系統及其相互作用	病人、醫療人員、醫療機構與健康照護系統
核心問題	如何儲存、比對、分析大量生物資料，找出序列、結構、功能及關聯	如何取得、組織、交換、呈現及運用健康資料，支援臨床、管理與公衛決策
常見方法與工具	序列比對、基因體資料庫、分子建模、統計與機器學習分析	電子病歷、醫療資訊標準、臨床決策支援、醫療流程整合、資料交換與分析
主要應用	基因功能研究、疾病機轉分析、藥物標的探索、精準醫療研究	臨床照護、醫院營運、醫療品質管理、疾病監測、健康政策與公共衛生

兩者並非互不相干。例如，基因檢測結果原屬生物資訊常處理的資料；當結果納入病歷並用於診斷、治療或臨床決策時，也成為醫療資訊系統的資料。因此，生物資訊偏重生物資料的分析與知識發現；醫療資訊偏重健康照護資訊的組織、流通與應用。

（二）三項計畫對醫療資訊系統與加值應用的重要內容與預期效益

核心觀念

這部分考查醫療資訊系統的整體建置與資料治理。醫療資訊不只是醫院內的軟硬體，也涉及跨機關協作、臨床作業流程、資料標準、安全與隱私，以及資料如何轉化為照護、公衛與政策上的實際效益。

三項計畫可依「基礎建設、醫療系統升級、資料加值」來理解：先建立共同的數位基礎，再改善醫療資訊系統，最後促進健康資料的治理與運用。

1. 醫療公衛數位基礎工程計畫

**重要內容：**建立衛福部及所屬機關、醫療與公衛服務間的數位基礎，整合跨機關資訊、資料交換及服務流程。工作重點包括盤點既有系統與資料、改善系統間的介接、促進資料格式與標準的一致，並將資安、隱私保護、身分與權限管理納入基礎設計。

**對醫療資訊系統的意義：**過去各單位或系統各自建置，容易產生資料分散、重複登錄及交換困難。

1. ISO 14971:2019 的安全防護設計基本概念

核心觀念

ISO 14971:2019 要求製造者在醫療器材的生命週期中，持續辨識危害、估計及評估風險、採取風險控制措施，並確認措施已實施且有效。安全設計的目標是將風險降低至可接受程度；風險可藉由降低傷害發生機率、降低傷害嚴重度，或同時降低兩者來控制。

解題方法：依風險控制優先順序作答

1. 本質安全設計與製造：優先從設計或製程消除危害，或降低其發生可能性。例如限制輸液幫浦的最大輸注速率，使單一操作錯誤不致造成過量輸注。
2. 防護措施：若設計本身仍有剩餘風險，於器材或製程加入防護。例如設置電氣隔離、過溫保護、過流保護、機械防護罩或警報機制。
3. 安全資訊與適當訓練：對前兩種措施後仍存在的剩餘風險，提供警告、禁忌、操作說明、維護要求及必要訓練。例如標示特定使用限制，並訓練操作者辨識警報。

措施採用後，仍須確認其確實實施並有效降低風險，同時評估措施是否引入新的危害；剩餘風險則依既定準則評估並納入風險管理紀錄。

解題技巧

記住風險控制順序：先改設計，再加防護，最後才以警告與訓練補足。只寫「加警報、貼標籤」而未交代優先考慮設計消除危害，容易漏掉本題重點。

2. 醫療領域資通系統相關名詞

以下依題示「衛生福利部醫療領域資通系統資安防護基準」之脈絡說明：

1. 資安列管醫療儀器：設置於醫療機構院區內，具有院內網路或網際網路連線能力，具有可追蹤的網路位址，並與 HIS、PACS 等醫療資訊系統交換資料或傳送資訊的醫療儀器及相關系統。列管時應納入儀器與其資料交換、控制關係的盤點。
2. 醫療資訊系統（HIS）：支援醫療機構醫療服務與營運管理的資訊系統，處理病人基本資料、掛號、病歷、醫令、檢查檢驗、批價及相關醫療作業資訊。
3. 醫療影像儲傳系統（PACS）：用於醫療影像及相關資訊的取得、儲存、傳輸、管理與調閱之系統，常與影像設備、工作清單及醫療資訊系統介接。
4. 醫療儀器資通系統：由臨床醫療儀器、其控制或應用系統，以及相關網路、介接設備與軟體組成，負責儀器控制、檢查資料處理或與院內醫療資訊系統交換資料的資通系統。
5. 醫療物聯網裝置（IoMT）：具備感測、運算或通訊能力，並連結網路以蒐集、傳送或接收醫療相關資料的醫療裝置；例如連網生理監視器、遠距病人監測裝置及智慧穿戴醫療裝置。

解題技巧

判斷是否屬於資安列管醫療儀器，可抓住四個要件：在院區、可連網、網路位址可追蹤、與醫療資訊系統交換資料。HIS 著重醫療業務資訊，PACS 著重醫療影像；IoMT 則著重具有連網能力的醫療裝置。

（二）醫療儀器資產風險管理架構

本題所述指引參酌 ISO 27001 資訊安全管理系統及 ISO/IEC 27005:2011 資訊安全風險管理機制。依命題當年（民國 113 年）相關法規與指引脈絡作答。