114 高普考高考三級 醫學工程 醫學儀表及測量 考古題詳解

核心觀念

本題考查心臟電氣活動的生理起源、傳導路徑，以及如何以臨床量測方式記錄心臟電訊號。心臟電訊號源自心肌細胞膜兩側的離子分布差異與膜電位變化；心電圖（electrocardiogram, ECG）則以體表電極量測心臟電活動在體表形成的電位差。

心肌細胞膜具有選擇性通透性。鈉、鉀、鈣等離子跨膜流動，使細胞膜產生去極化與再極化；許多心肌細胞依序活化後，形成可傳導的電活動。體表 ECG 記錄的是大量心肌細胞電活動的總和，反映心臟電位向量相對於電極導程的投影，並非直接量得單一細胞的動作電位。

電活動的起源與傳導

正常心搏的電活動通常由竇房結（sinoatrial node, SA node）開始。竇房結的起搏細胞具有自發性節律，產生的電活動先擴散至右心房，並經心房肌傳至左心房，使兩心房依序去極化。

電活動接著到達房室結（atrioventricular node, AV node）。房室結傳導較慢，造成短暫延遲，使心房有時間將血液送入心室。之後訊號經房室束（His bundle）、左右束支及浦肯野纖維（Purkinje fibers）快速傳至心室肌，使心室協調去極化與收縮。

在 ECG 上，這些事件主要對應如下：

• P 波：心房去極化。
• PR 間期：由心房去極化開始至心室去極化開始，包含房室結傳導延遲。
• QRS 波群：心室去極化；心房再極化通常被同時發生的 QRS 波群遮蔽。
• ST 節段與 T 波：心室再極化及其後續電位變化。

ECG 波形是電活動的紀錄，不能直接等同於心肌收縮力或血流量；臨床判讀需搭配症狀及其他檢查。

臨床量測方法與解題方法

核心觀念

生物感測器由生物辨識元件與訊號轉換器組成。生物辨識層負責選擇性辨認目標物，並產生可被轉換器量測的變化；轉換器再將此變化轉成電流、電位、光學訊號等可讀訊號。辨識層的設計會影響感測器的選擇性、靈敏度、反應速度、穩定性與重複性。

葡萄糖生物感測器常以葡萄糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）作為辨識元件。GOx 催化葡萄糖氧化，常見反應可表示為：

後續可量測氧氣消耗、過氧化氫生成，或經由媒介物傳遞的電子訊號，推估葡萄糖濃度。

解題方法

作答時依序說明三件事：生物辨識層的功能、葡萄糖辨識元件與感測原理，以及如何把辨識元件固定在感測器上並兼顧性能。固定方法至少列出兩種，並說明各自的優缺點。

葡萄糖辨識層的設計與製作考量

1. 辨識元件與選擇性：依感測器用途選擇 GOx 或葡萄糖脫氫酶（glucose dehydrogenase, GDH）。GOx 對葡萄糖具專一性，但其反應涉及氧氣，氧氣濃度變化可能影響訊號；應評估干擾物與樣品基質，確保其他成分不會造成顯著假訊號。

2. 酵素活性與微環境：固定化過程及材料不可使酵素變性、破壞活性位或阻礙葡萄糖進入。應控制製程中的 pH、溫度、溶劑、交聯劑用量與乾燥條件，並使酵素在儲存及操作期間維持活性。

3. 固定量、排列與傳質：酵素量須足以產生可量測訊號；但辨識層過厚或過度緻密會延長葡萄糖擴散路徑，降低反應速度。酵素應盡量均勻分布並靠近轉換界面，使反應產物或電子能有效傳遞。

4. 穩定性與可重複製造：辨識層須避免酵素脫落或滲漏，並具備可接受的保存期限與操作壽命。固定程序、酵素濃度、膜厚與乾燥條件應容易控制，以降低批次差異。

（一）濾波器與 EEG 訊號

核心觀念

濾波器用來選擇性通過或抑制特定頻率成分，常見用途包括降低雜訊、移除基線漂移及保留感興趣的生理訊號頻帶。生物醫學量測中常見的濾波器有低通、高通、帶通與帶拒濾波器。

帶通濾波器由高通與低通特性組合而成：低於截止頻率的成分受抑制，高於截止頻率的成分也受抑制，只有兩個截止頻率之間的訊號主要通過。

解題方法

EEG 是頭皮電極量得的微弱腦部電位變化，訊號中可能混有低頻基線漂移、眼動與肌電干擾，以及電源線頻率雜訊。可用帶通濾波保留臨床關注的腦波頻帶，同時抑制頻帶外干擾。

常見臨床 EEG 顯示設定約為 0.5–70 Hz：高通截止頻率約 0.5 Hz，用來減少基線漂移；低通截止頻率約 70 Hz，用來抑制較高頻的肌電與其他雜訊。實際設定須依檢查目的與設備規範調整，不能把此範圍視為所有 EEG 應用的固定值。

解題技巧

作答時把帶通濾波器的兩個端點各自連結到功能：低頻端去除漂移，高頻端抑制雜訊，再寫出典型範圍。若題目談的是 EEG 記錄而非單純顯示，應避免聲稱帶外生理成分在任何情境下都可任意刪除。

（二）ADC 與脈搏血氧儀

核心觀念

ADC 將類比訊號取樣、量化並編碼為數位資料，使處理器能儲存、分析與顯示量測結果。其量化步階近似為

其中 $V_{\mathrm{FS}}$ 是 ADC 的輸入滿刻度範圍，$N$ 是位元數。理想量化誤差約在 $\pm \frac{1}{2}\mathrm{LSB}$ 之內；實際轉換品質還會受到雜訊、線性度與參考電壓等因素影響。

解題方法

脈搏血氧儀通常以紅光與紅外光 LED 交替照射組織，由光二極體接收穿透或反射的光並轉成電訊號。前端放大與訊號調理後，ADC 將紅光及紅外光的量測值數位化。處理器再估算兩個波長下的脈動交流成分與非脈動直流成分，計算比例比值：

核心觀念

生物醫學資訊學運用訊號處理與影像處理，把生理量測或醫學影像轉換成較易判讀、分析與儲存的資訊。訊號處理主要面對隨時間變化的一維或多維資料，例如 ECG；影像處理則面對空間像素或體素資料，例如 MRI。

處理目的包括降低雜訊、校正量測誤差、擷取特徵、辨識事件、輔助診斷及追蹤病情。處理結果必須保留原始醫療資訊，並記錄取樣率、解析度、單位與處理參數，避免因轉換而造成誤判。

解題方法

可依「資料型態與問題 → 處理技術 → 臨床用途 → 儲存影響」作答。以下以 ECG 的基線校正與 QRS 偵測，以及 MRI 的影像分割為例，說明訊號與影像處理在生物醫學資訊學中的應用。

ECG 訊號處理：基線校正與 QRS 偵測

ECG 是隨時間變化的電位訊號，常受基線漂移、肌電雜訊及電源干擾影響。基線漂移可能來自呼吸、電極接觸變化或病人移動，會妨礙波形與振幅判讀。

一種常用方法是以低頻濾波或基線估測方法，估計緩慢變動的基線 $b[n]$，再從原始訊號 $x[n]$ 中扣除：

其中 $y[n]$ 為校正後訊號。完成基線校正後，可進一步偵測 QRS 波群，取得 R 波時間點 $t_i$，並計算相鄰心搏的 RR 間期：

心率可由 RR 間期估算；若 RR 以秒為單位，則：

這些特徵可用於心率與心律分析，也能協助辨識心搏過速、心搏過緩或節律不整。實際系統須謹慎設定濾波器，避免削弱診斷所需的波形成分；濾波與偵測結果宜能回溯至原始 ECG。

MRI 影像處理：影像分割

核心觀念

本題考查電流通過人體時的兩種電擊危害，以及哪些因素會改變傷害程度。判別巨電擊與微電擊，關鍵在於電流進入人體的通路：巨電擊主要經由皮膚接觸形成體表至體表的通路；微電擊則因侵入性導線或電極直接連到心臟附近，使微小電流也能直接刺激心肌。

電流大小可用歐姆定律理解：

其中 $I$ 為電流、$V$ 為施加電壓、$Z$ 為人體與接觸路徑的總阻抗。人體阻抗會受皮膚狀況、接觸面積、電流頻率等影響；因此相同電壓不一定造成相同電流或相同傷害。

解題方法

先從「電流如何進入、流經何處、患者為何更易感」比較兩類危害，再列出影響電擊嚴重程度的參數。作答時要指出：微電擊的高危險性來自電流直接進入心臟通路，不代表其電流量比巨電擊大。

（一）巨電擊與微電擊

核心觀念

脈搏血氧儀以紅光（約 $660\ \mathrm{nm}$）與紅外光（約 $940\ \mathrm{nm}$）照射組織，利用氧合血紅素（HbO₂）和還原血紅素（Hb）對兩種波長的吸光差異，估算動脈血氧飽和度 $\mathrm{SpO_2}$。儀器藉由脈動訊號中的交流成分（AC）相對於非脈動直流成分（DC），排除皮膚、骨骼及靜脈血等背景吸收；常見的比值為

再以裝置校正曲線將 $R$ 換算為 $\mathrm{SpO_2}$。因此，任何干擾脈動訊號、改變光路吸收，或違反血紅素辨識假設的因素，都會造成量測誤差。

解題方法

題目要求列出三個常見誤差來源及其降低方法。作答時可依「訊號品質、光學干擾、生理與血紅素限制」分類，每類說明干擾機制，再提出可執行的改善方式。以下三項即可完整作答。

一、肢體動作造成運動偽影

手指或探頭移動會改變光路、探頭與皮膚的接觸狀態，並引入非動脈脈動訊號，使儀器難以將動脈血液的脈動成分與雜訊分開，造成讀值跳動、錯誤或無法穩定顯示。

**降低方法：**讓受測者保持靜止並支撐手部，將探頭妥善固定；避免探頭過鬆或過度夾緊。若移動無法避免，可選用具有運動偽影抑制演算法的儀器，並待波形及讀值穩定後再記錄。

二、低灌流或末梢循環不良

末梢血流不足時，動脈脈動的 AC 訊號變弱，訊噪比下降，儀器便難以可靠估算血氧飽和度。低溫、低血壓、血管收縮或探頭部位灌流不佳，都可能造成此問題。