#Q博展知識
在德國科學家倫琴發現X射線以前,醫生診斷病患體內的情況在手術前都只能依據觸診或是病患自己的描述,這樣的診斷方法常會造成誤診,以致拖延治療進度
現代醫學造影技術的發展,使病患經過掃描後就能夠很清楚的知道體內發生的問題,協助醫生更了解病患的狀況。
就讓Q博來簡單的介紹醫學影像技術吧!
【3D影像醫學及手術】
1970年代發展的電腦斷層(Computed Tomography,簡稱CT)及磁振造影(MRI),經過數代的進階,時至今日的21世紀,不僅速度飛快、解析度高清、更進入從二維(2D)重建三維(3D)接近人體解剖的虛擬實境(Virtual Reality簡稱VR)的軟體發展。 VR虛擬實境已經運用在遊戲、媒體、室內設計、建築等各行各業,透過這樣技術將是未來融合虛實世界的重要設備,同樣運用於外科手術,三維(3D)的VR更可以做治療前計畫、教學及微創手術前的模擬操作。
所謂的AR擴增實境(Augmented Reality)的定義就是將3D重建的VR與實際的即時影像重疊結合,讓醫師在手術時更清楚病灶及周圍器官的相關性,特別是血管,使手術避免出血,視野更清楚。 目前至少已經有三個器官突破挑戰AR,即是眼睛、手與腦部(Augmented Eye, Hands and Brain),這個確定性的進步不僅是醫療科技的創新更是人民的福祉。
https://scitechvista.nat.gov.tw/UrlMap?t=fG8
【核子醫學科技】
大自然中有氮、氫、氧、碳……等多種元素,這些元素分別有不同的原子序數與質量數。凡原子序數相同、質量數不同的元素都稱為同位素,各同位素的化學性質仍相同,只是物理性質不一樣。例如:氫有三個同位素,氫一叫氫,氫二叫氘,氫三叫氚,原子序都是1,但其質量數,氫是1,氘是2,氚是3,質量數的不同,使物理性質也不同。若從物理上觀察:氫的個性穩定,不會釋出放射線,稱為氫的「穩定同位素」;氚的個性不穩定,會釋出β負粒子放射線,稱為氫的「放射性同位素」。
當我們需要放射線的時候,可以先製造一個不穩定的放射性同位素,由於它會釋出不同能量的粒子與放射線,也因此,放射性同位素成為人造放射線的主要來源之一。
核醫科技結合放射性同位素藥物及放射線示蹤性,協助醫生診斷或追蹤病情;利用X光的穿透性,讓體內器官組織病變在底片上顯示;紫外光與物質作用時具有殺菌力;醫院為癌症病患做放射線治療,即是一種透過鈷-60加瑪(γ)射線或電子加速器產生X射線殺死癌細胞的治療方法。
https://scitechvista.nat.gov.tw/UrlMap?t=h5C
【磁振造影】
要說明磁振造影的原理,必須先解釋什麼是「核磁共振」。可以想像一個原子的結構,是在中心有一個很小的原子核,週圍有電子。不同的元素,它的原子核裡,會有不一樣數目的質子與中子,質子與中子數量的總和,稱為「質量數」。一個原子,只要原子核的質量數是奇數,比如是1, 3, 5, 7……的時候,當原子在強力磁場的作用下,原子核外圍電子的「磁矩」的「總向量和」,就會順著磁場方向來排列。這個時候,如果向原子照射適當的電磁波,原子核就會吸收其中的特定波長或能量的電磁波,被激發到比較高的能階,這個過程稱為「核磁共振」。
原子核會自然從高的能階掉回低的能階,此時它會放出電磁波,於是就產生了核磁共振的信號,也就是用來做磁振造影的信號。我們可以用儀器偵測這些信號。比方說,生物體內含有許多水,水分子是由氫原子和氧原子組成的,氫原子的質量數是1,我們就可以使用核磁共振的設備,讓它產生信號,並且偵測。醫學界發現,利用這個方法,不必動手術接觸人體,就可以獲取體內水分子分布的資訊,從而精確繪製人體內部的結構,這就叫做磁振造影。
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特定化學物質定義 在 國家衛生研究院-論壇 Facebook 的最佳解答
【成癮:明明很努力,為何就是戒不掉?】
「我一開始使用毒品是來自朋友,當然最單純來講是好奇心,很多朋友會來慫恿,一次一次的跟你說:『沒關係』、『這沒有什麼』、『我用了以後也沒什麼,到現在還不是一樣』,這是我一開始使用搖頭丸的情況。」
小胖說他使用毒品的契機,是基於好奇心與朋友的誘惑,之後讓他繼續使用的原因,除了毒品帶給他以往沒有過的感受之外,他也在毒友之間獲得歸屬感,「我們好像在一起、我們就是一夥人」,而當時他對用毒的意識並不強烈,覺得「我們沒有在用毒品,我們只是在讓自己快樂而已」合理化自己的用毒行為。
■藥物濫用過程中傷害最深的其實是家人
「我犯了錯進了派出所,凌晨3點多打電話給媽媽,媽媽從大老遠坐計程車來到我面前,只為了跟我說:『你有沒有吃飯?你會不會餓?你會不會冷?沒有關係,我們一起面對。』當下其實我是崩潰的,因為我什麼都不能做,我再次傷害了媽媽。」【註1】
■這是一個「成癮」的時代
抽菸、喝酒、嚼檳榔、喝咖啡、安眠藥、非法毒品、藥品濫用、賭博、暴飲暴食甚至於滑手機、網路上網都可以成癮。其中又以「喝酒」和「藥物濫用」這兩項常造成許多的社會問題。
「長期飲酒過量」所衍生出個人生理病痛、家庭功能失調及酒後駕車社會安全危害等問題相當嚴重;「藥癮者」因一時好奇、受誘惑而嘗試毒品,並非真的想要戕害自己,但上癮後才發現為時已晚。【註2】
■何謂「成癮」?
「癮」(Addiction)係指人對某種事物所產生的一種超乎尋常的嗜好和習慣,這種嗜好和習慣透過刺激中樞神經的獎賞系統(reward system)造成興奮或愉快感而形成「癮」。
至於「成癮」則是指個體不可自制地反覆渴求濫用某種物質或從事某種活動,雖然知道這樣做會給自己或已經給自己帶來各種不良後果,但仍然無法控制。
■濫用藥物會擾亂神經傳導作用
濫用藥物能以不受控制的方式,來模仿或阻斷神經傳導物質,從而擾亂神經傳導物質的功能。這會扭曲大腦所調控的行為,並改變我們的感覺。所謂不受控制,意指大腦本身完全沒有任何可以調控它們的機制。
■藥物進入腦中的速度與成癮的關係
藥物進入血流之後,便依循一般血液循環。但是正確地抵達腦部並不是藥物在腦中產生作用的唯一因素。藥物進入腦中的速率或速度,是決定成癮與否的關鍵要素。
▶當藥物經口服用,它就會進入胃中,接著吸收進入血液。
比起其他的藥物傳輸方式,這條途徑對藥物來講算是相當緩慢。
▶直接施打藥物進入血液(靜脈注射)
能產生快速效果,遠比口服途徑更快。
▶用鼻子把藥物吸入肺中,或像吸菸那樣吸入,也都很快
因為藥物經由肺部也能很快吸收進入血液中。
較快進入腦中的藥物,會產生較大量或較強烈的癲狂,勝過較緩慢進入的藥物,會帶來較高癲狂和快感的使用方法,也比較有可能導致成癮。這就能解釋,大腦面對受藥物影響的化學信號轉導時會失去控制,這就是為什麼大腦先天上對成癮如此束手無策。【註3】
■ 成癮包括「物質成癮」(substance addiction)和「行為成癮」(behavioural addiction);「物質成癮」,又分為「合法物質成癮」和「非法物質成癮 」
▶「合法物質成癮」如:菸、酒等
菸酒雖然定義為合法,但是對於菸酒成癮者給的健康問題,以及給社會帶來治安問題依然嚴重。
▶「非法物質成癮」如:毒品和藥物濫用
此類成癮則是我國面臨的一個嚴重問題,其危害更是罄竹難書,愛滋、暴力、犯罪都與吸毒者有密切關係。
▶「物質成癮」不論合法與非法皆會嚴重傷害人體健康,並能給社會帶來巨大的危害。
■「行為成癮」,包含:賭癮、網癮、手機成癮…等。
任何行為成癮都會對個人、家庭和社會帶來傷害;如賭癮、網癮會敗光家庭財產、消沉個人意志,最終成為社會的累贅。與物質成癮的身心反應類似的是,當這些行為沒有被滿足時,人就會出現焦慮、不安、敏感、暴躁等症狀。
時至今日,隨著科技的快速發展,有越來越多的物質與行為都會導致成癮;尤其是青少年族群,他們的心智並未完全成熟,極容易陷入一種無法自拔的成癮依賴狀態。
■青少年常見哪些成癮行為?
根據美國最近一份調查發現,現今青少年最常見的十大成癮行為依序為:
1.酒精
長期飲酒會引起一種特殊的心理狀態,表現為對酒的渴求和經常需要飲酒的強迫行為;停止飲酒會出現身體不適、坐立不安、肢體顫抖、噁心、嘔吐、出汗等戒斷症狀,恢復飲酒則這類症狀迅速消失。
2.吸菸
為什麼戒菸那麼難?除了心理、社會因素,主要跟香菸中的尼古丁會導致大腦特定區域的神經活動變化,從而誘發了令人愉悅的精神狀態,因此使人產生依賴。
3.毒品
重複使用毒品,使中樞神經發生某種生理的依賴,致使對該種毒品成癮,也就是說需要該種毒品持續存在於體內,否則會產生戒斷症狀。
4.賭博
賭癮是一種精神疾病,人在賭博的時候大腦內會產生「腦內啡」(endorphin),它會讓人產生愉悅感,漸漸地人就對賭博產生依賴,這感覺能使人上癮。
5.電子遊戲/電動遊戲/電玩遊戲
遊戲設計乃依據人的心理特點,設立許多的吸引點,遊戲中每一事件都是設計好的時間段、活動、獎勵的集合,讓你在吸引點的刺激中不知不覺地沉迷下去。
6.社交媒介
有些人透過社交媒介(如:Facebook、LINE、WhatsApp、微信等)連接整個世界,因為害怕被世界孤立,使得他們無論是生活或是工作都離不開它。
7.網路
同理可證,一旦哪天網路不通,或是手機不在身邊,就會產生巨大的不安與失落感。
8.性行為
性癮指個體出現強烈的、被迫的連續或周期性的性衝動行為,性衝動得不到滿足,就會產生焦慮不安的痛苦感覺。
9.購物
購買生活必須品是正常,但是購物成癮者總會有源源不斷的強烈購買慾望,根本停不下來。
10.食物
食物雖然是生活必需品,但有部分人的大腦對糖和脂肪的反應,就像吸毒者對毒品的需求一樣嚴重。
■父母 / 師長幫助青少年面對成癮的7個步驟
為人父母或師長者,遇到子女或學生出現上述的成癮問題時,可把握以下7個原則來協助他們。
1.面對並承認問題:引導青少年面對現實,正視自己成癮的問題。
2.紀律代替懲罰:幫助青少年建立紀律,代替不必要且沒建設性的懲罰。
3.建立健康的信心:肯定青少年正面的內在特質,如:勇敢、誠實等。
4.取得支持的力量:青少年和助人者雙方都需要足夠的支持力量,才能走得長久。
5.展現堅定的帶領:作為青少年的父母/師長,要讓青少年知道你的底線,並確實執行。
6.持續/透明的溝通:與青少年充份討論有關成癮的各個面向,示範坦誠的揭露。
7.找到對的諮商師:將青少年轉介給一位有能力處理成癮問題,能剛柔並濟、恩威並重,而且能迅速找到青少年問題所在的諮商師。【註4】
了解成癮者所面對的心理議題,包含如何協助面對渴癮的誘惑,可能需要像是孟母三遷般改變環境,需要協助戒癮者面對孤獨感、修復人際關係,羞愧與罪惡感、低落的自我價值...等。
當戒癮者從機構或醫療系統回歸社會,他們可能財力不穩、生涯陷入迷惘,家人拒絕再去相信。如何陪伴他們度過嘗試重新生活的挫折?面對家人的不信任、融入社區生活,克服就業的困難?甚至未來仍需要替自己去除負面標籤,澄清社會大眾的對上癮者的刻板印象、汙名…等。
每一位成癮者的回歸之途,難免跌跌撞撞,經歷屢次的失敗與放棄,需要許多人協力接手,為困在「癮」中的靈魂共同努力,才能找到勇氣攻克挫折,重組顛倒混亂的世界,才能讓失色的生命再次繽紛。【註5】
【Reference】
1.來源
➤➤資料
∎【註1】
(獨立評論在天下)「吸毒是罪?是病?戒癮者的深切告白,為你揭開毒癮真相!」:https://bit.ly/2Q2WEzT
∎【註2】
(花蓮縣衛生局)成癮戒治:https://bit.ly/3qSc2vV
∎【註3】
環球生技月刊 Global Bio & Investment「為什麼我們會濫用藥物、酒精及尼古丁」:http://bit.ly/2P01mxL
∎【註4】
(高雄市立凱旋醫院)「何謂「成癮」?」:https://bit.ly/30PDBvf
∎【註5】
(風傳媒) 「明明很努力,為何就是戒不掉?揭露成癮者的心理世界,原來菸癮與購物慾有這些雷同之處」:http://bit.ly/3eJ2Jfa
➤➤照片
∎WHO IS TO BLAME FOR ADDICTION ?:http://bit.ly/3vBT0h1
2. 【國衛院論壇出版品 免費閱覽】
▶國家衛生研究院論壇出版品-電子書(PDF)-線上閱覽
https://forum.nhri.org.tw/publications/
▶藥物濫用對健康與社會之衝擊:問題與對策
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特定化學物質定義 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的精選貼文
用深度神經網路求解「薛丁格方程式」,AI 開啟量子化學新未來
作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 01 月 02 日 0:00 |
19 世紀末,量子力學的提出為解釋微觀物質世界打開了一扇大門,徹底改變了人類對物質結構及相互作用的理解。已有實驗證明,量子力學解釋了許多被預言、無法直接想像的現象。
由此,人們也形成了一種既定印象,所有難以理解的問題都可以透過求解量子力學方程式來解決。
但事實上能夠精確求解方程式的體系少之又少。
薛丁格方程式是量子力學的基本方程式,即便已經提出七十多年,它的氫原子求解還是很困難,超過兩個電子的氫原子便很難保證精確度。
不過,多年來科學家們一直在努力克服這一難題。
最近,來自柏林自由大學(Freie Universität Berlin) 的科學團隊取得了突破性進展,他們發表的一篇名為《利用深度神經網路解電子薛丁格方程式》的論文,登上《Nature Chemistry》子刊。
論文明確指出:利用人工智慧求解薛丁格方程式基態解,達到了前所未有的準確度和運算效率。該人工智慧即為深度神經網路(Deep-neural-network),他們將其命名為 PauliNet。
在介紹它之前,我們先來簡單了解薛丁格方程式。
什麼是薛丁格方程式?
薛丁格方程式(Schrödinger Equation),是量子力學中的一個基本方程式。又稱薛丁格波動方程式(Schrödinger Wave Equation),它的命名來自一位名為埃爾溫·薛丁格(Erwin Schrödinger)的奧地利物理學家。
Erwin 曾在 1933 年獲得諾貝爾物理學獎,是量子力學奠基人之一。他在 1926 年發表的量子波形開創性論文中,首次提出了薛丁格方程式。它是一個非相對論的波動方程式,反映了描述微觀粒子的狀態隨時間變化的規律。
具體來說,將物質波的概念和波動方程式相結合建立二階偏微分方程式,以描述微觀粒子的運動,每個微觀系統都有一個相應的薛丁格方程式,透過「解方程式」可得到波函數的具體形式以及對應的能量,從而了解微觀系統的性質。
薛丁格方程式在量子力學的地位,類似牛頓運動定律在經典力學的地位,在物理、化學、材料科學等多領域都有廣泛應用價值。
比如,應用量子力學的基本原理和方法研究化學問題已形成「量子化學」基礎學科,研究範圍包括分子的結構、分子結構與性能之間的關係;分子與分子之間的相互碰撞、相互作用等。
也就是說,在量子化學,透過求解薛丁格方程式可以用來預測出分子的化學和物理性質。
波函數(Wave Function)是求解薛丁格方程式的關鍵,在每個空間位置和時間都定義一個物理系統,並描述系統隨時間的變化,如波粒二象性。同時還能說明這些波如何受外力或影響發生改變。
以下透過氫原子求解可得到正確的波函數。
不過,波函數是高維實體,使捕獲特定編碼電子相互影響的頻譜變得異常困難。
目前在量子化學領域,很多方法都證實無法解決這難題。如利用數學方法獲得特定分子的能量,會限制預測的精確度;使用大量簡單的數學構造塊表示波函數,無法使用少數原子進行計算等。
在此背景下,柏林自由大學科學團隊提出了一種有效的應對方案。團隊成員簡‧赫爾曼(Jan Hermann)稱,到目前為止,離群值(Outlier)是最經濟有效的密度泛函理論(Density functional theory ,一種研究多電子體系電子結構的方法)。相比之下,他們的方法可能更成功,因在可接受計算成本下提供前所未有的精確度。
PauliNet:物理屬性引入 AI 神經網路
Hermann 所說的方法稱為量子蒙地卡羅法。
論文顯示,量子蒙地卡羅(Quantum Monte Carlo)法提供可能的解決方案:對大分子來說,可縮放和並行化,且波函數的精確性只受 Ansatz 靈活性的限制。
具體來說,團隊設計一個深層神經網路表示電子波函數,這是一種全新方法。PauliNet 有當成基準內建的多參考 Hartree-Fock 解決方案,結合有效波函數的物理特性,並使用變分量子蒙地卡洛訓練。
弗蘭克‧諾(Frank Noé)教授解釋:「不同於簡單標準的數學公式求解波函數,我們設計的人工神經網路能夠學習電子如何圍繞原子核定位的複雜模式。」
電子波函數的獨特特徵是反對稱性。當兩個電子交換時,波函數必須改變符號。我們必須將這種特性構建到神經網路體系結構才能工作。
這類似包立不相容原理(Pauli’s Exclusion Principle),因此研究人員將該神經網路體系命名為「PauliNet」。
除了包立不相容原理,電子波函數還具有其他基本物理特性。PauliNet 成功之處不僅在於利用 AI 訓練數據,還在將這些物理屬性全部整合到深度神經網路。
對此,FrankNoé 還特意強調說:
「將基本物理學納入 AI 至關重要,因為它能夠做出有意義的預測,這是科學家可以為 AI 做出有實質性貢獻的地方,也是我們關注的重點。」
實驗結果:高精確度、高效率
PauliNet 對電子薛丁格方程式深入學習的核心方法是波函數 Ansatz,它結合了電子波函數斯萊特行列式(Slater Determinants),多行列式展開(Multi-Determinant Expansion),Jastro 因子(Jastrow Factor),回流變換(backflow transformation,),尖點條件(Cusp Conditions)以及能夠編碼異質分子系統中電子運動複雜特徵的深層神經網路。如下圖:
論文中,研究人員將 PauliNet 與 SD-VMC(singledeterminant variational,標準單行列式變分蒙地卡羅)、SD-DMC(singledeterminant diffusion,標準單行列式擴散蒙地卡羅)和 DeepWF 進行比較。
實驗結果顯示,在氫分子(H_2)、氫化鋰(LiH)、鈹(Be)以及硼(B)和線性氫鏈 H_10 五種基態能量的對比下,PauliNe 相較於 SD-VMC、SD-DMC 以及 DeepWF 均表現出更高的精準度。
同時論文中還表示,與專業的量子化學方法相比──處理環丁二烯過渡態能量,其準確性達到一致性的同時,也能夠保持較高的計算效率。
開啟「量子化學」新未來
需要說明的是,該項研究屬於一項基礎性研究。
也就是說,它在真正應用到工業場景之前,還有很多挑戰需要克服。不過研究人員也表示,它為長久以來困擾分子和材料科學的難題提供了一種新的可能性和解決思路。
此外,求解薛丁格方程式在量子化學領域的應用非常廣泛。從電腦視覺到材料科學,它將會帶來人類無法想像的科學進步。雖然這項革命性創新方法離落地應用還有很長的一段路要走,但它出現並活躍在科學世界已足以令人興奮。
如 Frank Noé 教授所說:「相信它可以極大地影響量子化學的未來。」
附圖:▲ Ψ 表示波函數。
資料來源:https://technews.tw/2021/01/02/schrodinger-equation-ai/?fbclid=IwAR340MNmOkOxUQERLf4u3SK0Um6VQVBpvEkV_DxyxIIcUv8IP88btuXNJ6U
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