脊椎裡的小電腦,讓癱瘓者重新站起來行走
脊椎裡的小電腦,讓癱瘓者重新站起來行走

人類面臨著許許多多的不治之症。

癱瘓,就是其中之一。無論是因為先天的小兒麻痺、漸凍症,還是後天的中風或意外外傷⋯⋯病人一旦癱瘓,受影響的肢體部位幾乎沒有機會恢復正常工作。

癱瘓當中最為恐怖的,應該就是脊髓損傷(Spinal Cord Injuries)所導致的半身不遂和高位截癱。

一旦不幸癱瘓,意味著患者接下來的人生幾乎完全失去行動和自理能力,還有很大機率罹患繼發性疾病、危及生命安全。

一直以來,脊髓損傷所導致的癱瘓都被專家視為不治之症,復原可能性幾近於零。

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圖/ PingWest

但就在最近,美國專家透過實驗探索出了一種全新的癱瘓治療法。

將一種神奇的小機器植入到體內,再經過一段時間的訓練之後,患者已經能夠正常地站立,並且依靠自己的意志緩慢地操縱雙腿、走路前進。

「醫生告訴我走路是不可能的,但我把不可能變成了可能!」受試者之一的凱利·托馬斯(Kelly Thomas)興奮地表示。

近日,這項治療試驗的結果發表在美國《新英格蘭醫學雜誌》上,包括試驗的大量醫學資料和影片記錄。

透過這些資料,我們得以親眼目睹:在這場讓癱瘓者重獲自由的戰鬥中,專家如何對一個不可思議的小機器進行改造,把它變成了對抗癱瘓的利器。

脊髓損傷:輕易受傷,永難恢復

世界衛生組織指出,脊髓損傷的主要原因是道路交通事故、跌傷和暴力。其實日常生活工作中,的操作都可能導致脊髓損傷。

遺憾的是,這麼輕而易舉的損傷,卻能給患者帶來極大的身體和精神打擊。

對於本次試驗的幾位受試者來說,癱瘓來的太過於突然,太早就奪走了他們的行動能力。

19歲那年,凱利·托馬斯(下圖左)開車時操作不慎導致車輛側翻,在翻滾過程中她的頭以很大的力量撞到了車頂,脊柱壓縮對脊髓的C5造成了嚴重損傷,最終導致她雙腿失去知覺,必須使用輪椅行動,按照美國脊髓損傷學會ASIA評級為B。

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圖/ PingWest

傑夫·麥基(Jeff Marquis)熱愛山地自行車,一次騎車過程中摔下車,同樣傷到了脊椎T1,ASI評級為B,腰下部位完全失去運動功能——也即完全無法站立或行走,無法自主控制腿部運動。

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圖/ PingWest

「電擊療法」派上用場

你有沒有這樣的印象:對於蛇或者昆蟲之類的動物,如果你把它的頭切斷,會發現肢體仍然可以動,有的甚至能保持很久。簡單來說,很多動物的神經系統遍布全身,切斷了中樞,剩餘的神經仍然可以繼續控制肢體活動。只是缺了主心骨,肢體只能亂動而已。

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圖/ PingWest

人跟這些動物不完全一樣,卻也有相似之處。

研究人員發現:即便人的脊髓已經因損傷失去功能,如果對其進行電信號的刺激,仍然可以驅動他們所對應的肢體行動。

而且別說,市面上還真的有這種產品。

因為很多病症都會帶來疼痛,有些嚴重到攝入、注射性的藥物無法抑制。於是,有人發明了脊髓電刺激療法,透過手術的方式,將一個小裝置(本質上是一組電極)放到病人的脊椎內,釋放脈衝電流。

這種裝置利用了人體的一些特殊機制,簡單來說,就是讓大腦沒有能力處理疼痛的訊號,從而減弱甚至消除疼痛。下圖中的RestoreAdvanced SureScan MRI,就是這樣的一款神經刺激器。

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圖/ PingWest

這個神經刺激器,是醫療器材公司Medtronic開發的。

如前述,它的主要功能是對疼痛神經放電來中和痛感。根據官網,它的特性在於充電間隔(也就是續航時間)長,在過去主要幫助腰椎間盤突出、頸椎,以及脊椎相關手術失敗等患者鎮痛。

來自美國路易斯維爾大學肯塔基脊髓損傷研究中心的研究人員開始思考一個問題:

如果對這種神經刺激器重新編程,對不同的神經進行特定頻率和電流大小的刺激,是不是就能重新激活已經無法使用的脊髓,讓患者重新站起來、走起來?

他們展開了試驗。

第一階段:肌肉運動功能恢復。受試者在跑步機上慢速行走,每天2小時,一周五天,持續兩個月,以激活長期無法運動的關節和肌肉組織,

第二階段:手術植入裝置。L1到S1–S2段的脊髓上植入一組共16枚電極,連接神經刺激器,導線連接到受試者腹部肌肉,術後恢復20天左右;

第三階段:在裝置開啟和關閉時訓練受試者進行基礎運動,包括跑步機慢走,平地站立以及平地行走等,每組1小時,每天1-2組。

經過長達一年的試驗,研究人員得到了他們希望看到的結果。

受試者托馬斯和麥基成功適應了這個神奇的小裝置以及研究人員設計的療法。

在裝置開啟、電極對神經進行刺激的狀態下,他們不但站了起來,還可以使用助行器緩慢行走了!

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圖/ PingWest

經過長期訓練後,受試者(紅衣)已經自主保持長時間站立:

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圖/ PingWest

癱瘓者重獲自由是一種怎樣的體驗?

托馬斯對能夠重新依靠自己的意志站起來、走起來感到特別的興奮。不過,佩戴這種裝置走路的感覺,還是跟她曾經熟悉的不太一樣:

「它並沒有治好我的癱瘓,也不是說打開開關我就立刻回到以前了。我必須搞清楚怎樣借用它的力量,怎樣重新控制我的身體。」

本質上,這台機器是將脊髓損傷斷掉的那段神經,透過一種繞路的方式重新連接起來。

也正是因為這個繞路,過程中很多東西都和受試者癱瘓之前不一樣。

這其實和汽車改裝挺像:汽車裡也有一台小電腦叫做ECU。如果更換了汽車的零部件,可能需要重新調校ECU才能讓它適應新的部件。

在這種治療方法中,電擊刺激器和因受傷和中樞神經「失聯」的那段脊髓,就是 ECU,它們需要重新學習操控肢體運動的方式。

而對於受試者,長達一年的學習和適應,才能讓他們勉強站起來。

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圖/ PingWest

而且,托馬斯和麥基只是幸運者,另有兩位脊髓受損更嚴重的受試者沒能成功站起來,不過倒是恢復了一定程度的運動功能。

這是一個同樣可喜可賀的結果,因為這意味著繼發性疾病(深靜脈血栓、尿道感染、肌肉痙攣、骨質疏鬆、褥瘡、慢性疼痛和呼吸道併發症等)發病的可能性顯著降低了。

接下來呢?
 
首先需要明確的是,儘管試驗中所「借用」的那款電擊刺激器通過了美國食藥監局的認證,這種治療方法卻仍處在極為初級的階段。

其次,這種治療方式的可複製性,或者說規模化能力,還是有待考驗的。因為成功的受試者都可以用雙手操控這台裝置,而很大比例的癱瘓者甚至無法控制雙手。

這意味著研究人員還需要進行更大規模和包容性更高的測試:引入更多不同癱瘓級別的患者,建立測試對照組等等。

以及,她們還需要尋找更有財力和影響力的機構、人士支持,以加速這種治療方法的推廣——前提是它最終被科學證明有效。

希望答案是肯定的。因為全球數以千萬計的癱瘓者,將因此重獲新生。

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圖/ PingWest

本文授權轉載自:PingWest

關鍵字: #智慧醫療
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以晶片的一瓦算力開啟AI新架構!耐能智慧從邊緣到核心,打造臺灣主權算力新典範
以晶片的一瓦算力開啟AI新架構!耐能智慧從邊緣到核心,打造臺灣主權算力新典範

當全球聚光燈都匯集在那動輒使用上萬顆圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)、耗能堪比核電廠的資料中心時,另一場關乎AI永續發展的運算革命正悄悄發生。這場革命的核心,是如何以更低能耗、更高效率的方式支撐下一世代的人工智慧。而耐能智慧(Kneron)正是這場轉變的推動者之一。

早在2015年,當多數企業仍沉浸在雲端運算帶來的紅利時,耐能智慧創辦人暨執行長劉峻誠便選擇了「邊緣運算」之路的賽道,投入AI系統單晶片(System-on-Chip, SoC)與神經網路處理器(Neural Processing Unit, NPU)的開發。「如果 GPU 是需要龐大設備才能運行的錄影帶,中央處理器(Central Processing Unit, CPU)是性能平庸的 影音光碟(Video Compact Disc, VCD),那麼 NPU 就是能在輕薄裝置中高效運算的 MP3。」劉峻誠用一個簡單的譬喻如此描述著,這不只是晶片製程的改進,而是從架構層重新定義AI運算的方式。

十年磨一劍,如今耐能智慧的NPU晶片已成功進入物聯網、安防、車用與伺服器等不同領域。從智慧水表、穿戴裝置到車用語音系統,乃至企業伺服器與工業應用,都能在有限功耗下執行即時AI運算。合作夥伴從國內上市櫃企業到歐美等地的國際大型企業,都能看見耐能智慧身影,「我們從GPU、CPU進不去的地方出發,讓晶片像樂高積木一樣,從只需一顆晶片的穿戴式裝置,到需要多顆晶片的伺服器,都能使用我們的晶片。」劉峻誠說。

面對算力與能源雙重瓶頸,耐能智慧以新架構迎戰生成式AI時代

面對終端AI應用面臨的「資料流衝突」瓶頸,耐能智慧創辦人暨執行長劉峻誠指出,新世代AI運算不再只屬於
面對終端AI應用面臨的「資料流衝突」瓶頸,耐能智慧創辦人暨執行長劉峻誠指出,新世代AI運算不再只屬於雲端,必須開發能兼容多模態資料並在低功耗環境下運行的自主架構。
圖/ 數位時代

「語言模型和影像模型的資料處理方式完全不同,」劉峻誠解釋到,語言模型要短時間內處理大量資料,但影像模型則需要長時間、連續的低流量傳輸。而傳統AI架構無法同時兼容這兩種特性,這造成了終端AI應用面臨「資料流衝突」的瓶頸。也正是在這樣的挑戰下,成為耐能智慧下一階段的技術突破口。生成式AI不再只屬於雲端,運算正快速轉移至終端,從智慧家庭到醫療、車用、製造現場,都迫切需要能在低功耗環境下即時運行的AI系統。

但更大的壓力來自能源現實與國家安全。劉峻誠表示,GPU架構的能耗與散熱需求驚人,一個大型AI資料中心每年電費可高達60億美元,碳排放量更是巨獸等級。「如果繼續用GPU支撐生成式AI,將會對淨零碳排的目標帶來嚴重衝擊。」劉峻誠坦言並進一步指出,臺灣雖是全球GPU製造重鎮,但本地可用算力有限。「我們製造了全世界近8成的GPU,卻沒有自己的算力,」他語帶無奈,「如果國家級AI應用仍須仰賴境外基礎設施,國家的核心技術與自主權將受制於人,不利於在AI時代掌握主導地位。」

因應這場可能產生的算力主權的危機,耐能智慧決定以「多模態資料流衝突」與「低碳永續算力」這兩項挑戰為目標,開發新世代AI晶片架構。為加速這場技術革命並將臺灣的自主架構推向國際,耐能智慧投入全新晶片KL1140的開發,並成功得到由經濟部產業發展署推動的「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫」(以下簡稱晶創IC補助計畫)的支持。該計畫在國科會協調與經濟部及相關部會共同合作所提出「晶片驅動臺灣產業創新方案」的框架下,以實質政策補助鼓勵業者布局AI、高效能運算或新興應用等高值化領域的關鍵技術,提升臺灣IC設計產業的國際競爭力與韌性。

從晶片創新到主權AI,晶創IC補助計畫助攻耐能跨入新戰場

耐能智慧透過經濟部「晶創 IC 補助計畫」加速開發的 AI 晶片 KL1140,其效能與能耗表現均顯
耐能智慧透過經濟部「晶創 IC 補助計畫」加速開發的 AI 晶片 KL1140,其效能與能耗表現均顯著提升。
圖/ 數位時代

「KL1140最大的突破在於多模態資料處理架構的創新。」劉峻誠直言其中關鍵。在晶創IC補助計畫的挹注下,耐能智慧得以加速開發新一代晶片,這不僅是十年研發累積的成果,更是政策資源與技術創新的結合,象徵著臺灣在AI架構自主化道路上的重要里程碑。

這項架構革新,使KL1140在效能與能效上都達到顯著飛躍。相較於前一代產品,效能提升6至8倍、能耗比提升10倍、體積縮小至四分之一;以往需10瓦才能運行的任務,現在僅需1瓦即可完成。「你看GPU要加風扇、要水冷,而我們不用,」他笑著說,而這就是低功耗的力量。

這樣的設計,使KL1140成為真正能落地的AI晶片,既可部署於穿戴、車用與工業場域,也能堆疊成伺服器模組,實現了靈活的異構運算(Heterogeneous Computing)基礎建設。透過晶創IC補助計畫的協助,耐能智慧不僅強化晶片設計,更能整合模組、子系統與軟體生態,打造可供企業與政府使用的在地AI解決方案,邁向「AI基礎建設提供者」的新定位。劉峻誠也透露,目前KL1140晶片已開始導入國際主權AI專案,協助能源與環境條件嚴苛的地區,利用該晶片低功耗與高算力的特性,順利發展AI自主。

「我們不是在打造更大的GPU,而是在打造更聰明的AI,」劉峻誠強調。「主權AI的關鍵不只是算力自主,更是能源自主。」他認為,晶創IC補助計畫的核心價值在於讓臺灣的IC設計業者能從單一產品開發,邁向整體系統構建,具備定義新架構、主導新標準的能力。KL1140晶片的問世,不僅讓耐能智慧從邊緣運算邁入AI 核心基礎建設的新格局,更代表臺灣在全球生成式AI時代中,擁有以低功耗、高自主性技術參與未來競局的關鍵實力。

從製造到定義,臺灣AI自主的新起點

在生成式AI帶動的新一輪技術競賽中,算力的分配將決定未來世界的科技秩序。劉峻誠認為,臺灣若要在這場變局中保持主導權,必須擁有能自我定義的架構與技術。「我們不只是為企業造晶片,而是在為國家建算力。」他說。從十年前堅持走上邊緣運算的冷門之路,到今日以KL1140晶片開啟主權AI的新典範,耐能智慧的發展軌跡正體現了臺灣IC設計產業的潛力與決心。未來,耐能智慧將持續推動更高能效、更高彈性的AI架構,讓臺灣不僅能製造世界的晶片,更能定義世界的智慧。

|企業小檔案|
- 企業名稱:耐能智慧
- 創辦人:劉峻誠
- 核心技術:專注邊緣AI SoC專用處理器研發
- 資本額:新台幣6億7520萬元

|驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫簡介|
由國科會協調經濟部及相關部會共同合作,所提出「晶片驅動臺灣產業創新方案」,目標在於藉由半導體與生成式AI的結合,帶動各行各業的創新應用,並強化臺灣半導體產業的全球競爭力與韌性。在此政策框架下,經濟部產業發展署執行「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫」,以實質政策補助,於113年鼓勵國內業者往 AI、高效能運算、車用或新興應用等高值化領域之「16奈米以下先進製程」或「具國際高度信任之優勢、特殊領域」布局,以避開中國大陸在成熟製程的低價競爭,並提升我國IC設計產業價值與國際競爭力。

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