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复健机器人平台感测更活力
人机互动优化自主行动

【作者: 張禎元、黃建嘉】2017年03月15日 星期三

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科技的发展是为了优化生存品质,机器人产业的出现,渐渐地融入人类的生活之中,「机器人化」的智慧家电、机器人辅具、智慧之家等东西出现,造福家庭主妇、小孩、身障者、银发族等更多族群。演进至今日,机器人辅助医疗也已成为全球在健康发展领域的主要趋势。根据国际商业观察公司(Business Monitor International,BMI)的调查显示,2013年全球主要72个国家的医疗支出高达7.3兆美元,该数字至2020年预测上攀至10.2兆美元,可见,降低医疗成本并提高医疗效率,将成为未来的核心医疗课题。


传统的复健治疗多半仰赖治疗师、职能师、看护师或病患家属进行一对一的陪伴。其高人力需求使得复健长期成为高成本的医疗项目,需要相当的社会成本与医疗资源的投入。而随着全球老龄化所带来的冲击,老年人口比例与老年疾病逐年上升,医疗人力势必将不敷使用。因此,智能感测技术搭配智慧化机器人复健医疗设备将有机会替代人力,满足高龄化社会的复健需求。



图一 : 机器人辅助医疗已成为全球在健康发展领域的主要趋势(source:Government Technology)
图一 : 机器人辅助医疗已成为全球在健康发展领域的主要趋势(source:Government Technology)

图二 : 清华大学教授张祯元与其团队自主研发之国产机器手复健结构
图二 : 清华大学教授张祯元与其团队自主研发之国产机器手复健结构

为了减轻复健治疗的设备成本与人力需求所形成的负担,清华大学动机系张祯元教授团队及长庚医院复健科副主任裴育晟教授团队在科技部的补助之下,致力整合机电工程与临床需求,撷取实际临床案例与经验,研发出复合式复健机器人平台,为创新的智慧型机械辅助复健平台,能够建置一标准化的机械量测系统,针对患者使用后的恢复状况、运动反应以及肌肉张力进行评估分析。以下详述智慧型机械辅助复健平台的功能与成效。


复健机器人的类型

首先,针对复健机器人(Rehabilitation Robots)的类型说明,其主要的功能为藉由机械的重复性与可靠度,来协助患者的肢体完成精确且重复的往返动作。透过外部动力透过机械结构与人体互动,达到强化训练患者的局部肢体能力,并协助或辅助患者完成各指定动作进行复健。


复健机器人大致可区分为两类:一、诱导型人机互动复健机器人平台﹔二、驱动式复健机器人平台,其相关技术内容叙述如下:


诱导型人机互动复健机器人平台

诱导型人机互动复健机器人平台为一种主动式复健型态,是采取一个互动式软体介面或是以虚拟实境的方式,来诱发使用者自愿进行局部的复健,进而达到复健的效果。藉由软体与患者间的互动,将可以提高复健过程的乐趣,进而提升患者的复健意愿;此外,多元化的软体游戏设计可提供多种的复健种类与疗程,除传统辅具复健外,此选择在未来将可以增加复健的多样性与选择性。


以手指复健平台为例,该机器人复健设备的设计上具备有感测装置,此等感测装置可侦测在复建过程中,辅助评估使用者在游戏任务达成率或肢体复健的轨迹等。目前在市场上以美国Flint公司的MusicGlove与瑞士Yourehab公司的yougrabber以及Neofect等产品皆属于这一类产品,而台湾富伯生医(RMTC)的DexHand则更进一步可以于机器平台上直接感测到每个手指于复健时各个关节松紧程度所产生的变化,以利医师即时评估治疗效果和进行客制化的复健医疗。


驱动式复健机器人平台


图三 : 富伯生医研发出的线传式机器人复健手平台可协助病患做手部开和抓握复健。 (source:富伯生医)
图三 : 富伯生医研发出的线传式机器人复健手平台可协助病患做手部开和抓握复健。 (source:富伯生医)

驱动式复健机器人平台则是透过外部致动器的力量输出,经过机械结构传递后,将此力量传递至使用者的局部肢体上,来加强病患肢体的输出力道或是牵引病患复健的肢体进行正确的运动姿态,并到达理想的空间位置。因此,如何有效利用外部动力来驱动是此平台的重点。


外部动力的驱动方式

至于外部动力的驱动具有被动与主动等两种机制:


一、被动式(Passive)驱动:


被动式驱动是使用机器装置带动使用者的肢体做连续往返运动(Continue Passive Motion, CPM),动力的输出与机械装置的运动模式是由控制系统所决定,这类的驱动机制可以达到维持功能受损的肢体活动的功能,如Tyromotion公司所研发的手指复健运动仪Amadeo。


二、主动式(Active)驱动:


主动式驱动与被动式不同处在于机械动力是以一个使用者所送出的先导讯号作为启动信号让复健机器人产生动作,这样的机制可以结合患者的运动意志,提高肢体复健效果。先导驱动讯号的产生有以下几种方式:


a.肌肉电位


肌肉电位(Electromyography, EMG)技术系使用电极贴片贴附在皮肤表面,撷取当肢体运动时期肌肉收缩所产生的肌肉电位讯号,借此可为复建装置提供一个驱动讯号,构成一种主动式控制的复健效果,亦即当系统感受到患者要产生动作时,机械会输出动力来带动因为患者肢体力量不足而无法运动的部位。此主动式控制机制可使肌力不足的患者经由自主意图,透过微弱的肌肉运作来驱动外部机械动力以辅助完成复健运动。


b. 脑波讯号


脑波讯号(Electroencephalography, EEG)与EMG讯号不同,以脑波驱动装置系利用感测器贴附在头颅表面,藉由脑波讯号与相对应运动间的相关模式讯号,即运动意志,驱动辅助机器人作动以达成运动要求。然而由于脑波讯号趋于复杂,迄今该方式​​仅能使机器人复健装置进行简单的动作;近几年在世界知名期刊《自然》(Nature)与《科学》(Science)上出现利用大脑神经元讯号来控制机械手臂的研究,研究者将高密度的神经探针(Neuroprobe)植入灵长类或瘫痪的病患之大脑运动区皮质(Motor Cortex)内,藉由研究肢体动作与脑波或神经元讯号间的关系,找对相对应的反应模式建立控制模型系统,之后脑讯号透过滤波与放大后输入控制系统转换成机械手臂控制讯号来控制机器装置完成运动。虽然有相关的文献发表,但于复杂手掌指的复健,待需进一步的研究与产品化。


c. 陀螺仪、加速规等感测器


当感测器放置于辅具机台内,患者可以透过细部的姿势变换来驱动机器人作动辅助患者完成肢体运动,例如以色列Rewalk公司和纽西兰REX Bionics公司所开发的下肢复健辅具、工研院机械所开发的下肢行动辅助机器人等皆属于这类技术的下肢复健产品。而于手掌指复健方面,台湾富伯生医(RMTC)的手掌指复健机器人系统里则利用此技术来即时监控了解使用者在空间中的肢体姿态及相对位置。


d. 可挠式角度感测器


将感测器放置于可穿戴式载具上,如手套。利用感测器侦测手指运动过程中的各种角度变化,将感测到的资讯转换成机械控制指令驱动机械手臂达成与穿戴者相同的动作。如义大利Gloreha公司与富伯生医所研发的复健手套中即有此概念的应用。


复健平台协助自主生活

近年来,已有一些产品化的复健机器人于市场上活跃,例如瑞典的Bioservo公司研发出一款可以协助老人日常生活抓握的辅助手套,透过外部动力来加强老年人口的握力表现,协助完成一些日常生活的简单动作,如拿杯子、开门、提重物等,帮助病患于日常生活中可以独立自主生活。


至于大型复健医学中心里常使用的复健机器人平台则相当丰富。以香港Rehab-Robotics所研发的Hand of Hope为例,透过机械结构的设计与配合,来协助病患的肢体部位进行被动式牵引复健,这一类的复健器材多属于驱动式复健机器人平台的代表,透过外部动力来支配使用者肢体完成复健动作,此类复健仪器常见应用于肢体功能较为僵硬甚至失能的病患。


主动式机械人复健平台多属于无动力输出或是辅助动力输出的复健机器人平台,亦即这类型的机器人多半是协助病患去完成指定的复健动作,并非支配病患的肢体动作,让病患自主的活动自身肢体去复健,而不足的部分才由外部机器人补足,义大利Gloreha公司所开发的复健手套即为此类机器人复健平台的代表之一。


相较于传统的复健治疗配置,以上叙述的机器人复健平台能够透过数据进行评估,亦期望导入机器人辅助复健后期能实质的大幅降低医疗人力上的负担。


导入感测技术更精准

因感测科技技术的快速发展与应用导入,为近期的复健机器人平台开始出现一些创新应用,例如由高密度的薄型感测器构成的机械皮肤所包覆之机器人装置,将可提供患者在使用上的安全资讯,如碰撞风险、机台表面与人体皮肤的过度摩擦与压迫等;或是将超微小型的惯性(IMU)感测元件内嵌至复健机器人平台,可即时监控使用者在复健时的肢体动作姿态、角度、运动速度与轨迹等资讯,将使用者在复健过程的身体反应数位化纪录,相较于传统的肢体姿态感测模组,如三维影像辨识系统、关节角度编码器等,由张祯元教授实验室所研发出来的感测器新元件不仅缩小了安装体积,同时更保有传统感测器模组的量测精度。透过上述智慧型回馈机制的导入,并结合闭回路控制设计,将可达到自动化长期复健追踪与评估复健效果的机制。



图四 : 富伯线传式复健机器人平台的线张力感测技术与元件(source:富伯生医)
图四 : 富伯线传式复健机器人平台的线张力感测技术与元件(source:富伯生医)

富伯生医科技首创牵引式复健机器人,独特的机器人外骨骼设计不只在动作上满足了复健需求,独特的三段手指关节对心结构更可以有效协助手指上的各个关节进行复建。此外,特殊的机械结构设计也让此复建机械人平台能在使用一个致动器的前提下,有效的个别驱动单一手指的两个关节自由度,最后透过结构上的设计,并将机器人本体与致动力源分开,中间透过线的连接来牵引使用者执行复健,此设计不仅能降低病患在穿戴时的重量负担外,更能有效降低外部致动器的数量以降低整个系统的重量与体积,也为病患在执行复建过程时提供更高的自由性与可活动性。此外,富伯更将此平台与拉力感测技术结合,线上即时侦测牵引动力线的张力变化,为使用安全把关;同时也可即时侦测肌肉张力变化,为使用患者、治疗师或医师提供治疗报告。



图五 : 富伯的线传式镜像治疗机械人平台参与实物复健治疗的应用(source:富伯生医)
图五 : 富伯的线传式镜像治疗机械人平台参与实物复健治疗的应用(source:富伯生医)

大标:云端时代扭转复健思维



图六 :  富伯生医科技执行长黄建嘉认为互联网与云计算的未来进展,将扭转传统的复健思维。
图六 : 富伯生医科技执行长黄建嘉认为互联网与云计算的未来进展,将扭转传统的复健思维。

智慧照护与远距医疗是另一个生医科技的发展重点,富伯生医科技执行长黄建嘉博士表示:「随着互联网与云计算的时代来临,将扭转传统的复健思维。我们希望让复健机器人不只能带动患者运动,我们更希望机器人平台未来可以结合互联网、云计算与高端感测技术,多方导入复健医疗来帮助病患,将复健医疗推得更广。」


网际网路的普及提升了医疗下乡的可能性,让偏远区域的患者也能受惠。以镜像教导式外骨骼复健机械手臂平台为例,手指位置角度感测技术的导入,患者可使用健康手教导失能手做出适当手型完成功能性运动。



图七 : 随着互联网与云计算的时代来临,将扭转传统的复健思维。 (source:http://www.braceworks.ca)
图七 : 随着互联网与云计算的时代来临,将扭转传统的复健思维。 (source:http://www.braceworks.ca)

当此技术结合网路平台,医护人员能在医院端与居家端需要复健的患者面对面互动,利用感测器手套将治疗师会医师的运动手型指令传送至居家端复健患者所穿戴的外骨骼复健手机器手系统中,机器手即可根据医护人员的运动模式带领患者进行所需要进行运动,进而订定一个复健疗程疗程,建立一个数位医疗服务架构。此云端远距复健医疗具有与国内大政策「长照10年计画2.0」、国际医疗下乡、远距医疗接轨的潜力。


智慧化机器人辅助医疗系统的导入,透过建构一个优质、平价且普及的长照服务体系,推广至一般社区及乡村,将原本传统尖端医疗在城市中心的概念扩展并扎根于地方,期望真正落实减轻居家照顾的重担,并且解决大型医疗机构医疗资源分配不足的状况。藉由远距医疗机制亦能关怀到世界各地需要医疗协助的人们,实现「连接在地、连接国际、连接未来」的目标。


(本文作者张祯元为国立清华大学动力机械工程学系暨研究所教授,黄建嘉为富伯生医科技执行长)


**刊头图片来源(source:www.digitaltrends.com)


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