復健工程研究在長庚生根

(八十六年九月長庚醫訊)

長庚大學

醫療自動化與復健工程研發室 李明義博士

 

前言

近年來我國經濟快速發展,國內醫療品質提高,國人平均壽命不斷延長,再加上小家庭結構,出生率下降,台灣地區己於民國八十二年起正式邁入高齡化社會,在人口逐年老化及政府實施全民健保之際,中老年人的醫療保健己成為大家所關切的重要課題,而人口老化社會結構改變後,最明顯的是長期慢性病患日增,使復健醫療及慢性病照護之需求更為迫切。然而復健醫療除了仰賴復健醫療人員的專業技術外,診斷、治療設備器材的配合運用,也是提高醫療品質重要關鍵。

 

根據統計,我國醫療器材百分之九十仰賴國外產品進口,進口值每年達100億元以上,全民健保實施後預計市場平均年成長率將達15%。然而我國醫療器材進口依存度高的主要原因是國內現有醫療器材廠商規模不大,自行研發能力不足所致;有鑑於此,政府己明訂醫療保健產業為我國十大新興產業之一,將成為我國跨越廿一世紀政府科技發展重點之一。

 

復健器材開發研究之迫切

「復健工程」(Rehabilitation engineering)是一門結合工程技術與復健醫學的整合性應用科學,籍由工程知識以系統化的科學方法來協助老年人及殘疾人士改善生活的品質和尊嚴(包括個人獨立生活能力和工作生產力)。而復健器材開發則是指結合工程理論和科學技術以解決復健治療問題為出發點,進行各項復健診斷、評估、治療、訓練設備以及生活適應輔具設計開發之應用性研究。近年來,各先進國家在面對人口老化的壓力下,紛紛投入大量研究資源從事復健科技及器材開發研究,使復健工程及設備研發成為因應老人化社會結構改變重要的研究策略。以鄰國日本為例,通產省和厚生省己通力合作成立「醫療福祉機器研究所」專門進行醫療福祉機器技術之研發(註:日本以「福祉」代表廣義的「復健」)。另外,日本機械工程師學會和機器人學會在1993年便曾分別以「高齡化社會與機械工學」與「醫療用機器人」為題發行專刊報導。美國電子電機工程師學會(IEEE)也有感復健工程發展之重要性,在1993年正式創刊發行復健工程期刊(IEEE Trans. On Rehabilitation Engineering)。香港賽馬協會基於「取之於社會,用之於社會」之理念也成立了「復康科技中心」,積極與當地大學工學院合作推動復健設備、生活輔具研發及工程服務工作。由於復健科技之發展和重視在很多國家都是在起步階段,而且近年來我國電腦資訊、機電整合及製造技術己臻國際水準,在政府推動「亞太製造中心」之同時,如能適時掌握研發復健器材之有利契機,將是推動國內本土化復健器材產業發展之最佳時機。

 

長庚推動復健器材研發現況

為了帶動國內醫療保健工業和本土化醫療器材之開發,加速國內復健工程之發展,長庚醫學暨工程學院機械工程學系成立以來,便設立「醫療自動化與復健工程研發室」,並積極與長庚醫院合作從事各項具臨床實用價值復健設備及本土化輔具之研發工作,己陸續開發完成之醫療設備包括監控式肌電訊號回饋復健牽引機、中風病人生理回饋站立平衡訓練系統、動態站姿穩定度評估訓練機、轉身平衡評估訓練機等,在醫師合作下也進行各項臨床評估。目前研發結果除己獲國內、外九項專利外,利用新研發設備進行臨床實驗之結果也陸續完成論文,三年來己有二十餘篇文章在著名醫學期刊上發表。最近完成之「中風病患肌電訊號運動控制型態(motor control pattern)與臨床獨立功能活動指標(FIM)之相關性研究」除己獲美國復健醫學會期刊接受刊登外,也將在蘇俄國家科學院主辦的「Brain and Movement」研討會中作口頭發表。以下謹就研發成果舉例分項敘述。

 

智慧型復健牽引機開發

中老年人罹患退化性脊椎病變(spondylosis)或椎間盤突出(intervertebral dischernitation),俗稱「長骨刺」是臨床上最常見的脊椎神經受壓迫之原因。而文獻中指出使用牽引機進行脊椎牽引術是較安全、有效治療脊椎病變之物理治療方法。然而根據臨床醫師反應,由於現行復健用牽引機屬開迴路設計方式,也就是說牽引治療參數(如牽引拉力、收放時序)一經設定後,在牽引過程便維持固定,因此牽引過程如病患牽引部位因肌肉緊張、發生痙攣或牽引拉力設定不當時,有可能導致拉傷肌肉或牽引後疼痛加劇的負面效果,而且目前牽引機對療效也缺乏客觀定量評估工具;因此為了改良現行牽引復健治療機開迴路式牽引收放設計架構,本研究小組採取了肌電訊號之即時監測、回授,並透過安全肌電位之比對及牽引趨動器之整合,以閉迴路控制牽引拉力和收放時序,以確保治療安全、提高治療效果。新開發之智慧型監控式EMG回饋牽引復健治療機的設計特色在於整合了肌電訊號掃瞄器、即時回饋控制器、電腦界面、閉迴路控制軟體、語音及圖像警示系統、肌電訊號監測及狀態顯示軟體等,提供牽引復健治療、監測、診斷、分析及評估多功能於一體。

 

本項技術己獲中華民國及美國專利,並經由國科會技術移轉給國內復健牽引機製造廠商聯興儀器公司進行量產,預訂今年年底將有商品上市。此一專利技術移轉和商品化案例是國科會歷年來以醫療儀器產品開發完成順利技轉成功之唯一案例,日前獲國科會劉兆玄主委親自主持成果發表記者會表彰此產學合作研究之成功實績,該產品不但可提高牽引復健醫療品質、節省治療師人力資源,亦可喚起國人自製研發本土化醫療設備之興趣,促進醫療產業昇級。該項研究成果將由國科會推薦參加全國發明展。

 

生理回饋站立平衡訓練系統開發

站立平衡(standing balance)之障礙常出現在運動神經損傷或手術後長期臥床之病患,尤其對於中風偏癱病患而言,訓練抵抗重力(anti-gravity)和調適其雙腳載重之對稱(weight bearing symmetry)更是奠定其日後步行和自理生活能之重要復健項目。因此,站立平衡訓練便成為復健科病患使用頻率很高的治療項目之一。然而,臨床上站立平衡訓練大都由治療師以口訴指導方式進行,今後老年病患日增,如果仍維持現行治療方式,勢必造成復健治療師人力資源之不足,而且目前的治療方法也缺乏客觀定量工具可評估療效。

 

為改善站立平衡復健治療之品質,本研究小組己開發完成一套生理訊號(雙腳載重)視、聽覺回饋之站立平衡訓練系統,藉由雙腳載重偵測裝置測得之腳壓訊號,再以數字顯示、音效等視、聽覺回饋裝置讓接受訓練之病患能即時自我修正姿勢,另外也配合糾姿鏡的使用,增加平衡復健治療效果,臨床測試結果証實使用新開發設備進行平衡復健較傳統方法有更明顯的療效,正由復健科使用中。

 

省力化醫療照護設備開發

隨著老年人口增加,長期慢性病患日增,由於這些慢性病患在治療過程須耗費相當多的醫療、照護人力,今後勢必發生醫療或看護人才短缺的情形,因此如何儘早開發省力化照護設備以取代病患照顧上重覆性、單調性而能標準化的作業程序,疏解復健醫療人員工作負荷,己是各先進國家極為重視的研究主題。世界衛生組織(World Health Organization, WHO)也把「醫療自動化」(automation in health care)列為先進國家極須正視和發展之領域。

 

本人五年前自美返國,經王董事長指示與醫院工務部何秋風特助共同進行植物人照護設備自動化及省力化專案開發工作,經過臨床醫護人員共同合作努力,完成了多項省力化照護設備,包括多功能自動病床、無人搬運自動洗澡設備及同步給排水系統、遠端尿布感測器、自動洗頭機、自動餵食系統、抽吸兩用口腔清洗器等,此系統己完成測試,將在未來復健分院植物人照護中心使用。

 

動態站姿穩定度評估訓練設備開發

由於腦血管病變一直高踞國內十大死亡原因之第二位,因此腦血管病變發生中風後病患運動控制(motor control)復健相關設備和器材之研發便成為國內最為迫切的研究課題之一。腦中風之偏癱患者由於腦神經組織損傷,造成患側肌力(muscle power)下降、肌肉痙攣性(spasticity)增強、運動控制功能受到干擾(motor control disturbance)或運動失調(ataxia),以致靜、動態站立平衡功能障礙,當其跨步行走時,常易發生跌倒意外事故。因此如何有效訓練患者站立平衡以及靜、動態重心之控制是其運動功能復健過程中重要的關鍵。除此,病人是否可以安全開始訓練步行亦需經過適當評估。然而目前靜、動態站姿穩定度之訓練與評估,多靠醫護專業人員憑個人經驗悉心口訴、示範指導,缺乏一套有系統的評估、訓練設備可以配合臨床使用,造成訓練效果無法量化、客觀,更使得站姿穩定度訓練須耗費相當之治療人力。

 

基於上述動機,本研究小組延續己自行研發完成之靜態站立平衡設備,整合肌電訊號監控及腳踏板平衡干擾裝置開發一台多功能生理訊號回饋站姿穩定度控制評估、訓練裝置;結構上將包括肌電訊號監測器、踏腳板移動位移控制器、腳壓重心檢測器、視聽覺生理回饋裝置、主控電腦介面及站姿評估訓練軟體等。目前軟、硬體均己完成,正進行系統整合測試及臨床評估。

 

轉身平衡控制評估訓練設備開發

文獻中指出人類平衡能力就如同視、聽力會隨著年齡的增長而減退,在美國65歲以上老年人每年有三分之一會因平衡能力不良而有多次跌倒經驗,甚至因跌倒造成骨折或其他傷害而入院。尤其老年人因平衡能力不良及害怕跌倒之心理作祟下,行動能力受到嚴重影晌,也大大減低日常生活自理能力。而站立平衡控制的三項重點是兩腳載重對稱性(stance symmetry)、靜態站立平穩性(standing steadiness)和動態重心控制性(dynamic postural stability)。前兩項係用來訓練病患維持站姿的平衡能力,而後者則分別訓練病患重心移動時平衡控制以及當有外加干擾時平衡反應能力。這些訓練最終目標係希望病患訓練返家後,能平穩、安全地在居家生活環境中行走、轉身,處理日常生活事務。因此重建病患平衡能力,除了要加強靜、動態姿勢控制能力外,轉身平衡能力之培養也是防止病患日後在家居生活中趺倒不可或缺的復健訓練項目。然而,目前臨床上缺乏一套有效的復健設備可以使用,因此本研究小組也完成一台世上首創之智慧型轉身平衡評估訓練設備,目前正進行臨床評估中。

 

運動控制臨床評估訓練

人體的運動控制包括了姿勢控制(postural control)和動作控制(movement control),兩者間交互作用,才能完成特定運動任務的執行。而人體運動控制主要是利用中樞神經系統的前置計畫,作快速的判斷和調整,再經由周邊感覺的迴饋,作更準確的修正和執行。例如,中風病患由於中樞神經系統損傷,造成運動控制能力降低,無法有效執行正確的姿勢和動作。因此運動控制的評估就是要依病患在執行某項特定動作時運動表現的特性,擬出正確治療方向,再經由復健治療協助其建立有效的運動控制能力,進而遏止不良的姿勢動作組合。目前本研究小組即利用前述自行開發之站姿穩定度評估設備進行系列性運動控制臨床測試研究,利用病患執行「坐到站」功能性動作或在病患站立之腳底板上外加平移干擾下,進行腳壓中心晃動軌跡、關節活動度以及下肢肌電訊號等平衡反應之分析,進而評估病患運動控制型態(motor control pattern)以及感覺統合(sensory organization)能力,做為擬定治療策略之參考。目前正進行的臨床研究包括不同程度中風病患姿勢控制及平衡功能測試分析、骨科關節置換及退化性關節炎病患手術前後站姿穩定度測試定量評估、下肢疼痛與站姿平衡之相關性測試分析、主動及被動平衡干擾下偏癱病患運動控制反應測試等。

 

科技輔具設計開發

人類神經肌肉系統損傷後,常會造成感覺、運動功能障礙,導致肢體活動困難;根據心理學家証實,一個人能獨立料理其日常生活,不僅求一己之便,將可建立其個人自尊和自信,也可獲得社會肯定。而老年人和殘障人士日常生活的自理,常須透過各種生活輔助器具的協助才能達成。「科技輔具」的定義是結合了電子、電腦或其他科技產品以系統整合方式來補償病患喪失的肢體功能。

 

本研究小組為改善行動不便而須仰賴輪椅代步之病患,因久坐不起產生腿部肌肉萎縮及臀、背部壓瘡情事,設計了一台可折疊之坐、站兩用輪椅,其主要係針對市售僅供乘坐行走之輪椅,增加可站立、可折疊並附加平行四連桿椅背豎立及扶手角度保持機構、防傾斜機構、安全綁帶、可調高度腳踏板、安全剎車等構造,使久坐輪椅之病患得以改變姿勢、減少壓瘡,並藉著坐、站姿勢變換讓輪椅乘坐者練習站立及適應地心引力之抵抗重力(anti-gravity)訓練,也可使雙腳承載重量避免肌肉萎縮。

 

虛擬實境技術在復健工程應用

復健醫療之治療目標在於誘健(habituate)、重建(restore)和補償(compensate)病患缺失之肢體功能,進而使其有信心的回歸社會,和正常人一樣過著獨立自主的生活。然而目前國內無障礙環境和設施並不完善;根據衛生署統計,運動障礙病患經過醫院復健治療大約有八到九成恢復步行功能,但是當其出院返家後能真正自行步行者僅達四成,其主要原因便是環境適應的問題。然而如果要完成各種無障礙環境之改造以滿足各種殘障者之需求,將會增加極高的社會成本;因此,本研究小組正嘗試利用感測器、電腦影像、回饋互動控制及電腦科技之整合,開發試製一套虛擬實境動態視覺干擾姿勢控制及環境適應復健治療機,以協助病患在出院前便能在虛擬電腦影像環境中重複學習姿勢控制以及適應環境步行的能力,增加其回歸社會之自信並改善獨立自主生活之品質。相同之技術將可用在輪椅操控訓練、帕金森症病患起動困難誘發訓練、懼高症訓練、虛擬工作環境職能治療訓練等。除此,亦可發展為虛擬外科手術規劃、模擬與訓練系統、遠距外科手術介面以及虛擬人體解剖互動式教育系統等,對今後醫療科技之發展將有重大的影晌。

 

復健醫療決策支援系統(輔行器配對)建構

根據內政部社會司的調查,殘障者對生活狀況最不滿意的就是行的問題。因此如何正確選擇復健輔行器,協助下肢行動不便者改善步行能力是復健醫師或治療師經常面對的工作,而且由於下肢殘障者因姿勢控制及重心平衡度較差,或因關節疾病無法承受全身重量,適當的輔行器亦可分擔下肢所承受的體重,以減輕疼痛、避免姿勢不當或運動控制功能之惡化。然而目前市售輔行器不下數十種,復健師多憑個人臨床經驗而無一定之準則做為輔行器選擇之依據。

 

基於以上原因,本研究小組利用模糊類神經演算法,定義患者運動功能相關參數及輔行器屬性參數,設計一套輔行器選擇人機配對最佳化決策支援系統。在病患參數方面包括認知能力、臥床期間、上肢握持力、前臂肌力、上肢承重能力、上肢協調性、下肢承重能力、靜態站立穩定度、動態步行協調性及患側活動控制能力等,輔行器則包括各式手杖、拐技及助行器。透過倒傳模式(back propogation)類神經網路演算法及系統自我學習功能,發揮仿傚專家思考模式選出最適合病患之輔行器。初步測試顯示模糊類神經網路技術在輔行器配對專家系統之設計和應用是可行的,日後將發展病患運動控制評估與復健治療決策支援系統或應用至其他醫學領域,除可確保醫療決策品質,並可發展做為實習、住院醫師醫療決策訓練之工具。

 

結論

生命科學與工程技術的整合是廿一世紀明星產業,其研究結果不但可提升醫學與醫療科技水準,更可研製各式醫療儀器設備,改善醫療品質。因此,醫學工程的研究水準被視為評估人類進步的重要指標。長庚醫學暨工程學院成立至今,由於工學院、醫學院與長庚醫院間保持著密切的合作研究關係,使各項研發可立即用在臨床上,加惠病患、提升復健醫療品質外,更可落實政府推動醫療器材本土化之目標。今後本研發室仍將本著「以工程科技造福病患」的熱誠,繼續開發臨床實用的設備。未來研究目標包括中風病患由臥床期開始至居家照顧期為止系列運動功能復健器材之開發、部份體重支撐復健訓練系統研發、復健科技知識庫建立及醫療決策支援系統建構及科技輔具研發等。