居家式睡眠活動行為監測平台與生理回饋智慧頭枕開發、驗證

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新一代可攜式居家用睡眠呼吸中止監測模組與應用軟體開發測試

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可撓性電容式三軸力量感測元件之開發與壓/剪力量測驗證

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即時監測冠狀動脈異常之智慧衣系統開發及臨床應用

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仿人踝關節機構設計、腳壓與踝關節角度回饋控制系統開發與功能驗證

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動力輔助膝上義肢機構設計與本體感覺補償暨協同控制系統開發 海報
行動載具用病患生命徵象監測及遠距醫療系統開發

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輪椅上下車自動搬運裝置

 

虛擬科技輔具館資料庫  
具電動式移位輔助裝置之多功能輪椅設計開發  
坐站兩用輪椅  
可變換為輪椅結構之汽車駕駛座  

 

 
◎居家式睡眠活動行為監測平台與生理回饋智慧頭枕開發、驗證
 

阻塞型睡眠呼吸中止症患者入睡後會因氣道阻塞、通氣量減少,發生間歇醒覺,影響睡眠品質。此類患者通常需安排多頻道睡眠生理檢查,然而醫院睡眠檢查輪候時間長,患者常無法即時接受診斷、適時治療。爰此,本研究首先係針對上述患者睡眠檢查瓶頸,整合呼吸生理(血氧飽和濃度、呼吸通氣量)及身體活動偵測技術,建構一套居家式睡眠活動行為監測平台,供患者居家使用,達到自我評估、呼吸異常預警與呼吸照護療效追蹤之目的。另外,臨床上判定呼吸中止及淺呼吸事件之呼吸流量基線值計算並無定論,造成事件判定會因個人主觀及經驗而不同,因此本研究提出一項即時估算潮氣量下降率與血氧飽和濃度下降量之演算法,實驗驗證應用所提之演算法能正確判定呼吸中止及淺呼吸事件。除此,文獻指出睡眠呼吸中止症患者呼吸道自然緩解和其睡眠時瞬間轉頭相關,因此本研究另一項目標係開發一台具呼吸生理量測、頭部角度回饋及氣動式閉迴路頭枕角度調控機制之生理回饋智慧頭枕,並進行功能測試。本研究所開發之智慧頭枕具四氣囊、兩個角度調整自由度(仰角0到21度、轉角0到24度),功能測試結果顯示角度調整誤差在1度內。另外,本研究也進行了呼吸中止與淺呼吸事件模擬頭枕動態操控實驗,以評估頭枕臨床適用性。

 

 

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◎ 新一代可攜式居家用睡眠呼吸中止監測模組與應用軟體開發測試
 

Obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) is a common, widely underdiagnosed sleep disorder breathing problem. Polysomnography (PSG) is the most commonly used test for the diagnosis of OSAS. However it is expensive, time consuming and requires special hospital or sleep center for whole night monitoring. As a result, only 10-20% of the OSAS patients get diagnosed. The objective of this research is to develop and evaluate a cost effective alternative of PSG, which can be used for the detection of OSAS in the home and hospital environment. To do so, MXGs units were first introduced, where a single inertial based sensor was used to detect different physiological signals (i.e. cardiorespiratory, snoring signals and body movements). A multi-channel inertia-based sleep behavior monitoring module with MXGs and blood oximeter was then designed. Finally, a snore monitoring device and smart phone APP with a novel algorithm to classify hypopnea and apnea episodes from the snoring signals was proposed for the prescreening of OSAS in home environment. Experimental results showed that the MXGs units were accurate compared to PSG. The classification algorithm with the mobile APP was tested on simulated OSAS condition and all of the apneic and hypopneic episodes are identified correctly. The proposed sleep apnea monitoring module was found to be accurate, indicating its potential to be used as an alternative to PSG for the detection of OSAS.

 

 

 

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◎ 可撓性電容式三軸力量感測元件之開發與壓/剪力量測驗證
 

本研究提出一個可量測正向力及剪力新型結構之電容式觸覺感測器,其結構為下層軟性電路板層、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)介電層、上層軟性電路板層與凸塊組成。使用PDMS作為介電材料之薄膜結構相較於使用空氣作為電容器之空氣間隙結構,具有結構簡單及容易製作之優勢; 再者,PDMS介電常數為空氣之2.7倍,因此感測器具有較大之初始電容值與容易被量測之優勢。PDMS之混合比可藉由調配固化劑之重量比而改變其剛性,進而調整感測器之靈敏度與最大量測負載,因此使用PDMS作為介電層之另一個優勢為可因應應用範圍來調整感測器之規格,另外,上/下電極層為軟性電路板,利用軟板製作之電極具有高可撓性、不易龜裂與製作容易之優勢。電容式觸覺感測器之工作原理為,藉由四組平板電容器受力變形會改變電容值之物理特性。當施加一正向力作用於感測器之凸塊層時,PDMS介電層因被壓縮而改變四個電容值大小;而當施於一剪力作用於凸塊時,凸塊中心產生一扭矩作用於PDMS介電層上,藉由量測兩邊之電容器變化可感測剪力大小。本研究設計之電容式觸覺感測器可量測較大範圍之正向力與剪力,期望此感測器能應用於生物力學之腳底壓/剪力量測,並可將此感測元件嵌入於鞋墊中與無線傳輸電路結合,製作一個可攜帶式無線傳輸量測設備。

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◎ 即時監測冠狀動脈異常之智慧衣系統開發及臨床應用證
 

冠狀動脈阻塞為近年來國內十大死因第二位,症狀初期會造成血脂斑塊堆積、血管內徑緊縮,進而產生心跳不規則。根據大陸紅十字心臟學會報導指出,冠狀動脈阻塞病患有66%在居家環境發病;另外美國心臟協會研究報告也指出,透過連續24小時心電圖監控,能降低50%的冠狀動脈疾病死亡率。因此,如何開發一套能在居家環境中隨時、隨地、隨動量測心電訊號,並能判定冠狀動脈阻塞風險之穿戴式智慧型心電訊號監控系統,將是解決上述病患在居家環境發病猝死的重要課題。爰此,本研究之目的係整合心電訊號量測、智能計算、無線通訊及視聽觸回饋等技術,開發一套可即時監控心電訊號作為冠狀動脈異常風險評估之「智慧衣系統」雛型,並進行應用驗證。

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◎ 仿人踝關節機構設計、腳壓與踝關節角度回饋控制系統開發與功能驗證

 

膝下截肢患者術後因負責腿部背屈與蹠屈動作之主要肌群以及小腿骨被部分切除,造成小腿肌肉及骨骼組織不健全,以致於穿戴傳統義肢在平地行走時無法主動產生背屈、蹠屈與推進力之功能,需用剩餘的肢體進行代償並增加步行時能量消耗才能完成上述之動作,造成步態不協調,最終使肢體關節過度磨耗,嚴重者需二次手術來更換關節。再者,膝下肢截肢患者術後因生理結構遭到部分切除而喪失感覺受器,當穿戴傳統膝下義肢時無法感知腳底與地面接觸的壓力狀況,因此無法確切掌握步態週期,需要以視覺來取代行走之感覺回饋,容易導致截肢患者跌倒造成二度傷害。爰此,本研究係針對上述膝下截肢患者穿戴傳統膝下義肢而產生步態異常、能量消耗以及本體感覺缺失之問題,開發一套「仿人踝關節機構回饋控制系統」,並進行功能性驗證。然而,本研究整合仿人踝關節機構、腳底壓力感測及踝關節角度量測裝置等進行仿人回饋控制系統信效度驗證,其結果分別為1及R2=0.9974,所以未來能提供膝下截肢者步行時給予動力輔助效果;另外,蹠跗關節推進力能量補償實驗得知仿人踝關節機構彈簧所作的功為0.83Nm。此外,經文獻指出正常人蹠跗關節所作的功為0.96Nm,所以本研究未來也能提供膝下截肢者步行時產生推進力,以改善能量消耗之問題;除此,踝關節協同控制實驗結果得知仿人踝關節義肢於2.2km/hr速度下與健側時間之協同性無顯著差異(p>0.05),且兩者間踝關節最大角度平均誤差為0.0251±0.0019°(誤差百分比為2.619%)及平均延遲時間為0.0812±0.0011秒,所以本研究未來也可提供膝下截肢患者步行時健、患側腳達到協同控制之效果,以改善步態異常之問題。最後,本研究也所開發之踝關節角度及腳底壓力回饋控制模組中透過患側腳跟警示燈在未來能結合振動馬達使膝下截肢患者步行時給予本體感覺補償。
 

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◎ 動力輔助膝上義肢機構設計與本體感覺補償暨協同控制系統開發
 

病患下肢截肢後負責腿部伸屈動作之主肌肉群及膝關節以下構造均被切除,導致下肢肌力不足及本體感覺喪失,因此病患穿戴義肢行走時,須使用殘肢髖關節甩動義肢結構使膝關節彎曲,但易造成義肢膝關節晃動,無法精準地控制膝關節角度,導致運動控制不良,且病患行走時也會消耗較多能量,容易產生步態不穩而跌倒。爰此,本研究係針對上述截肢病患下肢運動控制不良、本動力輔助膝上義肢機構設計與本體感覺補償暨協同控制系統開發體感覺喪失等問題,擬整合動力輔助義肢膝關節機構設計、本體感覺補償模組開發、協同控制系統設計,完成一套「動力輔助膝上義肢機構與本體感覺補償暨協同控制系統」,並進行功能性驗證。

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◎ 行動載具用病患生命徵象監測及遠距醫療系統開發

 

高位脊髓損傷患者因自主神經反射失調和呼吸功能障礙,雖然經治療病情穩定出院返家後,仍須定期回院追蹤病情變化並接受復健,然而患者在回院時多搭乘私家轎車或復康巴士前往就醫,這類行動載具並未裝置生命徵象量測系統,因此載運期間無法藉由生命徵象之量測掌握病患是否會產生自主神經反射失調與呼吸功能障礙造成突發性高血壓、姿位性低血壓、心臟回流血量降低或慢性肺泡通氣不足之情況,嚴重時恐造成患者休克,甚至威脅其生命安全。因此,本研究之主要目的係開發一套「行動載具用病患生命徵象監測及無線傳輸系統」,並進行應用測試。其主要之設計理念係透過血壓機、血氧濃度機和心電圖儀測量監測患者在行動載具上之血壓、血氧濃度及心電圖訊號,期望能將訊號透過無線傳輸至醫療院所之醫護端,如此便能使醫謢人員能即時掌握患者在行動載具載送過程的生命徵象及病情可能之改變,若患者發生緊急狀況時,醫護人員可透過遠距音訊之無線傳送教導隨車同行人員進行緊急應變處置,而且醫療院所也可在患者到院前完成事前接受患者之準備工作,增加患者到院時緊急醫療救護效率。

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◎ 輪椅上下車自動搬運裝置

 


 

目前國內無障礙環境及設施並不周全,輪椅乘坐者上下車時,由於目前各種交通工具上並未加裝供輪椅上下車之裝置,造成輪椅乘坐者必須倚靠他人協助才能上下車,不但費時、費力,而且在搬運過程中對輪椅乘坐者也有潛在的危險;國外雖有輪椅上下車搬運設備,但是價格昂貴且難以符合國人體型,使用上不方便。有鑑於此,故積極研發一套本土化輪椅上下車自動搬運系統,以方便輪椅使用者能在不離開輪椅之情況下自行操控方便上下車。

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◎ 虛擬科技輔具館資料庫

  


 

國內傷殘人數高達36萬人以上,過去身心障礙者在社會上常常受到忽視,被視為一種負擔,社會大眾對這些人多採取敬而遠之的態度或僅提供基本生活安養之服務。近年來國內對於身心障礙者族群逐漸重視,陸續成立輔具資源中心,提供輔具諮詢及指導的服務,但一般大眾對於輔具的功能、認識與選擇能力仍然不足,且由於輔具資源中心並非十分普遍,使得居住在偏遠地區之老年人及身心障礙者仍無法方便地前往輔具中心得到諮詢服務。

本項輔具資料庫主要設計目的在於克服老人及殘障者取得適當科技輔具之障礙,避免因資訊不足、造成輔具選擇不當、影響身心健康及生活自理能力。本系統係一套結合圖書館查詢功能、美術館立體展示功能及科博館動畫操作功能於一体之「虛擬科技輔具光碟片」,在這一片小小光碟中包括了525種各式輔具並分成十三個動態展示之虛擬美術館,透過多媒體及虛擬實境動畫功能,使用者能在電腦上進入虛擬輔具館中流覽、查詢,不但增加科技輔具展示之活潑性及生動性、增進使用者對各式科技輔具功能及使用方法的瞭解,並藉由職業重建與科技輔具開發之案例,激發社會各界對於老人及殘障者需求之關注。目前正與無障礙環境協會、科技輔具協會、輔具科技職業重建協會結盟,合作整合網際網路和電子商務技術建置「大中華地區科技輔具產銷研電子商務入口網站和資料庫」,讓使用者能在網路上訂購,使國內輔具產業界產品與學術界研發技術能與大中華地區市場接軌,發揮產學研合作機制,共同提振國內科技輔具產業之國際競爭力和市場佔有率。

 

  

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◎ 具電動式移位輔助裝置之多功能輪椅設計開發
 

本研究之主要目的在於解決輪椅使用者高處取物及自輪椅上移位至不同高度之生活週邊設施(如病床)等之不便,改良市售一般輪椅僅提供行走之功能,設計一種以電動缸、馬達和導螺桿為動力源,達到輪椅坐墊高度可自動調整及方便輪椅使用者移位之『具電動式移位輔助裝置之多功能輪椅』,研究重點主要係輪椅轉位需求調查、採用品質機能展開技術(QFD)進行多功能輪椅設計規範確立、多功能輪椅機構設計與評估、使用AUTO CAD R14繪圖軟體進行輪椅改良機構細部設計和工程圖繪製、利用Working Model 3D電腦模擬軟體進行運動模擬分析,最後也進行實體製作一台雛形輪椅並進行功能驗證。本研究之完成期望能使輪椅使用者在能乘坐、能移動、能上升椅墊後,還能配合醫院和居家生活設施(如病床、治療床、洗澡設施等),方便地調整坐墊高度自行在不同設施間移位,以提高輪椅使用者生活自理能力及生活尊嚴。

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◎ 坐站兩用輪椅
 


本項「坐站兩用輪椅」為改善市售習用輪椅僅供乘坐行走之功能,增加

站立、上升機構及椅背豎立機構、安全綁帶、可調整高度之腳踏墊、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,並能藉此讓輪椅乘坐者練習站立及適應地心引力,使雙腳承載重量避免肌肉萎縮,達到復健訓練的效果,同時亦解決病患日常生活中行的問題、增加自理生活的能力,並可避免其久坐不起產生腿部肌肉萎縮及臀、背部壓瘡的情事。尤其可使久坐輪椅之病患得以與人平起平「站」,改善生活自尊。本項「坐站兩用輪椅」已獲國內兩項專利(第131348號及第141093號)。


 

   

本項「坐站兩用輪椅」除獲國內兩項專利外,也在八十九年全國發明展中獲得「金頭 腦獎」。1999年底代表我國參加德國紐倫堡世界發明展獲「金牌獎」,為國爭光。


註:一位十年來從未站立過的脊髓損傷病患,利用「坐站兩用輪椅」終於站了起來,在91年初脊髓損傷病患運動會開幕式中驕傲地進場,博得全場掌聲鼓勵,他的眼眶也溼了..

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◎ 可變換為輪椅結構之汽車駕駛座

 


肢體殘障者常因移動能力之限制而需仰賴輪椅代步,而一般輪椅僅限日常生活近距離之代步,但如果需長距離外出時,由於一般車輛均未能提供輪椅上下車之機構,且必須由他人協助移位,並在車內騰出空間置放及固定輪椅,經由他人移位時不但耗時費力且可能因為搬運不<a發生危險造成二次傷害。為克服輪椅使用者自動上下車並可將輪椅變換成汽車駕駛座以節省空間,因此本研究之主要目的係自行開發一組「可變換為輪椅結構之汽車駕駛座自動上下車裝置」。本研究之工作項目包括利用品質機能展開QFD進行可變換式輪椅汽車駕駛座之系統需求調查、訂定系統設計功能相關規格、利用創意設計軟體TechOptimizer進行機構概念設計、使用3D繪圖軟體Solid Works建構3D Model進行細部設計、使用動態模擬軟體Working Model進行機構動態運動模擬分析、採用有限元素分析軟體Working Model FEA模組分析機構結構應力及應變分析,最後則進行實體雛形之加工製作與組裝測試。本項設計之主要功能包括座椅移位、座椅升降、輪子摺收等;座椅移位功能係利用電動缸推動輪椅駕駛座座椅經由側偏心之軸承旋轉中心以達到移位至車門位置之目的。座椅升降功能係利用單電動缸推動雙軸平行四連桿機構而達到座椅升降之目的。輪子摺收功能係利用單電動缸推動六連桿機構而達到輪子摺收及展開之目的。本研究目前已完成實體之製作、組裝及功能測試,並和中山醫學院復健分院進行臨床測試,本項系統已申請專利中。
醫療機電整合中心比賽第二名、全國決賽佳作

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