科技的發(fā)展是為了優(yōu)化生存品質(zhì)，機器人產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，漸漸地融入人類的生活之中，「機器人化」的智慧家電、機器人輔具、智慧之家等東西出現(xiàn)，造福家庭主婦、小孩、身障者、銀髮族等更多族群。演進至今日，機器人輔助醫(yī)療也已成為全球在健康發(fā)展領(lǐng)域的主要趨勢。根據(jù)國際商業(yè)觀察公司（Business Monitor International，BMI）的調(diào)查顯示，2013年全球主要72個國家的醫(yī)療支出高達7.3兆美元，該數(shù)字至2020年預(yù)測上攀至10.2兆美元，可見，降低醫(yī)療成本並提高醫(yī)療效率，將成為未來的核心醫(yī)療課題。
傳統(tǒng)的復(fù)健治療多半仰賴治療師、職能師、看護師或病患家屬進行一對一的陪伴。其高人力需求使得復(fù)健長期成為高成本的醫(yī)療項目，需要相當(dāng)?shù)纳鐣杀九c醫(yī)療資源的投入。而隨著全球老齡化所帶來的衝擊，老年人口比例與老年疾病逐年上升，醫(yī)療人力勢必將不敷使用。因此，智能感測技術(shù)搭配智慧化機器人復(fù)健醫(yī)療設(shè)備將有機會替代人力，滿足高齡化社會的復(fù)健需求。
| 圖一 : 機器人輔助醫(yī)療已成為全球在健康發(fā)展領(lǐng)域的主要趨勢（source：Government Technology） |
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| 圖二 : 清華大學(xué)教授張禎元與其團隊自主研發(fā)之國產(chǎn)機器手復(fù)健結(jié)構(gòu) |
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為了減輕復(fù)健治療的設(shè)備成本與人力需求所形成的負擔(dān)，清華大學(xué)動機系張禎元教授團隊及長庚醫(yī)院復(fù)健科副主任裴育晟教授團隊在科技部的補助之下，致力整合機電工程與臨床需求，擷取實際臨床案例與經(jīng)驗，研發(fā)出複合式復(fù)健機器人平臺，為創(chuàng)新的智慧型機械輔助復(fù)健平臺，能夠建置一標(biāo)準(zhǔn)化的機械量測系統(tǒng)，針對患者使用後的恢復(fù)狀況、運動反應(yīng)以及肌肉張力進行評估分析。以下詳述智慧型機械輔助復(fù)健平臺的功能與成效。
復(fù)健機器人的類型
首先，針對復(fù)健機器人(Rehabilitation Robots)的類型說明，其主要的功能為藉由機械的重複性與可靠度，來協(xié)助患者的肢體完成精確且重複的往返動作。透過外部動力透過機械結(jié)構(gòu)與人體互動，達到強化訓(xùn)練患者的局部肢體能力，並協(xié)助或輔助患者完成各指定動作進行復(fù)健。
復(fù)健機器人大致可區(qū)分為兩類：一、誘導(dǎo)型人機互動復(fù)健機器人平臺﹔二、驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺，其相關(guān)技術(shù)內(nèi)容敘述如下:
誘導(dǎo)型人機互動復(fù)健機器人平臺
誘導(dǎo)型人機互動復(fù)健機器人平臺為一種主動式復(fù)健型態(tài)，是採取一個互動式軟體介面或是以虛擬實境的方式，來誘發(fā)使用者自願進行局部的復(fù)健，進而達到復(fù)健的效果。藉由軟體與患者間的互動，將可以提高復(fù)健過程的樂趣，進而提升患者的復(fù)健意願；此外，多元化的軟體遊戲設(shè)計可提供多種的復(fù)健種類與療程，除傳統(tǒng)輔具復(fù)健外，此選擇在未來將可以增加復(fù)健的多樣性與選擇性。
以手指復(fù)健平臺為例，該機器人復(fù)健設(shè)備的設(shè)計上具備有感測裝置，此等感測裝置可偵測在復(fù)建過程中，輔助評估使用者在遊戲任務(wù)達成率或肢體復(fù)健的軌跡等。目前在市場上以美國Flint公司的MusicGlove與瑞士Yourehab公司的yougrabber以及Neofect等產(chǎn)品皆屬於這一類產(chǎn)品，而臺灣富伯生醫(yī)(RMTC)的DexHand則更進一步可以於機器平臺上直接感測到每個手指於復(fù)健時各個關(guān)節(jié)鬆緊程度所產(chǎn)生的變化，以利醫(yī)師即時評估治療效果和進行客製化的復(fù)健醫(yī)療。
驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺
| 圖三 : 富伯生醫(yī)研發(fā)出的線傳式機器人復(fù)健手平臺可協(xié)助病患做手部開和抓握復(fù)健。(source:富伯生醫(yī)) |
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驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺則是透過外部致動器的力量輸出，經(jīng)過機械結(jié)構(gòu)傳遞後，將此力量傳遞至使用者的局部肢體上，來加強病患肢體的輸出力道或是牽引病患復(fù)健的肢體進行正確的運動姿態(tài)，並到達理想的空間位置。因此，如何有效利用外部動力來驅(qū)動是此平臺的重點。
外部動力的驅(qū)動方式
至於外部動力的驅(qū)動具有被動與主動等兩種機制：
一、被動式(Passive)驅(qū)動：
被動式驅(qū)動是使用機器裝置帶動使用者的肢體做連續(xù)往返運動(Continue Passive Motion, CPM)，動力的輸出與機械裝置的運動模式是由控制系統(tǒng)所決定，這類的驅(qū)動機制可以達到維持功能受損的肢體活動的功能，如Tyromotion公司所研發(fā)的手指復(fù)健運動儀Amadeo。
二、主動式(Active)驅(qū)動：
主動式驅(qū)動與被動式不同處在於機械動力是以一個使用者所送出的先導(dǎo)訊號作為啟動信號讓復(fù)健機器人產(chǎn)生動作，這樣的機制可以結(jié)合患者的運動意志，提高肢體復(fù)健效果。先導(dǎo)驅(qū)動訊號的產(chǎn)生有以下幾種方式：
a.肌肉電位
肌肉電位(Electromyography, EMG)技術(shù)係使用電極貼片貼附在皮膚表面，擷取當(dāng)肢體運動時期肌肉收縮所產(chǎn)生的肌肉電位訊號，藉此可為復(fù)建裝置提供一個驅(qū)動訊號，構(gòu)成一種主動式控制的復(fù)健效果，亦即當(dāng)系統(tǒng)感受到患者要產(chǎn)生動作時，機械會輸出動力來帶動因為患者肢體力量不足而無法運動的部位。此主動式控制機制可使肌力不足的患者經(jīng)由自主意圖，透過微弱的肌肉運作來驅(qū)動外部機械動力以輔助完成復(fù)健運動。
b. 腦波訊號
腦波訊號(Electroencephalography, EEG)與EMG訊號不同，以腦波驅(qū)動裝置係利用感測器貼附在頭顱表面，藉由腦波訊號與相對應(yīng)運動間的相關(guān)模式訊號，即運動意志，驅(qū)動輔助機器人作動以達成運動要求。然而由於腦波訊號趨於複雜，迄今該方式僅能使機器人復(fù)健裝置進行簡單的動作；近幾年在世界知名期刊《自然》(Nature)與《科學(xué)》(Science)上出現(xiàn)利用大腦神經(jīng)元訊號來控制機械手臂的研究，研究者將高密度的神經(jīng)探針(Neuroprobe)植入靈長類或癱瘓的病患之大腦運動區(qū)皮質(zhì)(Motor Cortex)內(nèi)，藉由研究肢體動作與腦波或神經(jīng)元訊號間的關(guān)係，找對相對應(yīng)的反應(yīng)模式建立控制模型系統(tǒng)，之後腦訊號透過濾波與放大後輸入控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成機械手臂控制訊號來控制機器裝置完成運動。雖然有相關(guān)的文獻發(fā)表，但於複雜手掌指的復(fù)健，待需進一步的研究與產(chǎn)品化。
c. 陀螺儀、加速規(guī)等感測器
當(dāng)感測器放置於輔具機臺內(nèi)，患者可以透過細部的姿勢變換來驅(qū)動機器人作動輔助患者完成肢體運動，例如以色列Rewalk公司和紐西蘭REX Bionics公司所開發(fā)的下肢復(fù)健輔具、工研院機械所開發(fā)的下肢行動輔助機器人等皆屬於這類技術(shù)的下肢復(fù)健產(chǎn)品。而於手掌指復(fù)健方面，臺灣富伯生醫(yī)(RMTC)的手掌指復(fù)健機器人系統(tǒng)裡則利用此技術(shù)來即時監(jiān)控了解使用者在空間中的肢體姿態(tài)及相對位置。
d. 可撓式角度感測器
將感測器放置於可穿戴式載具上，如手套。利用感測器偵測手指運動過程中的各種角度變化，將感測到的資訊轉(zhuǎn)換成機械控制指令驅(qū)動機械手臂達成與穿戴者相同的動作。如義大利Gloreha公司與富伯生醫(yī)所研發(fā)的復(fù)健手套中即有此概念的應(yīng)用。
復(fù)健平臺協(xié)助自主生活
近年來，已有一些產(chǎn)品化的復(fù)健機器人於市場上活躍，例如瑞典的Bioservo公司研發(fā)出一款可以協(xié)助老人日常生活抓握的輔助手套，透過外部動力來加強老年人口的握力表現(xiàn)，協(xié)助完成一些日常生活的簡單動作，如拿杯子、開門、提重物等，幫助病患於日常生活中可以獨立自主生活。
至於大型復(fù)健醫(yī)學(xué)中心裡常使用的復(fù)健機器人平臺則相當(dāng)豐富。以香港Rehab-Robotics所研發(fā)的Hand of Hope為例，透過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與配合，來協(xié)助病患的肢體部位進行被動式牽引復(fù)健，這一類的復(fù)健器材多屬於驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺的代表，透過外部動力來支配使用者肢體完成復(fù)健動作，此類復(fù)健儀器常見應(yīng)用於肢體功能較為僵硬甚至失能的病患。
主動式機械人復(fù)健平臺多屬於無動力輸出或是輔助動力輸出的復(fù)健機器人平臺，亦即這類型的機器人多半是協(xié)助病患去完成指定的復(fù)健動作，並非支配病患的肢體動作，讓病患自主的活動自身肢體去復(fù)健，而不足的部分才由外部機器人補足，義大利Gloreha公司所開發(fā)的復(fù)健手套即為此類機器人復(fù)健平臺的代表之一。
相較於傳統(tǒng)的復(fù)健治療配置，以上敘述的機器人復(fù)健平臺能夠透過數(shù)據(jù)進行評估，亦期望導(dǎo)入機器人輔助復(fù)健後期能實質(zhì)的大幅降低醫(yī)療人力上的負擔(dān)。
導(dǎo)入感測技術(shù)更精準(zhǔn)
因感測科技技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用導(dǎo)入，為近期的復(fù)健機器人平臺開始出現(xiàn)一些創(chuàng)新應(yīng)用，例如由高密度的薄型感測器構(gòu)成的機械皮膚所包覆之機器人裝置，將可提供患者在使用上的安全資訊，如碰撞風(fēng)險、機臺表面與人體皮膚的過度摩擦與壓迫等；或是將超微小型的慣性(IMU)感測元件內(nèi)嵌至復(fù)健機器人平臺，可即時監(jiān)控使用者在復(fù)健時的肢體動作姿態(tài)、角度、運動速度與軌跡等資訊，將使用者在復(fù)健過程的身體反應(yīng)數(shù)位化紀(jì)錄，相較於傳統(tǒng)的肢體姿態(tài)感測模組，如三維影像辨識系統(tǒng)、關(guān)節(jié)角度編碼器等，由張禎元教授實驗室所研發(fā)出來的感測器新元件不僅縮小了安裝體積，同時更保有傳統(tǒng)感測器模組的量測精度。透過上述智慧型回饋機制的導(dǎo)入，並結(jié)合閉迴路控制設(shè)計，將可達到自動化長期復(fù)健追蹤與評估復(fù)健效果的機制。
| 圖四 : 富伯線傳式復(fù)健機器人平臺的線張力感測技術(shù)與元件(source:富伯生醫(yī)) |
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富伯生醫(yī)科技首創(chuàng)牽引式復(fù)健機器人，獨特的機器人外骨骼設(shè)計不只在動作上滿足了復(fù)健需求，獨特的三段手指關(guān)節(jié)對心結(jié)構(gòu)更可以有效協(xié)助手指上的各個關(guān)節(jié)進行復(fù)建。此外，特殊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計也讓此復(fù)建機械人平臺能在使用一個致動器的前提下，有效的個別驅(qū)動單一手指的兩個關(guān)節(jié)自由度，最後透過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，並將機器人本體與致動力源分開，中間透過線的連接來牽引使用者執(zhí)行復(fù)健，此設(shè)計不僅能降低病患在穿戴時的重量負擔(dān)外，更能有效降低外部致動器的數(shù)量以降低整個系統(tǒng)的重量與體積，也為病患在執(zhí)行復(fù)建過程時提供更高的自由性與可活動性。此外，富伯更將此平臺與拉力感測技術(shù)結(jié)合，線上即時偵測牽引動力線的張力變化，為使用安全把關(guān)；同時也可即時偵測肌肉張力變化，為使用患者、治療師或醫(yī)師提供治療報告。
| 圖五 : 富伯的線傳式鏡像治療機械人平臺參與實物復(fù)健治療的應(yīng)用(source:富伯生醫(yī)) |
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大標(biāo):雲(yún)端時代扭轉(zhuǎn)復(fù)健思維
| 圖六 : 富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長黃建嘉認為互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的未來進展，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。 |
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智慧照護與遠距醫(yī)療是另一個生醫(yī)科技的發(fā)展重點，富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長黃建嘉博士表示：「隨著互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的時代來臨，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。我們希望讓復(fù)健機器人不只能帶動患者運動，我們更希望機器人平臺未來可以結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、雲(yún)計算與高端感測技術(shù)，多方導(dǎo)入復(fù)健醫(yī)療來幫助病患，將復(fù)健醫(yī)療推得更廣。」
網(wǎng)際網(wǎng)路的普及提升了醫(yī)療下鄉(xiāng)的可能性，讓偏遠區(qū)域的患者也能受惠。以鏡像教導(dǎo)式外骨骼復(fù)健機械手臂平臺為例，手指位置角度感測技術(shù)的導(dǎo)入，患者可使用健康手教導(dǎo)失能手做出適當(dāng)手型完成功能性運動。
| 圖七 : 隨著互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的時代來臨，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。（source：http://www.braceworks.ca） |
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當(dāng)此技術(shù)結(jié)合網(wǎng)路平臺，醫(yī)護人員能在醫(yī)院端與居家端需要復(fù)健的患者面對面互動，利用感測器手套將治療師會醫(yī)師的運動手型指令傳送至居家端復(fù)健患者所穿戴的外骨骼復(fù)健手機器手系統(tǒng)中，機器手即可根據(jù)醫(yī)護人員的運動模式帶領(lǐng)患者進行所需要進行運動，進而訂定一個復(fù)健療程療程，建立一個數(shù)位醫(yī)療服務(wù)架構(gòu)。此雲(yún)端遠距復(fù)健醫(yī)療具有與國內(nèi)大政策「長照10年計畫2.0」、國際醫(yī)療下鄉(xiāng)、遠距醫(yī)療接軌的潛力。
智慧化機器人輔助醫(yī)療系統(tǒng)的導(dǎo)入，透過建構(gòu)一個優(yōu)質(zhì)、平價且普及的長照服務(wù)體系，推廣至一般社區(qū)及鄉(xiāng)村，將原本傳統(tǒng)尖端醫(yī)療在城市中心的概念擴展並扎根於地方，期望真正落實減輕居家照顧的重擔(dān)，並且解決大型醫(yī)療機構(gòu)醫(yī)療資源分配不足的狀況。藉由遠距醫(yī)療機制亦能關(guān)懷到世界各地需要醫(yī)療協(xié)助的人們，實現(xiàn)「連接在地、連接國際、連接未來」的目標(biāo)。
(本文作者張禎元為國立清華大學(xué)動力機械工程學(xué)系暨研究所教授，黃建嘉為富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長)
**刊頭圖片來源（source：www.digitaltrends.com）
