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當機器人從工業走向醫療
智動助一臂之力
[作者 陳復霞]   2015年08月28日 星期五 瀏覽人次: [16103]


台灣的製造業為許多國際品牌大廠OEM/ODM的重要合作夥伴,在全球供應鏈上居於重要地位,而在全球智慧健康照護產業的發展當中,不論是健康量測裝置或醫療儀器領域,亦可以看見台灣廠商努力的軌跡。當工業生產系統趨於工業4.0之際,物聯網、雲端、大數據、虛實系統及機器人成為熱門議題,台灣科技大學醫學工程研究所所長郭重顯認為智慧醫療系統的進展方向同樣正朝著這些方向進展,顯示智慧醫療系統與工業4.0的技術內涵一致,而智慧醫療系統,包括復健、輔具、手術、治療及藥物方面,以及穿戴式醫材、照護系統與其他。


放眼歐日市場態勢

近年來,世界各國積極推動醫療改革政策,相對的牽動市場對於醫療產業相關需求的成長,面對國際市場的動向,歐盟與歐洲機器人協會euRobotics(歐洲非營利機器人科技研究組織)共同推動SPARC機器人發展計畫;歐盟與euRobotics的總投資額將高達28億歐元,相當於約新台幣1,136億元。其研究成果不僅適用於製造業,透過機器人系統、機器人科技與機器人服務,機器人研究的發展將可應用於健康照顧、家居照護、農業、社會安全、環境維護、運輸和娛樂等方面。



圖1 : 因應醫療等級的檢測醫材的需求與缺口,高階醫材與科技輔具受到相當的青睞。(Source:www.wired.com)
圖1 : 因應醫療等級的檢測醫材的需求與缺口,高階醫材與科技輔具受到相當的青睞。(Source:www.wired.com)

預期全球機器人市場規模至2020年將達到600億歐元;透過實施SPARC計畫,將提升歐洲在全球機器人市場的市占率,由2014年的35%提升至2020年的42%,未來將開放全球業者加入此計畫,共同推動機器人技術的研究創新與應用。在SPARC計畫中,提到醫療保健應用—低侵入性與精密手術:機器人可以降低手術的創傷範圍,並且較傳統手術方式更精準,有助提高患者預後好轉狀況,並減少患者恢復時間,降低手術醫療成本。機器人技術促使手術的成本更低,並且解決問題更精確。至於醫療保健應用領域未來發展技術,包括遠端操作與人機互動、具感知能力的微機械系統、觸覺回饋系統、機器內在安全系統及病人狀況監控。


在日本方面,根據日本厚生勞動省與經濟產業省在2015年1月公布為期 5年計畫的「機器人新戰略」,內容涵蓋製造及服務、照護及醫療、農林水產、食品、基礎建設、災害防治等重點領域;其中用於照護及醫療編列的預算最多,將近53億日圓,占日本2015年機器人相關總預算33%。機器人的精準與不疲累,在感知、抓取等功能,可以協助老人與身心障礙者完成更多日常生活的動作、提升生活品質。預料未來穿戴型機器人在整體看護機器人市場將最受青睞,原因在於這類復建機器人可協助自主行動又安全可靠,並且其價格在可接受及負擔的範圍。看好醫療看護機器人的發展商機,吸引松下、豐田等日本大廠也開始發展醫療看護機器人;而ActiveLink、Innophys等日本新創廠商陸續發表多款穿戴型機器人,加上本田、豐田等日系車廠多年研發單一功能的穿戴型機器人,驅動日本看護機器人市場的成長與普及。


醫療機器人發展的重要性質為運送、陪伴、復健和手術機器人。為了協助殘障人士或老年人解決生活上的困難或不便,傳統的復健多半採取不使用藥物或手術的醫療專業,運用光、熱、水、力、電等物理媒介和各種生物力學的原理和方法來治療,不斷給予患者的神經系統刺激,誘發患者回復自主運動的能力,讓他們儘可能的獨立並發揮生產力。中國醫藥大學附設醫院復健部主治醫師周立偉表示,現代的復健比較重視預防併發症,強調早期偵測與介入,醫療復健與社體職業復健(Socio-vocational Rehabilitation)並重及整合,這讓科技輔具有了發揮的空間,復健機器人則扮演協助的重要角色。


周立偉說明復健機器人包括訓練用(上肢復健、下肢步行訓練)及輔助步行(動力外骨骼機器人)兩類,藉由重複、精準及模擬各樣的動作目的,協助醫病雙方進行長期的復健治療;並且透過感測器量測患者的生理數據,依據測量結果建立客觀的復健療程評估指標。


近年來,上銀科技開始佈局工業機器人,看好智慧自動化趨勢,在3年前跨入醫療領域,研發醫療用機器人,包括復健機器人、內視鏡手術機器人等,並與業者、醫療院所合作。工業機器人與醫療機器人的技術或許相通,但屬性全然不同,上銀科技專案發展二部課長王仁政表示,醫療機器人具有獨特性與諸多應用,使用對象是生命體,安全相容性是最高準則,其涵蓋層面廣,包括生理檢測、自動化檢測/配送、輔具、復健、義肢手腳、手術、遠端問診照護等類機器人,以上銀的復健機器人─下肢肌力訓練機為例,其創新專利性「非懸吊式驅體支撐系統」設計,以三點承靠模組支撐機械外骨骼,除了可依照患者進步狀況於訓練軟體介面調整機器人訓練參數,還可以調整腿長方式,讓患者能夠在步態訓練過程中亦可同時進行抗重力訓練,避免懸吊式的不舒適感;同時以虛擬實境遊戲增加患者的視覺回饋,並且建立訓練回饋機制。



圖2 : 上銀的內視鏡扶持機器臂與智能化推車可組合或拆卸,運用靈活度高。(攝影/陳復霞)
圖2 : 上銀的內視鏡扶持機器臂與智能化推車可組合或拆卸,運用靈活度高。(攝影/陳復霞)

此外,以機器手臂的高精度、高再現度及可重複執行單調連續動作的優點,除了復健動作,機器手臂也會記錄患者的肢體在運動時的位置、肩關節及肘關節角度、力量,整合資訊量化建立評估的指標。


上銀的內視鏡扶持機器臂與智能化推車可組合或拆卸,具有單晶片控制系統和為薄膜按鍵的操作介面,以6方位整合腳踏板維持高自由度,協助醫師進行腹腔內視鏡微創手術時,可以由醫師自行操控,維持穩定性進行微幅移動,得以在入侵點上操作(最小傷口),出血少、低疼痛、少疤痕;另亦提供拋棄式耗材可搭配使用,降低術後感染風險。


導航系統定位精準、提升效率

機器人的主要組成架構包括機構設計、影像偵測、感測模組及智慧型控制系統等。如何打造輕薄又有力量的機器人,像是關鍵零組件(例如馬達、減速機)、液壓系統及操作的細膩度都是重點,而決勝點莫過於軟體設計。



圖3 : 機器人的關鍵零組件、液壓系統及操作的細膩度是重點,而決勝點是軟體。(Source:a57.foxnews.com)
圖3 : 機器人的關鍵零組件、液壓系統及操作的細膩度是重點,而決勝點是軟體。(Source:a57.foxnews.com)

在手術機器人導航系統的應用方面,鐿鈦科技研發經理莊世昌表示,以目前市面上的導航手術或電腦輔助手術的主要系統可區分為二:1.影像導引手術的導航系統(IGS),以紅外線傳輸模式進行影像辨識及影像座標定位,提供該系統的國際廠家包括Medtronic、BrainLab AG、Stryker等;2.機器人輔助導引手術系統(RAS),例如內視鏡與達文西手術,提供該系統的國際廠家包括Intuitive Surgical、Accuray、Mazor Robotics等,藉由導航系統來提供更精準的手術治療模式,推動醫療技術、設備進步降低人力負擔,安全性和通用性是考量要點。



圖4 : 達文西機械手臂結合數位化醫學影像和精密的機械技術。(Source:i.ytimg.com)
圖4 : 達文西機械手臂結合數位化醫學影像和精密的機械技術。(Source:i.ytimg.com)

圖5 : 達文西手術當中,機器人輔助導引手術系統有其必要性。(Source:medicalcenterhealthsystem.com)
圖5 : 達文西手術當中,機器人輔助導引手術系統有其必要性。(Source:medicalcenterhealthsystem.com)

以達文西手術為例,達文西手臂具有與人手腕關節相似的靈活度,由醫師坐在主控台上從螢幕觀看3D影像確認患者的手術部位,再以搖桿遠端操縱機械手臂,進行切除病灶及縫合等動作,避免不慎觸傷患者體內的組織器官,能夠突破傳統腹腔鏡在機器上與角度上的限制,進行較複雜的外科手術,同時讓手術進行更精準安全,能夠縮短手術時間和提升效率。


結論

科技產業轉型的浪潮席捲而來,其中生技、醫療、健康照護產業逐漸成為台灣發展的重點。醫療器材始終來自於人類的需求,由全球醫療器材產業競爭態勢可見手術機器人的市場成長幅度大,高階醫材設備成為廠商競合的著力點,因併購之故,高階醫材技術逐漸被全球前10大醫材廠商掌握;郭重顯提及醫療器材開發時程相對比較長,除了產品技術開發,在階段性實驗(如動物實驗及人體試驗)的時間及成本投入甚多,加上實驗環境不似國外普及,考驗廠商研發的決心。此外,專利佈局起步晚,國外大型醫療器材公司涵蓋許多商機,讓專利迴避相當具有挑戰性。


相較於傳統的開放性手術需憑靠個人的技術與經驗,醫材輔具能夠增加成效,金屬工業研究發展中心醫電處醫材研發工程師黃炳峰認為除了醫材輔具,加上系統整合的智能手術有兩大效益:提升執行的效率及人力需求降低。黃炳峰認為台灣醫材產業技術必須走向高度整合與智能輔助功能,例如手術定位技術、組織感測、生理資料庫、力回饋與機器人系統…等,從精密代工/射出成型/精密組裝→自動化元件/ICT/數位化→智能發展,畢竟醫療銷售通路與消費性市場差異大,掌握關鍵模組及醫用感測技術是產業的利基。



圖6 : 全球手術醫材發展以提升手術操作性、擴展醫師感知能力、增加手術熟練度為趨勢。(Source:金屬工業研究發展中心)
圖6 : 全球手術醫材發展以提升手術操作性、擴展醫師感知能力、增加手術熟練度為趨勢。(Source:金屬工業研究發展中心)

為助台灣產業一臂之力,許多聯盟因應而產生,舉例來說,工研院生醫與醫材研究所結合台灣生醫與醫材上、中、下游產業鏈發揮群聚效應,相繼成立數位X光產業聯盟、DxHc診斷照護醫材聯盟、小分子藥物開發產業聯盟、複合醫材與細胞治療產品研發聯盟、微創手術器械群聚聯盟等生醫技術研發聯盟,藉以擴大醫療器材產業服務交流與研發平台,促進整體產業的效益。


近年來,國研院積極推動國研醫材創價聯盟,以專人服務帶領新創團隊通過「死亡之谷」,例如創意能量累積、產品規格制定、臨床前試驗、臨床試驗與產品上市等醫材開發關鍵階段所需能量,協助新創團隊的產品從「創新」跨入「創價」。國家實驗研究院儀器科技研究中心副主任高健薰認為技術平台與資源整合才能為產業加值,配合北、中、南科學園區發展特色,串接醫療電子、高分子醫材及金屬醫材三大醫材技術能量,打造「一條龍」服務。此舉預估可使醫材新創研發團隊縮短2年的開發時程,節省15%經費,帶領台灣醫療器材產業產值直衝兆元。此外,國立成功大學前瞻醫療器材科技中心以創新產品、新創事業為目標,基於教學、服務、研究、萌芽、品牌五大主軸,整合成大各學院及成大醫院臨床醫師,針對醫療器材產業創新研發需求,同時引薦成醫醫師研發諮詢,提供醫療器材開發需要的關鍵流程服務,力求增加醫材研發能量與創新,以及技術的提升。


觀察產業佈局策略創新思維,台灣廠商在掌握技術優勢之外,如何匯整工業界與醫學界的能量創新醫材產業的經驗,以及建構專利佈局及因應法規需求,兼具技術、品質與行銷理念,找出市場區隔,以優質平價自有品牌的醫材產品切入目標市場,進入國際供應鏈創造獲利的新契機,成為開創未來商機的重要課題。


刊頭(Source:images.financialexpress.com)


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