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輔助科技上身 生活品質更提升
與時俱進的輔具技術
[作者 王岫晨]   2020年03月06日 星期五 瀏覽人次: [6043]

為了維持傷殘患者的生活品質,輔助科技是其不可或缺的重要設備。


加上照護人力嚴重短缺,降低照護者負擔的解決方案面臨迫切需求。


這些需求都使得輔助科技的市場日趨蓬勃。


對於慢性病或者有傷殘的患者來說,為了維持其良好的生活品質,輔助科技將是其日常生活不可或缺的重要設備。另外由於全球照護人力正嚴重短缺,降低照護者負擔的解決方案面臨迫切需求。許多患者更希望能夠自行透過自己本身的力量來進行復健,或者執行生活上的例行動作,而不假手他人。這些需求都使得輔助科技的市場日趨蓬勃。


外骨骼機器人

外骨骼機器人就是在這樣的一種情境下,發展而出的輔助科技應用實例。事實上,外骨骼機器人設計的主要目的,一是讓正常人變成超人,這樣的範例經常可見於各種科幻電影中,人類穿上機械外骨骼或者鋼鐵衣,可以做到更多平常人所無法達成的事情。另一種目的則是讓病患變成正常人,最常見的例如讓許多四肢傷殘的患者,能夠靠著自己穿著外骨骼機器人而站立甚至行走,可以自理生活,進而提升生活品質。



圖一 : 外骨骼機器人目的則是讓病患能夠靠著自己站立甚至行走,進而提升生活品質。
圖一 : 外骨骼機器人目的則是讓病患能夠靠著自己站立甚至行走,進而提升生活品質。

外骨骼機器人分有固定式與行動式兩種。固定式的外骨骼機器人通常適用於輔助傷殘患者的步態訓練等,除了可提供個人化的訓練內容之外,近年來更發展出使用更便利、步態訓練更精準的方案,例如透過數據來補償行走的動作,讓步態模式更自然。


行動式的外骨骼機器人則是除了可以輔助步態的訓練之外,還可以達到輔助行走的目的。在過去,行動式外骨骼最大的詬病,就是在於設備笨重、使用不易,既使患者穿上了,行動也十分緩慢,因此大多還是停留在室內復健應用階段。然而隨著技術的持續精進,目前行動式機械外骨骼除了輕量化、操作更為簡便之外,在功能面也導入了更高的智能化,讓應用範圍可以更為廣泛。


一般來說,行動式外骨骼機器人多半都是輔助或協助行動不便的人來實現自行行走的目的,由於這些患者原本多半是無法靠著自己站立,更遑論能夠步行。


靠自身力量站起來

在這樣的條件下,行動式外骨骼機器人勢必得要能「穿」到這些患者的身上才行,而且由於必須撐起患者全身重量,外骨骼機器人的整體架構也不能太過脆弱單薄,因此在過去早一代的外骨骼機器人,其外型多半笨重,患者僅是穿戴就得花費大半時間。至於行走中,也是藉由整個外骨骼機器骨架將全身撐起,行走速度其實非常緩慢,對於患者真正想自行外出執行生活所需的動作,事實上有點緩不濟急,這也是過去行動式外骨骼機器人多半還是停留在以室內輔助行走為主要目的的主因。


當然,對於一個癱瘓無法行動的患者來說,行動式外骨骼機器人倒是真正能夠讓其靠著自己的力量站起來,對於患者來說,能靠自己站起來已經算是非常大的「一小步」了。行動式外骨骼機器人現階段已經可以協助傷殘患者站立。下一步的發展則是讓穿戴更輕便、架構更輕量,且導入更高的智慧化功能,目標是進一步讓患者可以走出戶外,並協助患者步行的姿態可以更精確,更接近正常人的步態。


仿生義肢

義肢技術與時俱進,現今的義肢已經可以做到類似機械人的動作那樣,靠患者自主意識來操作。這樣的義肢就叫做仿生義肢。

對於傷殘的患者,行動式外骨骼機器人可以輔助其訓練與行走。至於有些患者是四肢有缺損,這些患者就得利用義肢來協助其生活。或許許多人對於義肢的印象,還停留在過去那種海盜船船長的彎勾手臂或者木製義足上,然而這些義肢技術與時俱進,現今的義肢已經可以做到類似機械人的動作那樣,靠著患者本身的自主意識來操作機械手臂或腳。這樣可以靠著患者自行操控的義肢就叫做仿生義肢(Bionic Prosthetic)。


仿生義肢的工作原理,是探測使用者的肌肉信號。以手臂為例,當使用者戴上仿生手臂並彎曲肘部下方的肢體肌肉時,特殊的感測器會檢測自然產生的微小電子信號,並根據信號的強烈度與大小,將其轉換為直觀的仿生手臂運動。透過這種手臂肌肉的緊縮與張放,或者打開與閉合等動作,來控制仿生手臂。


大多數仿生義肢的使用者分享了使用的心得,重點都在於一開始的學習難易度。仿生義肢學習的時間長短,往往決定了這個仿生義肢是否能被更多傷殘患者所接受。而隨著感測元件的進步,新一代的仿生義肢通常能夠更精確接收來自患者肌肉的訊息,並做出正確的動作。



圖二 : 仿生手臂可進行抓取等不同的複雜動作。
圖二 : 仿生手臂可進行抓取等不同的複雜動作。

一般來說,設計較為精良的仿生義肢,能夠讓傷殘患者在十分鐘內就學會控制仿生手臂或者下肢,至於有些患者則需要更多的復健訓練來增強其不同的肌肉部位。這種利用肌肉來進行機械控制的技術,在科學上被稱為肌電圖,在仿生義肢中的特殊感測器,通常都是肌電圖或EMG電極。肌電仿生義肢通常都是即插即用,套上患者的四肢即可立即動作,這意味著其設計的目的就是讓傷殘患者可以輕鬆地打開和關閉其仿生四肢,讓生活行動上的不便利減到最低。通常仿生義肢都具有可調節的動態套座,可為傷患提供最大的穿著舒適度。另外,使用前無需手術,只需要確定使用者最強的肌肉部位,然後對其傷殘部分進行3D掃描,或對剩餘的肢體進行塑形,即可為每個患者客製化不同型態的仿生義肢。


讓動作更趨近真人

既然仿生義肢已經可以利用肌肉訊號來進行控制,那麼這些仿生義肢到底可以做到怎樣的動作與程度呢?以手臂為例,新一代的仿生手臂已經可以做到接近於人類自然的動作,例如抓、捏、或者擊掌等。


一般來說,仿生手臂都可以提供使用者不同的控制功能或者不同的抓取模式。當患者的肌肉進行較輕微的緊縮時,仿生手臂的動作會較為緩慢,而當肌肉更緊繃的時候,動作速度也會更加迅速。這樣的控制模式對於操縱小型或易碎的物體(例如雞蛋或滾珠軸承)將會很有用。



圖三 : 外骨骼機器人可讓正常人擁有更強大的體能狀態。
圖三 : 外骨骼機器人可讓正常人擁有更強大的體能狀態。

在仿生手臂中,通常都有內建了幾種動作的模式,患者透過肌肉來按下「按鈕」,便可以讓仿生手臂在不同動作之間進行切換,這樣可以做出更趨近於人的自然動作,在使用上也將提供更高的便利性。此外,透過另行設定的軟體,也能夠為不同目的的使用者客製化不同的手指抓取動作。


結語

我們可以發現,輔助科技除了是用來解決患者生活不便的問題之外,也間接解決了醫療產業現有照護人員不足的現況。而本文所提及的多種不同輔助科技,其重點都是在於讓傷殘患者的生活更有品質,也更有尊嚴。


這些醫療輔具隨著科技進步,也越來越聰明,讓傷患幾乎可以做到跟一般人相同的事情。下一步發展預期將是讓這些醫療輔具的價格進一步降低,使其能普及到更多使用者身上,造福更多的傷殘患者。


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