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当机器人从工业走向医疗
智动助一臂之力
[作者 陳復霞]   2015年08月28日 星期五 浏览人次: [18891]


台湾的制造业为许多国际品牌大厂OEM/ODM的重要合作伙伴,在全球供应链上居于重要地位,而在全球智慧健康照护产业的发展当中,不论是健康量测装置或医疗仪器领域,亦可以看见台湾厂商努力的轨迹。当工业生产系统趋于工业4.0之际,物联网、云端、大数据、虚实系统及机器人成为热门议题,台湾科技大学医学工程研究所所长郭重显认为智慧医疗系统的进展方向同样正朝着这些方向进展,显示智慧医疗系统与工业4.0的技术内涵一致,而智慧医疗系统,包括复健、辅具、手术、治疗及药物方面,以及穿戴式医材、照护系统与其他。


放眼欧日市场态势

近年来,世界各国积极推动医疗改革政策,相对的牵动市场对于医疗产业相关需求的成长,面对国际市场的动向,欧盟与欧洲机器人协会euRobotics(欧洲非营利机器人科技研究组织)共同推动SPARC机器人发展计画;欧盟与euRobotics的总投资额将高达28亿欧元,相当于约新台币1,136亿元。其研究成果不仅适用于制造业,透过机器人系统、机器人科技与机器人服务,机器人研究的发展将可应用于健康照顾、家居照护、农业、社会安全、环境维护、运输和娱乐等方面。



图1 : 因应医疗等级的检测医材的需求与缺口,高阶医材与科技辅具受到相当的青睐。 (Source:www.wired.com)
图1 : 因应医疗等级的检测医材的需求与缺口,高阶医材与科技辅具受到相当的青睐。 (Source:www.wired.com)

预期全球机器人市场规模至2020年将达到600亿欧元;透过实施SPARC计画,将提升欧洲在全球机器人市场的市占率,由2014年的35%提升至2020年的42%,未来将开放全球业者加入此计画,共同推动机器人技术的研究创新与应用。在SPARC计画中,提到医疗保健应用—低侵入性与精密手术:机器人可以降低手术的创伤范围,并且较传统手术方式更精准,有助提高患者预后好转状况,并减少患者恢复时间,降低手术医疗成本。机器人技术促使手术的成本更低,并且解决问题更精确。至于医疗保健应用领域未来发展技术,包括远端操作与人机互动、具感知能力的微机械系统、触觉回馈系统、机器内在安全系统及病人状况监控。


在日本方面,根据日本厚生劳动省与经济产业省在20​​15年1月公布为期5年计画的「机器人新战略」,内容涵盖制造及服务、照护及医疗、农林水产、食品、基础建设、灾害防治等重点领域;其中用于照护及医疗编列的预算最多,将近53亿日圆,占日本2015年机器人相关总预算33%。机器人的精准与不疲累,在感知、抓取等功能,可以协助老人与身心障碍者完成更多日常生活的动作、提升生活品质。预料未来穿戴型机器人在整体看护机器人市场将最受青睐,原因在于这类复建机器人可协助自主行动又安全可靠,并且其价格在可接受及负担的范围。看好医疗看护机器人的发展商机,吸引松下、丰田等日本大厂也开始发展医疗看护机器人;而ActiveLink、Innophys等日本新创厂商陆续发表多款穿戴型机器人,加上本田、丰田等日系车厂多年研发单一功能的穿戴型机器人,驱动日本看护机器人市场的成长与普及。


医疗机器人发展的重要性质为运送、陪伴、复健和手术机器人。为了协助残障人士或老年人解决生活上的困难或不便,传统的复健多半采取不使用药物或手术的医疗专业,运用光、热、水、力、电等物理媒介和各种生物力学的原理和方法来治疗,不断给予患者的神经系统刺激,诱发患者回复自主运动的能力,让他们尽可能的独立并发挥生产力。中国医药大学附设医院复健部主治医师周立伟表示,现代的复健比较重视预防并发症,强调早期侦测与介入,医疗复健与社体职业复健(Socio-vocational Rehabilitation)并重及整合,这让科技辅具有了发挥的空间,复健机器人则扮演协助的重要角色。


周立伟说明复健机器人包括训练用(上肢复健、下肢步行训练)及辅助步行(动力外骨骼机器人)两类,藉由重复、精准及模拟各样的动作目的,协助医病双方进行长期的复健治疗;并且透过感测器量测患者的生理数据,依据测量结果建立客观的复健疗程评估指标。


近年来,上银科技开始布局工业机器人,看好智慧自动化趋势,在3年前跨入医疗领域,研发医疗用机器人,包括复健机器人、内视镜手术机器人等,并与业者、医疗院所合作。工业机器人与医疗机器人的技术或许相通,但属性全然不同,上银科技专案发展二部课长王仁政表示,医疗机器人具有独特性与诸多应用,使用对象是生命体,安全相容性是最高准则,其涵盖层面广,包括生理检测、自动化检测/配送、辅具、复健、义肢手脚、手术、远端问诊照护等类机器人,以上银的复健机器人─下肢肌力训练机为例,其创新专利性「非悬吊式驱体支撑系统」设计,以三点承靠模组支撑机械外骨骼,除了可依照患者进步状况于训练软体介面调整机器人训练参数,还可以调整腿长方式,让患者能够在步态训练过程中亦可同时进行抗重力训练,避免悬吊式的不舒适感;同时以虚拟实境游戏增加患者的视觉回馈,并且建立训练回馈机制。



图2 : 上银的内视镜扶持机器臂与智能化推车可组合或拆卸,运用灵活度高。 (摄影/陈复霞)
图2 : 上银的内视镜扶持机器臂与智能化推车可组合或拆卸,运用灵活度高。 (摄影/陈复霞)

此外,以机器手臂的高精度、高再现度及可重复执行单调连续动作的优点,除了复健动作,机器手臂也会记录患者的肢体在运动时的位置、肩关节及肘关节角度、力量,整合资讯量化建立评估的指标。


上银的内视镜扶持机器臂与智能化推车可组合或拆卸,具有单晶片控制系统和为薄膜按键的操作介面,以6方位整合脚踏板维持高自由度,协助医师进行腹腔内视镜微创手术时,可以由医师自行操控,维持稳定性进行微幅移动,得以在入侵点上操作(最小伤口),出血少、低疼痛、少疤痕;另亦提供抛弃式耗材可搭配使用,降低术后感染风险。


导航系统定位精准、提升效率

机器人的主要组成架构包括机构设计、影像侦测、感测模组及智慧型控制系统等。如何打造轻薄又有力量的机器人,像是关键零组件(例如马达、减速机)、液压系统及操作的细腻度都是重点,而决胜点莫过于软体设计。



图3 : 机器人的关键零组件、液压系统及操作的细腻度是重点,而决胜点是软体。 (Source:a57.foxnews.com)
图3 : 机器人的关键零组件、液压系统及操作的细腻度是重点,而决胜点是软体。 (Source:a57.foxnews.com)

在手术机器人导航系统的应用方面,镱钛科技研发经理庄世昌表示,以目前市面上的导航手术或电脑辅助手术的主要系统可区分为二:1.影像导引手术的导航系统(IGS),以红外线传输模式进行影像辨识及影像座标定位,提供该系统的国际厂家包括Medtronic、BrainLab AG、Stryker等;2.机器人辅助导引手术系统(RAS),例如内视镜与达文西手术,提供该系统的国际厂家包括Intuitive Surgical、Accuray、Mazor Robotics等,藉由导航系统来提供更精准的手术治疗模式,推动医疗技术、设备进步降低人力负担,安全性和通用性是考量要点。



图4 : 达文西机械手臂结合数位化医学影像和精密的机械技术。 (Source:i.ytimg.com)
图4 : 达文西机械手臂结合数位化医学影像和精密的机械技术。 (Source:i.ytimg.com)

图5 : 达文西手术当中,机器人辅助导引手术系统有其必要性。 (Source:medicalcenterhealthsystem.com)
图5 : 达文西手术当中,机器人辅助导引手术系统有其必要性。 (Source:medicalcenterhealthsystem.com)

以达文西手术为例,达文西手臂具有与人手腕关节相似的灵活度,由医师坐在主控台上从萤幕观看3D影像确认患者的手术部位,再以摇杆远端操纵机械手臂,进行切除病灶及缝合等动作,避免不慎触伤患者体内的组织器官,能够突破传统腹腔镜在机器上与角度上的限制,进行较复杂的外科手术,同时让手术进行更精准安全,能够缩短手术时间和提升效率。


结论

科技产业转型的浪潮席卷而来,其中生技、医疗、健康照护产业逐渐成为台湾发展的重点。医疗器材始终来自于人类的需求,由全球医疗器材产业竞争态势可见手术机器人的市场成长幅度大,高阶医材设备成为厂商竞合的著力点,因并购之故,高阶医材技术逐渐被全球前10大医材厂商掌握;郭重显提及医疗器材开发时程相对比较长,除了产品技术开发,在阶段性实验(如动物实验及人体试验)的时间及成本投入甚多,加上实验环境不似国外普及,考验厂商研发的决心。此外,专利布局起步晚,国外大型医疗器材公司涵盖许多商机,让专利回避相当具有挑战性。


相较于传统的开放性手术需凭靠个人的技术与经验,医材辅具能够增加成效,金属工业研究发展中心医电处医材研发工程师黄炳峰认为除了医材辅具,加上系统整合的智能手术有两大效益:提升执行的效率及人力需求降低。黄炳峰认为台湾医材产业技术必须走向高度整合与智能辅助功能,例如手术定位技术、组织感测、生理资料库、力回馈与机器人系统…等,从精密代工/射出成型/精密组装→自动化元件/ICT/数位化→智能发展,毕竟医疗销售通路与消费性市场差异大,掌握关键模组及医用感测技术是产业的利基。



图6 : 全球手术医材发展以提升手术操作性、扩展医师感知能力、增加手术熟练度为趋势。 (Source:金属工业研究发展中心)
图6 : 全球手术医材发展以提升手术操作性、扩展医师感知能力、增加手术熟练度为趋势。 (Source:金属工业研究发展中心)

为助台湾产业一臂之力,许多联盟因应而产生,举例来说,工研院生医与医材研究所结合台湾生医与医材上、中、下游产业链发挥群聚效应,相继成立数位X光产业联盟、DxHc诊断照护医材联盟、小分子药物开发产业联盟、复合医材与细胞治疗产品研发联盟、微创手术器械群聚联盟等生医技术研发联盟,借以扩大医疗器材产业服务交流与研发平台,促进整体产业的效益。


近年来,国研院积极推动国研医材创价联盟,以专人服务带领新创团队通过「死亡之谷」,例如创意能量累积、产品规格制定、临床前试验、临床试验与产品上市等医材开发关键阶段所需能量,协助新创团队的产品从「创新」跨入「创价」。国家实验研究院仪器科技研究中心副主任高健薰认为技术平台与资源整合才能为产业加值,配合北、中、南科学园区发展特色,串接医疗电子、高分子医材及金属医材三大医材技术能量,打造「一条龙」服务。此举预估可使医材新创研发团队缩短2年的开发时程,节省15%经费,带领台湾医疗器材产业产值直冲兆元。此外,国立成功大学前瞻医疗器材科技中心以创新产品、新创事业为目标,基于教学、服务、研究、萌芽、品牌五大主轴,整合成大各学院及成大医院临床医师,针对医疗器材产业创新研发需求,同时引荐成医医师研发咨询,提供医疗器材开发需要的关键流程服务,力求增加医材研发能量与创新,以及技术的提升。


观察产业布局策略创新思维,台湾厂商在掌握技术优势之外,如何汇整工业界与医学界的能量创新医材产业的经验,以及建构专利布局及因应法规需求,兼具技术、品质与行销理念,找出市场区隔,以优质平价自有品牌的医材产品切入目标市场,进入国际供应链创造获利的新契机,成为开创未来商机的重要课题。


刊头(Source:images.financialexpress.com)


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