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侠皮
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1 生醫工程專題機械工程與臨床需求的對話以生物力學為例 When Mechanical Engineers Meet Unmet Clinical Needs 玉瑭楊秉祥 Yu-Tang Wen, Bing-Shiang Yang 生醫產業的發展是目前人類科技中發展迅速的產業之一台灣一直以來被視為是醫療發展位於前端的國家政府投入大量的資金發展致力於生醫產業在各類醫療器材開發過程中從臨床的需求結合跨領域的導入創造出高實用價值經濟價值尤其重要透過工程背景串聯機械電機影像和生物科技等各專業技術集中於此改善過去臨床所需的時間成本與科技導入作為提升人類生活與扶植的重要發展 Medical technology industry is one of the rapidly developing industries. The government has invested heavily in this industry and it needs multi-disciplinary cooperation, such as mechanical engineering, electrical engineering, computer science and biotechnology. The expertise focuses on creating high practical value, economic value, and the benefit of mankind to improve human life. This article will give some examples of medical devices and assistive technologies developed by the biomechanical and mechanical engineering principles for unmet clinical needs. 一前言學習往往是人類解決問題並且將之工程性的一種工具與方法機械工程 (mechanical engineering) 領域是由在很多機械領域的討論開始前我們都需將力學 (mechanics) 一詞演變而來主要根基於牛問題簡單化以自由體圖 (free body diagram) 即頓運動定律一般而言在探討連體力學時我是化繁為簡的基礎為例在研究上可以將物體自們常將材料分為剛體 (rigid body) 以及可變形體原系統中取出並清楚的呈現自由體 (free body) (deformable body) 剛體經常用於解決基本元件之的受力情形而在生物醫學工程的研究中將結構力平衡問題然而除了平衡要求外材料受外生物體 (biological body/system) 的表現以力學在條件 (溫度邊界條件等) 所產生的變形行為原理或方法進行研究及應用即稱為生物力學亦為一大研究重點故衍生出以討論元件受力後形 (biomechanics) 這是一種將力學知識 (mechanics) 變狀態之幾何變形學因此機械涉及領域的知識應用於生物體上的研究 (bio-) 68

人類的動作行為 (locomotors) 不僅精細且複性進行生物相容性的測試並找到最適合的材料增加雜針對單一動作的描述需要考慮的因子有數千數患者在術後的康復以及減少復發的可能甚者微萬利用自由體圖的方式可繪出欲探討部位以流道的研究減少了人們在檢驗上面所花費的時間易懂的方式來說明人體各處之受力舉例來說腰以往我們需要採樣後經過許多不同的機器分離分痛是很多人都經歷過的症狀

2 人類的動作行為 (locomotors) 不僅精細且複性進行生物相容性的測試並找到最適合的材料增加雜針對單一動作的描述需要考慮的因子有數千數患者在術後的康復以及減少復發的可能甚者微萬利用自由體圖的方式可繪出欲探討部位以流道的研究減少了人們在檢驗上面所花費的時間易懂的方式來說明人體各處之受力舉例來說腰以往我們需要採樣後經過許多不同的機器分離分痛是很多人都經歷過的症狀特別是辦公室中久坐析經過數日後才能得知結果對病人以及醫生不動的上班族抑或是工廠中的體力勞動者容易可能都早已錯過黃金治療期間我們利用半導體製有腰酸背痛的問題都可以利用機械領域的解釋來程來製作微流道設計不同機械用途的微流道如加以說明一般來說引起腰痛的原因有很多種微幫浦微閥門微過濾器微混合器微管道根據統計目前最常見的誘發原因為腰椎間盤突出微感測器及微反應器再根據血液中血球以及血漿症基本病因為腰椎退化後受外力作用造成椎間流體所具有不同剪力以及黏性又或是在微流道中添盤脂纖維環破裂導致神經組織間的相互壓迫進加電場使不同的蛋白質或 DNA 游離將其分離由而產生痛覺如圖 1 所示紅色區域為第 5 腰椎 (Lumbar 5) 和第 1 骶椎 (Sacrum 1) 間的椎間盤若於分離快速且能夠平行做不同的檢測大量降低所欲探討搬運重物時 L5-S1 椎間盤之受力情形我們可將此特定人體結構簡化繪製成圖 2 之自由體 Comp axis 圖加上人體上半身的質心重量與所提重物重量後透過力矩公式的計算即可求得椎間盤的受力並可反推在搬運此重物時 L5-S1 椎間盤附近肌肉所需承受之力量與力矩(1) 隨著台灣高齡化社會的來到現代人的飲食習 E Fmusc L5/S1 Cutting plane a FA FShear Horizontal 慣導致越來越多人有心血管的疾病心肌梗塞冠狀動脈阻塞都是全球的頭號死因目前越來越多醫生會使用心臟支架來為病人開刀此種手術能帶給 D Fcomp Shear axis mghat b 病人在術後有更好的生活品質而心臟支架也是用到了很多有關機械的知識以氣球擴張手術來說 h 心臟支架需要在血管中移動且到達目標點後將阻 mg load 塞的血管撐開讓不通的血液能夠順暢的輸送人所需要的氧氣為了達到這個目的心臟支架就必須要有很高的壓縮比例目前有很多種類的支架環狀線狀以及網狀及複合形狀每個都有其優缺點有的彈性不錯但強度不足也因此有許多人投入研圖 1. 拾物於下背椎間盤之靜態壓力究隨著微小製造技術的進步我們能利用微機電製成或是雷射雕刻等將我們複雜的設計給製造出來也給了工程師們更多的想像空間我們可以利用機械上的機構學來改變現有設計的不足利用幾何形狀有方向性的特性增加在不同自由度上的抗力程度又或是設計多連桿機構來互相牽制增加強度以及力學的將其設計的支架放入軟體中模擬在血流中的受力以及在擴張後整體的縮放比例來進行設計的驗證也可以配合材料的特 mghat mg load 圖 2. 椎間盤受力自由體簡化圖 69

3 (unmet clinical needs) (extrinsic) (intrinsic) (electromyography, EMG) (motion capture) (2) (3) (universal design) ( ) (1) (2) (3) (4) (quality control) (high yield) ( ) (kinematic analysis) (circumference) (geometrical size) (kinetic analysis) (5) 3 ( )

We are devoted to improving movement independency and quality of lite of the elderly and neurologically-injured individuals.

生活需求患側使用者密碼輔助站立短距離行走遠距離行走關節活動範圍大 (例上下樓梯蹲) 顯色喜好紅穿戴位置褲內綠藍灰棕褲外負擔金額低 Login 臨床資料病患姓名圖 3.

神經疾病腦中風小兒麻痺症腦性麻痺周邊神經損傷其他骨關節疾病中度以上關節疼痛其他疾病人體動作呈現退化變形(/ 關節) 現在用藥紀錄住院史手術紀錄受傷起始時間受傷影響的部位如何受傷膝關節角度-時間 1 75 5 25-2 1 Time 髖關節角度-時間 1 8 6 4 2-2 1 Time 1 1 圖 4.

4 We are devoted to improving movement independency and quality of lite of the elderly and neurologically-injured individuals. the primary areas of our research focus including: 病患登入基本資料與輔具使用需求 User Perspective Biomechanical Evaluation 年齡歲身高公分性別體重 BMI 公斤照護者家庭支持情況居家樓層樓電梯 Clinical Prescription 輔具使用需求生活需求患側使用者密碼輔助站立短距離行走遠距離行走關節活動範圍大 (例上下樓梯蹲) 顯色喜好紅穿戴位置褲內綠藍灰棕褲外負擔金額低 Login 臨床資料病患姓名圖 3. 以使用者為觀點出發的輔具使用場所地點喜好提供初步的輔具建議樣式病患登入基本資料與輔具使用需求高血壓肺部疾病抽菸臨床資料心血管疾病心肌梗塞心律不整心衰竭第量測日血壓肺結核 / 期複合活動表現足痙量測膝關節角度-時間 Time 髖關節角度-時間 Time mmhg 慢性支氣管肺部纖維化神經疾病腦中風小兒麻痺症腦性麻痺周邊神經損傷其他骨關節疾病中度以上關節疼痛其他疾病人體動作呈現退化變形(/ 關節) 現在用藥紀錄住院史手術紀錄受傷起始時間受傷影響的部位如何受傷膝關節角度-時間 Time 髖關節角度-時間 Time 1 1 圖 4. 使用者的病史動作行為等生物力學評估用以評估輔具功能效益請填下格與勾選檢測結果完畢後於側欄點按"" 請於下列空格填入製作使用者矯具需要之尺寸與位置雙腳(單條) 雙腳單腳() (單條) 單腳 () 關節種類大腿圍度寬寬綁帶長度綁帶長度綁帶長度單位公分 (cm) 支撐條種類小腿圍度單腳() (單條) 單腳() 確認並輸出尺寸圖 5. 臨床分數轉譯後下肢髖膝踝關節支架穿戴示意圖選用樣式的初步建議透過圖 4 系統介面使用者估後下肢髖膝踝關節支架穿戴前提供給使用的病史以及動作行為 (關節角度肌肉力量足者的示意圖以及穿上後走路的步態及穿戴方式將底壓力) 會被記錄作為演算法之一的輔具功能成效會清楚地被呈現評估接著於圖 5 評估中以臨床分數轉譯系統評 71

圖 6. 輔具交付樣式及穿戴後走路步態 (圖至膝支架單側髖支架雙側髖支架交替式行走步態支架膝踝支架) 三藉由模擬達到體內外評估的準確性一般來說因為個體差異的不同能使一個有效的模擬針對個體常常需要許多機械上的假設由於器械與人體的交互作用研究上必須透過對材料結構的應力應變可以更充分了解到各材料所能承受之外力極限其中以生物力學角度切入無論是針對人體的動作研究

5 圖 6. 輔具交付樣式及穿戴後走路步態 (圖至膝支架單側髖支架雙側髖支架交替式行走步態支架膝踝支架) 三藉由模擬達到體內外評估的準確性一般來說因為個體差異的不同能使一個有效的模擬針對個體常常需要許多機械上的假設由於器械與人體的交互作用研究上必須透過對材料結構的應力應變可以更充分了解到各材料所能承受之外力極限其中以生物力學角度切入無論是針對人體的動作研究計算各關節肌群承受之力量亦或是醫學工程人員在設計輔具療程時都會更得心應手也能產出更加精準舒服又貼心的設計在過去的研究中我們試圖將機械的應用於人體輔具製作在穿戴前將前述有關生物力學以及物體的材料力學間的交互作用進行內翻外翻壓力檢查 (valgus and varus stress test) 抽屜檢查法 (drawer test) 樞軸移動檢查 (pivot shift test) 這一類的治療在進行放射線檢查前通常可依照醫生的經驗病人的痛覺來作為初步診斷的依據然而此一類的測試包含放射線治療皆是處於靜態姿勢 (static pose) 進行檢查不易提供因為體重外力或動態情況下的實際疼痛來做為治療的依據在機械的應用上以自行車的運動傷害為例相關研究將下肢與自行車的閉鎖性動態踩踏訓練與評估來作為傷害發生的依據利用機械上邊界條件的限制與設定 (boundary condition constraints) 的模擬將關節受力 (joint 並且在穿戴前後的人體表現提供給臨床人員 reaction force) 關節力矩 (joint torque) 以及肌肉或醫生進行並且透過校正符合個體計測資力量 (muscle strength) 的表現利用數學計算進行料的動畫及身體表現與輔具使用者溝通此外透過對材料結構的應力應變研究人員可以更充分了解到各材料所能承受之外力極限以生物力學角度切入無論是針對人體的動作研究計算各關節肌群承受之力量亦或是醫學工程人員在設計輔具療程時都會更得心應手也能產出更加精準舒服又貼心的設計另一應用機械解決臨床醫學的實例中一般骨科及復健門診醫生會用一些較為迅速的理學檢查來作為進行放射線診斷藥物治療或開導手術之前的評估方式例如下圖中運動傷害較常使用的膝 72 而現今的科技將生物體中的軟組織作為動態研究與實際踩踏的表現納入作為傷害模擬更為準確性的依據其中外部實際力 (外力) 以及實際個體踩踏的內力需要有一更明確的數值用以增加模擬的準確性也常會用到機械專業的知識以下圖至為例利用機械同軸的原理將皮帶製作編碼器 (encoder) 做為量測曲柄角度的裝置利用力矩感測器裝置 (X-Cell RT Sensor, Thun, Germany) 自行車座管來量測踩踏力矩將測力規 (load cell) 置

Right without Left without Left with 76 76 85 25 72 7 1 月 5 49 48 47 46 45 44 43 42 41 1 月 12 月 Right without Right with 96 94 92 9 88 86 84 82 Right without 2 1 月 12 月 Left without Left with 3 1 月

6 Right without Left without Left with 月月 12 月 Right without Right with Right without 2 1 月 12 月 Left without Left with 3 1 月 12 月月 9 月 1 月 12 月 Left with 月 Left without Left with Right with 2 8 月 9 月 1 月 12 月 Left without 12 月 1 Right without Right with Right with Right without 15 1 月 1 月月 Left with Left without Left with Left without Right with Right without Right with 8 月 9 月 1 月 12 月 8 月 9 月 1 月 12 月圖 7. 模擬穿戴前後步行能力對於輔具的站立期及步頻評估圖 8. 臨床常見的下肢運動傷害檢查方式 73

h CG 1 2 3 Hip flexion Thigh t Hip extension 4 k b c y CGf a o CGs Shank s c 3 z FOOT f i k Knee extension Knee flexion Ankle flexion x Ankle extension Crank 2 d 1 y 圖 9.

7 h CG Hip flexion Thigh t Hip extension 4 k b c y CGf a o CGs Shank s c 3 z FOOT f i k Knee extension Knee flexion Ankle flexion x Ankle extension Crank 2 d 1 y 圖 9. 以下肢連桿作為自行車運動模擬騎乘表現相關研究(6, 7, 8) 圖 1. 量測自行車動力輸出與軟組織模擬自行車騎乘傷害於踏板下方來做為踩踏評估的受力藉以關節明 (invent) 到實施 (implement) 先藉由需求的釐受力的逆動力學 (inverse dynamics) 作為自行車運清完成清楚的需求敘述 (clear need statement) 進動員傷害的預防 (9, 1) 一步產生及選擇設計概念與雛形 (concept selection 另外研究優秀運動員在騎乘腳踏車時 and prototyping) 最後配合相關智慧財產權保護透過產品設計的不同踏板角度不同騎乘方式以 (intellectual property strategy) 與法規 (regulatory 及不同的施力方向能否增加運動員騎乘的表現 strategy) 及市場商業模式 (marketing strategy and 係以工程的專業來提升運動員身體與機械材料的交 business model) 應用所開發之醫療器材造福需求互作用透對於臨床上下肢疼痛的傷害患者也能族群諸如的過程需要評估以及機工電相關領夠利用客製化曲柄的角度不再受限過去額狀面域的實現例如工欲善其事必先利其器醫 (frontal plane) 的騎乘而凸輪設計的雕刻可針對患生在手術房中所使用的開刀工具也是越來越多者復健騎乘訓練也可提供菁英自行車選手作為橢種的開刀手法被發明傷口越來越小對術後的復 (11) 圓形齒輪來增加踩踏空間原更有幫助也意味著開刀的工具也要更精進如何用更簡單的機構且降低病患傷害以開發出更好四未來醫療器械的開發與創新用且風險更低的手術器械也成為了研究的課題市面上最著名的產品以達文西機械手臂微創手術系過去有關臨床需求的模式於創新醫療器材統 (da Vinci Surgical System, Intuitive Surgical Inc., 開發過程 (Zenios, Makower, Yock, Brinton, Kumar, CA, USA) 運用了大量的機械手臂來為傷患進行 Denend, & Krummel, 21) 由鑑定 (identify) 經發手術醫生在遠端操控機械手臂減少了因人為可 74

1. Chaffin, D. B., Andersson, G., & Martin, B. J., Occupational biomechanics, 3nd ed. New York: Wiley, (1999). 2. Miskelly, F. G., Age and ageing, 3 (6), 455 (21). 3. Hoenig, H., Taylor Jr, D. H., & Sloan, F.

8 圖 11. 改善足內外翻降低膝部關節受力的可傾斜式踏板設計圖 12. 凸輪齒盤與客製化曲柄踩踏角度的設計(12) 能的顫抖以及操作器械死角的問題使手術能夠更完美的達成但是仍有需要改善的地方諸如無法回饋開刀當下的觸覺以及昂貴的醫療費用仍舊未來機械領域亟欲努力的方向台灣中小企業工廠技術的發展往往是國外新構思導入臨床技術無法突破最需的關鍵期待新領域新科技與被質疑的新文明病引發的病徵也能因此而消弭降低讓全人健康的福祉發展健全參考文獻 1. Chaffin, D. B., Andersson, G., & Martin, B. J., Occupational biomechanics, 3nd ed. New York: Wiley, (1999). 2. Miskelly, F. G., Age and ageing, 3 (6), 455 (21). 3. Hoenig, H., Taylor Jr, D. H., & Sloan, F. A., American Journal of Public Health, 93 (2), 33 (23). 4. Galvin, J. C., & Scherer, M. J., Evaluating, Selecting, and Using Appropriate Assistive Technology, New York: Aspen, (1996). 5. 楊秉祥, 温玉瑭, 董欣宜 (民 15) 輔具推薦方法中華民國專利號 I 中華民國智慧財產局. 6. Bailey, M., Maillardet, F., & Messenger, N., Journal of sports sciences, 21 (8), 649 (23). 7. Ericson, M. O., & Nisell, R., The American journal of sports medicine, 14 (4), 285 (1986). 8. Neptune, R., Kautz, S., & Hull, M., Journal of biomechanics, 3 (1), 151 (1997). 9. 周松緯 (民 99), 室外騎乘自行車組力與功率輸出及肌肉活動情形之相互關係, ( 未出版之碩士論文), 國立交通大學, 新竹市. 1. 林芷沂 (民 11), 不同踏板傾斜角度對膝關節受力與下肢肌肉活化的影響, ( 未出版之碩士論文), 國立交通大學, 新竹市. 温 11. 玉瑭 (民 16), 開發一自行車騎乘下肢疼痛及傷害評估與騎乘策略建議系統, (未出版之博士論文), 國立交通大學, 新竹市. 12. 楊秉祥, 温玉瑭 (民 16), 估測騎乘自行車之受測者下肢運動狀態的方法及系統, 中華民國專利申請字號

Engineering at National Chiao Tung University Bing-Shiang Yang received his Ph.D.

9 Yu-Tang Wen received his Ph.D. in mechanical engineering from National Chiao Tung University. He is currently a project manager of Biomechanics and Medical Application Laboratory in the Department of Mechanical Engineering at National Chiao Tung University Bing-Shiang Yang received his Ph.D. in mechanical engineering from University of Michigan- Ann Arbor. He is currently an associate professor in the Department of Mechanical Engineering at National Chiao Tung University

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