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 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
(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 ( ) 7 213 16.12
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 1 75 5 25-2 Time 髖關節角度-時間 1 8 6 4 2-2 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 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. 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 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 12 月 4 2 8 月 9 月 1 月 12 月 4 1 6 5 Left with 5 8 1 6 1 15 8 78 76 74 72 7 68 66 64 1 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 2 5 65 66 1 月 75 7 68 66 8 Left with Left without Left with 16 14 12 1 8 6 4 2 72 74 3 9 68 Left without 78 7 62 61 6 59 58 57 56 55 54 53 52 Right with 78 74 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. 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
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 I591573. 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 16175. 75
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. 76 213 16.12