第二十四屆全國學術研討會論文中文格式摘要

以 田 口 動 態 法 設 計 物 理 治 療 用 牽 引 機 與 機 構 改 善 1, 2 簡 志 達 馮 榮 豐 1 國 立 高 雄 第 一 科 技 大 學 機 械 與 自 動 化 工 程 系 2 傑 邁 電 子 股 份 有 限 公 司 1 摘 要 物 理 治 療 用 牽 引 機 的 主 要 功 能 是 將 兩 脊 椎 骨 之 距 離 拉 開, 使 神 經 根 不 致 受 到 壓 迫 該 類 牽 引 機 提 供 標 準 且 持 續 性 的 牽 引 力 量, 以 改 善 人 體 因 長 時 間 處 於 緊 張 狀 態 造 成 的 不 適 感 及 疼 痛, 廣 泛 應 用 於 臨 床 治 療 與 研 究 中 綜 觀 國 內 牽 引 機 開 發 廠 商 其 內 部 機 構 運 用 大 同 小 異, 在 成 本 效 益 的 考 量 下, 如 何 提 供 安 全 有 效 的 牽 引 輸 出, 來 滿 足 臨 床 上 的 需 求 是 一 項 刻 不 容 緩 的 研 究 主 題 本 研 究 利 用 田 口 動 態 法 來 提 昇 牽 引 機 的 輸 出 穩 定 性, 並 結 合 平 行 運 動 放 大 機 構 以 改 善 輸 出 精 度 經 實 驗 驗 證 能 將 牽 引 力 量 控 制 在 常 用 頸 椎 牽 引 (20 Kg 以 下 ) 的 目 標 值 ±0.5 Kg 及 腰 椎 牽 引 (40 Kg 以 下 ) 的 目 標 值 ±1.0 Kg 之 單 位 刻 度 內 證 實 了 改 良 成 果 已 進 入 安 全 有 效 的 牽 引 輸 出 關 鍵 字 : 物 理 治 療, 牽 引 機, 田 口 動 態 法, 平 行 運 動 放 大 機 構 1. 前 言 人 類 經 長 期 的 演 化 發 展 為 身 軀 直 立 以 雙 腳 行 走 的 步 態, 使 得 骨 盆 以 上 各 部 位 的 重 量 皆 坐 落 於 髖 骨 上, 進 而 導 致 在 做 軀 幹 部 位 的 動 作 時, 脊 椎 及 相 關 的 肌 肉 群 皆 承 受 相 當 大 力 量, 久 而 久 之, 難 免 引 起 背 部 的 疼 痛 根 據 研 究 指 出, 約 有 80% 的 一 般 民 眾, 在 一 生 中 會 受 到 不 同 程 度 或 形 式 的 影 響, 由 此 可 見, 背 痛 是 社 會 上 民 眾 普 遍 有 的 毛 病 另 一 方 面, 由 於 老 年 人 年 齡 的 增 長, 肌 肉 神 經 各 種 機 能 衰 退 已 是 不 可 避 免 的, 常 需 仰 賴 長 期 復 健 治 療 才 能 延 緩 功 能 退 化 因 此 復 健 醫 療 器 材 的 應 用 日 漸 普 遍 及 重 要 進 行 復 建 時, 舉 凡 物 理 治 療 師 運 用 的 各 種 治 療 儀 器 中, 機 械 治 療 是 利 用 力 學 原 理 配 合 各 種 輔 助 器 材 來 達 到 治 療 的 目 的 就 物 理 治 療 領 域 而 言, 用 以 治 療 背 痛 最 常 用 的 方 法 是 脊 椎 牽 引, 即 藉 由 牽 引 機 產 生 的 機 械 力 來 拉 長 脊 椎 或 增 加 活 動 度 以 減 輕 脊 椎 的 疼 痛 1929 年 Taylor 率 先 應 用 了 控 制 性 頸 椎 牽 引 裝 置 以 減 輕 和 治 療 頸 椎 損 傷 [1],1950 及 1960 年 代 James Cyriax 提 出 可 利 用 脊 椎 牽 引 治 療 因 為 腰 椎 間 盤 突 出 引 起 的 下 背 痛 及 下 肢 痛 [2] 接 續 著 多 項 的 研 究 進 行, 發 表 了 牽 引 力 量 角 度 時 間 間 歇 牽 引 方 法 等 作 用 效 應 的 實 驗 研 究 論 文, 結 果 顯 示 頸 椎 牽 引 於 13.62 Kg 的 牽 引 力 量 下, 可 在 時 間 7 秒 時 即 產 生 椎 間 隙 增 大 的 效 果, 通 常 椎 間 隙 增 大 的 峰 值 發 生 於 牽 引 的 25 分 鐘 內 [3] 另 一 方 面, 有 關 牽 引 過 程 的 安 全 性 是 相 當 重 要, 這 方 面 研 究 主 要 在 探 討 使 用 最 小 的 牽 引 力 量 作 有 效 的 牽 引 治 療 且 避 免 因 牽 引 治 療 造 成 的 二 次 傷 害 ; 或 是 外 力 牽 引 下 的 生 物 力 學 特 性 如 應 變 分 佈 椎 間 盤 變 形 量 以 及 破 壞 負 載 [4] ~ [5] 今 日 牽 引 的 研 究 之 於 療 效 方 面, 已 可 以 歸 納 出 兩 點 基 本 原 則 [1]: 頸 椎 牽 引 一 般 採 坐 姿 治 療, 如 圖 一 (a) 所 示 牽 引 時, 在 無 機 械 損 耗 的 狀 況 下, 需 要 近 似 於 總 體 重 7%~10% 的 牽 引 力 量 方 可 達 到 分 離 頸 椎 椎 體 的 目 的, 或 者 最 小 牽 引 力 量 至 少 大 於 患 者 頭 部 重 量 與 頸 背 肌 肉 張 力 所 產 生 的 阻 力 之 合, 通 常 應 為 11.25~13.5 Kg 而 腰 椎 牽 引 多 數 採 用 仰 躺 治 療, 如 圖 一 (b) 所 示 牽 引 時, 至 少 大 於 25% 體 重 方 可 達 到 分 離 腰 椎 椎 體 的 目 的, 或 者 最 小 牽 引 力 量 至 少 大 於 身 體 與 牽 引 床 之 間 的 阻 力 之 合, 通 常 應 為 31.78~40.86 Kg 此 外, 影 響 椎 體 小 關 節 鬆 動 肌 肉 放 鬆 及 緩 解 疼 痛 等 因 素, 與 牽 引 時 間 模 式 及 患 者 體 位 有 關 係, 而 其 中 患 者 體 位 可 藉 由 物 理 治 療 師 的 專 業 操 作 獲 得 解 決 2.1 實 驗 架 構 2. 實 驗 架 構 與 方 法 2.1.1 市 售 牽 引 機 測 試 與 分 析 牽 引 機 主 要 提 供 之 牽 引 方 式 有 連 續 與 間 歇 模 式 兩 種 模 式 差 異 在 於 牽 引 力 量 是 否 隨 牽 引 時 間 變 化, 一 般 連 續 模 式 及 間 歇 模 式 如 圖 二 所 示 而 牽 引 力 量 時 間 以 及 模 式 三 項 操 作 設 定, 決 定 牽 引 機 在 變 動 下 的 輸 出 性 能, 圖 三 列 舉 三 款 市 售 牽 引 機 進 行 如 下 測 試 : 間 歇 模 式 牽 引 力 量 保 持 / 休 息 (40/10 Kg) 保 持 / 休 息 時 間 (30/15 秒 ) 牽 引 治 療 時 間 15 分 鐘, 其 測 試 結 果 如 圖 四 圖 五 圖 六 所 示 依 牽 引 機 使 用 手 冊 規 格 [6]~[8], 允 許 一 般 輸 出 精 度 為 5~20 Kg ±1.0 Kg 21-50 Kg ±2.0 Kg 51-90 Kg ±3.0 Kg 分 析 此 測 試 結 果, 除 不 敷 臨 床 需 求 外 且 部 份 機 型 實 際 上 存 在 更 大 的 規 格 差 異 程 度 CSME-4232

2.1.2 元 件 分 析 與 機 構 改 善 探 究 牽 引 機 內 部 的 機 構 設 計 上, 影 響 輸 出 精 度 的 主 因 在 於 直 線 位 移 滑 動 機 構 的 運 用 該 機 構 的 設 計 型 式 包 含 一 機 座 導 桿 架 導 桿 線 性 襯 套 滑 輪 扁 線 壓 縮 彈 簧 及 位 移 感 測 器 等 元 件 [9]~[11], 等 同 於 動 滑 車 (movable pulley) 的 應 用 [12], 如 圖 七 所 示 而 動 滑 車 是 槓 桿 之 延 伸 改 良, 具 有 滑 車 軸 心 可 上 下 移 動 及 改 變 力 的 大 小 ( 在 不 計 摩 擦 下, 機 械 利 益 等 於 2) 故 直 線 位 移 滑 動 機 構 於 人 體 脊 椎 輸 出 一 固 定 牽 引 力 量 時, 相 對 扁 線 壓 縮 彈 簧 將 產 生 兩 倍 荷 重 於 該 元 件 上, 彈 簧 壓 縮 產 生 的 機 械 位 移 量 則 驅 動 位 移 感 測 器, 輸 出 一 定 範 圍 的 電 壓 訊 號 作 為 轉 換 牽 引 力 量 控 制 之 用 但 受 限 牽 引 機 內 部 的 空 間, 如 圖 八 所 示 目 前 有 效 機 械 位 移 量 最 大 約 10~15 mm 的 範 圍 內, 該 範 圍 對 應 牽 引 力 量 約 1 Kg 等 於 14 mv, 依 實 務 經 驗 會 有 雜 訊 干 擾 機 構 差 異 及 量 測 誤 差 三 方 面 影 響, 造 成 牽 引 力 量 輸 出 精 度 的 影 響 兼 顧 牽 引 機 現 況 可 能 運 用 的 內 部 空 間 及 成 本, 於 直 線 位 移 滑 動 機 構 的 另 側, 搭 配 一 平 行 運 動 放 大 機 構 使 用 機 構 由 連 桿 組 合 以 平 行 四 邊 形 為 主, 各 連 桿 與 其 對 邊 等 長, 因 此 某 特 定 點 的 運 動 會 在 對 應 邊 之 相 同 點 產 生 一 相 同 運 動 [13], 如 圖 九 所 示 此 一 作 法 有 效 提 高 機 械 位 移 量, 故 範 圍 對 應 牽 引 力 量 放 大 約 1 Kg 等 於 37 mv, 最 後 製 作 一 牽 引 機 實 物 模 型 進 行 驗 證, 如 圖 十 所 示 2.1.3 田 口 動 態 法 田 口 方 法 [14]~[16] 又 稱 穩 健 設 計 (robust design) 為 田 口 玄 一 博 士 所 創, 目 的 是 使 產 品 品 質 對 設 計 參 數 的 變 異 不 敏 感, 其 中 兩 個 主 要 的 工 具 是 直 交 表 (orthogonal arrays, 設 計 參 數 水 準 配 置 ) 與 信 號 雜 音 比 (signal to noise,s/n 比, 衡 量 品 質 特 性 的 優 劣 ) 運 用 直 交 表 的 實 驗 設 計, 可 以 最 少 實 驗 次 數 推 得 設 計 參 數 水 準 的 最 佳 組 合, 其 次 以 S/N 比 製 作 回 應 表 找 出 最 佳 設 計 的 參 數 水 準, 最 後 由 變 異 數 分 析 (analysis of variables,anova) 確 認 因 子 對 品 質 特 性 的 貢 獻 度 幫 助 業 界 做 好 品 質 設 計 和 改 善 或 製 程 最 適 化, 因 此 在 不 同 領 域 的 成 功 應 用 實 例 不 斷 地 被 發 表 [17]~[19] 而 田 口 動 態 法 與 靜 態 法 的 差 異 如 表 一 所 示, 滿 足 牽 引 機 於 不 同 牽 引 力 量 輸 出 下 的 動 態 多 目 標 改 善 需 求 2.2 實 驗 方 法 田 口 動 態 法 的 流 程, 如 圖 十 一 所 示 ; 實 驗 配 置 的 因 子 類 型 與 水 準 如 表 二 所 示, 該 配 置 以 L18 為 內 側 直 交 表 及 搭 配 信 號 因 子 的 水 準 數 於 外 側 採 一 元 配 置 3. 實 驗 結 果 與 驗 證 3.1 實 驗 結 果 表 三 為 量 測 數 據 的 結 果 ; 表 四 及 表 五 為 各 因 子 對 於 S/N(η) 比 與 靈 敏 度 S 的 回 應 狀 況, 可 知 對 於 S/N 比 (η) 由 強 至 弱 的 排 序 為 BADCE, 對 於 靈 敏 度 S 由 強 至 弱 的 排 序 為 BAECD 其 次 由 變 異 數 分 析, 進 一 步 求 得 控 制 因 子 對 品 質 特 性 的 貢 獻 度 如 表 六, 認 定 控 制 因 子 A 及 B 在 此 實 驗 為 顯 著 的 影 響 因 子 故 實 驗 結 果 預 估 所 得 之 最 佳 水 準 組 合 是 A1B3C2D1E2, 計 算 S/N 比 為 28.502(dB) 最 後 將 預 估 最 佳 水 準 組 合 進 行 五 次 實 驗 來 確 認, 五 次 確 認 實 驗 可 以 得 到 五 個 S/N 比 如 表 七, 其 平 均 值 為 30.315(dB) 落 在 確 認 實 驗 之 信 賴 區 間 範 圍 (±3.124 db) 確 認 實 驗 的 結 果 充 分 表 示, 有 95% 信 心 可 認 定 選 取 的 顯 著 因 子 及 對 應 水 準 是 適 當 的 而 最 佳 水 準 組 合 下 的 輸 入 與 輸 出 函 數 關 係, 其 數 學 模 式 計 算 可 得 如 右 :Y=12.181M+4.182 其 中,Y 為 牽 引 力 量 輸 出 值,M 為 信 號 因 子 輸 入 值 3.2 驗 證 將 田 口 動 態 法 實 驗 所 得 到 的 最 佳 水 準 組 合 與 其 函 數 關 係, 運 用 在 目 前 Z-7560 型 牽 引 機 的 控 制 方 法 並 進 行 測 試, 其 改 善 結 果 如 圖 十 二 所 示 可 知 實 際 牽 引 輸 出 狀 況 良 好, 牽 引 力 量 保 持 40 Kg 的 目 標 值 只 有 0.56 Kg 變 動 產 生 ; 牽 引 力 量 休 息 10 Kg 的 目 標 值 只 有 0.46 Kg 變 動 產 生 結 果 顯 示 牽 引 力 量 已 控 制 在 常 用 頸 椎 牽 引 (20 Kg 以 下 ) 的 目 標 值 ±0.5 Kg 及 腰 椎 牽 引 (40 Kg 以 下 ) 的 目 標 值 ±1.0 Kg 之 單 位 刻 度 內 4. 結 論 牽 引 機 較 人 力 上 可 以 提 供 標 準 且 持 續 性 的 牽 引 力 量, 於 復 健 工 程 中 成 果 顯 著 已 是 不 爭 的 事 實 因 此 無 論 何 種 牽 引 機 設 計 方 式, 首 要 是 確 保 牽 引 過 程 中 的 安 全 性, 其 次 才 是 治 療 效 果 本 研 究 經 由 機 構 改 善 與 田 口 動 態 法 的 實 驗 設 計, 因 此 能 以 較 經 濟 的 實 驗 成 本 求 得 最 佳 控 制 參 數 值 之 組 合, 而 有 效 提 昇 牽 引 力 量 的 穩 定 性 與 輸 出 精 度, 讓 牽 引 機 更 具 穩 健 性 此 一 研 究 成 果 之 於 臨 床 方 面, 提 高 牽 引 治 療 的 安 全 性, 並 提 供 客 觀 評 估 的 治 療 效 果 以 供 參 考 ; 應 用 方 面, 設 計 概 念 將 移 轉 醫 療 產 業, 作 為 牽 引 機 開 發 廠 商 在 提 昇 品 質 及 降 低 成 本 上 作 一 參 考 5. 誌 謝 感 謝 傑 邁 電 子 股 份 有 限 公 司 提 供 有 關 於 牽 引 機 控 制 方 法 的 技 術 協 助, 使 本 研 究 得 以 順 利 完 成 6. 參 考 文 獻 1. 北 京 普 康 科 健 醫 療 設 備 有 限 公 司, 脊 柱 牽 引 實 用 手 冊, 北 京,2005 2. 李 秉 怡, 以 機 械 式 頸 椎 牽 引 治 療 頸 部 疼 痛 患 者 立 即 與 短 期 療 效 之 預 測, 國 立 陽 明 大 學 物 理 治 療 學 系 暨 研 究 所 碩 士 論 文,2005 3. 張 德 裕, 以 機 械 式 腰 椎 牽 引 治 療 下 背 痛 患 者 立 即 與 短 期 療 效 之 預 測, 國 立 陽 明 大 學 物 理 治 療 學 系 暨 研 究 所 碩 士 論 文,2005 4. 薛 澤 杰, 間 歇 性 頸 部 牽 引 效 果 之 角 度 與 力 量 評 估, 國 立 成 功 大 學 工 程 科 學 研 究 所 碩 士 論 文 摘 CSME-4233

要,1988 5. 李 宗 修, 脊 椎 破 裂 骨 折 之 生 物 力 學 實 驗 分 析, 國 立 成 功 大 學 醫 學 工 程 研 究 所 碩 士 論 文 摘 要,1992 6. 聯 興 儀 器 股 份 有 限 公 司, 版 本 :01,DIGIT-TRAC 930 Traction System 使 用 說 明 書, 台 北 7. 傑 邁 電 子 股 份 有 限 公 司, 版 本 :2.0,Z-7560 自 動 牽 引 治 療 系 統 使 用 手 冊, 高 雄 8. ITO co.,ltd., No.230465 I0509VF-I, TM-300 Traction System Operation Manual, 日 本 9. 福 華 電 子 股 份 有 限 公 司, 產 品 綜 合 型 錄, 高 雄, 2006 10. 台 灣 三 住 股 份 有 限 公 司, 沖 壓 模 具 用 標 準 零 件 型 錄, 台 北,2006 11. 台 灣 三 住 股 份 有 限 公 司, 工 廠 自 動 化 用 機 械 標 準 零 件 型 錄, 台 北,2006 12. 張 充 鑫, 機 動 學,pp. 9-63~9-67, 全 華 科 技 圖 書, 台 北,2004 13. 馮 丁 樹, 機 動 學,pp. 4-49~4-50, 全 華 科 技 圖 書, 台 北,2004 14. 蘇 朝 墩, 品 質 工 程, 中 華 民 國 品 質 學 會, 台 北, 2002 15. 李 輝 煌, 田 口 方 法 - 品 質 設 計 的 原 理 與 實 務, 高 立 圖 書, 台 北,2000 16. 周 至 宏, 品 質 工 程 特 論 課 程 講 義, 國 立 高 雄 第 一 科 技 大 學 機 械 與 自 動 化 工 程 研 究 所,2006 17. J. L. Ha, Y. S. Kung, S. C. Hu, and R. F. Fung, Optimization of a Micro-positioning Scott-Russell Mechanism by Taguchi Method, SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL Vol.125, pp. 565-572 (SCI I. F.: 1.462) NSC-92-2212-E-327-006,2006 18. 胡 勝 淳 馮 榮 豐, 利 用 田 口 方 法 設 計 Scott-Russell 機 構 之 尺 寸 最 佳 化, 中 國 機 械 工 程 學 會 第 二 十 一 屆 全 國 學 術 研 討 會 論 文 集, 第 C 冊 (Ⅱ) 固 力 與 設 計,pp. 2823-2828,2004 19. 王 俊 超 劉 永 田 馮 榮 豐, 運 用 非 線 性 雙 因 子 田 口 法 於 精 密 定 位 品 質 的 改 良, 中 國 機 械 工 程 學 會 第 二 十 一 屆 全 國 學 術 研 討 會 論 文 集, 第 E 冊 (Ⅰ) 微 機 電 系 統,pp. 5425-5430,2004 圖 二 牽 引 機 之 牽 引 方 式 示 意 圖 圖 三 牽 引 機 之 外 型 圖 (a) (b) 圖 一 (a) 臨 床 上 之 頸 椎 牽 引 治 療 ( 高 醫 復 健 科 拍 攝 ) (b) 臨 床 上 之 腰 椎 牽 引 治 療 ( 高 醫 復 健 科 拍 攝 ) 圖 四 DT-930 型 牽 引 機 量 測 圖 CSME-4234

圖 七 直 線 位 移 滑 動 機 構 圖 ( 動 滑 車 示 意 圖 ) 圖 五 Z-7560 型 牽 引 機 量 測 圖 圖 八 牽 引 機 3D 模 型 的 空 間 限 制 圖 六 TM-300 型 牽 引 機 量 測 圖 圖 九 平 行 運 動 放 大 機 構 圖 CSME-4235

表 一 田 口 動 態 法 與 靜 態 法 的 差 異 表 圖 十 牽 引 機 實 物 模 型 表 二 田 口 動 態 法 的 因 子 類 型 與 水 準 表 圖 十 一 田 口 動 態 法 流 程 圖 表 三 田 口 動 態 法 的 量 測 數 據 計 算 結 果 圖 十 二 Z-7560 型 牽 引 機 之 改 善 後 量 測 圖 CSME-4236

表 四 各 因 子 對 於 信 號 雜 音 比 的 回 應 狀 況 表 七 確 認 實 驗 的 量 測 數 據 計 算 結 果 表 五 各 因 子 對 於 靈 敏 度 的 回 應 狀 況 表 六 變 異 數 分 析 表 Design Physical Therapy Traction by Dynamic Taguchi Method and Mechanism Improvement Chih-Da Chien 1, 2 and Rong-Fong Fung 1 1 Department of Mechanical and Automation Engineering, National Kaohsiung First University of Science and Technology 2 ZMI Electronics, Ltd Abstract The primary use of traction by a physical therapy is to decompress the distance between bone sections of the vertebra in order to alleviate pressure on nerves. The traction can provide precise and modulated pull strength to ease pain and discomfort of the human body created by long term tension; therefore, the traction is widely applied in clinical treatment as well as research. The domestic development of traction devices has produced similar devices under strain of cost-benefit limitations. The purpose of this study is based on how one can provide a safe and effective traction output pull that is clinically effective and beneficial. This study uses the Dynamic Taguchi Method to determine the traction s output pull stability, combined with use of Parallel Motion Mechanism to improve the traction s output pull precision. Experimental results confirm that the output pull strength can be controlled within the commonly used range for cervical vertebra (below 20 Kg) target value of ±0.5 Kg and for lumbar vertebra (below 40 Kg) target value of ±1.0 Kg. This confirms the improvement result and effective safety of the traction output. Keywords: Physical Therapy, Traction, Dynamic Taguchi Method, Parallel Motion Mechanism. CSME-4237