快訊

熱議題/清潔員之死…專區收垃圾牛步 隊員嘆拿命換便民

生物感測器開啟穿戴式醫療輔具新紀元

圖一 : 11歲的Cameron Millar天生沒有右手,4歲時他想要騎單車,並有了人生第一隻義肢,但什麼事都做不了。現在透過智慧的控制系統演算法,英國仿生手臂廠商Open Bionics為他打造了高自由度、輕巧且可負擔的Hero Arm,做起事來變得更順手。(source:openbionics.com)
圖一 : 11歲的Cameron Millar天生沒有右手,4歲時他想要騎單車,並有了人生第一隻義肢,但什麼事都做不了。現在透過智慧的控制系統演算法,英國仿生手臂廠商Open Bionics為他打造了高自由度、輕巧且可負擔的Hero Arm,做起事來變得更順手。(source:openbionics.com)

【作者:吳雅婷】

用餐、梳洗、滑手機,這些看似瑣碎的日常動作,其實蘊含著肌肉與神經的精密合作才得以實現。醫療專用的穿戴式輔具將機電裝置連接至神經系統,讓截肢者與癱瘓者能夠更自在地生活。而這項技術的關鍵就在感測器的智慧化,開發者又是如何創造出這般智慧的呢?

智慧化,是開發未來科技產品的目標之一,甚至可能成為判斷產品實用性與市場價值的重要指標。然而,智慧化指的是什麼呢?人工智慧演算法?連線功能?感測功能?或者以上皆是?

就智慧型感測器而言,其智慧特別展現在硬體的感測及連接功能,亦即攸關裝置如何連接到具備智慧演算法的邏輯單元,以及裝置獲取環境資訊的能力。用於醫療輔具領域,這些重要資訊就包含穿戴者的生理狀態(例如體溫或血壓)及動作,也包括周遭環境的溫溼度、地面高度或質地等。

換句話說,人工智慧的醫療應用有賴於系統的建立—從感測、運算到控制單元之間的協作機制。慶幸的是,隨著晶片製程的技術持續精進,精巧的微機電系統正逐步嵌入至這類穿戴式醫療裝置,實現感測、邏輯與控制功能集於一體的特定應用。

跨出第一步:實現多自由度的微機電系統

不論是上肢或下肢,手腳的運作牽涉了相當複雜的神經與肌肉系統。由此可知,感測和控制是構成醫療輔具裝置的兩大支柱。其中,控制元件尤為舉足輕重,它決定了裝置能否有效輔助穿戴者進行肢體運動,進而改善截肢者或癱瘓者的生活品質與活動安全性。

傳統的穿戴式輔具(義肢或外骨骼)是單一輸入與單一輸出的控制系統,因此多個訊號的耦合效應會被視為訊號干擾。以上肢輔具為例,手指的各個關節(或稱軸)以往需要分別控制,除了訊號處理的問題外,訊號延遲也導致輔具在生活應用場域的限制。穿戴者若想要做出需要近乎同步控制多關節的動作,像是比手勢、拉拉鍊或握筆,就難以達成。

運用非線性控制(nonlinear control)中的被動控制(passivity-based control)系統,醫療輔具的控制就能更快速、更精確且更省力。非線性控制考量了非線性輸入訊號的不確定性,並利用回饋(feedback)及濾波來控制輸出訊號,實現回饋線性化(feedback linearization)。被動控制便是利用回饋系統來確保整體系統訊號的穩定性。

藉著全新的控制演算法,操控義肢變得更彈性、簡易且快速。英國仿生手臂廠商Open Bionics便開發了三馬達及四馬達的平價上肢輔具Hero Arm,分別能支援四種及六種抓握模式(grip mode),穿戴者能夠打鼓、翻書、使用梳子或筆;其精準的控制系統甚至具備比例控制(proportional control)功能,能在接收感測器傳來的肌電訊號後,調整輸出的力道,視生活應用場景調整握力,提升穿戴者的生活便利性。

邁向智慧化:打造腦機介面

穿戴式醫療輔具的特點之一,就是它是結合機械學及生物學技術的產物。而智慧化的穿戴式醫療輔具不僅改良了控制系統及演算法,更將感測器的線路連接至人體的神經系統,甚至可能實現大腦即使用者介面,讓穿戴者以意念操作裝置。

機械與人類之間的密語:肌電訊號

對於中風、神經受損、罹患肌肉萎縮症或其他疾病的癱瘓者來說,他們的肌肉系統往往因為長期癱瘓而無力,這時候,外骨骼(exoskeleton)就能提供行動時必要的結構支撐。要讓穿戴者控制外骨骼的方法之一是透過藍牙連線功能,如此,他們就能在行動裝置APP上自行調整步伐頻率、大小和角度。

另一種方法是透過肌電(electromyoelectric;EMG)感測器。當穿戴者想要移動或者進行某個動作時,大腦會發送訊號至周圍神經,雖然癱瘓者因為神經或肌肉系統受損而無法執行動作,但透過裝設感測器,外骨骼或義肢卻能擷取這些訊號,並利用演算法來處理雜訊,將肌肉活動所產生的電位變化轉換成肌電訊號,進而驅動穿戴式醫療輔具,執行大腦原先下達指令的動作。

圖二 : 透過擷取穿戴者身上的神經訊號,穿戴式輔具能夠依照裝置解碼過的輸出訊號執行動作。(source:frontiersin.org)
圖二 : 透過擷取穿戴者身上的神經訊號,穿戴式輔具能夠依照裝置解碼過的輸出訊號執行動作。(source:frontiersin.org)

這類的感測器分為侵入式與非侵入式,前者以貼片電極的形式貼合在穿戴者的皮膚,後者將微型纜線及訊號放大器植入穿戴者的腦部。

非侵入式的感測器目前已成功應用在人體上,尤其是截肢者。目前的外科手術技術已能實現最大可能保留肌肉與神經組織的截肢手術,不論是上肢或下肢,截肢者若保留了上臂或大腿部位,感測器就能在這些部位接收到大腦發送的神經訊號。

相對而言,侵入式感測器的危險性較高,在將感測器植入腦部與處理訊號的技術上仍處於開發階段。目前的研究結果顯示,植入侵入式感測器的穿戴者能夠移動四肢之一,但仍無法步行。

智慧化的智慧所在:大腦

那麼回到最初提出的問題,穿戴式醫療輔具的智慧化到底指的是什麼呢?人工智慧演算法的導入想必是個頗具說服力的答案。舉例而言,運用深度學習,就可以進一步研究如何改善肌電訊號處理的準確度。

在2019年IEEE國際測量與控制論壇上,德州大學達拉斯分校就發表了運用深度學習來優化以肌電訊號控制義肢手的技術。該發表的重大突破在於利用創新的卷積神經網路,不需經過特徵萃取(feature extraction)和特徵描述(feature description)的步驟,就能建立模型。該研究計畫主持人Mohsen Jafarzadeh表示,這項突破對日後發展端到端優化(end-to-end optimization)有很大的助益。

也因為智慧演算法持續發展,邁向更富智慧的感測器及控制器的開發之路就更近一步了。這些智慧化的穿戴式醫療輔具將能直接連接至人體神經系統,到達指令輸出中心—大腦,同時也是整體系統的智慧所在。

【欲閱讀更豐富的內容,請參閱CTIMES雜誌 2020 年第 341 期 3月號】

2020年3月(第341期)智慧醫療輔具
2020年3月(第341期)智慧醫療輔具

相關新聞

生物感測器開啟穿戴式醫療輔具新紀元

智慧輔助科技包含了設備與服務等, 可協助高齡者與失能者享受有尊嚴的生活。 輔助科技目的在於預防與延緩失能, 並提高照護品質與效率。 而三大發展主軸,包括重視銀髮族科技, 整合穿戴式裝置,並結合數位化的復健器材等。 在未來,輔具科技還將進一步延伸至更廣泛的應用領域。

技術生態兩極化趨勢確立 台灣IC產業擴大全球佈局

科技趨勢迅雷不及掩耳, 第一聲雷—AI! 第二聲雷—5G! 第三聲雷—中美貿易戰! IC設計如此風雲變幻, 比算力,比效能,比搶佔先機 部署環境成了關鍵。 雲端空間配置彈性、運算效能高速, 上雲,成了以光超越聲音的重要解方。

AWS王定愷:雲端服務為半導體與製造業帶來優勢

科技趨勢迅雷不及掩耳, 第一聲雷—AI! 第二聲雷—5G! 第三聲雷—中美貿易戰! IC設計如此風雲變幻, 比算力,比效能,比搶佔先機 部署環境成了關鍵。 雲端空間配置彈性、運算效能高速, 上雲,成了以光超越聲音的重要解方。

5G+AR慧眼加值應用 佐臻攜手中華電信拓展智慧眼鏡市場

科技趨勢迅雷不及掩耳, 第一聲雷—AI! 第二聲雷—5G! 第三聲雷—中美貿易戰! IC設計如此風雲變幻, 比算力,比效能,比搶佔先機 部署環境成了關鍵。 雲端空間配置彈性、運算效能高速, 上雲,成了以光超越聲音的重要解方。

實現電源管理客製化 伊頓首座電能品質實驗室正式啟用

科技趨勢迅雷不及掩耳, 第一聲雷—AI! 第二聲雷—5G! 第三聲雷—中美貿易戰! IC設計如此風雲變幻, 比算力,比效能,比搶佔先機 部署環境成了關鍵。 雲端空間配置彈性、運算效能高速, 上雲,成了以光超越聲音的重要解方。

匯稅雙殺 機械業者呼籲政府啟動防禦性貶值

科技趨勢迅雷不及掩耳, 第一聲雷—AI! 第二聲雷—5G! 第三聲雷—中美貿易戰! IC設計如此風雲變幻, 比算力,比效能,比搶佔先機 部署環境成了關鍵。 雲端空間配置彈性、運算效能高速, 上雲,成了以光超越聲音的重要解方。

NOR記憶體朝向高容量、低功耗、小尺寸發展

演算法的精進,使得端點運算力隨之提升, 這也使終端裝置的AI能力出現顯著的躍進。 目前邊緣運算多半著重於物聯網系統的需求, 然而運算資源日趨成熟並走向專業化, 加上資料儲存量的增加,使邊緣端功能日漸強大, 邊緣運算也成為幾乎所有產業和應用的主導要素。 許多雲端運算產品都紛紛轉向終端運算處理, 在未來,邊緣運算將在生活中扮演更關鍵的角色。

邊緣運算四大核心 實現海量資料處理的最佳佈局

演算法的精進,使得端點運算力隨之提升, 這也使終端裝置的AI能力出現顯著的躍進。 目前邊緣運算多半著重於物聯網系統的需求, 然而運算資源日趨成熟並走向專業化, 加上資料儲存量的增加,使邊緣端功能日漸強大, 邊緣運算也成為幾乎所有產業和應用的主導要素。 許多雲端運算產品都紛紛轉向終端運算處理, 在未來,邊緣運算將在生活中扮演更關鍵的角色。

新型態競爭風雲起 EDA啟動AI晶片新戰場

演算法的精進,使得端點運算力隨之提升, 這也使終端裝置的AI能力出現顯著的躍進。 目前邊緣運算多半著重於物聯網系統的需求, 然而運算資源日趨成熟並走向專業化, 加上資料儲存量的增加,使邊緣端功能日漸強大, 邊緣運算也成為幾乎所有產業和應用的主導要素。 許多雲端運算產品都紛紛轉向終端運算處理, 在未來,邊緣運算將在生活中扮演更關鍵的角色。

邊緣運算是實現智慧物聯應用的關鍵

演算法的精進,使得端點運算力隨之提升, 這也使終端裝置的AI能力出現顯著的躍進。 目前邊緣運算多半著重於物聯網系統的需求, 然而運算資源日趨成熟並走向專業化, 加上資料儲存量的增加,使邊緣端功能日漸強大, 邊緣運算也成為幾乎所有產業和應用的主導要素。 許多雲端運算產品都紛紛轉向終端運算處理, 在未來,邊緣運算將在生活中扮演更關鍵的角色。

邊緣運算需求引爆 軟硬體協同開發是最大挑戰

演算法的精進,使得端點運算力隨之提升,這也使終端裝置的AI能力出現顯著的躍進。 目前邊緣運算多半著重於物聯網系統的需求, 然而運算資源日趨成熟並走向專業化, 加上資料儲存量的增加,使邊緣端功能日漸強大, 邊緣運算也成為幾乎所有產業和應用的主導要素。 許多雲端運算產品都紛紛轉向終端運算處理, 在未來,邊緣運算將在生活中扮演更關鍵的角色。

光禾感知打破視覺為主的空間思維

做為運算指令集, RISC-V最重要的特色,就是開放。 它可以自由地用於任何項目上, 也允許任何人進行開發與設計, 你可以是任何人,你也可以為任何事。 基於這些特色,讓RISC-V在發展上有著相當不同的風貌。 而自由與開放,恰好是物聯網時代的開發精神, 因此RSIC-V漸漸開始受到重視。 隨著參與的業者越來越多, 它的產業影響力也逐漸抬頭, 並形成不可忽視的趨勢。

熱門新聞

商品推薦

udn討論區

0 則留言
規範
  • 張貼文章或下標籤,不得有違法或侵害他人權益之言論,違者應自負法律責任。
  • 對於明知不實或過度情緒謾罵之言論,經網友檢舉或本網站發現,聯合新聞網有權逕予刪除文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。
  • 對於無意義、與本文無關、明知不實、謾罵之標籤,聯合新聞網有權逕予刪除標籤、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿下標籤。
  • 凡「暱稱」涉及謾罵、髒話穢言、侵害他人權利,聯合新聞網有權逕予刪除發言文章、停權或解除會員資格。不同意上述規範者,請勿張貼文章。