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照鏡子不是愛漂亮,是在認真做職能治療!

楊昀霖
・2015/02/17 ・1555字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 480 ・五年級

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文/楊昀霖

如同往常,婉君陪著年邁的父親,一跛一拐的走進治療室,自從父親中風三個月以來,她們天天來治療室報到,「老師,今天做甚麼?」婉君問著,職能治療師回答:「來做點不一樣的!」,眼見著治療師將父親帶到治療桌旁,請父親的右手伸進一個鏡箱裡,讓左手開始照鏡子練習握拳,婉君越看越不明白,最後終於忍不住問職能治療師:「老師,我爸爸現在是右手連杯子都拿不好!他左手很好,是不是搞錯了?」職能治療師說:「沒有搞錯,這就是最新的鏡像治療!」

鏡像治療最早是用來緩和截肢者的幻肢疼痛。最近十年,開始應用於中風偏癱的病人。在治療室中我們會利用一面大鏡子或一個鏡箱,如左下圖,將病人的患側手遮住,並請他專注看著鏡中健側手的影像,同時請病人用健側手做簡單動作﹝1﹞,例如剪刀、石頭、布,或進行抓握等功能性動作練習,如右下圖(抓握水瓶),請病人專注於鏡中的手,『想像』自己的患側手正在執行相同的動作。是的,我們就是在欺騙病人的大腦,讓他以為鏡中的健側手影像就是他的患側手!

圖片來源: 高雄長庚職能治療室
圖片來源: 高雄長庚職能治療室

其實我們大腦神經都有自我修復的功能,稱為神經可塑性,但是中風後病人每天都在看著自己『無力的患側手』,這種負向訊息不利於腦神經的修復。所以我們利用鏡子,創造患側手完好的假象,當病人盯著鏡中健側手的影像時,會在腦中建立一種視幻覺。藉由輸入較正確的感覺,可幫助活化大腦的前動作皮質區、體感覺皮質區,喚醒受傷的大腦,使受損腦區周邊的神經迴路重組,促進動作及感覺的恢復,目前推測其中的機制可能和腦中的鏡像神經元(mirror neuron)有關﹝2﹞。

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鏡像神經元能夠將大腦接收的訊息與動作連結,例如我們可以透過眼睛看著有氧教練,大腦接收到教練的動作訊息後,鏡像神經元就會被活化,幫助我們模仿學習,跟著教練一起動ㄘ動﹝3﹞!研究顯示,觀察自己的動作比他人的動作,鏡像神經元的活化程度較高,就像專業舞者或大學熱舞社,都會看著鏡子練習動作。因此我們使用鏡中的倒影,利用這樣的視覺刺激,促進大腦功能可塑性,重組受損的神經網絡,增加患側手動作恢復的可能性!

根據2012年《美國復建醫學期刊American Journal of Physical Medicine》的研究期刊,鏡像治療不只能針對手部動作恢復,還能改善感覺,受試者原本只能做些許動作,治療結束後進步到能夠做出手臂高舉,手指開合等動作﹝3﹞,在歐洲有研究指出,鏡像治療能更減緩患肢的不自覺疼痛,使病人能夠更專注於治療活動,堤升治療效率。而在2013年,《台灣職能治療研究與實務》也有臨床研究顯示,經過一個月的治療後,鏡像治療組的成效明顯高於傳統治療組﹝4﹞。

目前在世界各地已經有許多研究證實鏡像治療的療效,相較於許多療法,鏡像治療不需要購買幾十萬的儀器,只要一塊夠大的鏡子或一個鏡箱,以及經過訓練的職能治療師,即使在家中也能夠進行,是一個經濟實惠也非常有潛力的療法,對於傳統治療效果不彰的病人,建議可與職能治療師諮詢,採用或並用鏡像治療,幫助提升病人的手部動作功能!

參考資料:

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  1. 李孟達, 盧昱吟, 吳菁宜, 謝妤葳, & 林克忠. (2012). 鏡像治療於中風患者之成效: 系統性文獻回顧. 臺灣職能治療研究與實務雜誌8(2), 125-140.
  2. 羅敏文, 黃淑桂, 林克忠, & 吳菁宜. (2010). 鏡像治療的臨床應用及腦部機制探討之文獻回顧. 臺灣職能治療研究與實務雜誌6(1), 37-49.
  3. 陳志榮, 張碧峰, & 簡瑞宇. (2014). 鏡像神經元的活化對於動作技能學習之研究.運動教練科學, (35), 47-57.
  4. Lee, M. M., Cho, H. Y., & Song, C. H. (2012). The mirror therapy program enhances upper-limb motor recovery and motor function in acute stroke patients. American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation91(8), 689-700.
  5. Cacchio, A., De Blasis, E., Necozione, S., Orio, F. D., & Santilli, V. (2009). Mirror therapy for chronic complex regional pain syndrome type 1 and stroke.New England Journal of Medicine361(6), 634-636.
  6. 林嘉皇, 黃奕清, 劉燦宏, 吳菁宜, 王詩涵, & 黃百川. (2013). 鏡像治療對慢性腦中風患者上肢動作功能之療效. 臺灣職能治療研究與實務雜誌9(1), 28-40.

特別感謝:蘇意庭、蘇昭華、黃晨維、蔡金宏還有謝妤葳老師提供建議協助編撰此文。

文章難易度
楊昀霖
5 篇文章 ・ 1 位粉絲
一個正在攻讀研究所的職能治療師(occupational therapist, OT),希望以科學的角度推廣職能治療專業以及相關復健知識,讓更多人認識並加入職能治療專業!

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從火海中重返生活,對抗疤痕攣縮的復健之路:陽光社會福利基金會林靜嫄職能治療師專訪——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/29 ・5048字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 採訪報導|張樂妍/本刊主編
  • Take Home Message
    • 燒燙傷的傷友在生理修復過程必須經過疤痕增生及攣縮,且需要長時間的復健治療,使他們重建原有生活的身心歷程艱辛又漫長。
    • 身體將傷口迅速補好的過程會產生疤痕增生,快速增生的細胞還形成向心收縮的拉力造成疤痕攣縮,導致身體無法伸展。
    • 為抵抗疤痕攣縮,復健過程會不停重覆將疤痕展開的疼痛與挫折。而治療師會為他們找到復健目標,陪伴他們重建基本生活到完成復建。
圖為職能治療師林靜嫄。圖/張樂妍拍攝

本文採訪陽光社會福利基金會的代理復建督導——林靜嫄職能治療師,她向我們分享了燒燙傷病患皮膚修復的生理機制、在復健過程的原理、身心理歷程,以及職能治療師在此過程中的角色。

陽光社會福利基金會以提升顏損及燒傷者的生活品質與自我價值、促進健康、安全及平權的社會環境為宗旨,藉由社會關懷的力量和專業服務,陪伴協助顏面損傷及燒傷朋友勇敢踏上艱辛漫長的重建路程。

2015 年熱夏,新北市八仙樂園發生塵燃事件,導致 499 人燒燙傷、15 人死亡。這場意外不僅震驚全臺,當年臺灣全民健保共花費 7.65 億臺幣醫治這些燒燙傷傷友。2016 年 4 月,士林地方法院在判詞中描述倖存者的身心經歷:

「⋯⋯多數被害人亦因二度至三度大面積燒傷,歷經清創、換藥、植皮手術,承受生不如死之疼痛,且隨著疤痕增生攣縮,需進行多次皮膚修整重建手術,每日復健更需忍受皮膚拉扯之疼痛,治療及復健過程極其艱辛漫長,又燒傷部位無法排汗,痛癢難耐,承受諸此種種生理層面難以忍受的煎熬。」

「⋯⋯關節及手指、腳趾之原有機能,亦難以完全治癒而回復正常,影響日常生活自理能力,不僅無法過正常生活,對未來求學、工作就業均產生極大之困難與障礙,信心低落;長期穿著壓力衣及疤痕外觀更需面對外界異樣眼光⋯⋯」

燒燙傷的治療不像是一般傷口的生理修復過程,其中必須經歷的疤痕增生及攣縮,需要長時間的復健治療。對於燒燙傷傷友而言,這趟回到正常生活的過程,宛如一場永無止盡的夢靨。

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疤痕保護傷口,卻阻礙了生活

讓我們回到傷害形成的當下,將鏡頭拉近到細胞層級的皮膚組織。皮膚從外到內可分為表皮、真皮、皮下組織三個部分,而表皮又可分成五層細胞結構。表皮中最裡面的基底層具有增生表皮細胞的功能,與真皮乳突層的膠原纖維和彈性蛋白相接,並以網釘狀的結構穩定表皮與真皮間的連接處。當燒燙傷發生,如果只傷害到基底層以上的表皮,基底層會長出新的細胞恢復表皮狀態,例如曬傷導致的脫皮,表皮可自動修復為原來的狀態,此狀況屬於第一度燒燙傷。

但是當基底層被破壞,也就是傷害波及到真皮層時,表皮與真皮之間的穩定度不足而互相剝離,便容易產生組織積液(水泡)。同時表皮層的破壞使真皮層中的神經末梢暴露,此時的傷口會比一度燒傷更加疼痛。這樣的情況是第二度燒燙傷,依傷口深度又可分為淺二度和深二度,淺二度約 14 天可恢復,深二度則需約21天的修復時間。淺二度的傷口在修復且疤痕成熟後,外觀及顏色上會與原本皮膚有些許差異(例如暗沉淺棕色);深二度以上的傷口即使在完全癒合且疤痕成熟或相關治療後,仍會在傷者身上留下明顯的瘢痕印記,例如被滾水或排氣管燙到而留下的疤痕。若傷口已接近皮下組織、真皮層幾乎被破壞殆盡,則進入第三度燒燙傷。此時的皮膚已完全失去再生能力,須以植皮手術盡快關閉傷口,三度以上的大面積傷者也可能有傷口感染及敗血症的高度風險;更嚴重者是傷及皮下組織的第四度燒燙傷,不僅血液循環系統遭破壞,在組織壞死的情況下甚至有截肢的可能。

人體的皮膚結構與燒燙傷等級

圖/Adobe Stock

在一道新的傷口出現後,血小板會快速聚集以凝血,白血球等免疫細胞負責吞噬細菌抵禦外敵,使傷口周遭開始出現紅、腫、熱、痛等發炎反應,並從基底層開始修復。治療師林靜嫄比喻這時的皮膚狀態:「皮膚出現傷口時就像房子門戶大開,當有僵屍(細菌)入侵,身體會想要趕快把門窗堵好、磚頭堆好,此時真皮層的膠原母細胞所分泌的膠原纖維,就是我們封閉門窗的木板和磚頭,它可以讓組織向心收縮、使傷口縮小,加速傷口的癒合。但在情急之下,當然就會填補得很亂(膠原纖維排列混亂)。即使傷口癒合之後,身體還是會擔心外敵入侵,持續堆疊加固的過程會使組織向外凸起,這段過程就是疤痕的增生期。」她繼續解釋,此時的身體讓膠原細胞不停增生、堆疊,雖然可以將傷口迅速補好,但也會產生突起的疤痕;而且因疤痕組織的排列結構既不穩固彈性又差,限制皮膚延展性的同時又容易反覆出現新傷口,導致復健之路困難重重。

初生的疤痕呈現紅、凸、硬、緊的樣貌,要經歷數年的時間才能完全成熟——「成熟的過程就像身體把原本混亂排列的木板磚頭(膠原纖維)拆掉,再重新排好蓋新的取代,慢慢替換成比較穩定的結構,也將突起的組織逐漸化為平整。」林靜嫄說道。然而,即使突起的組織可以等身體自主代謝分解或以雷射等方式淡化消去,但組織修復所產生的疤痕卻會持續影響傷友的生活機能。

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阻止疤痕攣縮

你在趕路時會選最短路線嗎?皮膚在修補時又急又緊張,建構新組織時也會選擇最短路徑,快速增生的細胞還形成了一股向心收縮的拉力,這樣的現象被稱作「疤痕攣縮」。當疤痕攣縮發生在大面積或關節處時,身體的伸展就會出問題。

舉例來說,當手肘外側受傷,疤痕增生時手臂若保持伸直,因皮膚依最短路徑去修補傷口,沒有恢復關節處原有的皺褶,手臂就會變得無法彎曲。在皮膚原有的彈性和皺褶面積無法重建的情況下,活動時就會拉扯到才剛修復的皮膚,如果沒有在疤痕攣縮時進行復健,疤痕處甚至可能無法動彈。由於全身的皮膚緊密相連,不論身體哪個部位發生疤痕攣縮,都可能影響到全身的活動及傷友的日常生活。

為了不讓疤痕影響身體動作,肢體必須擺放在正確的位置,而且一定要適當的活動,才能展開收縮的地方。如果我們將疤痕放大到組織層級觀察,在經常拉開疤痕的動作中,組織被慢性地施加機械應力,讓細胞間出現空隙後,便能夠促成細胞、血管、表皮等組織的再生。這種軟組織結構的變化過程被稱作生物潛變(biological creep)。除此之外,對疤痕加壓也是重要的復健步驟,「就像在跟疤痕說『OK 了!不用再長囉!』,原本紅紅的疤痕要壓到呈現泛白的情況,才有效果。」林靜嫄說道,適當的壓力可以阻擋血流量,以減少養分送達,便能減緩組織大量增生的速度,還可以促進組織纖維的正常排列。

可利用復健模具幫助面部的加壓。圖/張樂妍拍攝

當疤痕組織的合成與分解反應達到平衡、不再增生,肥厚、鮮紅又緊繃的外觀變得平緩、暗沉且柔軟,疤痕便結束上述成熟的過程,來到成熟期。這時疤痕的攣縮力道微乎其微,而達到較穩定的狀態。只不過上述過程都是科學上的變化過程,實際情況將涉及更多不可控的因素,處處阻撓著傷友回歸到正常生活。

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看不見盡頭的復健之路

實際上傷友在抵抗疤痕攣縮的過程,可能有以下幾點因素會增加他們在復健上時的困難:

1. 疤痕攣縮不分日夜

「我們人只有在白天活動啊!」林靜嫄說道。但晚上的疤痕仍在不停生長,因此傷友會需要許多道具協助,例如壓力衣,可以持續提供疤痕穩定的壓力值,並促進疤痕成熟。另外睡覺時的姿勢也很重要,各種副木或支架及彈力繃帶便是最佳幫手。

2. 復健過程的不適

將疤痕拉扯、伸展開來的撕裂感十分疼痛。受傷面積涵蓋各部位的傷友就更加辛苦,例如傷口同時在膝蓋的外、內側,站久了便不能坐下,坐久了就站不起來;在手臂的大面積疤痕,即使沒有覆蓋關節處,疤痕攣縮仍可能讓手肘和手腕無法活動。當組織及神經在修復時,還會有刺痛、麻、搔癢的感覺。

3. 傷友還在成長階段

新生兒或兒童的生長速度快,皮膚修復也較快,但也因為還在發育,即使疤痕成熟仍必須長期觀察。成熟的疤痕雖具有一些延展性,不過一定不比一般皮膚好,如果延展性跟不上身體成長速度,傷友就可能需要另外的手術治療。

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4. 如果傷友需要工作

林靜嫄分享過去的傷友案例中,需要久站的工作者十分不易。因傷處微血管循環的改變,可能使得傷友的肢體血液循環不良,在肢體垂放或久站的情況下出現血液鬱積(充血)反應。此時肢體會彷彿有一群螞蟻在啃咬般難受,因此工作中需要固定姿勢或維持動作時,傷友較容易感到不適。此外,傷友在返回職場前除了要克服肢體活動的問題之外,還要面臨體能及動作流暢度不如過往、工作中主管及同事的關心或質疑、外觀改變的適應問題等,「大多還是期望可以返回原職場與原職位,但在一些限制下,部分傷友會選擇在原職場轉換為內勤工作,或是藉由職涯探索與職訓安排,轉換工作的跑道。」林靜嫄說道。

5. 復健成效及所需時間都無法預估

傷燙傷面積和位置是決定復健所需時間的關鍵,然而每個人的復原狀況都不相同,受傷程度也有大有小,更何況疤痕攣縮可能影響全身肢體的活動。因此即使有數據表示,疤痕成熟通常需要花費 1~2 年,實際的復健成效及所需時間仍無法準確評估。

壓力衣可以持續提供疤痕穩定的壓力值並促進疤痕成熟。圖/張樂妍拍攝

對於燒燙傷傷友,抵抗疤痕攣縮就是它們時時刻刻且長期要面對的課題。治療師及陽光社會福利基金會的角色便是協助他們的復健過程,幫助他們重新恢復自主生活的能力。

從燃燒的身心歷程裡畢業

除了身體上的疤痕之外,傷友心中的疤痕也是非常需要被關注的議題。林靜嫄說道,重建生活最首要的便是吃飯、走路、上廁所,而這三件事也緊扣人們的自尊心。當這三件事情需要他人協助時,人們常會覺得自己是一個失能的人,沒有任何用處。而更加令人感到痛苦的是,復健是一段需要不停重覆的歷程。疤痕會一直維持向心收縮的狀態,如果傷友今天把疤痕拉開,隔天可能又會縮合回原狀;今天練習時,能順利將杯子從架子上拿起來放到桌上,明天卻有可能連杯子都碰不到。這樣反覆的過程將使得傷友懷疑自己努力及疼痛的意義,偌大的沮喪感讓復健的過程因此變得難上加難。還有更多的情況包含在火災中失去家園、龐大的經濟壓力,甚至失去身體的某些部分,都讓他們距離原來的生活更加遙不可及。

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「我們會努力去找到傷友每一天與前一天不一樣的地方。讓他們知道:『你今天也移動了一公分,這是很重要的一大步!』只要每一天都能找到進步的證據,對他們來說就是很大的意義。」林靜嫄分享她的工作經歷,他們為每個復健中的人們找到復健的目標,可能是回到職場、回到健身房,或是再次為了家人煮飯、做到自己喜歡的興趣等,再為他們設下階段性的小目標。從重建基本生活自理開始,逐步完成一個個小目標,讓傷友們看得見自己的進步過程。「讓他接受現在的狀態,了解我們要一起經過的復健歷程,最重要的是找到動機、有了前進的方向與動力。而我們會溫柔的接住傷友與家屬們。」林靜嫄表示,只要每天確實累積,復健的功效就會在某個時機顯現。而動機與彼此陪伴的能量,就是傷友最大的助力。

從傷口形成到疤痕攣縮,再從復健開始到達成目標,這段路有長有短,但許許多多的傷友們最後都還是努力地回到原本的生活當中。林靜嫄說他們把這段歷程的結束,也就是離開復健中心,稱之為畢業。每個人都有自己的生命故事與歷程,都可能經過傷痛帶來的課題。或許每一種傷痛都不盡相同,或許難以感同身受,但我們可以一起試著理解、一起相伴走過。最後,期許我們都能從傷痛這堂課裡畢業。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 12 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3514 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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精神個案系列:外遇私刑,幻肢勃起
胡中行_96
・2023/05/22 ・1607字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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他外遇,便被老婆私刑去勢。先送蘇托莫醫師綜合醫院(Dr. Soetomo General Hospital)急診室,經歷二次泌尿科手術,並數度造訪精神科門診,療程可謂一波多折。根據個案報告作者耐人尋味的描述,這名 35 歲的印尼男子沒有報案,夫妻也未對簿公堂,「所以感情堪稱和睦」。且不論該說法是否合理,因為此處罪證確鑿,兇嫌坦承犯案,又無法律訴訟,[1]實說用不上鑑識科學。因此,本故事歸類在精神個案系列,關懷男子受創的心靈。(延伸閱讀:〈鑑識故事系列:命根子沒了?!狗咬或自宮?〉)

印尼蘇托莫醫師綜合醫院。圖/Unknown author on Wikimedia Commons(GFDL 1.2)

幻肢勃起

正常狀況下,腦部能透過神經系統,感受陰莖的狀態。[2]現在接收感官訊號的要道斷了,必須及時搶修。泌尿科事先告知男子,倘若陰莖重接術(penile reimplantation)失敗或感染,裝回去的部份得再切掉。復原期間,正養精蓄銳的腦部特定皮質迴路,不曉得受到何方刺激,竟迎來天大的驚喜:術後 2 天,男子立刻「察覺」勃起功能滿血回歸,對結果萬分滿意。無功不受祿的泌尿科醫師,深知就是華陀再世,亦無此神力,不禁懷疑男子經歷了幻肢勃起(phantom erection),[1]這種觸幻覺(tactile hallucination)。[3]隔日,便將他轉診。[1]

過去美國也曾有類似病例:一個男人在 44 歲移除陰莖。64 歲時告訴醫師,自己 20 年來一直有逼真的幻肢勃起。逝去的器官平常缺乏存在感,但若有漂亮女孩路過,便活躍到他得親眼確認是不是誤會了什麼。不過,醫師似乎未採取任何行動。[3]

調適障礙症

精神科初診時,印尼男子抱怨陰莖疼痛,心情略受影響。除此之外,他的口語、思路,以及認知人、時、地的定向力等都正常,而且當下沒有幻覺。然而 3 天後,他開始煩惱手術是否失敗。精神科醫師認為男子得了伴隨焦慮與憂鬱情緒的調適障礙症(adjustment disorder with mixed anxiety & depressed mood),並提出下列建議:[1]

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  • 婚姻諮商:這是一種協助改善伴侶關係的心理治療,著重於兩人之間的性愛、溝通、問題處理與衝突平息等。對此個案來說,還要面對下體受創所帶來的衝擊等挑戰。[1]
  • 支持性心理治療:幫助病患及配偶調適手術造成的心理影響。[1]
  • 家庭心理教育:使病患和伴侶瞭解診斷,以及相應的治療選項和調適方法。[1]
  • 放鬆技巧:教導病患如何放鬆,並調節自己的情緒。[1]
  • 精神藥物學:每天早晨口服抗憂鬱劑fluoxetine。[1]

幻肢疼痛

過沒幾天,精神尚不穩定的男子,因組織壞死(照片),同意接受陰莖切除術(penectomy)。命根子沒了,他卻依然「感覺」到那裡的痛楚,甚至以為是縫線脫落所致。這種幻肢疼痛(phantom limb pain),通常發生在截肢手術後的頭幾日。[1]殘肢的神經過度亢奮,並長出神經瘤(neuromas);脊髓在中央敏感化(central sensitisation)的過程中,增加神經活動,擴大感受範圍,變得異常敏感;腦部則進行皮質重組(cortical reorganisation),讓對應斷肢原處的皮質,改為負責鄰近部位,於是殘肢的痛覺可能轉移到不復存在的斷肢,也就是幻肢上。[4]

精神科回診時,男子心情奇差,只想盡快痊癒復工。醫師見他病況惡化,就更強調持續治療的重要性;並透過婚姻諮商,協助他們夫妻學習彼此忍讓,重建關係。同時,處方調整為具有止痛和抗憂鬱效果的 amitriptyline;以及抗焦慮的 clobazam。一個半月後,男子在老婆的陪同下回到診間。他向精神科醫師表示,自己已經好轉,並逐漸接受現況。[1]

  

參考資料

  1. Arizona P, Yulianti E, Fithriyah I. (2023) ‘Psychiatric Approach in Phantom Erection Postpenectomy Patient’. Case Reports in Psychiatry, 4113455.
  2. Shindel AW. (MAY 2022) ‘Erectile Dysfunction’. UCSF Health, University of California San Francisco.
  3. Fisher CM. (1999) ‘Phantom Erection After Amputation of Penis. Case Description And Review of The Relevant Literature on Phantoms’. Canadian Journal of Neurological Sciences, 26(1):53-6.
  4. Hanyu-Deutmeyer AA, Cascella M, Varacallo M. (04 SEP 2022) ‘Phantom Limb Pain’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
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胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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讓機器人成爲長照復健的得力「助手」!──清大動機張禎元專訪
科技大觀園_96
・2021/05/05 ・4519字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

2025 年,台灣將步入超高齡社會,65 歲以上的老年人口將佔總人口的 20% 以上,未來醫療照護的需求只會越來越多,而其中復健更是費時且勞力密集的工作。近幾年來自動化機器人投入工業市場,除了可以代替人類處理高危險或繁瑣的工作,也成功使勞動成本下降。如果想將機器人投入到醫療照護方面,機器人勢必要學會更靈活細緻的動作。

清華大學動力機械工程學系的張禎元特聘教授是美國卡內基美隆大學機械工程博士,並曾任職於美國 IBM,專長是精密機電整合與穿戴式復健機器人等。在科技部「客製化機器人輔助手掌(指)開合物理復健輔具系統開發」的邀請下,與任職於長庚醫院復健科醫師的小學同學裴育晟醫師合作,設計幫助中風患者手部復健的穿戴式機器手。張禎元教授所帶領的機器人實驗室(Vibrations, Mechatronics & Robotics Laboratories)結合人工智慧、醫學與人因工程,研發出有視覺、觸覺且動作跟人一樣流暢的機器手臂。 

隨著台灣步入超高齡社會,長照的需求大增,該如何解決年輕勞動力不足的問題是一大考驗。圖/Pixabay

衛福部於 108 年發布了國人十大死因報告,中風排在了第四名。中風後常常伴隨著肢體僵硬、手指緊握的症狀,是因為大腦失去對脊髓神經的控制能力,使脊髓神經變得非常敏感,常常傳遞訊號使肌肉張力過高。這時復健治療就很重要,透過重複活動來保持肌肉、韌帶的彈性,協助神經受損部位恢復正常功能。

給予復健治療的醫療人員必須把病患十根手指一根一根掰開再合上,不停地重複同樣的動作,是費時且勞力密集的工作。不僅對將步入高齡化社會的台灣是個沈重的負擔,也無法保證每一次治療的拉伸動作都一致,更無法精確紀錄病患各個關節的復原程度。

像是穿上鋼鐵人盔甲一樣──鏡像手

張禎元教授受到科技部「客製化機器人輔助手掌 (指) 開合物理復健輔具系統開發」的邀請,設立醫療照護服務型機器人專案,將人工智慧、醫學、生物力學與人因工程做結合,研發出主動型復健機器手。在科技部的輔導下,張禎元教授的穿戴型機器手技術轉移給富伯生醫公司,經研發改良,讓復健用的「鏡像手」得以成功面市!

不同於以往線拉力的大型復健儀器,「鏡像手」僅 650 公克,能使治療擺脫場地的限制,像是穿上外骨骼一樣,訓練對真實物件的抓握、實施鏡像治療,並同時透過線張力紀錄患者手部各個關節在活動時的鬆緊程度、角度,建立資料庫。療程中收集的數據可以分析出專屬的數位復健療程,再透過精準的機器人復健,加快病患的神經連結。

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由健康的右手做動作帶動左手患側復健,體型輕便,進行復健時可以與真實物體做互動。因為患者手部非常僵硬,研究團隊特別諮詢過醫生,對復健運動速度減慢避免拉傷,並將肌肉張力評估(MAS)控制在1 ~ 1+。圖/泛科學攝影

什麼是鏡像治療(Mirror therapy)

中風患者中有一大部分有半邊癱瘓的困擾,鏡像治療是將患側手放置於鏡後、健側手放置於鏡前,看著健側手在鏡子反射的影像想像患側手正在執行相同的動作。由鏡子反射的健側手影像刺激大腦中的前運動皮質區(premotor cortex)的活化,來促使患側手恢復肢體動作。

目前已經有多篇臨床論文證明鏡像治療能有效幫助肢體失能的中風患者增加關節活動程度和精確性。圖/wikipedia

「鏡像手」已於 2019 年成功拿到美國 FDA 認證,未來教授的實驗團隊想將上臂也做出來,全面的走入長照生活,像是家中老人需要彎腰提重物時,就可以穿上這套「鋼鐵人盔甲」,由機器人幫忙出力減少負擔;又或者長者手部控制不夠靈敏,拿菜刀不小心鬆開手時,機器手臂也能幫忙及時握緊減少危險發生。

機器人也可以是溫柔的紳士

早期的機器人大多應用在工業製造方面,主要追求快速、準確的執行命令,如果想將機器人投入到醫療照護方面,機器人勢必要學會更靈活細緻的動作。張禎元教授的團隊研發了一款更貼近人類的機器人──清華紳士,與其他機器手臂最大不同的是,清華紳士除了配有靈活度更高的七軸手臂能讓機器手臂折到人類無法伸到的角度,還有立體動態視覺、觸覺和軟硬兩隻手臂。 

清華紳士的頭部配有鏡頭,視覺輸入影像之後透過人工智慧、數學運算來辨識物體品項和距離,讓手臂動作更加精確。圖/泛科學攝影

清華紳士可以依靠手指上的三維壓力感測器偵測所抓物體的壓力方向,就像我們的手上有觸覺神經一樣。對人類來說,感受東西的軟硬程度是極其簡單的事情,但對機器人來說可能不是。像是拿包子這種軟軟的東西時,人類會自然而然放輕動作,傳統機器手臂就容易因為力道過大把包子捏扁,張禎元教授的清華紳士可以根據指尖上的感測器偵測到的回饋力道放輕手指收攏的速度,應用在醫療照護方面時就能避免力道過大誤傷病患。

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清華紳士配有兩隻手臂,可以依照使用需求裝上軟手或硬手,雖然能比工業用單一手臂做更多任務,但對設計者來說是一大考驗。像是在端盤子時,一隻手的時候只要平平的拿起來就好,兩隻手的時候就要配有協調、感知的能力,互相配合才不會傾向其中一邊,張禎元教授覺得這就是研發機器人的樂趣所在。

指尖的感測器能取得力量在x、y、z三軸的大小,實現人類的觸覺感受。圖/泛科學攝影

張禎元教授認為在設計機器人時應該更貼近人類,讓機器人也能使用人類的工具,不應該特地發明一系列「機器人專用工具」。以往在使用機器手臂時,操作員要先幫機器人換上專屬工具,再針對目標任務為每個關節分別輸入指令,耗時又耗力。有別於傳統機器手臂,清華紳士的手會在接觸物體的同時配合物體的輪廓自然而然的彎曲手指。想像小時候我們常常玩的捲尺手環,不論你的手腕粗細,只要往手腕一打,捲尺手環都能沿著你的手腕包覆。清華紳士的手也是同樣的道理,透過人工智慧和工程的技術整合,清華紳士就能跟人一樣,碰到物件的同時自動調正出最適合的拿法。

機器手臂能根據物體的輪廓自動調節每個關節角度來抓取物體。圖/泛科學攝影

傳統機器手臂給人的印象大多是堅硬的、一板一眼的,清華紳士的軟手臂採用氣壓傳動的方式,能更貼近人類的手部動作,溫柔地抓取物體。硬的手可以用感測器得到每一個關節的轉動角度數據,軟的手因為在三維空間中會隨意地移動,所以沒辦法裝上可變電阻偵測角度的轉動。像是手機有加速計、陀螺儀、磁力計來知道現在手機在空間中的位子,研究團隊成功研發出一款感測器裝在手指節上,能透過 14 個感測器回傳的資料計算出整隻手在空間中的姿態。 

軟手臂採用氣壓傳動的方式,最大限度地貼近人類的手,相較於硬手能更溫柔地抓取物體。圖/泛科學攝影

整合各方人才創造價值

張禎元教授表示,能成功研發出清華紳士靠的不是頂尖的工程技術,而是懂得將已經擁有的技術整合。清華紳士由張禎元教授負責機電整合與結構設計,資工、電機系教授負責「腦部」軟體研發,是機械、資工、電機跨領域合作的結晶。

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進一步詢問教授會建議什麼樣的人才投入這個產業時,答案令人驚訝!張禎元教授鼓勵美學人才也一起加入機器手臂的製作。對台灣來說,我們的工程規格世界領先,但一個產品的價值不只有工程,美學設計、產品理念也很重要,台灣不缺少專業人才台灣缺少的是價值定位者。教授舉了蘋果手機當例子,iPhone 如此成功除了本身的軟體外,面板材質、尺寸大小、背板顏色、商標位置都是經過嚴格設計的,價值就藏在這些小細節中。

張禎元教授鼓勵美學人才也一起投入機器人產業,創造更多價值。圖/envato elements

科學的研究發展包含研究(research)和發展(development),研究是重新找東西,同一個問題從不同角度去思考,我們要找的是所有能發揮價值的可能性,鎖定目標後再發展技術去實現它,像是思考機器手臂除了幫助醫療復健,可不可以也應用在日常生活甚至是軍事上呢?張禎元教授認為我們應該先訂方向(研究)再找研究缺口(發展),在提升單一技術的同時要不停的考慮,這樣技術還可以運用在什麼方面?還缺少什麼?

工程是科學的應用,是科學和經濟的結合,所以要懂得定義問題再來創造價值。張禎元教授建議工程方面學生除了具備自己領域的專業知識以外也要具備管理能力和企業家精神(entrepreneur),將格局放大才能知道自己的技術定位在哪裡,我們要做的不只是定義價值,最好能定義未來。

從各方報導和參展照片都可以看到許多學生展示跟解說機器手臂的身影,張禎元教授說:「學生才是主角,我不需要跟大家說我用了多少人做出這個手臂,我只要回家跟我太太報告就好了!」張禎元教授認為自己在他所帶領的機器人實驗室是「促成者」的角色,教授非常贊同學生站出來分享自己的研究,也鼓勵學生向自己提出想法一起找出可行的設計方向。作為領導者應該整合團隊創造出成果,跨領域人才的整合是未來趨勢,如何創造更多價值值得我們去發揮創意。

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未來步入超高齡社會的台灣,使用自動化機器人代替人力,也許可以解決日益增加的醫療照護需求。清大動力工程張禎元特聘教授,專長為精密機電整合與穿戴式復健機器人,其實驗室結合人工智慧、醫學與人因工程,研發出有視覺、觸覺且動作跟人一樣流暢的機器手臂。
圖/清華大學

參考資料

  1. 國家發展委員會 – 高齡化指標
  2. 衛福部於 108 年發布了國人十大死因報告
  3. 清華大學動力機械工程學系的張禎元特聘教授學經歷
  4. 鏡像治療-衛生福利部南投醫院
  5. 清華大學 – 「清華紳士」機器人有雙溫柔手 醫療照護夠體貼
  6. Youtube – 新創復健機器人輔具公司-張禎元特聘教授 (清華大學動力機械工程學系)
  7. 台灣機器人學會電子會訊 2019 年第三期
  8. 富伯生醫科技
科技大觀園_96
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