蹲下去，站不起來的退化性關節炎

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

退化性關節炎長久以來都被視為是一項由老化帶來的致命傷，對症治療方式僅有紓解疼痛而已。事實上，這是一種完整獨立的關節疾病，多種可能導致軟骨損壞的危險因子已獲確認。退化性關節炎的起因機制研究相當活絡，研究員應該可以在未來幾年內找到新的治療標靶，並研發出對抗退化性關節炎的專門藥物。

軟骨與關節的退化

退化性關節炎是最常見的關節疾病，特徵是軟骨損壞並擴散到所有的關節結構，尤其是骨頭與滑膜組織的部份。覆蓋在關節最外層骨質上且可互相滑動的軟骨會越來越薄、進而碎裂，最後完全消失，引發疼痛與喪失行動能力的嚴重殘障。

研究員目前仍不了解這個退化機制，該機制因而成為主要的研究目標。

多個危險因子已獲確認

軟骨損毀是一種與年齡、新陳代謝失調、壓力過大、某些關節疾病或軟骨天生脆弱有關的真實病理過程。遺傳是一項可能的危險因子，特別是手部退化性關節炎。

機械性壓迫如承載過重、常背載重物、過於激烈的身體活動，都會損毀軟骨。某些解剖性異常或創傷後遺症（關節骨折、被忽略的扭傷、脫臼、半月板剝落）也會導致軟骨損傷。其他影響關節的疾病如軟骨鈣化、骨頭壞死症與類風濕性關節炎，同樣也會引起軟骨損毀。因肥胖症而引起的新陳代謝失調似乎也會造成軟骨損毀，例如肥胖者得到手部退化性關節炎的比例是一般人的兩倍（註一）。

退化性關節炎的診斷方式是臨床檢查，醫生透過關節 X 光照射來觀察連結骨頭的關節空隙縮小情形。為了觀察病情的嚴重性與惡化速度，尤其是非脊柱部分的狀況，最好每一到兩年定期檢查一次。

65 歲以後常發生退化性關節炎

在法國，未滿 45 歲即罹患退化性關節炎者僅有 3%，65 歲以上的患者佔 65%，80 歲以上的患者則高達 80%。發病頻率隨部位而有所不同：

– 退化性脊椎關節炎：最常發生在 65 到 75 歲的人身上（70% 到 75%），但症狀最不明顯；
– 退化性手指關節炎：手指是第二常見的好發部位（60%），其結果是不可逆的變形；
– 退化性膝關節炎與退化性髖關節炎：分別佔 65 歲至 75 歲人口的 30% 與 10%，它們最易使人喪失活動能力，因為受到影響的是承載人體重量的大型關節。

其他關節也可能受影響，但肩膀、手肘、手腕、腳踝的退化性關節炎較為罕見。

無法預測的變化

軟骨病變不會隨時間減弱，其演進也是非線性的，有時速度非常快，例如可能不到五年就須安裝人工髖關節。但退化性關節炎也可能在許多年之內慢慢變化，而沒有引發嚴重的殘障。

兩個無法預期的階段會不斷交替：在慢性階段中，會有不同的日常性困擾，疼痛較為溫和，但不時有伴隨關節發炎的強烈疼痛發作，此時疼痛感強烈，從早上便出現，有時也會在夜間出現。在慢性階段中，醫生會建議病人保持規律的身體活動，但疼痛發作時，應讓關節休息。事實上，軟骨損毀就發生在此階段。

僅進行對症治療

目前只存在減緩疼痛的對症治療，尚無任何可保護軟骨的抗退化性關節炎療法。藥物治療始終必須配合非藥物性的治療。止痛藥可對抗疼痛。最主要的藥物是 Paracetamol，但也可使用其他適合不同疼痛程度的藥物。

若出現發炎情形，口服、凝膠或藥膏形式的非類固醇抗發炎藥物（AINS）都很有用。為了進入另一個治療階段，醫生也會將類固醇滲透劑這種強效抗發炎藥物直接注射到關節中。一般而言，同一關節每年的注射次數限於三次。

某些所謂的長效治療，在疼痛持續時，能較緩慢但持久地舒緩病人的疼痛，其效果可維持將近六個月，但多半十分微弱。這類藥物包括硫酸軟骨素、硫酸葡萄糖胺、酪梨與大豆的非皂化物或是 diacerhéine。

其他可維持六個月的鎮痛辦法包括被稱為粘稠補充療法的玻尿酸注射，就是注射一種成份近似生理滑膜液的粘稠物質。關節清洗則運用在膝蓋上，在局部麻醉的情況下，可使用生理食鹽水清除軟骨殘留物。科學文獻對這些技術效果的爭議性都有記錄。

防止惡化的方法

以下是遏止病情惡化的必要方法，必須依病況與退化性關節炎發生的部位進行個人化的調整。建議採用的方法如下：

– 若體重過重，需減重；
– 在未出現發炎狀況時，規律從事和緩的身體活動，例如每週三次去散步一小時；
– 避免擔載重物；
– 依自身健康狀況調整周圍環境，例如藉助浴缸中的扶手，或者將廚房中的廚具放在伸手可及的範圍內；
– 當症狀加劇時，準備一根拐杖；
– 罹患退化性膝關節炎者，應穿著矯正型鞋墊等等。

安裝人工關節

用以取代病變關節的人工關節需透過外科關節置換手術來安裝。當髖關節和膝蓋病變過於嚴重時，可換裝人工關節。雖然它通常能明顯改善生活品質，但平均效能僅約十五年左右。

邁向抗退化性關節炎的標靶治療

辨識退化性關節炎的機制

長久以來，退化性關節炎都被視為是軟骨損壞，但它實際上卻是一種破壞性與發炎性的症候群，與多種風險因子相關。科學家不再討論普遍性的退化性關節炎，而是依病人的狀況來討論「各種退化性關節炎」，例如年紀引發的退化性關節炎、過度肥胖造成的退化性關節炎、關節疾病帶來的退化性關節炎等等。這些情形會導致各種不同的病理機制，造成關節組織如骨頭、軟骨與滑膜組織之間有不同的分子信號介入。對這些機制的瞭解，可讓醫生在未來幾年內，在診斷時擁有病情進展的預測性生物指標，同時可讓醫界找到新的治療標靶，以期根據病人的狀況，將照護與治療個人化。

抗發炎、刺激軟骨或骨頭的製造

在等待新治療標靶的同時，醫藥界也在評估多種抗發炎分子藥物。區域性發炎似乎確實與軟骨退化有關。因此，當發炎因子如第一介白素（interleukine 1）或腫瘤壞死因子 -α（TNF-alpha）等細胞激素（Cytokines）在特定區域出現時，便成為潛在的治療標靶。研究員已經做過抗發炎因子的單株抗體測試。第一介白素的測試結果令人失望；目前正在進行對抗腫瘤壞死因子 -α 的測試，尤其是針對退化性膝關節炎與手關節炎的藥物 adalimumab。

其它分子藥物則以刺激軟骨的製造為目標，例如生長因子 FGF18 可刺激 chondrocyte（一種會生產軟骨的細胞）製造軟骨基質（matrice cartilagineuse），或是刺激似乎也在進行同樣活動的蛋白多醣（lubricine），方法是將這些重組分子注射到關節腔內。研究員目前已在進行人體試驗，希望能獲得結構性的成果，達到修復軟骨或使軟骨穩定的目的。

其他對骨頭有特定療效的分子也用於退化性關節炎的測試中，例如已上市的 Zoledronic acid 或 strontium ranelate 是用來治療因骨質脆弱而造成的骨質疏鬆症。研究員目前正在評估這些藥物對人類退化性膝關節炎的療效。

替代變質的軟骨

研究人員的另一項目標是修復病變的軟骨，甚至利用直接注射到關節中的細胞移植來替換軟骨。目前正在進行軟骨細胞與生物材料結合的試驗，希望能製造出半人工軟骨或幹細胞。

第一種情況是設計能與人體相容的支架材料，讓移植的軟骨細胞可圍繞此支架增生、製造新的軟骨基質。初期動物實驗的結果令人振奮，尤其是健康軟骨受創後的治療。可惜的是，當發炎情況嚴重時，再加上骨頭與滑膜組織有問題，就不易進行移植。

其他團隊則針對脂肪幹細胞進行研究。這些從脂肪組織中取出且尚未分化的細胞，能在關節環境與其它不同生長因子的影響下，變成軟骨細胞。由法國蒙貝利耶（Montpellier）大學醫學中心統籌的歐洲抗退化性關節炎合作計劃（ADIPOA），正依此方向進行初期退化性關節炎治療效果的研究。初步結果令人鼓舞，但也証實幹細胞對軟骨的主要效果在於其強大的抗發炎能力，而非分化成軟骨細胞的能力。但要証實這些治療策略對人體的功效，並使之合法化，尚需多年時間。

＊註一：參見 Yusuf E, Nelissen RG, Ioan-Facsinay A, Stojanovic-Susulic V, DeGroot J, van Osch G, Middeldorp S, Huizinga TW, Kloppenburg M Ann Rheum Dis. 2010 Apr;69 (4) :761-5

作者：駐法國代表處科技組
資料來源：L’arthrose, une maladie à part entière—法國國家衛生暨醫學研究院（INSERM）線上資訊 [2012-04]

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-07-02]