元培科技大學
資訊管理系畢業報告
人工關節及仿生義肢的關聯性
及未來發展
指導老師: 魏良穎老師
組 員: 陳昌盛(1012412004)
徐玟蔚(1012408028)
連致遠(1012408004)
林易昇(1012408005)
中 華 民 國 一 百 零 一 年 十 二 月
摘 要
人工關節與仿生義肢相信這對大家並不陌生，人會老關節會退化、會受傷，但 仿生義肢帶來的卻是新希望，因此我們以人工關節與仿生義肢的演化歷史和未 來發展做出相關資料，並且建構一個網頁提供更多資訊來供使用者參考。 此專題包含人工關節的認識與保養和往後的維護做介紹，探討未來在這方面的 可能性。仿生義肢在台灣還不太普遍，大部分都使用傳統義肢，但國外卻有許 多例子，皆統整資料並一一列舉，同時介紹人工器官的使用和演變的歷史，研 究替代的人工器官，達成醫療科技化的願景。 關鍵字：人工關節、仿生義肢
、人工器官目 錄
摘 要………i 目 錄………ii 表目錄………iii 圖目錄………iv-v 第一章 緒論………1 1.1 背景與動機………1 1.2目的………1 1.3限制………1 1.4關鍵名詞定義………1 第2章 文獻探討………2 2.1 認識與介紹人工關節………2 2.2認識與介紹仿生義肢………3 2.3認識與介紹人工器官………4 第三章 專題設計與規劃………10 3.1 專題規劃目標………10 3.2 系統發展方法………11 3.3 專題設備………12 3.4 專題時程規劃………13-14 3.5 專題分工………15 3.6 預期貢獻………15 第四章 專題成果………16 4.1 需求分析………16 4.2 系統分析………17 4.3 系統介紹………18 4.3.1………18 4.3.2………19 4.3.3………20-21 4.3.4………22-23 4.3.5………24-26 4.3.6………27 第五章 結論與建議………28 5.1 結論………28 5.2 建議………29 5.3 未來研究方向………29 參考文獻………30-31 附 錄………32-36表目錄
表1 ………4 表2 ………5-9 表3 ………15
圖目錄
圖1 ………2 圖2 ………2 圖3………3 圖4………3 圖5………5 圖6………5 圖7………6 圖8………6 圖9………6 圖10………7 圖11………7 圖12………8 圖13………8 圖14………8 圖15………9 圖16………11 圖17………13 圖18………14 圖19………17 圖20………18 圖21………19 圖22………19 圖23………19 圖24………20 圖25………20 圖26………20 圖27………21 圖28………21 圖29………21 圖30………21 圖31………22 圖32………22 圖33 ………...22 圖34………23 圖35………24 圖36………24 圖37………24 圖38………25 圖39………25 圖40………25 圖41………26 圖42………26 圖43………26圖44………27 圖45………27 圖46………27 圖47………28 圖48………29 圖49………32 圖50………32 圖51………33 圖52………33 圖53………34 圖54………34 圖55………35 圖56………35 圖57………36
第一章 緒論
1.1 背景與動機
現今,科技使得人體逐漸能夠受到健全的藥物保護,以及依靠各種人工的關結、義 肢,來取代先天,或者後天所造成的人體缺陷。而隨著科技的迅速發展,人類也許 能夠研究出,足以完全取代整個人體器官,或是整隻手臂、腳...等等的可能也說不 定,對於未來科技可能推展而出的新式科技，將可能取代整個人體做研究,而我們 的專題將往這個方向去做研究,希望藉此能夠更深入瞭解,及分析成功的可行性與 可能不可出現的抗拒因素。1.2 目的
本專題研究及分析可對於大眾對於肢體的保健有認知及肢體手術的認識，以及 現今新式科技將慢慢取代人體肢體、器官的基本觀念，對於未來尚未發展而出 的肢體、器官做出分析可否慢慢實現人類想追求永恆的生命夢想。1.3 限制
本專題在進行過程中力求盡善盡美，但恐怕尚有下列限制： 1.由於本專題進行時間僅一學期，時間恐怕太短，所以程式功能可能未能完善。 2.由於人工義肢資訊方面在台無許多資料可參考，故義肢資料可能並不齊全。1.4 關鍵名詞定義
本專題計用到下列幾個重要的名詞，茲分別定義如下： 1. 人工關節 2. 仿生義肢 3. 人工器官第二章 人工關節
2.1 認識與介紹人工關節
人工關節，顧名思義，就是將人體因各種疾病或意外傷害造成無法使用 的關節，以外科手術的方法予以置換的人工植入物。 人體許多部位的關節都已有人工植入物的發展，例如膝關節、髖（股）關節、 肩關節、肘關節、腕關節、踝關節、指關節，甚至連脊椎的關節都已可以置換， 然而發展歷史較久且技術已成熟的部位為膝、髖及肩、肘等。 依95年全民健保統計顯示，台灣地區至少有兩百多萬（2,738,547人）病患為 關節病變所苦；其中，膝關節障礙患者就有92,581人，一年內有一萬多人接 受人工膝關節置換手術。 人工關節置換一般列屬「清淨手術」，即手術範圍清淨，且過程不易受到污染， 因而抗生素使用以不超過三天為原則。但，一旦人工膝關節置換術引發併發 症，則亦以感染最具破壞力；輕者需抗生素治療，重者需將人工關節拔除、 並清創，待感染控制後再植入新人工關節，患者常因而備受折騰。 依據文獻，人工關節置換術感染率約在0.3~1﹪。除了感染，這項手術其它常 見併發症，還有人工關節鬆動、脫位、磨損及破損、血管及神經受損、骨折、 靜脈栓塞、關節不穩定等。 圖1 人工關節組件示意圖 圖2 手術前後對照圖2.2 認識與介紹仿生義肢
義肢或假肢（Prosthesis）指人造肢體，用來取代肢體的功能障礙（不論暫時性 或永久性），或是用來掩飾肢體傷殘，並使其達到一種審美平衡。 義肢是由矽烷系列的彈性體材質製作而成。與其他的基於碳鏈的塑料所不同的 是，這些材質是矽鏈塑料，使其不溶於常規的有機溶劑，如酮、醇類、汽油、 潤滑油等。此外，由於其結構中不含碳的成份，使其能耐高溫。這種材質還具 有彈性良好、特別耐撕裂的特性。 圖3 仿生義肢使用者示意圖(1) 圖4 仿生義肢使用者示意圖(2)2.3認識與介紹人工器官
人造器官亦稱人工器官,屬生物醫學工程范疇。用人工方法制造的天然器官 代用品。 更換病損器官有兩種方法：自然器官移植和更換人工器官。 前者因取材困難和免疫排斥問題，不能作為唯一方法；相比而言，隨著生物 醫學材料的發展，人工器官正得到廣泛的臨床應用。 生物醫學材料是人工器官的研制基礎。所用材料主要有非金屬材料、高分子 材料、金屬材料三大類。組織相容性、血液相容性、材料穩定性、安全性等 是開發生物醫學材料主要考慮的問題。人工器官的研制進展大致為：由體外 進入體內；由大型到小型、微型；由暫時應用到長期應用；功能由簡單到復 雜并逐步完善。表1
人工器官發展歷史
1943年 Kolff 醫師首先使用透析技術替代腎臟功能， 開始了“人工器官”而 “人工”代表著器官功能的替代或交換。 1953年 Gibbons 等人首先把利用心肺繞道術加上體外幫浦與氧合器來代替心 臟與肺臟功能應用在臨床開刀手術上。 1958年 Senning 醫師植入體內心臟節律器。 1962年 Charnley 醫師首先植入第一個人工髖關節。 1963年 Mikami、Mito 和 Nose 等人， 首先利用組織工程取得肝臟組織人工肝 臟。 1969年 Cooley 醫師首先完成雙心室輔助器植入。1982年 DeVries 醫師替病人 Barney Clark 植入完全人工心臟。
2001年 完全人工臟 AbioCor 開始其臨床人體實驗， 其經皮電能傳導糸統使 病患日常生活更進一步與常人相同。
表2 人工器官發展年代與介紹
細分 年代 簡介人工關節
髖關節 系統 1960年首 次進行全 人工髖關 節置換術 人工髖關節的構造包括股骨柄、股骨頭、髖臼杯及髖臼 襯墊。(資料來源) 聯合骨科器材股份有限公司 (圖片來源) 聯合骨科器材股份有限公司 圖5人工髖關節組件圖 膝關節 系統 1938 人工膝關節的發展可以回溯到1938年以金屬物質取代關 節軟骨而成，人工膝關節包括股骨部份的合金﹑脛骨部 份的合金及構成關節面的高分子聚乙烯化合物。(資料來 源)聯合骨科器材股份有限公司 (圖片來源) 聯合骨科器材股份有限公司 圖6 合金材質示意圖仿生義肢
仿生義 肢 西元前 1069~664 開羅腳趾西元前1069~664 1950 骨結合 2001靶向肌肉重新支配神經 2012 意念控制仿生假肢 2013觸覺義肢圖7 開羅腳趾
器官
腦 2015 『藍腦計劃』2005年由瑞士洛桑理工學院大腦與心智研 究所發起。 2015利用成年人的皮膚細胞，轉化成誘導型多功能幹細 胞（iPS cells），並製造出人類腦組織。 圖8 研發示意圖 （互聯網圖片） 圖9 圖片來自：http://listverse.com/ 眼 2013 這項重大發明，是由來自台灣的洛杉磯加大生物工程系 教授劉文泰（Wentai Liu），與其領軍的工程設計研究團隊，與醫師、工程等相關人員研究成果技術轉移而成。 圖10 電子眼運作圖 鼻 2013 幹細胞培養2013 圖11 培養器官示意圖(1) 耳 2013 幹細胞培養2013
圖12 培養器官示意圖(2) 皮膚 1981 1981年，美國外科醫生揚尼斯第一次將這種人造皮膚應 用於一個3度燒傷的病人 圖13 人造皮膚使用者圖 肺 2026 美國科學家首度在實驗室成功培育出人造肺，不過專家 估計需再經12年，方能用於肺臟移植。 心臟 1982 1982年12月2日，61歲的巴尼•克拉克博士成為第一位植 入永久性人工心臟的心臟病患者。 2013 - 仿生人 圖14 仿生人雷克斯 肝
腎臟 2008 2008穿戴式腎臟 圖15 穿戴式腎臟圖 胰臟 2013 生物醫學 化學工程 2013仿生人 胃 大腸 生物醫學 化學工程 小腸 生物醫學 化學工程 膀胱 2006
In 2006, we reported long-term success implanting bladders that were engineered in the laboratory into young patients with spina bifida.
生物醫學 化學工程 生殖器 2006 2006年，Atala 成功地培養出新的海綿體，在勃起時會充 血的部分，讓原本被切除的公兔生殖器長回。 生物醫學 化學工程
第三章 專題規劃與設計
3.1 專題規劃目標
本專題希望能夠達到的功能： 本專題希望能夠達到的功能： 1.對於人類未來的走向及醫學科技走向的評估 2.評估出來的結果有跟無的差異 3.人工關節與仿生義肢的發展與應用3.2 系統發展方法
本專題所欲開發的系統，整體架構圖如下所示圖16 系統發展圖
網站入口 首頁 仿生人影片 認識與介紹人工 關節 認識與介紹仿生 義肢 認識與介紹人工 器官 人工關節 認識退化性關節 炎 何謂退化性關節 炎 退化性關節炎有 何症狀 如何治療退化性 關節炎 保守治療 口服藥物治療 保健食品的選擇 注射藥物治療 手術治療 關節鏡清創術 截骨矯正手術 部分人工膝關節 置換 全人工膝關節置 換 仿生義肢 開羅腳趾 雷維爾大腳趾 近代仿生科學 器官移植 腦 眼睛 耳 鼻子 皮膚 肺 人工心臟 人造腎 未來科技 科幻電影有望成 為現實 仿生人技術突飛 猛進 目前人類已可造 出近70%仿生人3.3 專題設備
本專題所需使用之軟硬體有： (1)軟體方面： Microsoft Windows 7 Microsoft Wordpad Powerpoint Dreamweaver Photoshop (2)硬體方面： 處理器:Intel(R)Core(TM)i3-3220 CPU @ 3.30GHz 安裝的記憶體(RAM):8.00GB 系統類型:64位元作業系統3.4 專題時程規劃
專題時程規畫(甘特圖)
本專題由開始規劃至系統完成，預計會有下列幾項工作……
3.5專題分工
表3 專題分工
日期 項目 人員 104/1/1~104/2/28 討論題目 昌盛、易昇、玟蔚、致遠 104/3/1~104/3/31 分配工作 昌盛、易昇、玟蔚、致遠 104/4/1~104/4/30 查資料 易昇、致遠 104/5/1~104/5/33 製作目錄、格式 昌盛、玟蔚 104/5/1~104/6/30 製作各章節細部 昌盛、玟蔚 104/7/1~104/8/31 補充圖片 易昇、致遠 104/9/1~104/10/31 排版 玟蔚、易昇 104/11/30~104/12/31 校稿 致遠 104/10/1~104/12/31 網頁製作 昌盛表1-10
3.6預期貢獻
收集有關於人工關節與仿生義肢的資料後,再製作網頁並將資料放到此網頁中,提供 對於此類資訊有相關需求的人,能輕易且快速的搜尋到相關資訊。第四章 專題成果
4.1 需求分析
(1)功能性需求 1. 一般使用者可以利用此系統瀏覽網頁 2. 一般使用者可以利用此系統查詢 (2)非功能需求 1. 使用者： a. 此系統對於初學者和對系統有經驗的使用者容易操作。 2. 效能： a. 能夠簡單完整瀏覽此網頁給使用者使用。4.2 系統分析
4.3 系統介紹
4.3.1 專題首頁
這是介紹關於人工關節、仿生義肢，及器官移植資料網站的首頁
4.3.2 專題首頁標籤
這是點選首頁標籤認識與介紹人工關節、認識與介紹仿生義肢，及認識與介紹 人工器官後顯示的頁面 圖21 點選認識與介紹人工關節後顯示之頁面 圖22 點選認識與介紹仿生義肢後顯示之頁面 圖23 點選認識與介紹人工器官後顯示之頁面4.3.3人工關節
這是點選首頁分頁標籤人工關節後顯示的頁面
圖24 點選分頁標籤人工關節後顯示之頁面
圖25 點選分頁標籤人工關節內的標籤認識退化性關節炎後顯示之頁面
圖27 點選分頁標籤人工關節內的標籤認識退化性關節炎有何症狀/如何治療退 化性關節炎/保守治療/口服藥物治療/保健食品的選擇/注射藥物治療/手術治療/ 關節鏡清創術後顯示之頁面 圖28 點選分頁標籤人工關節內的標籤截骨矯正手術後顯示之頁面 圖29 點選分頁標籤人工關節內的標籤部分人工膝關節置換後顯示之頁面 圖30 點選分頁標籤人工關節內的標籤全人工膝關節置換後顯示之頁面
4.3.4 仿生義肢
這是點選首頁分頁標籤仿生義肢後顯示的頁面
圖31 點選分頁標籤仿生義肢後顯示之頁面
圖32 點選分頁標籤仿生義肢內的標籤開羅腳趾後顯示之頁面
4.3.5 器官移植
這是點選首頁標籤器官移植後顯示的頁面
圖35 點選認識與介紹人工關節後顯示之頁面
圖36 點選分頁標籤器官移植內的標籤腦後顯示之頁面
圖38 點選分頁標籤器官移植內的標籤耳後顯示之頁面
圖39 點選分頁標籤器官移植內的標籤鼻子後顯示之頁面
圖41 點選分頁標籤器官移植內的標籤肺後顯示之頁面
圖42 點選分頁標籤器官移植內的標籤人工心臟後顯示之頁面
4.3.6 未來科技
圖44 點選未來科技後顯示之頁面 圖45 點選分頁標籤未來科技內的標籤科幻電影有望成為現實/仿生人技術突飛 猛進後顯示之頁面 圖46 點選分頁標籤未來科技內的標籤目前人類已可造出近70%仿生人後顯示 之頁面第五章 結論與建議
5.1 結論
本專題結合相關資訊及網際網路,來整合成一個方便瀏覽的頁面,,因此便將我們 蒐集的資訊整合製作於一個網頁上來做為專題。從走勢圖及仿生完成率兩圖中, 可發現隨著時間及技術,能以人工(人造)的方式取代的原生部位已經越來越多了, 隨著時間的演變,接下來可能將碰到技術上的障礙(如大腦在現有認知中,是不可 能以人工的方式做取代)以及使用年限為期多長,重大部位在更換時是否伴隨著高 風險,這些都還需要時間來斷定,期望這份專題報告能讓更多人認識到人工關節與 仿生義肢,以及往後發展。 過程中我們也碰到許多瓶頸,如相關資料少,國外資料需要翻譯,組員討論時間上 的不一致等等的問題,是我們必須克服的,而現代醫術與科技是日新月異,我們卻 是無法時時刻刻跟新相關資訊提供給大家。 圖47 仿生演化走勢圖 西元前 1069 西元 1938 西元 1960 西元 1981 西元 1982 西元 2006 西元 2008 西元 2013 西元 2015 西元 2026 未完成率 94.737 89.474 84.211 78.948 73.685 63.159 57.896 36.844 34.213 31.582 完成率 5.263 10.526 15.789 21.052 26.315 36.841 42.104 63.156 65.787 68.418 演化線 5.263 10.526 15.789 21.052 26.315 36.841 42.104 63.156 65.787 68.418 94.737 89.474 84.211 78.948 73.685 63.159 57.896 36.844 34.213 31.582 5.263 10.526 15.789 21.052 26.315 36.841 42.104 63.156 65.787 68.418 5.263 10.526 15.789 21.052 26.315 36.841 42.104 63.156 65.787 68.418 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100仿生演化走勢圖
圖48 仿生完成率圖
5.2 建議
由於本專題製作研究時間不足,去瞭解後,發覺關於這部分的資料為國外居多,所 收集的資料也只是概略而已,如欲探索更深層的研究資料,請前往相關網站或書籍 查詢,最終就是希望本專題能夠對有相關需求的人有幫助。5.3 未來研究方向
未來各種人工部位(器官),能否針對個人狀況做出客製化的部分,來滿足客戶獨立 需求,以及使用的材料還有無更好的能夠取代,來增加產品使用的期限,讓使用者 不用苦於使用期限過短需多次更換(開刀),我們想統計出未來的數據來增加本專 題的完整性 31.582% 68.418% 0 0仿生完成率
尚未完成 完成參考文獻
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附錄
圖49
U-Motion II⁺™ 髖臼系統
圖51
手術器械
圖53
BIOLOX®Option 陶瓷球頭
圖55
CMA™ 脛骨基座
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