中原大學醫學工程研究所學位論文
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中文摘要 生醫植入式微小化系統的能量來源可分為：(1)於植入式系統內置電池作為能量來源，(2)外部電源傳輸能量．以外部電源傳輸能量的好處是植入式生醫元件的壽命不會因為電源耗盡而必須更換，但是缺點是外部電源若為有線傳輸，則可能有傷口感染的可能，若為無線傳輸，則無線電源會受到生物組織的阻礙而影響植入式元件的正常功能，本篇論文中主要是探討以RF無線功率傳輸技術作為植入式電子生醫元件及系統所需的電源供應及資料傳輸的方式，首先介紹生醫植入式微型系統及以E級功率放大器作為其能量傳輸，我們將解釋class E功率放大器的基本線路及生醫植入式電刺激器的線路基本架構並製作可調整四種不同振盪頻率之class E振盪線路．在理論中闡述RF電源線圈耦合原理及影響電源耦合的基本因素，介紹發射線圈幾個種類與我們所採用的線圈的磁場分布，並介紹在組織細胞中，影響組織對於RF能量吸收的因素．我們探討植入式能量接收元件在四種振盪頻率下，於生物體中與在空氣中時所能接收到的能量之差異，本實驗採用豬肉脂肪與豬里肌肉作為生物材料，探討在發射線圈與接收線圈之間的材料之介電係數，高度，截面積與在接收線圈下方的包覆材料與接收線圈所接收到的能量的關係．本研究發現，低頻的傳輸效率低於高頻的傳輸效率，然而，在低頻中，接收功率的衰減比高頻較為緩慢，換句話說，低頻具有較高之穿透性．除此之外本研究發現，在高介電係數材料中，能量衰減的速度較低介電係數材料緩慢．吾並建立一套評估模式，可用於評估一植入式元件置於一豬肉材質中時，可能所能接收的功率．
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股骨殘餘變形向來是先天性股骨頭滑脫、Perthes氏疾病及細菌性關節炎治療後，最為嚴重的併發症之一。其特徵包含股骨頸過短、大轉子發育過大及下肢長短不一等髖關節之崎型發育。Papavasiliou等人曾經針對十六名患有髖關節殘餘變形之患者施以L型股骨近端截骨術，經術後臨床追蹤證實效果良好。此一手術法，不僅使得大轉子回歸正常位置，且術後下肢長短一致；此外，更由於術後股骨頸之延長及股骨球頭更深入髖臼，大幅提高髖關節術後之穩定性。 本研究之目的，乃是以三維有限元素法評估L型截骨術術後股骨之力學表現。採用的方法，是以左側股骨患有殘餘變形之病患，利用其電腦斷層影像，以四種不同截骨深度配以四種不同數量之骨螺釘固定做為比較參數，並以同一病患之健康右側股骨幾何形狀作為手術矯正之依據，分別建立有限元素模型。在單腳站立情況下，分析比較上述不同的截骨條件術後股骨蒙麥斯應力與股骨球頭位移量之差異。 結果顯示：植入骨螺釘數量多寡對於股骨之應力分佈並無顯著差異。但是植入較多之骨螺釘數則可得到較少之球頭位移量，進而提高術後股骨穩定性。此外，在骨螺釘總數量相同的情況下，則以股骨板上端骨螺釘之效果優於股骨板下端。而在截骨深度方面，截入深度越深，對於術後股骨之高應力分佈越廣、位移量越大，將降低術後股骨之穩定性。
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摘要 本研究之長程目標為利用表面肌電訊號(SEMG)之特徵值發展出一套可辨識手部動作之系統，並選擇倒傳遞類神經網路演算做為手部動作辨識之核心。本研究之先期研究已完成七通道主動電極SEMG擷取系統，當取得SEMG並計算其特徵值後，即可提供網路輸入之用。由於目標之系統必須為可攜式，利用數位訊號處理晶片(DSP)以軟體實現複雜之類神經網路運算將佔據太多DSP的資源，也無法達到即時(real time)之快速要求。設計特殊晶片雖能加速運算，減少軟體的複雜度，但是所需的發展時間較長。另一方面，場效式可程式閘陣列(FPGA)在硬體實現中提供一個過渡且易於除錯的方案，因此本研究採用FPGA硬體實現的方式，實現一具有學習功能之類神經網路晶片，利用主從式架構以減少DSP的運算負擔。 本研究先以Matlab軟體模擬類神經網路之運算，以驗證演算流程之正確性，降低日後晶片設計除錯之難度，待軟體測試無誤後，再邁入硬體開發與測試流程。軟體測試利用Matlab toolbox內建之類神經網路與Matlab類神經程式對照，用以驗證演算流程是否正確，另外為了配合FPGA之定點運算，亦做了幾項定點數測試，最後選擇Q19作為小數點解析度之格式，並以成對t-test檢定三者之辨識率以檢測定點數所造成的影響，結果顯示toolbox與Matlab類神經程式並沒有差異(P = 0.574 > 0.05)；而toolbox與Q19定點運算以及Matlab類神經程式與Q19定點運算則均有明顯差異(P值分別為0.00944及 0.04137)。FPGA完成後，以9位受測者之手部表面肌電訊號進行FPGA效能測試，同時利用成對t-test比較toolbox、Matlab神經網路與FPGA之辨識結果是否有差異，Matlab類神經程式與FPGA晶片之辨識結果具有明顯差異，P為0.002 (P<0.05)；toolbox 與FPGA晶片也具有差異，P為0.000035(P<0.05)。9位受測者中FPGA最高及最低辨識率分別為98.18％及83.64％(平均91.92±4.82％)。收斂速度方面，為了搭配DSP時脈，採用40MHZ作為系統測試時脈。其中最快及最慢之收斂速度分別為2.23秒及7.38秒，平均收斂速度為3.81±1.57秒。同時，最後晶片測試中，FPGA硬體資源使用仍有很大空間，類神經網路之大小可以藉由擴大各記憶體的方式再予以擴充，不需侷限在42*32*28之網路大小。 關鍵詞：表面肌電訊號(SEMG)、倒傳遞類神經網路、場效式可程式閘陣列(FPGA)
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摘要 現今市面上的多功能電刺激器，以表面電極藉由不同頻率、強度的脈衝波刺激肌肉，達到阻斷、舒緩肌肉的效果。但由於無法自動調整刺激而產生刺激過度或刺激不足的現象，因此若能有效依據肌肉反應來調整刺激的強度，則對此現象將有大幅度的改善。 本研究建構一以PC為平台，以LabVIEW為即時分析、控制介面的肌電生物回饋系統，利用受電刺激時的人體表面肌電訊號（SEMG）為訊號源，經過LMS自適性濾波器與blocking處理去除殘餘的刺激訊號後，計算出肌電訊號的功率值，經過生物回饋的機制進而調控刺激訊號的強度，如此週而復始達到使肌電功率維持在一定值的目的。本研究中共設計三項實驗，其中實驗一、二為確立肌電訊號功率與刺激訊號強度之間的關係；實驗三則利用實驗一、二的結果完成系統的建構與驗證。 經由實驗一、二分析後得知，當刺激訊號強度增加時，肌電訊號功率亦成線性增加的趨勢。利用此結果在實驗三中，完成肌電生物回饋控制系統，並驗證證明此系統確實可依SEMG功率調整刺激強度，並控制SEMG功率在特定的範圍內，使肌肉維持一定程度的收縮狀態。 整體而言，本系統已完成初步的系統架構，但本系統中的肌電訊號功率仍受到許多不確定的因素所影響，包含在刺激頻率較高時所引起的的肌肉反應（muscle response）是否該列入考量。同時，若能改進回饋機制有效的預測下次的肌電功率，則可大大提升整體系統的效能與穩定性。
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摘 要 使用電腦計算模擬的方式從事足部生物力學之研究，不僅能夠排除進行體內實驗之限制，完成體內實驗所無法施行之研究，更能夠降低體內實驗所需耗費之龐大設備資源與經費。綜觀各項有關足部之有限元素分析研究可知，唯有較為符合人體解剖學之足部幾何外型及其軟硬組織之建構，配合施予適當之邊界條件，並根據研究重點適當且合理地簡化有限元素模型，才能有效的提高模擬分析之效率，精確的展現靜態站立或步態週期期間正常足底與足部內部應力及應變之分佈情形。進而配合各種輔具模型之建構，完成輔具之功能性評估與結構分析。本研究採用泛用型網格建立系統 Gridgen V14 建構一區分各關節之足部骨骼與部分軟組織三維六面體有限元素模型。並利用進階型有限元素結構分析軟體 LS-DYNA 970，配合步態分析之運動學參數，進行人體步態之動態分析，探討站立期間（stance phase）足跟著地期（heel strike）跟骨（calcaneum）之應力與距下關節（subtalar joint）之壓力分佈狀態。此外，亦分別進行五位正常男性左足之足底壓力量測實驗十次，比較模擬分析與實驗之結果，作為有限元素分析結果之驗證。 分析結果顯示，跟骨於足跟著地期之應力分佈由跟骰關節附近逐漸往跟骨後端傳遞，von Mises應力分佈值約為30 ~ 180 KPa。而距下關節於足跟著地期，前與後關節面承受壓力，中關節面則承受張力。此現象證實距下關節於足跟著地期具有維持人體自然姿勢之功用。本研究完成之三維六面體有限元素模型建立與分析，不僅結果獲得足底壓力量測實驗之驗證，亦證實利用動態有限元素分析從事足部生物力學之可行性。未來可藉由本模型之改良與運用，完成整體步態週期之動態有限元素分析，並運用於臨床醫學，提供臨床醫師量化之數據作為術前規劃之參考，與術後輔具之製作。達成工程科技與醫學臨床結合之終極目標。
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隨著年齡的增長亦或是婦女停經後會引發大量骨質流失，造成骨質疏鬆症。而骨質疏鬆所導致的脆弱骨質，以及隨之而來的骨折，已經被視為一種愈來愈重要之公衛健康問題。停經後之婦女愈來愈想以比較天然之療法來改善停經後之症候群。植物性雌激素 ( phytoestrogen ) 是這類療法中極具潛力之一顆新星，特別是從大豆中所獲取之異黃酮類 ( isoflavones )，被視為是一種選擇性雌激素接受體調節物 ( Selective estrogen receptor modulators: SERMs ) 。近來的研究也發現到很多類的植物性雌激素，特別是異黃酮類之genistein以及daidzein，具有雌激素之功能，卻沒有一般雌激素替代療法 ( hormone replacement therapy-HRT ) 之副作用，因此有愈來愈多之研究想探討是否可做為HRT之替代物來防治骨質疏鬆症。 根據植物性雌激素所擁有的這種作用之下，本研究試圖想要建立起一套體外蝕骨細胞培養模式來探討植物性雌激素對防治骨質疏鬆的效果，更希望能結合有關電磁場刺激的研究，將兩者的效用合併使防治骨質疏鬆的效果更好，期建立一套完整且有效的防治方法。 首先以1.3 Gauss強度之7.5 Hz單脈衝電磁場刺激加入含genistein和daidzein之骨髓細胞培養系統，每天刺激2小時，共刺激9天欲探討加了電磁場之不同種類的植物性雌激素是否會因此而影響蝕骨細胞之生成。 另外，也已完全相同的條件但多添加了抑制劑，欲探討加了電磁場之不同種類的植物性雌激素是否是藉由這些抑制劑的路徑而影響蝕骨細胞之生成。 而本研究中發現genistein和daidzein在濃度為10-5 M時，對蝕骨細胞的抑制效果最佳，其中又以daidzein的作用比genistein好。同時加入genistein和電磁場刺激與同時加入和daidzein電磁場刺激，可發現電磁場有更進一步抑制蝕骨細胞生成的效果。而當genistein和daidzein濃度提高時，加入電磁場刺激會有更好的效果。 在抑制劑中，環乙亞胺對genistein抑制蝕骨生成數目並無影響，但三苯氧胺卻有更加進一步抑制蝕骨生成數目，而genistein抑制蝕骨生成數目並不是經由蛋白質合成和protein kinase C這2條路徑所造成的。環乙亞胺可以block daidzein抑制蝕骨生成數目，相同的三苯氧胺也可block daidzein抑制蝕骨生成數目，因此daidzein抑制蝕骨生成數目是經由蛋白質合成和protein kinase C這2條路徑所造成的。 電磁場對於蝕骨細胞之影響，部分應該是經由蛋白質合成的路徑所造成之結果。而當genistein或daidzein濃度上升時，加入環乙亞胺的電磁場刺激並沒有更好的效果。而電磁場不是經由protein kinase C的路徑對蝕骨細胞生成造成影響。同樣的當genistein或daidzein濃度上升時，加入三苯氧胺的電磁場刺激並沒有更好的效果。
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在根管治療之後的牙齒，由於已失去了牙髓腔中神經、血管、淋巴等營養供應，因此根管治療後牙齒的復形為一重要課題。使用冠柱體為常用方法之一。本研究目的在使用有限元素法來分析植入不同材料性質、不同幾何條件之冠柱體對於根管治療後牙齒的穩定度的影響。為了模擬牙齒之真實情況，使用不同的接觸條件套用到模型之中，並做比較與分析結果探討。本研究使用有限元素模型前後置處理軟體Mentat 以及Marc 2003有限元素分析軟體進行分析，分別模擬咬合力50 N、以及唇側10 N微小傷害力之負載；分析結果顯示，使用樹脂材質比起金屬材質較沒有明顯之應力集中現象，並且可使應力較為平均分布。研究中並針對牙本質與冠柱間接觸特性做探討，假設牙本質與冠心之間有摩擦力時，根柱直徑增加對於冠柱體的位移呈現下降的趨勢。並且有助於減低根柱之應力以及牙本質之應力。假設牙本質與冠柱為一連續體時，愈寬的根柱直徑對於整體應力分布沒有顯著的影響。欲使用樹脂冠柱替代金屬冠柱，直徑需比金屬冠柱為大，才能達到金屬冠柱的效果。
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根據行政院衛生署所發佈的「92年國人主要死因與主要癌症統計結果」資料顯示，台灣地區民眾平均每一百個人死亡中就有將近九個人是與心臟疾病有關，長期高居台灣地區主要死亡原因第三位，而心臟疾病之中，又以冠狀動脈心臟病(以下簡稱冠心病)，因為可能引起心肌梗塞或是心因性猝死，對健康的危害最大。因此，冠狀動脈心臟病的診斷與預防是值得來研究的。 本研究主要目的在結合中醫與西醫兩者對於冠心病的臨床醫療診斷方式，給予冠心病症狀定量分型與規範，並藉由人工智慧技術將所隱含的知識擷取出來，以發展適合解決問題的電腦化之專家系統。此外，也利用統計分析的方式來探討中醫證型與西醫生理參數之間的關係，以期望能作為未來冠心病中西醫結合研究中重要的參考因素。 在專家系統的設計上，主要是利用建立起的資料分析系統輔以使用者界面來建立一電腦化中西醫整合系統，並將建立資料庫來儲存相關臨床資料以便後續相關研究之使用。其中在資料分析系統設計方面，主要核心是利用類神經網路、規則萃取與決策串列等技術所架構出來。在類神經網路的部份，採用倒傳遞(Back-Propagation)類神經網路的學習法則來建立，網路共分輸入層、隱藏層與輸出層三層。輸入層為中醫症狀與西醫診斷因子，輸出層分別為中醫證型以及處方用藥。在規則萃取部份，採用教導型(decompositional)演算法。最後，再以決策串列形式的診斷順序輸出系統推論結果。 本研究共收集47名冠心病患者來作為本次研究的對象，採用的症狀共六十九種，證型共有九組，處方共有十一種。結果將所建立的系統在經過資料測試後，得知系統的最佳診斷準確率為95.6％。此外，根據所獲得之規則可發現某些中醫證型與西醫的診斷因素彼此之間有相關性。然而由於系統在推論處方用藥的部份並無法有良好的分析結果，所以在處方用藥的部份只能僅供醫師參考之用。 最後，期望所建立起的輔助系統，對於冠心病醫療能提供一資訊化的途徑來幫助醫師與其它使用者獲得所需之相關資訊。
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烏龜的呼吸、心跳與代謝速率很慢，且可以忍受無氧呼吸的能力很強，為了探討烏龜如此特殊的心跳調控機制，因此本研究希望設計出一套可量測烏龜的心電圖系統，以長期監測其心速率的變化情形。而目前一般市售的量測設備，必須限制動物的活動範圍才能量測，針對此問題，我們研發出一套無線遙測設備，進而探討烏龜在潛水時的心跳調控機制。 本研究之烏龜心電圖無線遙測系統，主要包括心電圖擷取、無線電傳輸、訊號處理及資料分析等部分。系統首先經儀表放大器(INA128)擷取心電圖訊號，然後選用益眾科技的RF數據傳輸模組(A06-0001)，將訊號透過無線電發射機傳送，再由接收端接收訊號，並透過生理記錄器(BIOPAC System)載入電腦中作為長期心電圖之記錄。 本遙測系統可以精確記錄烏龜的心電圖，且遙測距離可達8公尺，比市售遙測系統(DSI, Physio Tel Telemetry)更寬廣。我們記錄到烏龜心速率隨著環境溫度下降而降低，烏龜在陸地上溫度為30℃狀態下(有氧呼吸)，其心跳速率為35.8±1.3 bpm比18℃時的20.8±1.7 bpm為快；烏龜在水溫36℃下潛水(無氧呼吸)，心跳速率為24.4±1.2 bpm，浮出水面呼吸的心跳速率為47.8±1.8 bpm，當水溫下降至20℃時，心跳速率為9.64±1.3 bpm，浮出水面呼吸的心跳速率為18.4±2.7 bpm，由以上結果顯示，當烏龜處在無氧狀態下(潛水時)，心跳速率有顯著下降，同時伴隨著水溫下降，心跳速率有逐漸下降情形，而且可忍受無氧呼吸的時間也伴隨增長。
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在交通意外事故發生高速撞擊下，汽車的安全氣囊及機車騎士所戴的安全帽，非常容易造成頸椎的損傷。根據美國高速公路管理局的資料顯示，損傷部位發生在枕骨（occipital）到頸椎第二節（C2）的部位佔整個頸椎損傷的78%。對於治療第一頸椎及第二頸椎（寰軸椎）損傷或不穩定，在以往的文獻已有許多種不同固定寰軸椎（C1、C2）的方式，但大部分還是採用後方手術固定的方式。為了瞭解目前臨床上較常使用寰軸椎後方固定手術之固定效果，本研究以有限元素法來比較下列四種不同寰軸椎後方手術的固定方式：（1）Halifax金屬鉤固定、（2）關節間骨螺絲固定、（3）側塊骨螺絲與骨板固定、（4）椎弓骨螺絲與骨板固定，模擬寰軸椎在不同的受力（前彎、後仰、側彎、旋轉）情況下之固定效果。根據分析的位移結果顯示，以側塊骨螺絲與骨板、椎弓骨螺絲與骨板的固定較佳，關節間骨螺絲的固定次之，Halifax金屬鉤的固定最差。以內固定器蒙麥氏應力分佈情況，以椎弓骨螺絲與骨板較佳，Halifax金屬鉤最差。從本研究中所得之結果，與臨床上手術情況的考量，使用椎弓骨螺絲與骨板是比較建議的寰軸椎手術固定的方式。