漢翔航空公司研發重度傷殘 3D 適形座墊量測系統

Author(s):
吳 壽嚴 - 漢翔航空

Industry:
Life Science, Medical/ Medical Instrumentation

Products:
Data Acquisition, LabVIEW

The Challenge:
輪椅使用者長時間固定於同一位置，因此容易產生壓瘡。不當的介面壓力易造成組織變形，使得微血管與淋巴管阻塞導致組織潰瘍壞死。本系統研製一套臀部 3D 曲面量測系統，切製 3D 適形座墊供患者使用以減少壓瘡之產生。

The Solution:
以 LabVIEW 為開發環境配合 PCI-6024E 數據卡，擷取量測座墊上之滑阻計電壓訊號，以 3D 圖形方式即時顯示於 3D 曲面圖上。並將量取資料整理輸出至 CNC 泡棉切割機，切製 3D 適形座墊以減少壓瘡之產生。並可應用至各類適形鞋墊、枕靠等產品，以減輕使用者的負擔。

國內對於壓瘡的防治，目前仍採用傳統的醫護方式處理：如攝取足夠的營養、保持皮膚柔潤、預防皮膚潮溼、促進皮膚的血液循環、使用適當的座墊等。然而國外在這方面已經用工程的觀點去解決，其相關的研究不少，如美國 Virginia 大學復健工程中心已有相關產品設計。然國內在這方面的研究不多，本量測系統為國人自行研發，並進一步研製成功之實用性商品，已達成照顧壓瘡患者的目的，並提高其生活品質。

系統簡介

本套臀部量測系統待測者坐於量測機構時，其內所含之 143 根位移計便將所承受之重量轉換為受壓電位，經由一設計之電路彙集後透過數據卡傳送 給PC，再經軟體計算立體化後以 3D 曲線圖呈現。而後將計算的數據傳送給泡棉切割機器切割出適型座墊，使病患減少壓瘡的發生。

機構部分

以彈簧作為承載，可因病患重量不同來調整不同的彈簧預力，量測面的尺寸為 75*400*490(mm)，以 35mm 間隔鑽孔，以便能容納量測桿及壓縮彈簧，在量測桿頂端有ψ30 塑膠球頭，受壓時可經由量測桿帶動下方的位移計，測出每點壓縮位移，壓力釋放後可回原位。

系統電路

於量測椅下方安裝 143 支線性位移計 (Potentiometer) ，排列成 13*11 方式並加 5 Vdc 電壓，當待測人員坐上量測椅時，線性位移計之滑柄會產生不同之位移，使電壓發生變化。而量測命令由 PC 經數據卡下達後，多工電路板便將每一支位移計的訊號依序接收隨即傳回數據卡。將此電壓訊號接出並加以記錄，然後換算成工程單位(表示線性位移計所移動之距離) ，便可求得 143 支線性位移計的位移量，即座墊向下凹陷的程度，經軟體處理後就可得到待測人員的臀形。

軟體部分

LabVIEW 是 National Instruments (NI) 公司所研發而成的圖控式程式語言，亦是專為資料擷取、儀器控制與資料分析而設計的軟體。本系統偏重於數據的量測及 3D 曲面圖的顯示，選用穩定且數據量測速度滿足本計劃的 PCI-6024E 數據卡，並輔以 LabVIEW 的強大功能。程式除錯容易且易學易懂，尤其是應用於 3D 繪圖功能的便利性，更能有效節省開發時程。而且當程式發展完成後，可將此程式編譯成執行檔，而不需在每一套量測系統均安裝 LabVIEW 程式，對產品來說可以大幅度的降低其價格。

3D 座墊量測系統設定完成啟動後，電腦連續不斷的將量測命令「初始 (Initial)」訊號傳送給量測電路，此時由第 1 支到第 143 支位移計即會將所量測到的電位訊號，依序經由數據擷取卡 PCI-6024E 執行訊號的 A/D 轉換，將所測得的電壓變化忠實回傳到 PC，每量測 1 次 (即 1 個座墊大小的所有量測桿數量) 分成 n*m 矩陣 (n=11、m=13)。再與量測前尚未受壓時的電壓訊號做比較，如果於迴圈內連續 3 次量測的結果穩定，則再經由運算後轉換成 3D 曲面圖形，以確保所量測到的臀形是使用者的穩定坐姿，因此無需擔心量測電壓準位的變化與調校，此為本系統之一大特色。且因系統採用即時的量測方式與即時的 3D 圖形變化顯示，所以每量測一次臀形只需不到 2 秒鐘的時間，3D 曲面圖即會顯示出當時真正的臀部曲線。可有效快速的將每一次細微的變化顯示出來，並可自動的將圖形數據儲存起來，以供日後的研判並可將數據直街接提供給泡棉切割機。

座墊量測數據最初配合位移計的排列方式原為 11*13 的矩陣格式，資料點數不足以描繪出臀形的曲線。因此編寫「Smooth」的副程式將資料點數擴充為 41*41 的方形矩陣，如下圖所示。

人機介面

LabVIEW 便於設計符合人性化的人機介面，操作人員只要將滑鼠游標移到畫面輕輕一點，就會出現想要的資訊或選擇。從個人基本資料的輸入或是座墊種纇的選用；量測時功能的操控、資料的存取、輸出以及量測結果的顯示。皆可讓操作者輕易的完成。另外在結果顯示上增加一位移量 (壓力) 密度上視圖，提供操作人員巨細糜遺的曲面圖變化。

結語

我們可調整機構彈簧之預力，針對不同重量之待測者進行量測，並將量測得到的資料輸入切割機器，切削出適形座墊分析其壓力分布情形，以驗證量測系統之可靠性及實用性。

軟體程式本身經簡化精進後，使用副程式作多層次的呼叫及連結，大大的增加程式的可讀性及執行速度。本系統已初步於部份醫學中心測試，並參加多次的國際醫療展，其量測精度及減輕介面壓力的效果已穫肯定，且成本低具競爭力。

本研究案作者為：吳壽嚴/吳曜卿/呂俊弘，漢翔航空，工程師等人

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吳 壽嚴
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