總整教學實驗室 Capstone Lab
線上成果展
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高教深耕計畫-落實教學創新
總整教學實驗室 Capstone Lab
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總整教學實驗室 Capstone Lab
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醫學工程研究所
負責教師 | 醫工所 林上智老師
啟動年度 | 109 年
| 實驗室特色
本所同時開設研究所與大學部的課程，各老師的研究也涵蓋學術與產業的範疇，因此本生醫機電資訊整合實驗室的建構理念，將充分考慮課程與研究等理論及實務的需求，特別在設備購置、空間規劃與使用目的等方面，以體現相關課程與計畫的『核心需求』。四項建構的理念說明如下：
1. 提供老師與學生共同實驗設備平台：
本實驗室相關設備與工作環境的建構，將考慮本所各組研究人員常用的設備、工作桌與工具等，並且整合醫工所與大學部學程等的上課內容，盡量提供老師與學生所需的實驗平台。
2. 提供實習操作性質課程的實驗空間：
本所生醫機電資訊整合實驗室的實作課程，可以在本核心實驗室環境中，獲得完整的實務設備操作學習經驗，以更提早與深入瞭解未來職場的臨床或醫療產業需求，有助於學生順利進入日益競爭的醫界。
3. 提供兼具會議、教學與實驗的空間：
由於醫工所的可使用空間坪數有限，因此本實驗室的規劃將採取更有效應用的策略，以能夠提供會議召開、課程教學與實驗進行的方式。同時滿足會議、教學與實驗的綜合需求。
本醫工所的生醫機電資訊整合實驗室空間規劃如下圖所示。共分成動作分析、機電資訊工作與成果展示等三大區域。但由於考慮醫工所的使用空間有限，因此本實驗室的空間規劃將涵蓋會議召開與課程進行的需求，因此會有會議與電腦桌的擺置，並且考慮建構後續移動搬回的借用共享遵循機制。相關核心時三大區域的建置內容說明如下：
動作分析區 (A 區)：
本區的設備與空間主要以步態動作分析為主，包含九台動作分析攝影機與測力板。該步態動作分析系統的使用空間，將與會議與上課用之桌椅重疊，因此進行步態動作實驗時，必須搬移相關的會議桌椅。有鑑於為更完整建構相關實驗、會議與課程的使用情況，將於本所的所務會議建構本實驗室的使用規章，以利相關實驗、會議與課程使用人員的參考。
機電工作區 (B 區)：
本區的設備與工作桌主要包含四大部分：步態動作電腦分析區、電子工作區、列印工作區與 AI 工作區。相關的設備與工具配件的購置，盡量滿足本所各組大學部與研究所課程及計畫的需求。例如三維印表機的設備規格，將採取雙噴頭、可溶解支撐材與大尺寸的規格，以滿足相關下肢輔具實作課程的列印需求，同時容易拆除支撐材的設備特性，也能夠提供電子課程小尺寸機盒高精度機盒的列印條件。
成果展示區 (C 區)：
本區包含實物展示、海報張貼與電子螢幕等三區塊。透過玻璃櫥櫃的方式，來展示本所相關實務或實習課程的實物成果，除此之外，透過海報與電子檔案播放等方式，更來具體呈現課程與計畫的實作概念或研究成果。藉此來讓本核心實驗室的應用價值，更具有長期累積的價值觀感，更豐富與激勵參與的會議、課程與研究人員。
由於研揚大樓屬於高架地板的建築型式，因此無法置放重型的儀器設備，目前的建置理念是以步態動作分析、電腦模擬、三維列印與電子實驗為主，以結合生醫機電資訊整合實驗室整合醫工所甲組四位老師的專長，同時亦希望未來相關的醫工所各項會議與實作課程教學等，都可以在此總整實驗室空間進行，因此亦規劃有相關的會議桌與相關的電子白板投影教學設備。
雙螢幕無線投影與電子白板
實驗室整合醫工所甲組四位老師的專長，
期望建構包含三維列印、步態分析、電子實務、機械學習與人工智慧等核心的實驗課程
| 課程結合場域實施方式與教學成果
透過本高教深耕計畫經費的補助，生醫機電資訊整合實驗室建構有四套的基礎實作設備與環境，包括(1) 步態分析、(2) 三維列印、(3) 電子實驗與 (4) 人工智慧及機械學習。目前已經盤整相關研究所與大學部學程的課程，以善用此核心教學實驗室的空間與設備，協助老師教學、學生實作與相關計畫執行的基礎設備及環境。目前盤整的研究所與學程課程如下：「生醫電子、資訊與生物力學：理論與實務 」、「醫工專業成長實習」、「人體動作力學分析」、「人體動作控制」、「生醫訊號處理實務」、「機器學習與生醫影像」、「醫療器材法規認證實務」、「植入物設計與分析」、「3D 列印原理與應用實務」。
本總整核心教學實驗室的儀器設備，跟醫工所甲組機電資訊與步態分析相關，由於其操作學習困難度與故障維修費用均不相同，因此相關專業課程或價化等人員操作訓練，本實驗室建構的運作方法皆不相同，首先建立本實驗室的借用作業辦法，其管理與訓練同時依照動作分析、機電列印與機械學習等不同領域，給予不同的教育訓練辦法，簡述如下：
1. 動作分析設備使用與訓練：
本區九台動作分析攝影機與測力板的教育訓練由許維君老師負責。由於本區的動作分析與足底測力設備價格較高昂，同時容易發生操作不慎導致儀器設備故障，因此操作建議由有實務經驗的人員負責，因此本列印設備的使用由許維君老師的研究生或助理來執行。
2. 機電列印設備與工作桌使用：
本區三維列印與電子設備及工具的教育訓練，由許昕老師雨林上智老師負責。由於本區的三維列印設備價格較高，操作建議由有實務經驗的人員負責，因此本列印設備的使用由林上智老師的研究生或助理來執行。
3. 人工智慧與機械學習電腦：
本區電腦設備的教育訓練由王靖維老師負責。底下舉科技輔具的脊椎側彎背架，作為本總整實驗室理論與實務課程實施方式的介紹範例。傳統科技輔具的公司形象，常以手工製造、石膏取模與熱塑成形等形象為主。因此產生非精準醫療與低價無效的產品形象。目前台科數位公司的關節輔具，將強調數位科技的技術產品形象。本技術強調與傳統輔具廠商上述手工與不精確等長期形象區別，本課程期望培訓學生科技輔具的核心技術能力概念，包含數位量測、解說、選配、修模、設計、製造與監控七項特點。同時也包含電子商務的量測設備與雲端後台連結。醫工所林上智老師正執行三年期科技部的快速積層自動製造系統開發計畫，擔任第三分項計畫『脊椎側彎背架之數位量測、修模、設計與製造程序開發』分項計畫主持人，在持續的設計與製程改善過程中，提供給患者的側彎背架的品質與功能，在輕量、透氣、貼合、鬆緊帶與矯正效果方面，已經有長足的進步。本實驗室的脊椎側彎背架的設計原理，整合 Boston 與 Rigo 兩大側彎背架的理論架構，強調同時參考患童矢狀與冠平面的 X 光影像，以決定頭顱偏斜、脊椎側彎最突出點 (Apexes) 與椎骨旋轉的情況。本技術團隊餮別重視患童兩側下肢長度差異情況，如果需要適當透過鞋墊高度的補償，來調整左右下肢高度的不平衡狀況。
建構完整穿著緊身衣
與特徵點線描繪的數位量測標準程序
穿戴者有穿著貼合、定位精確、輕量透氣的使用感受。
透過科技部積層製造計畫的補助，實驗室正積極擴大臨床使用的經驗
本實驗室關於此側彎背架的技術性研究論文重點說明如下。
二維影像與三維模型的定位技術：探討患者兩張矢狀 (Sagittal) 與冠狀 (Coronal) 面的二維 X 光影像，如何與三維掃描的軀體模型 (3D Scanned Scoliotic Trunk) 完成立體定位，並且討論如何在掃描患者的軀體時，進行點與線的幾何特徵標示。本技術論文將提供患者掃描與電腦修模時的標準化技術指標。
立體掃描特徵點標示標準流程：本技術將透過緊身衣的穿著，以建構側彎患者軀體股骨近端、骨盆、肋骨與肩關節上部的重要特徵點標示原則。此標準化程序將可大幅降低遠距電腦修模者，關於腋下痛點、內衣邊緣與腹部等常見背架壓迫不適的問題。
側彎患者軀體修模程序技術：在一般的情況下，脊椎側彎的軀體會有三種畸形同時存在的情況：側彎、扭轉與偏斜。本技術討論上述三種畸形的電腦修模程序。技術成果將提供修模的標準化模式。
關於脊椎側彎在設計 (矯正機制與退讓區域) 與製造 (列印方法與使用材料) 方面，在計畫執行與臨床使用過程中持續不斷地改進，包含冷卻、粉末去除、噴砂、修邊、打磨、加上軟墊、釘扣綁帶，都有明顯的設計與製造的進步，顯著呈現在輕量、透氣、綁帶釘扣機構、外觀科技感與矯正治療功能。
平面 X 光影像與三維模型必須經過準確對位，方能提供後續側彎軀體修模的數量化依據。本技術專注於如何在量測患童的軀體時。透過特徵標籤點的標示，來建構更精準的二維與立體幾何資訊空間對位
不同的二維與立體幾何資訊空間對位方式，將產生明顯的二維影像平面與立體模型的空間方為差異情況。因此本技術團隊建立一個能夠將 2D X 光影像與 3D 掃描模型精準對位的處理程序。
本技術可快速進行患童側彎軀體的特徵點線標示與外型掃描量測
患童三維模型具有點資料的座標直 (x-y-z) 與特徵點線色彩 (r-g-b) 的資料，提供後續修模網格運算參考
進行側彎軀體的修模時，必須處理軀體外型的破面、扭曲與平滑等問題，是數位輔具的核心處理程序之一
針對三種軀體畸形 (側彎、扭轉與偏斜) 的六種可能修模程序，本研究詳細討論其優先修模順序對於所設計背架的外型影響
| 如何結合產業合作資源
從醫工所成立至今，一直無法建立可供相關課程與計畫共同應用的實驗室平台，過去本實驗室的現有空間，也僅作為一般會議室或上課教室使用，但透過本次教育部經費補助所購置的相關設備，若能搭配本所其它實作實習課程與相關研究計畫，相信不僅能夠提供老師與學生共同實驗設備平台，進一步提供實習操作性質課程的實驗空間，未來也扮演兼具會議、教學與實驗的綜合空間，長期希望能夠提供本所的老師、研究生與業界合作團隊，作為一個跨領域產學醫合作的討論、媒合的平台角色。
1. 主動整合醫工所計畫
本課程將整合醫工所授課老師的各式政府、醫院與產學計畫，來與醫師與企業進行理論與實作併重的教學內容，以提昇本實驗室與企業及醫院合作密切度。
2. 相關校外專才演講：
目前本年度的課程內容，將搭配台北榮總骨科部、臺科數位公司與歐恩比科技輔具公司，來進行數位背架的學理、實作與列印等整合實作課程。同時也會邀請相關的設備廠商業務推廣專才，來本實驗室介紹新引進儀器設備的功能介紹。
3. 持續創新設備引進
配合課程授課內容，將引進新的技術 (醫學影像、三維掃描與數位修模) 與新的設備 (高速三維列印)，以擴大修課學生在學習科技背架輔具的知識與實作能力。
4. 搭配課程業師授課
本實驗室目前銜接 (1) 生醫電子、資訊與生物力學：理論與實務、(2) 醫工專業成長實習、(3) 人體動作力學分析、(4) 人體動作控制、(5) 生醫訊號處理實務、(6) 機器學習與生醫影像、(7) 醫療器材法規認證實務、(8) 植入物設計與分析與 (9) 3D 列印原理與應用實務等九門課程，相關課程都會盡量安排外界業師輔導。透過具有實務豐富經驗的業師，藉以提升學生的實務能力。
5. 參與醫院臨床案例討論
上述課程與教師的相關研究計畫案，本實驗室每學期將安排一至三門課，延請臨床醫師講授醫院端的臨床實務經驗分享，並且請臨床醫師指導本實驗室相關課程的實作專題，建構公腸與臨床互動的案例討論機制。
6. 透過產學計畫的企業互動經驗
本實驗室現有的生醫機電資訊步態設備，預期將可廣泛應用於本所甲組老師相關的研究計畫案。以林上智老師的科技部多年期脊椎側彎背架計畫案為例，相關的量測標準程序 (Scoliosis SOP) 與第一階段的背架列印等工作，即是在本『生醫機電資訊整合實驗室』踏出臨床應用與商業技轉的第一步。
7. 進行課堂模型的實務操作
本實驗室整合的上述九項研究所與大學部部分課程，會安排在不同的安排學期，挑選期中的課程選擇適合的主題，設計成需要有實物模型的設計與打樣，藉以培訓學生從概念發想、理論思維到雛形產出的經驗及能力。
| 學生實務能力評量方式
1. 實務能力評量：
一般書面或口頭報告
實作成品的成績評量
參與企業或醫院活動表現評量
專利申請或技術移轉成果評量
相關商業展覽及校內外競賽評量
2. 提升學生實務能力之預期成效
將生醫概念整理成書面內容或口頭報告的能力提昇
將設計理念具體化為實作成品的能力提昇
對於企業或醫院運作更具實際職場參與感
對於專利申請程序或技術移轉更具統合性瞭解
對於商業展覽及校內外競賽有實際的參與經驗
| 其他重要成果
由於本生醫機電資訊整合實驗室空間建置，最核心的步態分析攝影機與測力板的安裝，在 109 年 10 月才完成，因此尚未全面讓本實驗室的儀器設備與空間，普遍推展協助各課籌與計畫的應用。但目前其內部的大型三維列印設備，已經協助甲組核心專業課程『生醫電子、資訊與生物力學：理論與實務』，達成科技部科技部積層製造跨領域專案計畫：客製化多孔高彈性輔具的快速積層自動製造系統開發 (三年期計畫)：脊椎側彎背架之數位量測、修模、設計與製造程序開發，相關數位脊椎側彎被家的列印，同時也提供該課程學生的數位科技輔具的完整實務經驗：數位量測、數位解說、數位傳遞、數位修模、數位設計與數位製造等七大程序。
脊椎側彎數位背架技術團隊參賽得獎：2020 年全國大專校院智慧創新暨跨域整合創作競賽第二名
結合醫工與復健，以【社區場域參訪之長老教會】與【銀髮失智照護】為例。
左圖為由許昕所長帶領林儀佳老師說明讓學員兩人一組，測試 MOCA test；右圖則為以 VR 體驗訓練課程，增加其反應力。
結合醫工與復健，結合醫工與復健，以【脊椎側彎】為例。
左圖實驗設備設定之介紹，右圖為許維君教授為學生解讀實驗結果。
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