後疫情，新健康－零接觸經濟：智慧健促服務系統
Post-epidemic and e-Health: Intelligent Health Promotion Service System
隨著整體人口結構趨向高齡化狀態，高齡者因年齡的增長肌肉大小與強度逐漸減退，產生衰弱肌少的症狀。衰弱症 (frailty) 是高齡族群中常見的狀態，增加高齡者跌倒的風險，產生其他併發症。醫院人滿為患，長時間的等待，增加家人生活的負擔，無法安排最適化的療程，更使復健者錯失黃金治療期的最佳療效。本研究旨在於發展一套新型的復健服務－「智慧健促服務系統 (intelligent health promotion service system, IHPSS)」，使復健者能夠居家復健，專業人員能夠透過系統遠端安排最適化的復健療程。本系統擁有三大目標：『智慧化』：以人工智慧輔助專業人員評估療程；『遊戲化』：透過懷舊遊戲增加復健動機；『客製化』：根據個案客製化專屬療程。本系統透過互動體感與懷舊遊戲，可喚起高齡者共鳴並增加復健動機。智慧護膝可偵測各肌群在訓練時的情況並轉為數據，同時透過深度學習與大數據分析，協助專業人員給予復健者最準確的復健方案，並同時將訓練狀況傳送給家屬。本系統提供新型居家復健服務，減少復健者與家人的生活負擔，提供最適化的復健療程，達到在地老化、健康老化、活耀老化。
Frailty is a common condition in the elderly population, which will increase the risk of falling and lead to other complications. However, the hospital is often overcrowded, causing a long time waiting, increasing the burden on their family, or arranging unsuitable treatments. These points make patients miss the best effect of the Acute Phase Rehabilitation. We propose a new rehabilitation service called “Intelligent Health Promotion Service System (IHPSS)” that enables patients to recuperate at home. Moreover, medical professionals can remotely arrange suitable rehabilitation treatments through this new service IHPSS. This IHPSS has three major goals. First, “Intelligentization” helps medical professionals evaluate the suitable treatment with AI. Second, “Gamification” adopts Nostalgic Games to increase patients’ rehabilitation motivation. Third, “Customization” customizes their specific treatment based on each individual case. This IHPSS uses the Somatosensory Interaction and Nostalgic Game to arouse elders' resonance, and then increase their rehabilitation motivation. The Intelligent Knee Orthosis can detect each muscle status during training and convert into data. And the Deep Learning can help medical professionals arrange patients the best rehabilitation plan. Meanwhile, the result is transmitted to their family members. This IHPSS provides a new rehabilitation service to reduce the burden of life for patients and their family members, and provides the most suitable rehabilitation treatment to achieve the goals of Ageing in Place, Healthy Ageing, and Active Ageing.
一、後疫情，高齡化社會新挑戰
近年來台灣已進入高齡化社會，隨著科技的進步和醫療資源的發展，人類的壽命也逐漸增加。國發會 2020 年公布「中華民國人口推估」，台灣總人口已於 2020 年月達到最高峰 2,360 萬人，進而出現死亡交叉，出生數低於死亡數，人口呈現負成長趨勢。由於近年國人婚育狀況仍不理想，將於 2025 年提早進入超高齡社會，意即 65 歲人口占比超過 20%，推估結果顯示我國高齡少子化趨勢顯為嚴峻。現今許多社會政策的制定以確保高齡者擁有安全與健康的晚年生活為目的，這些政策的宗旨目的為達成「成功老化」之目標，在這個目標下，幫助高齡者在生活中獨立自主和維持良好的生活品質是現今相當重要的社會課題。此外，依衛生福利部估算，若將身心障礙者人口一併計入，以戶口普查資料結果進行推估，指出台灣需要長期照護的人數將由 2019 年的 61 萬 8 千餘人，到 2026 年時，增加至 77 萬人以上，其中 65 歲以上高齡者所占比率更是逐年上升。顯而易見地，國民成功老化的目標正面臨人口老化加速、失能及失智者之照護需求、家庭照護負擔沈重、相關專業醫療人員和照護人員等服務不易落實等問題，目前在長照領域，當務之急為解決以下三大主要問題：(1) 缺乏專業復健及相關照顧人力；(2) 社區型照護服務嚴重不足；(3) 政府預算編列不足與家庭負擔沈重。
新型冠狀病毒 COVID-19 疫情全球蔓延，高齡者免疫力因年齡增長而下降，因老化的現象，器官的功能逐漸衰退，因此容易受到外來病原菌侵襲，使得高齡者成為高感染族群之一。其疫情所帶來的自我隔離的情況，避免與家人及朋友進行社交接觸，進而造成高齡者社會孤立之嚴重的社會健康問題，使得高齡者患有心血管疾病、自身免疫、神經認知功能與心理健康等問題風險提高(1)。此外，後疫情造成減少醫療保健服務，因專業醫護人員監測頻率降低與缺乏運動，使其骨骼相關慢性疾病持續攀升與惡化(2)。其各地暫停高齡者相關健康促進活動，改變過去生活方式，進而導致衰弱症盛行率增加(3)。因此，新型冠狀病毒疾病大流程改變了我們經濟、社會與醫療型態，更是帶給醫療產業一大衝擊與挑戰，間接促進遠距醫療與智慧醫療等相關產業與技術的發展。其現今美國醫療保健服務產生改變，使得居家門診與護理的活絡，進而促成遠距醫療的轉型，迎接新型虛擬醫療世代(4)。然而，台灣近年來政府為了統整長期照顧管理制度，推出長照 2.0 之社區整體照顧模式，其建構綿密的照顧資源網絡，提供民眾整合與彈性，且具近便性的醫療照顧服務，但很多需要進行居家復健服務的患者，以及復健相關專業人員之服務及器材如何導入都是現今居家服務阻礙難行原因，甚至不一定真正落實與深入照顧其健促需求者，也是目前較難克服的問題之一 (圖 1)。
圖 1. 復健相關、社區照顧與服務協調者相關流程。(資料來源：財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心，本研究重新繪製與修改)
二、高齡社會，衰弱症盛行
隨著現今醫療愈來愈發達，平均壽命的增加使高齡人口逐年攀升，推估於 2050 年，60 歲以上之人口將佔全球總人口的 21.3%(5)，老年相關議題也漸漸受到重視，而衰弱症為常見之老年症候群的一種，患有衰弱症之高齡者往往較容易產生身心問題而需要投入更多的資源在後續健康照護上。根據台灣衛生福利部 106 年老人狀況調查報告指出，台灣 65 歲以上長者，衰弱症盛行率為 5.4%，且高達 41.5% 之高齡者屬於衰弱症前期，其中女性罹患衰弱症比率高於男性(6)，是非常需要被關注的族群。衰弱症在臨床上的表徵為活動力降低、體重不正常下降、食慾下降、不明感到疲倦、肌肉耗損、步態與平衡功能異常，甚至是影響其認知功能(7)，隨著年齡的增長，人的身體機能會逐漸下降，「衰弱」經常被認為是「老化」的一部分，而忽略了其可能帶來的風險，而不同於正常老化，衰弱為高齡者健康狀態正處於危險的邊緣，一旦遭受輕微外在壓力改變或感染疾病，例如：跌倒、骨折、心血管疾病、憂鬱情緒等，極有可能誘發後續失能的情況，進而提高死亡的風險(8, 9)。而生活環境所影響的外在因子及自身身心狀況的內在因子，例如老化、多重慢性疾病、營養不均衡、不良的生活習慣等，錯綜複雜的原因都是可能造成衰弱症的因素，其中肌肉減少症被認為與衰弱症具高度相關，兩者表徵有高度的重疊(13)，在老化的過程中肌肉量會逐漸下降，而衰弱症額會加速高齡者流失骨骼肌肉，更容易造成跌倒及併發疾病，產生惡性循環進而加速死亡(10)，然而目前並沒有藥物和特定方法能夠治癒衰弱症，最佳的方式即為提早預防。根據研究顯示，適度的運動能有效預防及改善衰弱症狀，例如彈力帶訓練、步行、伸展運動、太極拳等，有助於肌力上升，維持身體機能，減緩肌肉流失的速度 (Cadore et al., 2013)。
人口快速老化所衍生的社會負擔與照護問題，瞬時成為各界關注的重要議題。隨著年齡增長，骨骼肌肉質量與力量流失並降低身體活動能力所出現的衰弱現象。衰弱肌少現象需要加緊延緩疾病的惡化，因為不加以治療，不僅病情帶給個人生理極大的受害以外，更是帶給社會與經濟沉重的負擔(11)。其為一種廣泛性的骨骼肌疾病，會使得跌倒風險、骨折發生率，甚至身體殘疾與死亡率的後果可能性增加(12)。高齡者功能性體適能是瞭解日常生活功能表現與獨立自主的重要評估指標，然而高齡者生理器官功能隨著年齡的增長而逐漸衰退，透過運動來增加身體活動，以提高肌肉力量、神經運動控制、關節活動範圍和有氧健身。根據研究顯示，慣性運動訓練其對高齡者上下肢力的肘關節與膝關節之屈伸肌力、不太平衡性與速度具有顯著正向的影響，其不僅改善生理器官功能性的表現外，進而可以降低高齡者跌倒的風險，其增加高齡者安全性與自主獨立性(14)。然而，科技互動裝置成為現代數位科技發展趨勢之下，互動裝置具有多元應用發展的特性，進而將相關技術應用在復健的協助上，使復健方式更多元。根據研究證實，運動與遊戲結合的新科技復健輔助器材，不僅改善患者功能性及恢復平衡之有效的訓練方法，更是可以縮短患者之治療時間(15)。另外一方面，運動遊戲以視覺反饋的互動形式相較於傳統訓練行事更有效性，其不隨著患者年齡增長而降低(16)。其可以提升病患的生活品質，提高病患的復健動機，和增加病患的認知及注意力，同時藉由遊戲過程來傳達相關知識與訊息。
三、新型服務系統－「智慧健促服務系統」
隨著人口老化比例越來越高與銀髮族健康相關的各式產業，早已成為廠商前仆後繼開發與投資的項目。近年來由於各式硬體科技的發展快速，使得相關資通訊導入各式銀髮族設備成為最熱門領域，市場上也漸漸出現針對中、高齡族群所設計的專屬產品。加上異業間整合的加速、創新產品、技術的不斷推陳出新與普及化，創新服務、營運模式的發展與建立，使得未來健康產業的行業形態將更形複雜，且其產業樣貌將由於資通訊技術的整合運用而呈現電子化、行動化與無所不在化，隨著現今疫情嚴峻所帶來醫療產業的改變，更是促進居家照護、智慧醫療與遠距醫療等產業與技術，進而迎接新形態的智慧遠距醫療時代。近年來醫療大數據成為顯學，運動處方、FITT (Frequency, Intensity, Time and Type)、EIM (Exercise is Medicine) 等概念也越來眾所皆知，坊間各式運動器材數位化、穿戴式裝置的出現，皆是為了進行各種運動參數、人體數據偵測甚至是進行相關進一步客製化評估而來，例如：數位化環狀運動器材、智慧手環及手錶、智慧感測鞋子鞋墊或襪、智慧衣等。而在復健領域中，模式也逐漸改變，這使得復健的過程，不再是單純各種器材使用、單純復健訓練如此簡單而已，可以藉由各式偵測裝置來了解復健功效及進步情況，如此在復健訓練及評估持續來回之中，便能有效地提高復健的成效；更進一步，若能藉由將這些所測的數據進行有系統性的資料庫儲存、雲端化、個人化、遊戲化，未來藉由大數據等概念，有機會了解並進行復健訓練趨勢分析及個人健康及進步程度預測 (如圖 2)。
圖 2. 數位化健促及復健模式架構圖。
隨著高齡化社會的到來，復健患者與亞健康族群日益遞增，健康促進市場的需求與規模亦快速地成長。高齡者隨著年齡的增長，身體逐漸產生漸衰弱症狀，導致相關慢性疾病隨之而來，例如糖尿病、心衰竭、認知障礙等削弱日常生活能力，更是增加高齡者跌倒與住院風險。高齡者一但跌倒進入急性復健需求，一般復健平均一週兩次復健療程，容易錯失黃金治療時期，醫療院所人滿為患的景象，更是增加高齡者長時間排隊等待的煩悶感。然而，復健族群需要進行日常復健活動以維持並促進身體健康，傳統的徒手肌力按摩與產品輔助訓練等復健模式，除了無法辨識患者的復健進展，亦無法吸引患者自主性使用。「智慧健促服務系統」目標為提供專業人員一項有力的輔助工具，協助他們準確地給予復健者適合的復健方案，亦能輔助高齡者藉由精準的復健方案順利達到「客製化、遊戲化、智慧化」的目標，提供最適化的療程 (圖 3)。
圖 3. 本服務系統之服務系統。
藉由「互動體感系統」、「智慧人本系統」與「醫療共照系統」組成一種新型服務系統，透過互動體感系統之遊戲化的復健內容，提高復健者於復健過程中的樂趣，使得增加復健者持續復健的動機，並藉由智慧人本系統之智慧護膝設計，有效紀錄復健者肌肉運動之數值，並透過人工智慧深度學習之長短期記憶 (long short-term Memory, LSTM) 演算法與強化學習 (reforcement learning, RL) 來評估復健者是否提升肌耐力，進一步將資料數據回傳、分析與回饋，提供專業人員評估復健者復健療程之復健參數調整參考依據，進而透過本醫療共照系統，提供給復健者客製化的復健療程，依據復健者的復健需求，給予最適化的復健療程，並藉由本穿戴式步態分析之精準切割步態週期技術，評估復健者衰弱狀況，依據復健者需求建立客製化遊戲復健療程 (如圖4)，進而建構一個客製化復健療程，在專業化與最適化的訓練設備下，提供臨床端評估訓練成果，以臨床復健標準 FITT 準則調整復健者訓練內容。
圖 4. 本服務之核心流程。
1. 硬體串接技術與護膝輔具設計
疫情嚴峻趨勢下，社會對居家復健需求也日益遽增，使得體感偵測與穿戴式裝置成為這幾年智慧醫療與居家訓練可行性研究的應用發展趨勢。現有市場與研究發展中，多以 Kinect 紅外線偵測骨架與動作，有效捕捉與精準分析關節運動角度測量值(19)。再者，表面肌電訊號感測經臨床研究證實，能有效監測高齡者運動頻率、肌肉運動強度(18)，使表面肌電訊號感測技術也成為復健醫療發展趨勢。然而，現有智慧復健器材具有臨床技術限制，如 Kinect 技術僅能大幅度量測使用者姿態與關節角度，對於精細動作小幅度肌肉收縮具有技術限制；表面肌電訊號技術也僅能測得使用者肌肉收縮情況，無法確保使用者訓練動作正確性，因此，本研究結合肌肉感測元件技術與九軸慣性感測元件，提出醫療臨床監測復健訓練重要發展工具 (如圖 5)，其肌肉感測元件 (sEMG) 藉由表面電極貼片來測量放置裝置之肌群區域範圍的肌電訊號，並透過感測單元測得訊號後，藉由放大單元加以放大並處理訊號後傳送至主機端。再者，九軸慣性感測元件 (G-Sensor)，其利用一個重力塊的慣性，傳感器在運動的時候，重力塊會對 X、Y、Z 方向（前後左右上下）產生壓力，進而利用一種壓電晶體轉換成電信號，隨著運動的變化，各方向壓力不同，電信號也在變化，從而判斷裝置的加速方向和速度大小，將其儲存數據傳送至主機端，以便即時將數據顯示於螢幕，同時將儲存相關訊號傳送至 Unity 遊戲軟體，給予使用者視覺回饋，並因應使用者所使用之主機硬體不同，其依據使用者所選擇之手機、平板、電腦等硬體設備，提供不同軟體系統版本供使用者安裝 (如圖 6)。
圖 5. 本硬體感測裝置電路設計。
圖 6. 本硬體串接系統架構圖。
本護膝輔具設計為由上、下兩個可拆解的部分組合而成，除了便於大幅度調整位置之外，考量使用者復健訓練肌群需求，可依據訓練部分進行輔具與裝置之穿戴，並同時考量其輔具長期接觸皮膚，因此選用透氣布的材質，並將感測器設計為可拆式形式，以便於使用者方便清洗等，並透過防呆設計，即使用者穿戴護膝輔具後，完成系統連接，自動判斷使用者配戴位置是否正確，如穿戴位置不正確，系統無線傳輸訊號至護膝輔具裝置亮起「紅燈」警示燈號，提醒使用者調整護膝所配戴之位置。再者，中間圓孔則作為對準使用者膝蓋之校準點，上下分別為放置股四頭肌及脛骨前肌、腓腸肌四個感測器。感測股四頭肌肌電訊號位置大約是在膝蓋上方三指左右兩側，感測脛骨前肌與腓腸肌肌電訊號位置大約在小腿脛骨中間偏外側及小腿肚的位置，主要以魔鬼氈調整帶伸縮來控制尺寸大小，並於穿戴裝置上設計刻度線記錄位置，利於在下一次穿戴時能夠更快速的找到正確位置。在硬體外型設計方面，為了讓使用者正確地放置感測器，外型設計成水滴形狀，將硬體對準橘色色塊，以尖角朝外的方向貼合，感測器下方三個鈕扣剛好能夠對準穿戴裝置上扣肌電貼片的三個小圓孔，並以魔鬼氈結合感測器與穿戴裝置，於放入感測器的位置設計不同材質且與感測器同樣形狀的凹槽，並以不同顏色表示方向，此防呆設計讓使用者在操作上更為順暢 (如圖 7)。
圖 7. 本護膝輔具設計。
本護膝輔具其整合硬體裝置偵測肌肉訊號與遊戲軟體進行互動，透過市場調查結果與分析，不斷修正產品，以達使用者最佳使用方式，並根據與臨床醫師討論與測試，目前產品雛形品已進入第七代，將針對膝伸展裝置進行設計迭代，解決使用者可快速穿戴與便易調整裝置寬度，其進一步進行產品整理零件、強度試驗與組裝測試等，使技術成熟度達到系統證明階段的 TRL 7 (實際系統的雛形品在真實的場域測試)。
2. 遊戲軟體串接技術
Unity 3D 是一款跨平台支援 2D 與 3D 的遊戲開發引擎，具有快速開發、擴充套件等優點，其為近年爆發性成長趨勢，不僅開發門檻降低、易於教學，未來在產學合作媒合的機會上也相當大。本計畫將使用 Unity 3D 跨平台之軟體進行專案開發，並藉由 ICT 軟硬體整合技術開發 JAVA 底層之 API 套件形式串接硬體，藉由過往實驗室開發之能量，進行智慧健促服務系統快速試製。本計畫之智慧健促服務系統設計，將其分為醫療人員與患者之兩種使用者身份提供不同系統設計與安排。本系統於患者之系統端，使用者可依復健需求選擇訓練動作，並依自我喜好選擇臺灣在地特色景點進行遊戲闖關與復健訓練，復健訓練結束後，本系統將記錄其使用者於訓練過程中肌肉運動生理數據與九軸感測數據等，並同時產生一份訓練成果報告，可提供給專業醫療人員進行復健訓練評估。然而專業醫療人員之系統端設計，可提供患者訓練成果報告，讓專業醫療人員可依據患者需求調整遊戲訓練內容，可包括遊戲訓練時間、訓練頻率及強度等，給予最適化療程安排 (如圖 8)。本計畫之智慧健促服務系統之使用步驟將其分為四大功能，分別為使用者基本資料建置、客製化參數設定、遊戲化復健體驗、醫療共照互動平台，其預計開發相關之開發項目及執行方法細部，以下將逐一說明。
圖 8. 本研究之系統架構圖。
(1) 使用者基本資料建置
智慧健促服務系統，將透過個人辨識之開發技術，進而建立使用者個人化系統資料，系統將針對使用者體驗過程之數據進行記錄，以便後續醫護人員評估之參考依據。本計畫之個人資料系統建置於未來平台目標將使用者於首次體驗進行個人基本資料之建置，透過各人辨識系統方式，例如使用帳號或 Google 平台帳號等，並提供多人上線之功能，使不同復健者間進行競賽，以增加使用者的黏著度 (如圖 8(a))。再者，專業醫護人員依據使用者需求調整之訓練處方 (醫療卡)，藉由建立個人辨識系統，讓使用者可於下次復健訓練登入時，即可進行最適化復健訓練 (如圖 9(b))。
圖 9. 使用者基本資料系統規劃 ((a) 使用者登入帳號與密碼 (b) 使用者醫療卡)。
(2) 客製化參數設定
本系統強調客製化參數之使用復健器材，提供醫護人員進行遊戲參數之調整，醫護人員將可依據使用者需求，調整本復健遊戲系統，透過 FITT 復健訓練準則為基礎，依其需求選擇所需復健類別，並根據其類別之訓練時間、頻率與強度等。本系統於遊戲設定部分提供預設處方籤，醫護人員可於系統內建立不同處方籤之設定，使用者可根據其需求選擇復健強度，使得本系統能符合不同能力之使用者進行操作 (如圖 10)。
圖 10. 客製化參數設定情境圖。
(3) 遊戲化復健體驗
遊戲訓練方式，本專案結合目前實驗室現有開發遊戲整合之能量，開發出符合下肢肌力訓練之一系列相關遊戲。懷舊風格在醫療領域中此風格可稱之為「懷舊療法」。懷舊療法為藉由一組規劃之護理活動，回想對自己具有特別意義的人、事、物，引導高齡者說出過去的經驗，使高齡者察覺自己所擁有的生活是有意義價值的，並幫助高齡者找回記憶，可提升自尊心、自信心，及減輕、平緩憂鬱情緒(17)。因此，本遊戲化復健藉由懷舊設計風格來滿足高齡者的生理、心理與社會層面的需求，協助高齡者達到自我統整與提高心理及生活品質的方式，並同時依據使用者復健動作方式融合遊戲互動形式，以地圖式之闖關方式，帶領高齡者於臺灣各地之著名特色景點進行闖關，目的在降低使用者之體驗疲乏程度，運用地圖式闖關遊戲方式試圖增加使用者的黏著度，故於本服務系統中，使用者可依據自我訓練需求，選擇自我訓練模組，到臺灣各地特色景點進行遊戲復健 (如圖 11)。
圖 11. 本遊戲之地圖式闖關形式與訓練方式。
(4) 醫療共照互動平台
本服務復健系統之復健遊戲結束後，透過鼓勵之語音系統與排行榜之遊戲競爭等元素加入本平台，可提升復健者使用動機。然而本體驗之參數設定與體驗成效，將於系統中儲存為個人資料庫，以便醫護人員進行本次體驗遊戲成效之評估，做為往後復健者復健療程之復健參數調整之依據，透過人工智慧深度學習之長短期記憶 (LSTM) 演算法與強化學習 (RL) 來評估復健者是否提升肌耐力，進一步資料數據回傳、分析與回饋，提供專業人員評估復健者復健療程之參考依據，並打造出一個醫療共照系統之互動平台，家屬可以了解病患每日的復健狀況，醫師也可以利用專業的報告，持續與病患及家屬互動，進一步增加復健動機，達到最適化的復健效果 (如圖 12)。
圖 12. 本醫療共照互動平台規劃。
四、創造無限社會價值
「智慧健促服務系統」主要的開發目的即是鎖定需接受復健治療的高齡族群，結合機電技術、AI 大數據資料庫，並攜手專業醫療團隊，盼能為這些有復健醫療需求的患者和高齡者帶來更便利的選擇，同步提升高齡病患持續執行復健的意願，把握黃金治療期。甚至在症狀較為輕微的患者本身，也能因為縮短了距離與時間成本，提高其積極投入遠端復健療程的意願，進而改善往後的行動能力。本產品未來能成功打入居家照護市場與相關服務，於未來創造更多的社會附加價值之影響，不僅提供多元復健功能，有效提升醫療照護需求與復健者的生活品質，更是提升高齡者 ICF (international classification of functioning, disability and health) 的數值，維持一個健康機能的行動能力，降低國家健保的負擔、高齡者之家庭照護醫療費用的節約、降低家屬生活與經濟負擔及不影響家人的工作頻率，進而提升國家經濟生產力價值，其約可達至 1,500 億總產值 (如圖 13)。
圖 13. 本新型智慧健促服務系統未來市場價值。