第二章 實驗材料及流程
第二節 活體膝關節自行車運動實驗
透過本實驗室的醫學影像處理及比對技術，配合電腦斷層掃描及動態 X 光系
統(Fluoroscopy system)，以二維醫學影像為基礎，取得三維膝關節在自行車運動中 之相對運動學資訊，以提供活體膝關節自行車運動過程中之限元素分析邊界條件 資訊。實驗對象與儀器設備
臨床實驗包含三位具有健全膝關節的年輕男性受試者，皆無肌肉骨骼系統方 面的疾病，亦無任何影響其下肢日常生活功能性動作之不利因素。受試者膝關節幾 何模型是透過醫學影像建立，包含電腦斷層掃描系(Computed Tomography PQ-5000, Picker International, U.S.A) (圖 2-9)及核磁共振造影系統(MRI, Sonota, SIMENS Inc., Germany) (圖 2-10)，由電腦斷層掃描取得清楚的骨頭外型，核磁共振造影得到膝 關節各韌帶附著在骨頭上之位置。將所得之斷層醫學影像圖透過視覺化軟體(Amira 5.3.3)圈選幾何模型(圖 2-11)以及模型處理軟體(Geomagic Studio 12)進行幾何重建 及平滑處理(圖 2-12)，最後將完成之幾何模型轉化成僅包含點及面之資訊(.stl file) 匯入有限元素分析軟體(ABAQUS 6.10)進行網格化，完成三維有限元素模型。並利 用本實驗試的影像處理(Image processing)及影像契合(Image registration)之技術，結 合電腦斷層掃描及動態X 光系統(Fluoroscopy system, ALLURA XPER FD, Philips, The Netherlands) (圖 2-13)的影像資訊，精確量測膝關節在自行車運動過程中之三 維運動學資訊，以提供有限元素分析所需之骨頭邊界條件。再由膝關節穩定度量測 器(KT-2000, U.S.A) (圖 2-14)量測膝關節前後方向之力量與位移關係圖，決定有限 元素分析中之韌帶材料參數，最後配合有限元素分析軟體(ABAQUS 6.10-1)計算膝 關節韌帶在自行車運動過程之應力分佈及受力情形。
圖 2-9、電腦斷層掃描系統。
圖 2-10、核磁共振造影系統。
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圖 2-11、圈選幾何模型。
圖 2-12、幾何重建及平滑。
圖 2-13、動態 X 光系統。
圖 2-14、膝關節穩定器。
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活體膝關節穩定度測試實驗
建構完全客製化的膝關節韌帶模型，即可使得有限元素分析模型更接近受試
者本身。本研究進行活體的膝關節穩定度測試實驗，由一名測試人員操作膝關節穩 定器(arthromeres, KT-2000)，分別對三名膝關節健全者及一位前十字韌帶缺損病患 做測試。受試者先仰臥在測試平台上，經由實驗人員口頭引導下，穿著短褲並且大腿由 一橫桿所支撐，使得膝關節彎曲角度保持在約30 度處。將膝關節穩定度量測器固 定於受試者小腿上，量測器的固定綁帶必須牢牢固定，避免量測器與小腿之間有過 度的相對移動。實驗進行過程中，受試者保持腿部肌肉放鬆，由實驗人員緩慢地施 予力量於量測器上，經由量測器的作用，產生前後方向最大約 134 牛頓的剪力於 脛骨結節處(圖 2-15)，以得到脛骨相對於股骨，在前後穩定度測試之受力與位移 關係圖。
圖 2-15、 膝關節穩定度量測實驗。
活體膝關節三維運動學資訊比對流程 傷害。為了確保膝關節為於正中位置(neutral position)，掃描前將雙足放置於平行的 位置並用綁帶固定，同時要求受試者肌肉放鬆，排除肌肉力量對骨頭位置的影響。 動與旋轉。當膝關節在膝關節完全伸展（full extension）時股骨與脛骨的座標方 向相同；而當膝關節開始做彎曲的動作時候，股骨座標系統逐漸相對於脛骨的座標 系統改變，如此每一瞬間的骨頭空間座標便可連貫而成動態的運動資訊。
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圖 2-16、三維膝關節運動資訊取得流程。