第二章 系統內容與整合
相較於傳統之機械性預防脛骨前移裝置，本研究提供以功能性電 刺激器為基礎之主動式預防脛骨前移裝置。其中等速肌力訓練之主要 肌群為產生膝關節伸展(extension)之股四頭肌(quadriceps)，而所將施 予 電 刺 激 用 以 補 償 前 十 字 韌 帶 功 能 之 肌 群 則 為 產 生 膝 關 節 屈 曲 (flexion)之膕肌(hamstring)，此系統之內容與整合方式分述如下。
2-1 等速肌力訓練儀
本研究使用台大醫院復健部之 CYBEX NORM 等速肌力訓練 儀，而所搭配之制式防脛骨前移裝置(Johnson anti-shear accessory)係 以物理性的抵擋方式限制脛骨前移量，此等速肌力訓練儀與配件之詳 細解說可參考附錄 2。
2-2 功能性電刺激器
有別於市售之功能性電刺激器必須採用手動旋鈕方式調整電流 輸出強度、介入時間點、刺激的時間長短與頻率等參數，本研究採用 實驗室所開發之自製功能性電刺激器(圖 2-1)，並以非對稱雙相波(圖 2-2)提供有效且安全之刺激波形。
10
圖 2-1、本研究團隊自行研發之功能性電刺激器
圖 2-2、自製功能性電刺激器於 23Hz、30Hz、50Hz、70Hz 所輸出之非對稱 雙相波
11
此外，該自製功能性電刺激器採用 LabVIEW 圖形化介面(圖 2-3) 提供工程與臨床人員進行各種修改及控制作業，以便在使用上能夠選 擇以手動或自動等方式調變振幅、頻率、脈波寬度、刺激時間、及頻 道序列排程等參數。
圖 2-3、自製功能性電刺激器人機介面
此自製功能性電刺激器已通過台大醫院醫工部功能測試與電性 安全檢測，未來除了可應用於一般復健醫療用途外亦可應用於臨床研 究中(如本研究)，其相關電路與檢測文件詳列於附錄 1。
本研究於實際執行臨床試驗時，電刺激貼片(大小：1.5” x 2.0”) 將 擺 放 於 膕 肌 肌 腹 位 於 大 轉 子 (greater trochanter)至 膕 窩 (popliteal
12 fossa)距離約三分之二處(圖 2-4)。
圖 2-4、電極貼片位置
2-3 等速肌力訓練儀與功能性電刺激器之整合
為使等速肌力訓練儀與功能性電刺激器得以有效整合，本研究利 用資料擷取裝置(data acquisition card, DAQ)與個人電腦，將自等速肌 力訓練儀之動力計所擷取之膝關節角度位置、角速度、以及力矩強度 等信號進行電腦運算，再以一相對應值產生電刺激強度以便有效控制 膕肌收縮，進而補償前十字韌帶損傷後對脛骨前移之影響。其中個人 電腦所進行之各類型可適性運算應以減少脛骨前移以及產生該特定 角度最大之膝關節力矩強度為主要目的。以下將根據圖 2-5 之方塊圖 耦合關係解釋系統工作原理。
13
圖 2-5、結合等速肌力訓練儀(動力計)與功能性電刺激器之復健系統方塊圖
如圖 2-5 所示，本等速肌力復健系統係利用膝關節伸展或屈曲動 作產生之角度位置、角速度、力矩強度、以及肌電(electromyography,
EMG)等信號(分別經由動力計與肌電圖電路擷取而得)，經過信號擷 取盒以 2000Hz 之取樣頻率進行類比至數位轉換(analog-to-digital
convert, ADC)，產生可儲存及處理之資料(圖 2-6)，再透過個人電腦計 算用以控制自製功能性電刺激器之參數，進而誘發膕肌適度的收縮以 補償前十字韌帶之功能，並回授影響膝關節伸展或屈曲動作產生之角 度位置、角速度、力矩強度、以及肌電等信號。
14
圖 2-6、經由信號擷取盒所取得之等速肌力訓練儀角度位置信號(上) 、力矩 信號(中)、以及角速度信號(下)，其中力矩信號包括股四頭肌伸展與膕肌屈曲交 互呈現
其中電刺激時間點與強度係根據參考文獻[11]所提供各個角度前 十字韌帶張力平均值(圖 2-7)而設定。該文獻指出，前十字韌帶於膝 關節伸展至約 10~48 度時將承受較高的張力而處於伸長的狀態。為避 免前十字韌帶斷裂或經過重建手術之病患在復健的訓練動作當中於 此一範圍內再次受到傷害或甚至發生斷裂的情形，本研究所開發之系 統設定以膝關節伸展至 60 度時做為開始電刺激的起始點(如圖 2-7 所 示，韌帶張力開始急劇增加)，直到伸展至 0 度之極限才停止電刺激，
在屈曲的過程當中則不給予電刺激(圖 2-8)。
15
圖 2-7、前十字韌帶於主動與被動可動範圍內所承受之張力值[11]
圖 2-8、依膝關節角度決定電刺激介入時間點
由於每位受試者的肌膚阻抗不盡相同，在每次進行實驗之前都必 須先為受試者量測有反應的最低電壓值 Vmin、舒適範圍最高電壓值
Vmax、以及相對應之肌力伸展最大力矩值，當受試者在伸展訓練過程 中達到該最大力矩強度時即給予最大電壓 Vmax 強度之電刺激。電刺 激電壓大小將會依所測得之力矩強度而有所變化，因此本研究亦另外 設計多組不同的電刺激參數以便能提供膕肌最適當的電刺激量。
16