第一章 緒論
第五節 膝關節韌帶損傷與復健
膝關節為人體中最大也是最容易受傷的關節，其中包含半月板、周圍肌群、軟
骨及韌帶損傷，統計顯示，在美國每年有二十萬件以上的前十字韌帶斷裂案例，並 且好發於15 至 44 歲的年齡層間[10, 11]。半月板的損傷是因膝關節屈曲小腿外展或內收時，兩塊半月板滑動不均勻，使 得半月板夾在股骨髁和脛骨平台之間，受到強烈摩擦而撕裂(圖 1-12)。十字韌帶 方面是因膝關節屈曲時，突然過度旋轉、內收或外展而造成(圖 1-13)。內側副韌 帶是因膝關節屈曲約 130 度左右時，小腿突然外展或足及小腿固定，大腿突然內 收造成。而外側副韌帶則是因膝關節屈曲，小腿突然內收或大腿突然外展造成(圖 1-14)。
圖 1-12、半月板撕裂示意圖。
圖 1-13、前十字韌帶斷裂示意圖。
圖 1-14、側副韌帶斷裂示意圖。
依照韌帶斷裂的嚴重程度及考量病人的年齡或日常活動等來決定是否需要接 受韌帶重建手術，或是一段較長時間之復健。而復健可分為五個階段，第一階段為 手術後可穿戴護膝開始簡單的復健運動，用以促進下肢循環、消除腫脹、維持肌肉 力量及關節活動度。第二階段為手術後兩天可用拐杖等輔助器具下床行走，患腳可 全部用力。第三階段為手術後四週可使用運動用的腳踏車做膝部運動(圖 1-15)；
六週後可在小腿綁上沙袋或其他重物做直腿抬高或膝彎曲伸直運動，以加強大腿 的肌肉力量。第四階段為手術後四個月可以開始慢跑。最後一個階段為手術後約六 個月可以做一般的運動。
圖 1-15、膝關節之自行車復健，(A)最高點及(B)最低點時之膝關節彎曲角度。
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純化；因此，許多侵入性的量測方式仍然使用試體量測。試體與活體最大的不同，
就在於試體的動作為被動的，並無法表現出動作中最重要的功能動作(Functional activities)，同時，關節內部軟組織的影響也和活體不同，故無法完全代表人體真實 (Motion picture)，用動態影片的方式記錄並描述出許多動物與人的動作。此後，動 作分析的技術便開始發展。1972 年，Sutherland 利用三台攝影機，從正面和兩側 大，而且每張影像都必須靠人工的處理，其所耗費的時間很久。因此，Sutherland 的方法除了膝關節內外翻角度沒辦法量測外均可測得。
立體攝影技術的準確度是由 Kadaba 等人提出的[13]。在這篇研究提出之前，
攝影技術可以拍攝到多個平面，卻沒有辦法校正其誤差，但是Kadaba 用敏感度分 析的方法來校正拍攝時的誤差，並且量測40 個年輕正常人的下肢運動學，利用受 試者身上黏貼標記(marker)建立出座標系統，由座標系統相互彼此的相對運動來描 述人體運動。Kadaba 利用五台紅外線攝影機(Infrared cameras)拍攝黏貼在受試者
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身上的反光標記，每個方向的準確度控制在±2mm。
但因為是在皮膚上黏貼標記，所以無法摒除皮膚位移所導致的誤差。為了解決 皮膚移動誤差，以骨釘(Bone pins)直接固定於股骨和脛骨再伸出體外(圖 1-16)，並 將標記固定於骨釘上的方式為一種取代的方式[14]。然而以侵入式方法量測膝關節 內部資訊能接受的受試者並不多，雖然這種方式精確度很高，卻不適用於廣泛的應 用在臨床量測上。利用全面最佳化是另一種用以降低皮膚移動誤差的方式[15]。
1999 年，Lu 和 O'Connor 將過去文獻上用以降低皮膚位移誤差的 DM(The direct method)、SOM(Segmental optimization method)、TA(Top-down approach)這三種方法 整合，然後提出GOM(Global optimization method)作比較，Lu 和 O'Connor 所提出 的 GOM 可以將皮膚移動誤差降至約 0.5mm 左右，並且可以避免發生關節脫落 (Joint dislocation)。然而，實驗仍然是以使用皮膚標記為主，因此無法完全排除皮 膚位移的所帶來的量測誤差影響。
圖 1-16、以骨釘直接固定於股骨和脛骨再伸出體外，並將標記固定於骨釘上之 示意圖。
為了得到膝關節在各種功能性動作下，骨頭間精確之相對運動學資訊，本實驗 室使用動態 X 光系統(Fluoroscopy system)量得動態膝關節運動影像，配合電腦斷 層掃描及相關醫學影像重建軟體，得到骨頭的立體模型。在電腦模擬動態 X 光系 統中，將電腦斷層掃描影像投影至其影像平面，再由最佳化的方法控制該模型的位 置，藉此求得實驗時模型在空間中相對之位置及方向(圖 1-17)[4]。而最佳化運算 所花費的時間遠低於過去文獻史用的方法，因此在活體量測、動態量測、非侵入式 以及後續運算都能大幅提高運算效率。搭配足夠的實驗空間，提供受試者在實驗時 能不受阻礙的執行實驗所指定具有臨床意義之功能性動作。如此不僅可以免除立 體攝影技術所導致的皮膚移動誤差，又可以獲得人體膝關節之三維運動學資料，找 出正確之膝關節運動學機制。
圖 1-17、單平面影像比對技術求得膝關節運動學資訊。
膝關節韌帶受力情形
關於膝關節韌帶受力行為的文獻可以分為試體研究(In vitro study)及活體研究
(In vivo study)。實驗方法是使用力量感測元件或變形感測元件以直接的方式來量取 膝關節的韌帶在前拉測試下的伸長量，即受力與伸長關係。依照所量測的膝關節有 無生命現象區分為活體和試體研究。17
試體實驗是目前常用的量測以及驗證韌帶模型的方法。由於試體可以完整且 便利的提供關節面的幾何和韌帶的附著位置，安裝力量感測元件以及實驗操作也 相對活體方便。並且可以設計預期的被動運動資訊下，執行各動作的量測。在試體 無損壞或腐敗的條件下，其結果可為一標準答案參考或者供電腦模型驗證所用。試 體實驗最大的限制除了膝關節試體取得不易之外，亦無法量測肌肉主動收縮影響 下的韌帶受力[16-20]。
Markolf 等學者利用試體實驗，以各種定量的外力於膝關節試樣，利用力量感 測器，量測前十字韌帶(ACL)的上的作用力，並配合應變規(Strain Gauge)來測量韌 帶變形(圖 1-18)[18]。此研究特點在於根據試體上前十字韌帶與脛骨接觸面安裝感 測元件並直接量測得前十字韌帶之力量，其結果對於前十字韌帶於脛骨之撕裂傷 以及韌帶重建手術之位置有所幫助。不過由於該研究直接破壞了脛骨本身的結構，
因此在精確度上易有所誤差。Hiromichi Fujie 等學者利用機器人手臂，量測膝關節 試樣在膝關節鬆弛度測試時韌帶所受力量(圖 1-19)[21]，同時計算外部施予脛骨結 節所需的力量大小和方向，以符合膝關節在受關節鬆弛度測試時，只承受向前和向 後方向力量的假設。六軸機械手臂可以提供各個自由度的位移控制，並且不需破壞 試體的結構。實驗中前拉測試的關節運動資訊可以被記錄下來，並以重複路徑模式 對剪去十字韌帶的試體做拉伸測試，如此可以求得前十字韌帶所受到的作用力，藉 以了解臨床上損傷的機制。
圖 1-18、利用感測器量測膝關節受力。
圖 1-19、利用機械手臂系統來量測膝關節力量與力矩。
這些試體試驗研究對膝關節的解剖構造、在固定外力下膝關節組織的受力反 應、以及前十字韌帶損傷相關研究有很大的幫助，並可提供之後的研究人員，驗證 本身模型的正確性。雖然如此，但若要準確求得韌帶的受力及變形的分布，以及肌 肉收縮的效應和組織間的力學反應，現階段還是須仰賴電腦數學理論模型。
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而活體研究可以進一步量測韌帶在肌肉主動施力下的力學行為，可分為侵入 式(Invasive)和非侵入式(Non-invasive)方法兩種。因活體膝關節的運動情形與實際 情況較為接近，對於臨床上的分析或運動員的關節生物力學極具參考價值。
侵入式的研究是利用量測儀器植入人體內，進而量測人體運動時關節組織的 變行與受力。與試體實驗不同的地方在於活體侵入式的量測儀器需要更精密的設 計。過去的文獻中有學者利用植入式應變感測器(圖 1-20)[22]以及量測骨頭內力的 裝置輔具(Lu et al., 1997)等來求得身體內部在各動作下之受力(圖 1-21)。優點是可 以直接且正確量測到人體內部組織的資料或骨頭真正的運動學資料。由於量測儀 器的設計，這類試驗能量測單一或幾個部分組織的受力，如前十字韌帶受力以及股 骨所受之內力，只能看到個別的部分而看不到整體的受力情形。另一方面骨釘搭配 動作分析系統，可以在不受皮膚移動誤差的影響下計算肢段的受力情形，但是卻無 法得到內部組織的受力，如骨頭和骨頭、韌帶、肌肉的力學互動。另一方面，要將 感測器植入人體所受到的實驗規範與限制，比一般非侵入式的實驗繁複，感測器的 設計也有特殊的要求，如特殊的外形、尺寸，以達到置入人體的目標，對需大量收 集資料的實驗將有很大的困難。因此基於道德和技術上的考量，結合理論模型和實 驗的研究方法已經被發展並且使用於相關的研究，來了解膝關節內部的韌帶、骨頭 的運動學和力動學資訊。
圖 1-20、植入式應變感測器量測活體韌帶之應變。
圖 1-21、量測骨頭內力的輔具裝置。(Lu et al., 1997)
非侵入式方法則是利用外在的量測設備來得到人體運動過程中各肢段的運動 學資料，並透過逆向動力學(Inverse dynamics)來求得關節在功能性動作下所受到的 力量及力矩。非侵入式實驗方法對受試者本身的傷害較小，其優點是適用大多數的 受試者，容易大量的取得實驗數據。而人體動作分析(Motion Analysis)技術更因其 效率性的非侵入式量測方法使得學者們廣泛應用，可以量測到人體各肢段及關節 的活體運動資料，同時可以配合測力板(Force plate)量測地面反作用力(Ground reaction force, GRF)資料，進一步利用逆向力動學分析運動過程中各關節所受到的 合力與合力(圖 1-22)。這些資料可以幫助研究人員了解人體運動以及相關疾病的 原因[13, 23, 24]，也可用於多關節的動作分析。動作分析時，皮膚上的反光標記會
非侵入式方法則是利用外在的量測設備來得到人體運動過程中各肢段的運動 學資料，並透過逆向動力學(Inverse dynamics)來求得關節在功能性動作下所受到的 力量及力矩。非侵入式實驗方法對受試者本身的傷害較小，其優點是適用大多數的 受試者，容易大量的取得實驗數據。而人體動作分析(Motion Analysis)技術更因其 效率性的非侵入式量測方法使得學者們廣泛應用，可以量測到人體各肢段及關節 的活體運動資料，同時可以配合測力板(Force plate)量測地面反作用力(Ground reaction force, GRF)資料，進一步利用逆向力動學分析運動過程中各關節所受到的 合力與合力(圖 1-22)。這些資料可以幫助研究人員了解人體運動以及相關疾病的 原因[13, 23, 24]，也可用於多關節的動作分析。動作分析時，皮膚上的反光標記會