行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
結合動作分析及動態 X 光量測技術研究活體人工膝關節之生
物力學(2/2)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2213-E-002-118- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學醫學工程學研究所 計畫主持人： 呂東武 共同主持人： 劉華昌，許弘昌 計畫參與人員： 郭美英、傅仰傑、蔡宗遠、方毓廷、許時榮 報告類型： 完整報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
結合動作分析及動態 x 光量測技術研究活體人工膝關節之生
物力學(2/2)
計畫類別：5 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC－93－2213－E－002－118
執行期間： 2004 年 8 月 1 日至 2005 年 7 月 31 日
計畫主持人：
呂東武
共同主持人：
許弘昌、劉華昌
計畫參與人員：
郭美英、傅仰傑、蔡宗遠、方毓廷、許時榮
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 5完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣大學醫學工程學研究所
中 華 民 國 94 年 10 月 30 日
附件一行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告
結合動作分析及動態 x 光量測技術
研究活體人工膝關節之生物力學(2/2)
計畫編號:NSC93-2213-E-002-118
執行年限：2004 年 8 月 1 日 至 2005 年 7 月 31 日
主持人:呂東武
共同主持人：
許弘昌、劉華昌
計畫參與人員：郭美英、傅仰傑、蔡宗遠、方毓廷、許時榮
國立台灣大學醫學工程學研究所
中文摘要： 退化性關節炎病人接受全人工膝 關節置換手術後，如何恢復其日常動 作的功能，以提高其生活品質，是現 階段新型全人工膝關節設計一個相當 重要的課題。以往由於道德上的考量 以及技術上的限制，直接量取人工膝 關節移動時相對的角度及兩元件接觸 點的位置有其困難，因此本研究旨在 發展一個整合動態 X 光攝影系統、動 作分析系統、測力板以及數學模型分 析的新技術以探討活體人工膝關節之 生物力學，進而提供人工膝關節在從 事單關節運動與功能性運動時，更精 確與更好之運動學與動力學描述。由 於本研究之受試者兩膝分別植入後十 字 韌 帶 置 換 (posterior cruciate substituting, PS)型與後十字韌帶保留 (posterior cruciate retaining, CR)型之人 工膝關節，故可避免受試者間各項變 數干擾研究結果。提供了一個探討解 釋這兩種不同類型之膝關節設計的絕 佳機會，對於瞭解後十字韌帶對於人 工膝關節之功能有所幫助。本計畫共 分二階段進行。 第一階段(年)包含建立一個整合 動態 X 光攝影系統以及動作分析儀器 設備包括紅外線攝影機、測力板以及 肌電圖等，用以量測完整運動學與動 力學資料的系統。實驗記錄同時植入 PS 型與與 CR 型人工膝關節之病人進 行之主動、被動單關節動作及功能性 動作包括步行、做到站等之過程。利 用實驗資料進行下肢生物力學分析， 並特別著重於脛骨股骨關節之力學交 互作用。 第二階段(年)旨在發展一個新的 利用電腦模型與動態 X 光資料評估三 維人工膝關節運動學之最佳化方法。 此一新方法將與兩種文獻中既有的方 法比較，透過電腦模擬與驗証實驗， 評估三者的精度與信度。 藉由驗證實驗的結果證實，本研 究結果相當精確。目前本研究所提出 的量測方法是唯一能在非侵入的狀況 下，不受皮膚移動誤差影響而精確測 得人工膝關節患者動態關節三維運動 學及力學的方法。 經過臨床實驗後，透過人工膝關 節患者主動運動、被動運動及功能性 動作之測試了解到人工膝關節患者與 正 常 人 膝 關 節 確 有 不 同 的 運 動 學 行 為，導致膝關節力學模式跟著改變， 即使保留了後十字韌帶的患者也因其 無法發揮韌帶的正常功能，導致膝關 節運動受限，影響到人工膝關節的受 力狀況。 本計畫全部依據既定時程完成一 個新的三維全人工膝關節量測技術， 並將之應用到全人工膝關節元件相對 運動的測量，所得結果與文獻及全人 工膝關節動作分析實驗數據均相當一 致。本年度計畫成果除有助了解膝關 節運動時韌帶受力及各種不同的擷抗 作用情形，臨床上能幫助置換人工膝關節時更多的資料與改進之處。 Abstract：
Total knee arthroplasty has been the main choice of treatment for advanced degenerative knee osteoarthritis over the last few decades. It is essential to provide full functional performances to patients on total knee replacement (TKR) design. Due to ethical considerations and technical limitation, direct measurement of angles during motion and contact points of two components in the Total knee is difficult.
The main purposes of the project are to develop a new technique that integrates video-fluoroscopy systems, motion analysis systems, forceplates and electromyography (EMG), as well as mathematical modeling and analysis for in vivo study of total knee biomechanics, providing more accurate and better descriptions of the TKR kinematics and kinetics during isolated joint movement and functional activities. Subjects with PS (posterior cruciate substituting) type TKR in one leg and CR (posterior cruciate retaining) type in another in the present study offer an exceptional opportunity for study of these two different types of knee designs without inter-subject variations, which is helpful for the clarification of the function of posterior cruciate ligament (PCL) in TKR’s. This project will be carried out in two parts (years).
In the first part (year) of the project, a complete kinematic and kinetic measurement system integrating a video-fluoroscopy system and motion analysis equipments, namely infrared cameras, forceplates and EMG, was established. Patients with both PS and CR type TKR’s performed passive and active isolated joint movements and functional activities including gait and sit-to-stand while kinematic and kinetic data were measured. Kinematic and kinetic analysis of the lower limb with special attention on the interaction of the
tibiofemoral was performed.
In the second part, a new optimization method for model-based estimation of the three-dimensional kinematics of TKR using dynamic fluoroscopic data was developed. Comparisons of the accuracy and reliability of the new method with two existing methods was performed based on computer simulations and experimental data.
Present study proposed a new technique for improving the accuracy of 3D pose estimation and accelerate computational process without manual operation. All 2D real data and projection silhouettes are warped to stick on 3D spherical surface before the matching process. Therefore, template matching based on shape invariant can be applied for perspective projection system and can divide 6 degrees of freedom (DOF) of model to calculate respectively.
The results from the current study showed that the majority of patients experienced kinematics is not similar to those of a normal knee. However, the extent of lateral femoral condyle posterior rollback and the extent of axial rotation were less.
ㄧ、前言 膝關節是人體最大的關節，也是 使用頻率最高的關節之ㄧ。由於高頻 率的使用與較大的負荷，退化性膝關 節炎成為老化過程中常見的疾病。退 化性膝關節炎，帶給患者關節疼痛、 僵硬和酸痛等等症狀。病情嚴重者， 可能跛行、上下階梯困難、寸步難行 甚至連站立都有困難。 膝關節置換手術一直是過去數十 年來用以治療退化性膝關節炎的主要 選擇，並且有很好的長期成功率。然 而，對於諸如耐磨性不佳、功能性運
動範圍不足，以及未來可能出現的各 種問題，人工膝關節的研發仍有進步 的空間。為了驗證針對上述問題而研 發的新式人工膝關節之設計以及評估 各種手術策略，運動時人工膝關節之 生物力學知識極是不可或缺的。能夠 更精確量測活體人工膝關節之運動學 與動力學數據之工具是改進人工膝關 節臨床效果的基石。另一方面藉由皮 膚標記量測人體三維運動學的立體攝 影技術是現今廣泛使用之技術，但由 皮膚表皮位移所產生的誤差卻難以消 除。動態 X 光提供了一個沒有皮膚移 動誤差的量測人工膝關節動態運動之 方 法 ， 卻 侷 限 於 僅 能 提 供 平 面 的 資 訊。透過二維動態 X 光以及電腦模型 以精確評估人工膝關節組件之三維運 動位置與方位的方法之研發已受到廣 泛注意。惟利用這種方法的相關研究 因為受限於動態 X 光儀器視野，因此 多集中於討論人工膝關節組件間之三 維運動。由於近來人工膝關節的設計 多強調不受限制的關節運動性，故人 工膝關節組件的相對運動取決於下肢 的運動與其力學行為。因此，整合下 肢運動學與諸如地面反作用力之動力 學資料以及人體下肢數學模型，對完 整分析膝關節生物力學極其重要。 二、文獻探討 過去有関膝關節運動學之量測的 方法大致可分為活體(in vivo)量測與死 體(in vitro)量測。由於試體量測沒有辦 法完全重現活體之狀況，因此如何在 不使用侵入式或無法回復之破壞性方 法下量得運動過程中活體膝關節之運 動學資料，一直是極為重要的研究課 題。利用活體量測可獲得人體實際的 資料，然而目前許多活體量測方法， 例如利用皮膚標記之三維動作分析系 統、醫學影像等，均有無法消除的誤 差與限制。例如皮膚標記之三維動作 分析系統僅能量測體運動，無法量得 関節內部運動狀態，而傳統醫學影像 (如 CT 與 MRI)可用以重建関節內部幾 何，然而僅止於靜態。能夠量測関節 內部三維動態運動狀態之方法極具重 要性。 X 光立體攝影術(RSA)是擁有高 精確度之三維座標量測方法[1]，惟其 需事先植入坦標記，且對於全人工膝 關節而言，坦標記不易辨識，故 RSA 無法使用於全人工膝關節運動學的量 測。 Dennis et al. [2]曾應用動態 X 光量 測全人工膝關節的二維運動情形，針 對後十字韌帶保留類型與後十字韌帶 置換類型之 TKR 進行運動學分析。從 動態 X 光取得之影像經處理後，分別 在股骨與脛骨上定義出四個特徵點並 計算股骨與脛骨的垂直軸向，求得膝 關節的屈伸角度。受試者總共有正常 人、CR 類型及 PS 類型三個族群，做 被 動 、 無 承 重 的 膝 關 節 動 作 以 及 主 動、承重之動作測試並進行分析。其 結果顯示，在無承重狀況下正常、CR 與 PS 的最大彎屈角度均相近，但在承 重時 PS 類型(135 度)就明顯大於 CR 類 型(126 度)，而皆低於正常人(154 度)。 然該研究由於是二維的研究，故無法 完整描述膝關節之三維運動。 Banks 首先提出利用動態 X 光配 合模型投影技術量測全人工膝關節之 三維運動學[3]。透過比對 X 光拍攝的 影像及全人工膝關節模型投影的影像 之一致性，決定實驗中全人工膝關節 之空間位置。Banks 比較 PCL 是否保 留對 TKR 設計的影響[4]。針對 AMK (DePuy ， Warsaw IN) 、 Series 7000 (Osteonics，Allendale，NJ)及後方固定 (posterior stabilized，Osteonics)三種不 同的全人工膝關節設計來量測其運動 學之差異。結果顯示不同的全人工膝 關節設計在功能動作的表現上明顯受 到其形狀及設計目的與醫師置換技巧 的影響。所量測到的全人工膝關節運 動與正常人之膝關節運動不盡相同，
顯示目前各種全人工膝關節在設計上 依然有缺陷，不能真正重建正常人之 膝關節運動。
Hoffet al.改良 Banks 方法的缺點， 克服了 Banks 在某些角度無法辨識的 困難，使得動態 X 光比對的方法可以 計算完整的運動過程[5]。同時透過簡 化的模型先估計空間位置，再利用較 細緻的模型計算正確的空間位置，使 其精確度高於 Banks 之方法。Zuffi et al. [6]則利用距離圖譜的方法，由動態 X 光取得運動時之連續影像，透過已經 建立好之 TKR 之距離圖譜，由最佳化 方法求得空間中 TKR 之位置，進一步 計算關節之運動學。上述研究或只就 靜態分析，或二維研究，或 TKA 獨立 分析，均未能就人工膝關節組件相對 於下肢運動所表現的運動力學行為， 整合下肢運動學與諸如地面反作用力 之 動 力 學 資 料 以 及 人 體 下 肢 數 學 模 型，完整分析膝關節生物力學。 三、研究目的 本計畫旨在發展一個整合動態 X 光攝影系統、動作分析系統、測力板 以及數學模型分析的新技術以探討活 體人工膝關節之生物力學，進而提供 人工膝關節在從事單關節運動與功能 性運動時，更精確與更好之運動學與 動力學描述。 本計畫之受試者共有六位，有二 位裝置不同型 Fixed Arthroplasty(CR type 與 PS type) 與 四 位 裝 置 Mobile-Bearing Arthroplasty 的人工全 膝關節的患者，皆由同一位骨科醫師 進行全人工膝關節置換手術，在動態 X 光與動作分析系統下作各種功能性動 作，以探討不同型人工全膝關節對膝 關節動力學的影響。本研究可望對人 工 膝 關 節 之 生 物 力 學 有 一 通 盤 的 認 識，同時建立兩種不同設計對膝關節 生物力學之影響，對後續的人工膝關 節設計與手術治療將有所助益。 本(第二)年度計畫旨在發展三維 物體影像契合之技術，能更精確的決 定膝關節三維相對運動，並為人工膝 關節的設計提供更適當的建議。除了 計畫研究發展新的量測方法來研究雙 腳分別植入不同類型之全人工膝關節 病人的動作及力學分析以外，並透過 已建立之整合型動作分析系統同時分 析比對其動作在不同量測系統的差異 性，同時探討皮膚移動誤差等傳統動 作量測的議題，加強現有技術的準確 性及便利性。 四、研究方法 本實驗之醫學影像儀器係使用中 國醫藥大學附設醫院放射科心血管攝 影 (angiography) 室 之 血 管 攝 影 儀 ( 圖 一，Advantx LCA，GE，France)來擷 取膝関節動態二維影像。 動態Ｘ光系統之成像係藉由個人 電腦搭配影像擷取卡(PCI bus frame grabber，Foresight，USA)，並利用其 開發程式庫撰寫軟體擷取影像訊號， 擷取頻率為三十赫茲，影像解析度為 1020x932。 圖一 心血管攝影儀（angiography）。 X 光係由下方發射管往上射出，上面是 影像接收端。
本研究實驗包括三個部分：系統 校正、驗証實驗及活體實驗。系統之 校係使用網格板與星狀板兩校正器為 之 。 其 中 網 格 板 用 來 校 正 影 像 的 扭 曲，星狀板則用來校正光源的位置。 並設計合適的固定裝置，用以架設校 正板(圖二)。圖三為動態 X 光攝得的網 格板與星狀板之影像，供後續校正分 析之用。 本研究方法首先透過 TKR 動態 X 光(fluoroscopy)之動態運動學資料，以 及自廠商取得完整全人工膝關節三維 幾何模型(CAD model)，搭配影像處理 (image processing) 與 影 像 契 合 (image registration)之技術，不僅可免除立體攝 影技術的皮膚移動誤差，同時又可獲 得全人工膝關節三維運動學資料，進 而找出正確的膝關節運動學機制。 首先須知受試者其全人工膝關節 型號再以電腦軟體建立相關 TKR 之三 維模型。接著，受試者透過動態 X 光 擷取各種動作時 TKR 的二維位置。這 些二維動態 X 光資料經過影像處理後 可取得 TKR 之輪廓。透過三維 TKR 模 型 與 二 維 影 像 的 契 合 ， 可 計 算 出 TKR 之空間位置，進而描述其相對關 係並計算其運動學資料。 輪廓比對的方法係在一個虛擬的 環境下透過影像的資料以及模型來比 對，進而獲得 TKR 在人體的三維運動 學資料。在這個新的比對技術中，最 重要的是模擬一個新的球狀幾何光學 系統，並搭配球面移動技術，讓模型 投影的影像與待測影像在球面作影像 契合。模擬新系統的主要原因在於希 望在比對的最佳化過程中，將設計變 數由 6 個(3 個位置向量、3 個旋轉角度) 減少成 2 個(相對 x、y 軸的旋轉角度)， 透過只比對影像的傅立葉訊號，我們 即可快速的比對出物體空間的位置。 這個方法的最大的優點在於能使過去 比對時所需的 6 個變數減少為 2 個， 不僅能減少龐大的計算時間，由電腦 來取代人為操作。 圖四(C)為輪廓比對方法之概念 圖，藉由將 X-ray 模擬為點光源之後將 CAD 模型投影到影像平面來與已知的 影像進行比對，進而求得 CAD 模型之 空間方位。 圖三 未經校正的影像。透過網格板 （左）與星形板（右）兩張校正用影像 可計算出校正影像之參數，可將扭曲的 影像校正回正常的位置。 圖二 系統校正實驗及校正裝置之架 設。 a) b)
為了確立本研究方法的精確度與 可信度，我們設計進行了驗證實驗。 首 先 設 計 製 作 一 機 械 式 旋 轉 盤 ( 圖 五)，其中有一圓筒以裝入被測物(圖 六)，其可以個人電腦與控制卡，精確 的調整其位置。因其幾何設計均為已 知，故可確立被測物(人工関節元件) 的空間位置及方向。此外在旋轉盤上 的設計位置預先打入九個鉛點，用以 模擬單平面之 X 光立體攝影術的方 法，作為實驗之交叉驗證。圓筒內所 設計的幾何關係，可用以確認每次置 入的待測物皆與圓筒有固定的相對位 置 。 旋 轉 盤 外 側 設 計 了 一 個 獨 立 支 架，用來固定其他待測物(圖六)。 本研究之受試者兩膝分別植入後 十字韌帶置換(PS)型與後十字韌帶保 留(CR)型之人工膝關節(圖七)，故可避 免受試者間各項變數干擾研究結果。 受試者受測動作，包括膝關節之被動 屈伸運動、主動屈伸運動、載重下之 屈伸運動測試、正常步行、上下樓梯 以及由坐到站等功能性動作。主動屈 伸運動係受試者膝關節在影像增感屏 前，靠受試者自己的力量做完整的屈 伸動作。而被動屈伸運動，則是受試 者 放 鬆 ， 在 膝 關 節 不 受 外 力 的 狀 況 下，由研究人員輕輕地搬動受試者小 腿，使受試者在不必用力的情況下， 膝關節做完整之屈伸(圖八)。特殊設計 的步道中置有測力板，該步道可調整 或加裝零件即可供受試者執行上述各 項動作(圖九)。全人工膝關節患者身上 適當骨標記處須黏則反光球，於各項 測試動作中同時接受動態 X 光攝影系 統以及動作分析儀器設備包括紅外線 攝 影 機 (Vicon 370, Oxford Metrics, U.K.)、測力板(Kistler, U.S.A.)整合量 測。上述動作分析儀器設備包括紅外 線攝影機、測力板各系統之整合係以 Vicon370 工作站控制作動，而與動態 X 光攝影系統之間的整合則透過可同 時可由两系統測得之網格板及其上五 顆反光球為之(圖十)。 圖六、.驗証實驗裝置，包括旋轉盤 本體及獨立支架。中央圓筒可置入 人工膝關節組件，用以確認相對誤 差。 圖五、驗証實驗用旋轉盤。其中控制卡連接 控制箱以及機械式旋轉盤，可控制旋轉盤以 定速旋転或転至一定位置，並有 LCD 顯示旋 転角度。 圖四、TKR 組件 CAD 模型（前）與患 者膝關節動態 X 光影像（後）之空間 投影比對。可以清楚看到模型投影與圖 形的關係。當模型與拍攝的影像重合 時，模型的位置即為當時 TKR 的位 置。(A)正視圖，(B)後側視圖，(C)左圖 為原影像平面比對，右圖為新的球面比 對的示意圖。 c)
五、結果與討論 為了確認本研究發展方法之正確 性，首先以電腦程式模擬全人工膝關 節靜態驗證實驗的動態Ｘ光系統環境 與真實動態Ｘ光系統成像比較，以Ｘ 光光源位置視點，同時以遠近畫法呈 現，讓視野中所見輪廓與點光源投影 結果相同。由圖中發現旋轉盤立體模 型的邊緣與影像上投影邊緣重合，同 時九個鉛點投影位置也與旋轉盤上九 個鑽孔位置重合，即得初步驗證(圖十 一)。 使用輪廓契合理論最佳化後所得 之全人工膝關節股骨組件空間位置與 實驗真值位置相減取絕對值得到誤差 如圖十二所示。相較於過去文獻本研 究所發展之方法不論是在平移或是旋 転之精確度，不論是絕對或相對精度 均優於過去文獻。圖十二顯示本研究 提出的方法之精確度比過去文獻提出 的方法更為精確，其精確度在旋轉方 面均小於 0.5 度，X、Y 軸平移小於 0.5 公釐而 Z 軸約為 1 公釐。過去方法之 精確度在 Z 軸上有很明顯的誤差，是 因為物體在空間中 Z 軸上的變化很敏 感，故故誤差較大。本研究提出的方 法成功在 Z 軸上做出突破，同時其他 項亦較為精確。 圖七、 十字韌帶置換型(PS) 與後十字韌帶保留（CR）型之 人工膝關節。 圖八、植入全人工膝關節的患者作被動 屈伸運動的情形 圖十、紅外線攝影機、測力板各系統與 動態 X 光攝影系統之間的整合透過两 系統測得之網格板及其上五顆反光球 為之。 圖九 將反光標記黏貼於受試者下肢肢段上， 並站立測力板上進行靜態校正。
圖十三、結合動作分析及動態 X 光量 測技術分析裝置人工膝關節患者膝 蓋的生物力學。 透過結合動作分析系統與動態 X 光 量 測 技 術 量 測 受 試 者 膝 關 節 運 動 （圖十三），本計畫共分析了四位裝置 Mobile-Bearing(MB)型，及一位 PS 型 與另一位 CR 型人工膝關節的受試 者，將受試者之脛骨股骨關節的位移 情形與相對於屈伸角度的旋轉變化繪 於圖十四至十九中，並比較不同的系 統所觀察出的資料（圖二十一至二十 六）。圖二十為正常膝関節之結果以供 比較。圖十四至十九均以 flexion 為橫 軸，縱軸則為內/外展(ad/abduction)及 內/外轉(internal/ external rotation)。
由文獻得知，正常膝關節在被動 彎曲中，當彎曲角度為定值時，可得 到相對應之內/外轉和內/外展角度，代 表此結構為單一自由度的機構。 由本研究結果得知，在植入人工 關節後，因前十字韌帶已切除，膝關 節結構不再是單一自由度的機構，其 運動範圉受人工關節面及其他韌帶如 內、外側韌帶，或後十字韌帶所決定。 人工關節之被動運動，因前十字 韌帶之切除而其功能未被代償的情形 下，不可能與正常關節一樣。後十字 韌帶保留及替代兩者對恢復正常運動 各有優缺點，也都不足。 此結果顯示人工關節之關節面與 正常關節有顯著差異。人工關節的運 動幾何和正常膝關節不同，造成肌肉 收縮的力臂和作用力方向改變，進而 產生人工膝關節於功能性活動時的異 常與功能不足，同時也可能對肌肉造 成長期的傷害，這是未來設計人工關 節所應考慮的重點。 圖十一 以電腦程式模擬人工全膝關節 靜態驗證實驗的動態Ｘ光系統環境與真 實動態Ｘ光系統成像比較。 圖十二 人工関節元件精確度與過去文 獻之比較。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 θx θy θz Vx Vy Vz Banks Hoff Zuffi TKR 圖十四 CR 型受試者進行膝關節主 動與被動測試時，其脛骨股骨關節之 內外展隨曲伸角度之變化。圖中圓點 為動作起始點。
圖二十、 正常人作被動動作時 的彎曲角度與內外展、內外轉角 度對應圖。 圖十六 PS 型受試者進行膝 關節主動與被動測試時，其脛 骨股骨關節作主動與被動測試 時，內外展角度隨曲伸角度之 變化。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -20 -10 0 10 20 30 40 PS type flexion/extension degree d e gr e e active adduction/abduction passive adduction/abduction 圖十五 CR 型受試者進行膝關節主動 與被動測試時，其脛骨股骨關節之內 外轉隨曲伸角度之變化。圖中圓點為 動作起始點。 圖十七 PS 型受試者進行膝 關節主動與被動測試時，其脛 骨股骨關節作主動與被動測試 時，內外轉角度隨曲伸角度之 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -30 -20 -10 0 10 20 30 PS type flexion/extension degree d e gr e e active internal/external passive internal/external 圖十八 CR 與 PS 型人工關節 於被動測試時其內外展角度隨 曲伸角度之變化。 0 10 20 30 40 50 60 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
CR type with PS type
flexion/extension degree d e gr e e CR passive adduction/abduction PS passive adduction/abduction 圖十九 CR 與 PS 型人工關節 於被動測試時其內外轉角度隨 曲伸角度之變化。 0 10 20 30 40 50 60 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
CR type with PS type
flexion/extension degree d e gr e e CR passive internal/external PS passive internal/external
圖二十一至圖二十三為動態 X 光 系統與動作分析系統在單一關節運動 下所做的比較，將兩個不同的系統各 自所計算出的旋轉角度相對於時間的 變化製圖。兩系統均定義膝關節伸直 時為初始位置。 統及測力板的裝置整合，可以讓我 們對功能性動作得到更精確的力學分 析，並探討皮膚移動誤差(圖二十四至 圖二十一 膝關節主動曲伸運動時，動作分 析系統與動態 X 光系統所量測計算之 MB 型人 工關節之脛骨股骨組件間隨時間之內外展角 度變化。 圖二十四 走路時，動作分析系統與 動態 X 光系統所量測求得之 MB 型人工 關節病人之支撐腳膝關節內外展力矩 比較。 圖二十五 走路時，動作分析系統與動 態 X 光系統所量測求得之 MB 型人工關節 病人之支撐腳膝關節內外轉力矩比較。 圖二十二 膝關節主動曲伸運動時， 動作分析系統與動態 X 光系統所量測 計算之 MB 型人工關節之脛骨股骨組 件間隨時間之內外轉角度變化。 圖二十三 膝關節主動曲伸運動 時，動作分析系統與動態 X 光系 統所量測計算之 MB 型人工關節之 脛骨股骨組件間隨時間之內外展 圖二十六 走路時，動作分析系統與動 態 X 光系統所量測求得之 MB 型人工關 節病人之支撐腳膝關節曲伸力矩比較。 圖二十三 膝關節主動曲伸運動 時，動作分析系統與動態 X 光系 統所量測計算之 MB 型人工關節之 脛骨股骨組件間隨時間之曲伸角
圖二十六所示)。 藉由比較動作分析系統與動態 X 光系統之結果（圖二十一至二十三）， 可 發 現 在 膝 關 節 進 行 主 動 曲 伸 運 動 時，動態 X 光系統所量測出來的彎曲 伸展比較大、內外轉較小，而內外展 則不一致。這是因為動作分析系統是 將反光標記貼在皮膚上，且其位置靠 近關節，皮膚移動誤差相當大，因此 在主要運動平面的矢狀平面上因為軟 組織的阻擋以及皮膚移動誤差等，導 致動作分析系統量測的角度比較大， 內外轉則是比較小。將其結果與正常 人的動作比較（圖二十），可發現其內 外轉與內外展的運動範圍（range of motion，ROM）與正常人差異不大， 但是兩系統所量測出來的絕對角度不 相同。而動態 X 光系統計算出來的內 外展角度，不如動作分析系統量測計 算所得之角度般變化幅度很大，叫吻 合正常人資料。除了上述因素外，此 結果可能亦是 MB 類型全人工膝關節 的設計理念上有不適合處，因為在內 外展處並沒有限制，故在實際裝入人 體內開始運動後，由於病人膝關節韌 帶力量不足，導致在內外展方向的運 動並不穩定。 在步行時關節力矩方面，與關節 角度的變化有所對應。然因為標記位 置可能有消失以及角度微分的因素， 由動作分析計算出來的關節力矩較為 不平滑，但兩者間的趨勢並無太大差 異。而 MB 類型的設計是否得當，必 須進一步研究，方能說明。 六、計畫成果自評： 本 計 畫 已 依 據 既 定 時 程 完 成 分 析，目前已整合完成並建立一個整合 動態 X 光攝影系統以及動作分析儀器 設備包括紅外線攝影機、測力板，用 以量測完整運動學與動力學資料的系 統。將此整合系統應用到全人工膝關 節組件相對位置關係的測量，所得結 果與文獻及全人工膝關節動作分析實 驗數據均相當一致，並透過已建立之 整合型動作分析系統同時分析比對其 動作在不同量測系統的差異性，同時 探討皮膚移動誤差等傳統動作量測的 議題。本年度計畫成果的確有助全人 工膝關節功能之了解。另外，了解皮 膚移動誤差可以幫助未來動作分析系 統貼骨標記時位置的決定，現已進一 步 發 展 未 來 人 體 骨 頭 影 像 契 合 之 技 術，期待未來能更精確的決定人體關 節 三 維 相 對 運 動 ， 以 幫 助 了 解 正 常 人 、 前 十 字 韌 帶 損 傷 與 重 建 後 的 病 人，以及 TKR 之間的運動差異。 未來除了計畫將繼續改進這已發 展的量測方法，加強現有技術的準確 性及便利性，同時將繼續研究雙腳分 別植入不同類型之全人工膝關節病人 的動作及力學分析，以及應用到正常 人、ACLD 及 ACLR 的動作及力學分 析。 此外，希望能應用所發展的方法 量測裝置全人工膝關節患者膝關節運 動學，希冀能對骨科、復健科、物理 治療、職能治療、運動醫學、電腦輔 助手術與人工關節設計等領域有所貢 獻。 七、參考文獻： [1] Selvik, G. r., 1989, "Roentgen Stereophotogrammetry," Acta Orthopaedica Scandinavica, 60[Supplement]232, pp.
[2] Dennis, D. A., Komistek, R. D., Stiehl, J. B., Walker, S. A. and Dennis, K. N., 1998, "Range of Motion after Total Knee Arthroplasty. The Effect Fo Implant Design and Weight-Bearing Conditions," Journal of Arthroplasty, 13, pp. 748-752.
[3] Banks, S. A., 1992, "Model Based 3d Kinematic Estimation from 2d Perspective Silhouettes: Application with Total Knee Prostheses," Ph.D, Massachusetts Institute of Technology Department of Mechanical Engineering, Cambridge.
[4] Banks, S. A. and Hodge, W. A., 1996, "Accurate Measurement of Three-Dimensional Knee Replacement Kinematics Using Single-Plane Fluoroscopy," IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 43, pp. 638-649.
[5] Hoff, W. A., Komistek, R. D., Dennis, D. A., Gabriel, S. M. and Walker, S. A., 1998, "Three-Dimensional Determination of Femoral-Tibial Contact Positions under in Vivo Conditions Using Fluoroscopy," Clinical Biomechanics, 13, pp. 455-472.
[6] Zuffi, S., Leardini, A., Catani, F., Fantozzi, S. and Cappello, A., 1999, "A Model-Based Method for the Reconstruction of Total Knee Replacement Kinematics.," IEEE Transactions on Medical Imaging, 18, pp. 981-991.
