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作者:洪永杰(2001-04-17);推薦:徐業良(2001-04-18)

人工全膝關節運動模擬與測試機台研究文獻探討

1. 人工全膝關節運動模擬簡介

全膝關節置換的目的在於恢復膝關節的機械性能,促使患者能再次從事日常生活的活動,因此所有的全膝關節置換都需要於植入前經過幾種不同型態的模擬以確保能得到預期的機械性能。藉由膝關節運動模擬與測試機台來評估所設計出的膝關節是否符合需求與標準,目前已被廣泛運用在臨床醫學上。

在全膝關節運動模擬與測試方面,主要重點在於量測運動過程中人體肌肉、重量對人工膝關節所施予的壓力(compressive force)、前後向的剪力(anterior-posterior shear force)、內翻與外翻力矩(varus-valgus moment)、內外側扭矩(internal-external torque)、以及膝關節於日常生活中最常表現於外的彎曲-伸展(flexion-extension)運動方式,以驗證人工膝關節的幾何外型與安裝方式是否影響到肌肉施予膝關節的作用力,並且檢查人工股骨與脛骨接觸面的磨耗情形及預測可使用的壽命。

一般來說膝關節的運動方式包含了彎曲(flexion)、伸展(extension)、軸向轉動(axial rotation)、前後側滑移(anterior-posterior sliding)與側向滑移(medial-lateral sliding),GroodSuntay1983】便依據上述的運動方式制定了如圖1所示的膝關節運動模擬裝置。

1. 膝關節運動模擬裝置示意圖[Grood and Suntay, 1983]

此模擬裝置包含了脛骨托盤、股骨與軟性組織三個部份,在運動狀態上允許有6個自由度,包含3個位移與3個軸向旋轉,其中以股骨彎曲伸展、股骨於脛骨托盤上的內翻與外翻、以及股骨與脛骨間的前後位移與軸向旋轉,是膝關節磨耗測試中最常被加以控制模擬的自由度。上述的裝置及其允許的運動方式,配合模擬運動期間膝關節不同的受力模式,可說是目前於臨床醫學上所使用的人工全膝關節運動模擬與測試機台參考之基準。

2. 膝關節運動模擬與測試機台近年相關研究

Walker等人【1996】提出使用伺服液壓系統配合Labview軟體的方式,來達成模擬膝關節運動及測試人工膝關節使用壽命的目的。藉由Labview這套軟體可以輸入欲控制的參數,並且將此訊號傳送至伺服機構,以模擬出所欲測試股骨與脛骨間的相關運動,同時伺服機構亦可即時傳送回量測到的訊號(如前後向位移、內外側旋轉),利用回饋訊號與輸入訊號做比較後依據誤差值產生一響應以提供伺服閥做修正,進而達到閉迴路控制的效果。而Labview軟體的另一項特點為圖形化介面與可即時紀錄相關測試結果並顯示於螢幕上。其所開發測試機台設備的外觀如圖2所示。

2. 膝關節模擬測試設備外觀(包含控制系統、液壓裝置)[Walker, et al., 1996]

此測試機台的細部構造如圖3所示。使用此機台測試時,首先將股骨與脛骨利用測試機台上的夾具加以固定,藉由位於測試機台上氣壓缸來傳動連桿機構,以模擬膝關節的運動狀態與受力狀況。此機台對於人工膝關節上的施力模式包含壓力1500N、週期剪力(cyclic shear force)±350N、與內外側的扭矩±10Nm。測試方式為膝關節彎曲角度於0°至50°時每隔10°做一次取樣,執行股骨與脛骨間的前後位移與軸向旋轉的測試,而測試次數為30×10個週期,以模擬全膝關節置換手術後患者於10~20年間的膝關節活動量。

3. 測試機台的細部構造[Walker, et al., 1996

李勇達、蘇侃【1998】利用直流馬達配合傳動主軸來驅動移動與彎旋機構來模擬膝關節的運動情形(如圖4),量測的重點為藉由週期性的運動及施予膝關節不同的應力藉以觀察股骨與脛骨接觸面的磨耗情形。本磨耗試驗機共有3個入力與出力端用以驅動股骨與脛骨夾具模擬出膝關節受壓力、彎曲-伸展、前後側滑移與軸向旋轉的運動狀態,同時於出力端設有力規以量測施力的大小。力規的另一端連接操作控制箱接受來自力規所傳回的訊號,用以讀取及控制直流馬達的轉速,使其產生穩定的動力輸出。

4. 人工膝關節磨耗試驗機整體外觀【李勇達、蘇侃,1998

為了詳細了解膝關節與各韌帶結構於運動時的相對關係以及教學上的需要,WirzJakob1999】以人造股骨、脛骨、和用以模擬韌帶結構的鋼絲,搭配數位指示器建構了一套膝關節模擬裝置(如圖5)。鋼絲穿過股骨骨幹與脛骨的小孔,並依照人體膝關節周圍韌帶附著的情形將兩者加以固定(如圖6)。除固定的功能外,鋼絲依照其所處的位置分別代表以下7條韌帶,包含斜後韌帶(posterior oblique ligament)、中側副韌帶(medial collateral ligament)、後側副韌帶(lateral collateral ligament)、十字前韌帶(anterior cruciate ligament)、十字後韌帶(lateral cruciate ligament)、膕肌(popliteus muscle)、與髂脛骨徑(iliotibial tract)。

5. 膝關節模擬裝置[Wirz and Jakob, 1999]

6. 股骨、脛骨固定方式特寫[Wirz and Jakob, 1999]

上述代表7條不同韌帶的鋼絲,沿著股骨骨幹的的內側延伸固定於一可調整的控制器上(如圖7),此控制器允許個別調整每條鋼絲(韌帶)的鬆緊及其長度,並且精度可達mm。同時控制器上另備有一個擴充槽,以提供測試時需加裝其他的副韌帶時的需要。控制面板上詳細標明各韌帶的名稱以及相對應的控制參數,包含Loose(韌帶的放鬆)與Tight(韌帶的拉緊)兩項參數。如圖8所示,從控制器的背面可以清楚地看見其作動方式是藉由彈簧、滾珠軸承與鋼絲做配合,利用手動旋轉連桿來調整各韌帶的鬆緊以模擬出膝關節的運動情形。

7. 控制器外觀(正面)

8. 控制器內部構造(背面)

為了能更真實地探究腿部的整體運動對膝關節與韌帶的影響,此項研究特別將髖關節的因素也一併做了考慮,利用杵臼關節(ball-and-socket)與搖桿來模擬髖關節的運動方式,並搭配一夾具以方便固定於任何所需的位置上(如圖9)。同時為了將測試後所得到的結果能即時的紀錄下來,WirzJakob利用一台數位指示器與個人電腦來達成測試數據擷取的工作(如圖10)。數位指示器的裝設方法是利用一對弓形的夾爪插入脛骨的粗隆端,來量測股骨與脛骨的彎曲角度及其內外側的相對位移(medial and lateral translation),而測試數據亦可藉由數位指示器與個人電腦相連接加以顯示並儲存。

9. 髖關節模擬裝置(杵臼關節)及固定方式

10. 數位指示器與夾爪量測裝置

DesJardins等人【2000】提出使用力控制(force-controlled)膝關節模擬試驗裝置,來測試8種全膝關節置換設計(total knee replacement, TKR)於日常生活中的運動性能,並將測試結果以數值與圖表的方式加以呈現。此力控制膝關節模擬試驗裝置具有4個測試機台(如圖11),並且配合TKR設計的運動狀態允許有6個自由度。此機台可量測每個TKR設計於一步行週期(walking cycle)內膝關節接合面上負荷狀態,量測的項目包含股骨彎曲角度、脛骨的軸向負荷、前後側的剪應力與旋轉扭矩、以及外部地面與內部肌肉作用於膝關節接合面上的作用力與反作用力也一併包含進去。

11. 力控制膝關節模擬試驗裝置外觀

如圖12所示,以此機台進行測試時,分別將股骨與脛骨固定於試驗裝置,藉由模擬膝關節於步行週期時的運動情形,量測其受力波形。測試數據的取樣方式是利用電腦每秒取50筆資料,一完整步行週期歷時1.25秒,亦即一個完整步行週期共取62筆資料,將測試10次所得的資料加以平均繪製成如圖134個波形,包含股骨彎曲角度、脛骨的軸向負荷、前後側的剪力﹐與軸向旋轉扭矩。DesJardins等人藉由此測試設備與得到8TKR設計於活動時的受力波形(如圖14),並可加以比較其差異性。

12. 力控制膝關節模擬試驗裝置細部構造及其6個自由度

13. 全人工膝關節設計於步行週期期間的受力波形

14. 8種全膝關節置換設計的受力波形比較

3. 中國國家標準(CNS)人工膝關節相關規範

目前中國國家標準中與膝關節相關者為T1072-10T1072-11。其中T1072-10為骨科人工關節之基本需求,T1072-11為半及全人工膝關節定義、分類及尺寸標示項目的標準規範。

T1072-10標準規範對半人工與全人工關節置換物規劃有材料、設計、磨光、消毒、包裝等項目。材料方面規範膝關置換物的金屬組件必須由鈦金屬、鍛造鈦6-4-釩合金、鍛造不鏽鋼等材質所構成,塑膠組件必須由超高分子量聚乙烯製作,陶瓷組件則必須由氧化鋁陶瓷材料製成。設計方面則規定適用的材質組合方式,如不鏽鋼∕聚乙烯、鈦金屬∕聚乙烯、氧化鋁∕聚乙烯等。磨光方面則著重於以肉眼檢視金屬組件時,表面不得有鐵銹屑,工具抓痕、刻痕、裂縫、空孔、毛邊或其他對植入之適用性有害的缺陷。最後所有的膝關置換物都必須經過消毒的程序並加以包裝,以保護外表防止損傷。

T1072-11標準規範旨在提供各式不同人工關節元件之定義、分類與相關尺寸標示的規則。定義方面規範了人工全膝關節各組件的名稱(如單髁膝關節組件、雙髁膝關節組件、植入骨岡等),置換方式(如單間隔局部膝關節置換、全人工膝關節置換)與置換物的種類(如非限制式人工關節、局部限制人工關節與全限制限制人工關節)並加以解釋。分類的部份則是依照膝關節荷重面的位置、置換的目的及裝配組件來作規範依據。半人工及全人工膝關節置換物組件的尺寸標示則需遵循國家標準。

依據所蒐集之國家標準中並無發現針對膝關節運動及磨耗方面進行測試的規範,因此在測試機台設計上並無法有一套完整的標準可供參考。

4. 文獻回顧結論

瞭解國內外文獻對於人工全膝關節運動機能量測技術的相關研究之後,表1為其所使用的技術手段歸納整理。

1. 人工全膝關節運動機能量測技術的相關研究比較

 

Walker等人提出的膝關節運動機能與磨耗試驗機

李勇達、蘇侃提出的膝關節磨耗試驗機

WirzJakob提出的膝關節∕韌帶運動狀態測試機

DesJardins等人提出的膝關節受力與活動機能試驗機

研究目的

量測股骨與脛骨托盤接觸面的磨耗程度與評估使用壽命

量測股骨與脛骨托盤接觸面的磨耗程度與評估使用壽命

了解膝關節與各韌帶結構於運動時的相對關係

評估8種全膝關節置換設計於活動時的受力情形

測試時膝關節允許活動自由度

軸向壓力、前後向的剪力、內外側的扭矩

軸向壓力、前後向滑移、彎曲-伸展、軸向旋轉扭矩

彎曲-伸展、前後向滑移、內外側的扭矩

軸向壓力、前後向的剪力、彎曲-伸展、軸向旋轉扭矩

驅動方式

伺服液壓系統

直流馬達

手動

液壓系統

量測的物理量

股骨與脛骨托盤的前後向位移、軸向旋轉與磨耗量

股骨與脛骨托盤的磨耗情形

股骨與脛骨的彎曲角度及其內外側的相對位移

股骨彎曲角度、脛骨的軸向負荷、前後向的剪力與軸向旋轉扭矩

感測設備

感測器搭配Labview軟體擷取訊號

力規

數位指示器

sc500伺服控制器配合軟體

綜觀國內外的研究,除了評估各種不同材質的膝關節耗損程度外,同時亦將生物力學與膝關節動態測試等實驗列為測試重點,量測的方式多是於膝關節上施加特定壓力與扭矩來觀察各元件間的相對移動關係與個別活動量,藉以比較不同人工膝關節設計所存在的差異性。由於真實膝關節的運動相當複雜,多數文獻於試驗時所採用的方式是以簡化韌帶與肌肉組織對膝關節活動的限制來降低測試的複雜性。藉由此種方式可以方便模擬出所需的膝關節活動,使得後續的實驗步驟與數據分析工作能更容易的進行。其中DesJardins等人更將不同人工膝關節設計受測所得的結果加以圖形化,此種方式的優點在於可以清楚的比較不同膝關節設計於活動期間實際的受力情形,對於往後的設計修正以及骨科手術效果的定量評估提供了很大的幫助。

經由以上討論可以獲得以下的結論:

n          測試機台硬體設計重點在於需能真實模擬出膝關節於活動的情形。

n          考慮膝關節、肌肉、韌帶的實際互動關係與作用力,可以更準確的評估植入後膝關節的活動狀態。不過在量測實際受力時的困難度亦隨之增加。

n          測試系統採用閉迴路控制可以隨時對施加於膝關節上的外力作適度的修正,以確保輸入參數符合預期,並能增加測試時的穩定度。

n          藉由架設於試驗機台上的感測器配合個人電腦以及時的方式紀錄並顯示受力情形可以提供設計者與外科醫生更具體、詳細的膝關節運動模式資訊。

5. 參考資料

DesJardins, J.D., Walker, P.S., Haider, H., and Perry, J., 2000. “The use of a force-controlled dynamic knee simulator to quantify the mechanical performance of total knee replacement designs during functional activity,J. Biomechanics, v 33, p 1231-1242.

Grood, E.S., and Suntay, W.J., 1983. “A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motionsapplication to the knee,” J. Biomech. Engng, v 105, p 136-144.

Walker, P.S., Blunn, G.W., and Broome, D.R., 1996. “A knee simulating machine for performance evaluation of total knee replacements,” J. Biomechanics, v 30, n 1, p 83-89.

Wirz, W., and Jakob, R.P., 1999. “Knee joint simulator: an anatomical reconstruction of the joint surfaces and of the ligamentous structures of the knee joint for teaching purposes,” Knee Surg, Sports Traumatol, Arthrosc, v 7, p 59-62.

李勇達,蘇侃,“人工膝關節磨耗試驗機”,中華民國專利新型第三四一一一八號,民國八十七年。

CNS國家標準,“外科植入物-骨科人工關節基本需求”,總號13382-10,類號T1072-10

CNS國家標準,“外科植入物-半及全人工膝關節-第一部份:定義、分類及尺寸標示”,總號13382-11,類號T1072-11