氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具設計開發與臨床應用 Development and Clinical Assessment of a Pneumatic Bionic Orthosis for Anterior Cruciate Ligament Reconstruction Patients 研究背景、動機與目的 氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具臨床評估與實驗 膝關節前十字韌帶功能為限制脛骨前移及提供膝關節旋轉穩定度；病患發生前十字韌帶斷裂，會造成股、脛骨關節前後位移量過大、關節軟骨過度磨損、半月板撕裂、退化性關節炎等病徵或後遺症，而須接受重建手術；另外文獻指出術後病患有五分之一會出現膝關節旋轉穩定度不足而須使用護具；然而市售護具多僅提供膝關節活動角度限制，無法達到限制脛骨前移及增加膝關節旋轉穩定度之功能。爰此，本研究係整合仿生人工肌肉設計、氣壓剛性調控及外穿式支架結構製作等技術，開發一套「氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具」，除了具有傳統外穿式護具活動角度限制功能外，兼具有兩組模仿人體前十字韌帶限制脛骨前移及提供膝關節旋轉穩定度之仿生結構與機制，以避免膝關節前十字韌帶復發性傷害。 第三部份進行氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具臨床評估與實驗，主要分為「護膝裝具限制脛骨前移徒手測試」及「護膝裝具改善垂直跳躍膝關節旋轉穩定度實驗」，前者以2位物理治療師對6位前十字韌帶重建術後患者進行膝部穩定性測試Anterior Drawer test，以SPSS統計工具軟體進行Wilcoxon signed-rank test統計分析，結果發現在穿戴護膝裝具後有顯著改善，受試者有1至2度的改善。 研究方法與進行步驟 研究工作分為三部份，第一部分為氣控式人工肌肉雛型開發與測試，第二部份為氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具開發與功能測試，第三部分進行前十字韌帶仿生護膝裝具臨床評估與實驗，工作細項如圖。 「護膝裝具改善垂直跳躍膝關節旋轉穩定度實驗」徵召10位年輕規律運動受試者（平均年齡25.3 ±1.2歲，平均身高170.7 ±5.7公分，平均體重68.5 ± 8.9 公斤），利用Zebris CMS-HS超音波三維動作分析系統測量受試者垂直跳躍，穿戴護膝裝具與否對膝關節運動學的影響，並依測力板將跳躍分為準備期、預跳期、跳躍期、著地期等四期，收集並紀錄跳躍過程中的膝關節三軸活動範圍、最大膝關節彎曲、最大膝關節伸直、最大膝關節內轉、最大膝關節外轉、最大膝關節內翻、最大膝關節外翻角度，利用Paired-Samples T test以SPSS統計軟體進行統計檢定，結果發現在穿戴護膝裝具後，預跳期最大外翻角度由8.5±2.5度降低為5.48±1.98度，著地期最大內翻、外翻、外轉角度分別由3.97±2.917度、4.87±1.27度、8.86±3.34度降低為2.58±1.6度、3.05±1.13度、 6.04±2.53度，有顯著差異 (P< .05)，證明前十字韌帶仿生護膝裝具能提供膝關節旋轉穩定度，而在膝關節三軸活動範圍及跳躍高度在穿戴護膝裝具前後並沒有顯著差異，表示膝關節活動度及跳躍功能不受護膝裝具影響。 氣控式人工肌肉雛型開發與測試 採用McKibben人工肌肉氣壓制動原理進行仿生肌肉元件設計與雛型製作；所完成之人工肌肉雛型為直徑8mm、長度160㎜，重量100.7g，有效收縮率76%；為了驗證人工肌肉可用於護膝裝具產生膝關節之限制力量，本研究也利用Instron材料試驗機測試氣控式人工肌肉雛型，發現人工肌肉內充填氣壓大小與其剛性成正比。另外，本研究也利用實驗所得人工肌肉設計條件，使用聚對苯二甲酸乙二酯編織套管、乳膠內管及金屬接頭，製作仿生護膝裝具所需之氣控式仿生韌帶元件，所完成之仿生韌帶為直徑8mm、長度202㎜，重量147.5g，有效收縮率72%。 氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具開發與功能測試 開發一組前十字韌帶仿生護膝裝具，以膝關節解剖學及前十字韌帶功能進行護膝裝具概念設計，依循人因工程訂定規範，並以萃思創意問題解決進行外穿式支架結構、氣控式仿生韌帶元件整合設計。使用SolidWorks電腦輔助設計軟體進行各元件模擬，將護膝裝具分為大腿支架、小腿支架、關節樞紐、脛骨限制板及仿生韌帶等元件。大腿支架與小腿支架成對位於定大、小腿內外側，分別固定大、小腿，大小腿支架由關節樞紐相連結，內外側大腿支架末端連接仿生韌帶，其延伸纜線穿過位於關節樞紐的角度調整裝置共同連接脛骨限制板，並以脛骨粗隆作為施力點，提供脛骨前向位移限制之與增加旋轉穩定度的功能。最後利用合乎醫材規範之材料加工製作仿生護膝裝具元件，完成前十字韌帶仿生護膝裝具之組合進行裝配。 結論 本研究所完成之「氣控式前十字韌帶仿生護膝裝具」，可提供前十字韌帶重建術後患者一種新型外穿式仿生護膝裝具，除了具有外穿式骨架結構、模仿人體肌肉之軟性表層、充氣式剛性調節功能、保護前十字韌帶及提供膝關節穩定度功能外，也能使術後患者適應正常日常生活活動，提升生活品質，進而避免復發性傷害及二次手術。除此，本研究所開發之氣控式仿生人工肌肉將可應用於發展其他復健輔具、護具。 指導教授：李明義教授 研究生：高允中