全人工髖關節術後病患脫位防止、運動控制及本體感覺訓練之復健系統開發與驗證 Development and Verification of Rehabilitation System with Dislocation Prevention, Motor Control and Proprioception.

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1 全人工髖關節術後病患脫位防止、運動控制及本體感覺訓練之復健系統開發與驗證 Development and Verification of Rehabilitation System with Dislocation Prevention, Motor Control and Proprioception Training for Total Hip Replacement Patients 除此，本體感覺訓練模組之設計目的係為了強化病患髖關節角度位覺(joint position sense)能力以提高其髖關節角度的意識性認知，使病患處於無法穿著脫位防止護具之情況(如洗澡)時，也能自我避免髖關節脫位，因此本研究係採用具即時角度顯示之表現回饋（knowledge of performance, KP）及僅於訓練完成後顯示成績之結果回饋（knowledge of result, KR）兩種模式進行設計，以便評估此兩種模式應用於髖關節本體感覺訓練之效果。最後，再利用超音波三維動作量測分析儀（CMS-HS System，Zebris Medical GmbH，Germany），針對本研究所開發完成之訓練軟體進行信效度驗證。本實驗共徵召10位正常年輕人為受測者（年齡24.25±1.96歲、身高171.75±3.59公分、體重71.66±10.03公斤），首先要求受測者穿著本研究所開發之穿戴式護具，再將Zebris超音波接受器貼附於受測者軀幹側緣至股骨粗隆之間及股骨粗隆至股骨外髁之間，接著讓受測者執行指定測試動作，包括髖關節曲屈（flexion）至90度、伸展（extension）、外展（abduction）及內收（adduction）動作等，伸展、外展及內收動作則受測者個人能力做到肌肉緊繃為止，驗證工作為前、後測兩次實驗，兩次實驗間隔時間為七天；實驗時係同時記錄Zebris及所開發系統所量測之髖關節角度，再將實驗數據利用統計分析軟體（SPSS）進行皮爾森相關係數及再測信度驗證之分析。統計結果顯示，受測者穿著本研究所開發之穿戴式護具在接受復健訓練執行髖關節活動時，其關節角度與市售超音波三維動作量測分析儀之測定角度具有高度相關性（Pearson correlation coefficient =0.896 ~0.993）；再測信度方面，受測者在執行髖關節曲屈動作方面也具有極佳的再側信度（ICC=0.759~0.962）。 研究背景、動機與目的 隨著接受全人工髖關節置換手術之病患因手術時髖關節週邊肌群（如外展肌等）及關節囊遭受切除，因而喪失髖部本體感覺能力；當病患術後返家常會因姿勢不當造成人工髖關節脫位，須接受二次手術；另外，髖部外展肌與內收肌互為協同與拮抗肌，當外展肌受損時將造成其肌纖維鬆弛無力，若同時發生內收肌因肌纖維張力增加而攣縮，將導致髖部運動控制失衡。然而，目前臨床上對於髖關節術後病患復健治療，多以關節活動、肢體擺動、股四頭肌訓練及衛教為主，並沒有針對病患之外展肌進行復健訓練。爰此，本研究之目的主要係開發一套具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具，並進行功能評估。除此，本研究也將設計一套具視、聽、觸覺回饋運動控制與本體感覺訓練軟體，並進行功能驗證 。 研究方法與進行步驟 本研究主要工作內容分為「具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具設計與製作」、「視、聽、觸覺回饋運動控制與本體感覺訓練軟體開發」及「系統功能驗證」三部份進行，其系統架構及項目。其中，第一部份「具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具設計與製作」，其細項工作包括功能與概念設計、電路與模組製作、穿戴式護具整合及角度量測信度驗證；接著，第二部份「具視、聽、觸覺回饋之運動控制與本體感覺訓練軟體開發」，其細項工作包括人機介面開發、資料庫管理、訓練遊戲設計及系統信效度驗證；最後，第三部份「系統功能驗證」，其細項工作包括運動控制訓練功能驗證、本體感覺訓練功能驗證、數據分析及結果與討論 。 系統整合與應用測試 本研究第三部份係針對第二部份所開發之具視、聽、觸覺回饋復健訓練軟體進行功能驗證。功能驗證共分為運動控制訓練與本體感覺訓練兩階段。首先，在運動控制訓練方面，共徵召7位正常年輕人為受測者（年齡24.57±2.50歲、身高172.00±2.88公分、體重67.85±9.75公斤），驗證過程係使用本研究所開發之復健訓練軟體，訓練效果之評估指標為受測者髖關節達到訓練軟體隨機指定動作與目標角度時，所能維持姿勢的時間，該時間會自動由程式轉換為分數(每秒150分) 並作為記錄。由於此項訓練目的係為了強化股四頭肌及外展肌之控制能力，因此預設之訓練目標角度為曲屈至20、35、50、65、80度與外展至10、15、20、25、30度等。每次實驗共進行三次訓練，每次訓練為10個週期，每個週期包含訓練與休息兩階段各30秒，並於訓練後記錄該次訓練之總分，最後再將數據利用SPSS進行配對樣本T檢定。統計結果顯示，受測者經過第一次訓練後，在髖部運動控制能力上具有顯著差異(p<0.01)，但是在進行第二次訓練前後就無顯著差異(p>0.05)，可能之原因係本研究所徵召之受測者為正常年輕人，經過一次訓練後其髖部運動控制能力已達到最佳狀態，導致第二次訓練前後並無顯著進步；接著，在本體感覺訓練方面，本研究也徵召10位正常年輕人為受測者（年齡24.30±2.16歲、身高172.50±3.47公分、體重69.5±9.50公斤），驗證時亦使用本研究所設計之復健訓練軟體進行。訓練效果之評估指標為受測者閉眼狀態下的維持髖關節曲屈至30、50與70度時，受測者髖關節角度與指定目標角度間之誤差。本實驗之受測者係隨機分為兩組進行，第一組是先接受表現回饋訓練，第二組受測者則先進行結果回饋訓練，並於訓練前後進行前後測實驗。在完成第一次訓練後須於三天後再進行另一種回饋訓練，最後將兩次訓練之前後測數據利用SPSS進行配對樣本T檢定。統計結果顯示，受測者在訓練前之髖關節角度位覺能力無顯著差異（p>0.05）；在結果回饋方面，髖關節曲屈至30、50、70度皆有顯著差異（p<0.05）；至於在表現回饋訓練方面，髖關節曲屈至50、70度皆具有顯著差異（p<0.05），但髖關節曲屈至30度時，其角度位覺在訓練前後無顯著差異（p>0.05），其主要原因可能是因為受測者在訓練期間凝視於視覺回饋螢幕時，無法同時注意微弱之肌肉收縮所致；最後，表現回饋與結果回饋在髖部本體感覺訓練成效上無顯著差異（p>0.05） 。 具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具設計與製作 本研究第一部份係進行具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具設計與製作，並完成髖關節角度量測之再測信度驗證。至於穿戴式護具之主要設計理念係採用可撓性彎曲感測器(bend sensor)縫貼於彈力褲上，當病患髖關節曲屈至50度及80度時，可經由彎曲感測器量測並透過觸發電路啟動微型震動馬達與揚聲器，達到分段警示之效果。另外，本研究也利用具拉撐阻力之綁帶固定於腰帶後方與小腿後側之間，模擬病患髖關節到達禁忌角度（同時發生髖關節曲屈90度及內收大於0度）前之股二頭肌收縮，發揮限制髖關節活動之功能。在完成上述髖關節脫位防止穿戴式護具後，本研究也針對彎曲角度感測器進行再測信度（test-retest reliability）驗證。首先係利用關節角度尺與壓克力條製作角度量測驗證治具，然後將感測器放置於角度量測驗證治具上，並記錄彎曲感測器量測0至125度範圍內之對應電壓值，再透過統計分析軟體（SPSS）進行再測信度實驗數據之分析。經統計分析顯示，本研究所選用之彎曲感測器具有極佳的再測信度（ICC=0.999~1）。 圖2、穿戴式護具脫位警示測試照片(綠燈亮為馬達動作，紅燈亮為蜂鳴器動作) 圖1 、脫位防止分區警示法則圖 具視、聽、觸覺回饋運動控制與本體感覺訓練軟體開發 本研究之第二部份係進行具視、聽、觸覺回饋運動控制與本體感覺訓練軟體之開發與信效度驗證。研究工作係使用VB.NET程式開發工具語言設計遊戲化復健訓練程式。復健訓練軟體共分為人機介面、資料庫管理、運動控制訓練及本體感覺訓練等模組。其中所完成之人機介面模組具有直覺式操作介面、具資料保密功能、使用者防呆機制與資料即時分析等特性，所設計之畫面包含使用者登入、受測者資料管理、系統設定與測試、訓練資料分析、訓練數據顯示、運動控制訓練及本體感覺訓練介面等；至於資料庫管理模組係利用Access工具軟體建構，內容包括受測者資料、彎曲感測器角度/電壓內差對照表及訓練次數記錄等資料表；本研究亦使用SQL語法完成資料庫之讀取與寫入功能。另外，運動控制訓練模組之設計目的係為了讓病患能在居家環境內自我訓練，因此規劃為遊戲化、任務導向式虛擬實境設計模式，且為了提升訓練之安全性，也將病患活動髖關節時，其曲屈角度之範圍界定為安全區（小於50度）、注意區（50至70度）、警戒區（70至90度）及禁忌區(大於90度)，並進行不同型態分區視、聽、觸覺警示訊號回饋，以發揮安全且具趣味性之訓練功能。 圖3、運動控制訓練統計分析 圖4、本體感覺訓練統計圖 圖5、表現回饋訓練統計分析 圖6、結果回饋訓練統計分析 結論 本研究第一部份所完成之具聽、觸覺回饋防止髖關節脫位警示功能之穿戴式護具，可避免病患日常生活中因姿勢不當造成脫位；第二部份所完成之具視、聽、觸覺回饋復健訓練軟體，可供病患在居家環境中強化運動控制能力與增進病患髖關節之意識性認知，作為人工髖關節置換術後病患一項具安全、客觀、量化且具情境式遊戲化數位復健訓練工具 。 指導教授： 李明義 教授 研究生：鄭朝駿