具外骨骼結構暨動力輔助之膝關節承重負擔轉移與 動作控制強化下肢輔具設計開發與臨床應用

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1 具外骨骼結構暨動力輔助之膝關節承重負擔轉移與 動作控制強化下肢輔具設計開發與臨床應用
具外骨骼結構暨動力輔助之膝關節承重負擔轉移與 動作控制強化下肢輔具設計開發與臨床應用 Development and Clinical Applications of Knee Joint Load Redistribution and Motor Control Enhancement Lower Limb Orthosis with Exoskeleton and Power Assisted System 動作控制強化暨本體感覺訓練遊戲化軟體 及相關配套硬體單元之開發與測試 研究背景、動機與目的 退化性膝關節炎患者之病徵為膝關節疼痛、僵硬、活動度減少、下肢肌肉無力與走路速度較慢等，影響患者走路步態以及執行日常功能性活動能力。根據Costigan學者指出患者在上下樓梯及爬坡時會加重膝關節的負荷，約為平地行走時之3~6倍，使退化性膝關節炎患者疼痛感加劇，甚至無法執行此功能性活動。另外，退化性膝關節炎患者因協和控制機制變差、機械受器功能喪失或不正常，造成本體感覺及運動控制缺損，導致患者在上下階梯時下肢無法抬到適當的高度，腳尖易接觸到前方目標物邊緣處，使得跌倒機率大增。然而，目前市面上雖有針對退化性膝關節炎患者專門設計之膝部護具，透過提供膝關節一外翻力矩來改善不正常的內翻力矩的作用情形，但是此方法僅能減緩退化的速度，並無法改善患者執行膝關節高承重動作(如上下樓梯)時所產生的關節疼痛與動作控制不良問題。爰此，本研究為了解決上述退化性膝關節炎患者之問題，開發一組具外骨骼結構暨動力輔助之膝關節承重負擔轉移與動作控制強化之下肢輔具並進行臨床測試。 。 包括可攜式膝關節角度量測單元製作、遊戲化訓練軟體程式撰寫以及系統效度驗證等。首先膝關節角度感測元件製作工作係將碳質電位計嵌入於自行設計之支架上，當膝關節屈曲產生角度變化時，碳質電位計可依角度變化輸出不同大小之電壓，並經由校正實驗得出之關係式可推算出膝關節角度。接著，遊戲化訓練軟體程式是使用Matlab工具軟體進行開發。該軟體包含受測者基本資料管理模組與動作控制強化暨本體感覺訓練遊戲模組等兩項。最後，對於所製作之膝關節角度量測單元系統效度驗證方面，本研究係以Zebris超音波三度空間動作分析系統作為比對標準，進行量測角度之效度驗證。實驗結果顯示所製作之膝關節角度量測單元量測角度之誤差範圍為-0.801%~2.599%。 研究方法與進行步驟 研究本研究工作分為三部分進行。第一部分為膝關節承重負擔轉移暨外骨骼支撐結構開發；第二部分為動作控制強化暨本體感覺訓練遊戲化軟體及相關配套硬體單元之開發與測試 ；第三部分工作係進行膝關節承重負擔轉移暨外骨骼支撐結構與動作控制強化暨本體感覺遊戲化訓練軟體之應用測試 。 膝關節承重負擔轉移暨外骨骼支撐結構與 動作控制強化暨本體感覺遊戲化訓練軟體 之應用測試 測試工作分為膝關節承重負荷 檢測與本體感覺訓練及測試等兩項。實驗共徵召10位正常受測者（平均年齡25.2±1.64 歲，身高171.2±4.80公分，體重70.4±10.13公斤），擷取受測者右腳穿戴外骨骼支撐結構前後，執行半蹲到站以及上下樓梯動作時，股直肌、股內側肌以及股外側肌三條肌肉之肌電訊號。在收集到受測肌群之肌電訊號後，進行訊號分析並計算肌電訊號中肌肉收縮時期的RMS與不收縮時期的RMS比值(即F/S ratio)。實驗結果發現受測者在執行上下樓梯時，股內側肌之R/S ratio會由70.45±50.30降為42.71±24.55，股直肌R/S ratio會由28.83±15.57降為16.10±7.48，股外側肌R/S ratio會由37.63±22.69降為25.72±10.39；受測者在執行半蹲到站立姿勢變換時，股內側肌R/S ratio會由7.46±0.44降為4.18±0.73，經統計分析後所有測試條件之結果皆有顯著差異(P<0.05)。接著，也利用測力板計算右側平均壓力與左側平均壓力的比值(即R/L ratio)，實驗結果顯示R/L ratio由0.94±0.06提高為1.05±0.05，經統計分析後發現穿戴外骨骼支撐結構前後之測試結果有顯著差異(P<0.05)。本體感覺遊戲化訓練軟體測試係量測受測者在接受本體感覺訓練前後，膝關節角度控制到複製目標角度之平均誤差，實驗結果顯示經過每回合10分鐘、每天三回合、連續三天訓練後受測者達到目標角度之平均誤差由7.68°±2.59°降為4.86°±2.01°，經統計分析後有顯著差異(P<0.05)。 膝關節承重負擔轉移暨外骨骼支撐結構開發 使用Solidwork電腦輔助設計軟體進行膝關節力量重分配模組設計，該模組主要元件包含一氣壓缸、儲氣筒以及電磁控制單向排氣閥等，其目的係希望將病患上下樓梯時膝關節所承受的重量藉由一外骨骼結構重新分配並轉移到直接和地面接觸之脚底。其作動方式是當患者膝關節彎曲時，直接壓縮氣壓缸之活塞，便可將氣壓缸的氣體經單向排氣閥壓縮於儲氣筒內，俟設定之極限開關被觸動時，電磁控制單向排氣閥將被關閉，壓縮之氣體便會被儲存於儲氣筒內。另外，本研究也使用壓阻式壓力感測器(flexiforce sensor)來感測足底壓力，並經由壓力閾值之設定，使足底壓力超過所設定之閾值時，電磁控制單向排氣閥便會打開，此時儲氣筒內儲存之空氣便會被釋放出來，以提供上撑身體重量之膝關節動力輔助，進而達到減輕患者執行上下階梯等活動時膝關節之負荷。本研究所開發之動力輔助控制器包括AT89S52微電腦控制模組、類比訊號轉換模組、RS232非同步式串列資料傳輸模組、繼電器控制模組、系統狀態即時顯示模組以及電源穩壓供應模組等 結論 本研究完成之「具外骨骼結構暨動力輔助之膝關節承重負擔轉移與動作控制強化下肢輔具」可提供退化性膝關節炎患者一種新型輕量化下肢輔具，可將膝關節之承重力藉由此下肢輔具之外骨骼結構重新分配並直接轉移至地面；另外也可提供一動力輔助，降低患者膝關節的負荷，減輕退化性膝關節炎患者進行上下階梯等功能性活動時的關節疼痛。除此，本研究也設計開發一套遊戲化動作控制強化暨本體感覺訓練軟體，以改善患者的本體感覺，降低患者在上下樓梯時發生跌倒的機率。除此，治療師可依患者運動控制能力設定訓練難度以挑戰病患能力、增加訓練效果 。 指導教授：李明義教授 研究生：楊鈞棠