Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 人工膝支架

2007年6月14日 星期四

人工膝支架

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B94611012 黃振瑋

我自己很喜歡打籃球,而打籃球常常需要連續跳躍,又常常有碰撞發生,導致現在蹲下站起膝蓋常常都會感覺酸痛,相信很多愛運動的人,不論是跑步、打排球、籃球這類較為激烈的運動都很容易使膝蓋老化或受傷。而在看到大家踴躍的找尋關於齒輪、連桿在汽車方面等的應用,決定找一些不同方向的,找的資料是與醫有關的。

人工膝支架ON THE REVIEW AND ANALYSIS OF KNEE BRACES
???(who wrote this article?)

人體所有的關節中,膝關節為最複雜的關節之一,負責傳遞負荷與運動,並且提供有關腿部運動之力偶。由於膝關節承受相當大的荷重,並且受到體重所產生的力矩也相當大,所以膝關節非常容易受到傷害,產生嚴重的關節疼痛、不穩定、畸形或功能障礙,如關節炎或韌帶傷害等。正常的膝關節會有六個運動分量,包含了三個平移運動與三個旋轉運動,目前市面上的膝支 架多數為單軸向運動或多軸向運動,並無法提供完整的膝關節運動。

人工膝支架之分類
針對膝支架之分類,本依膝支架之用途來做分類,依膝支架之機構類型可分為為連桿式、齒輪式與凸輪式 兩種形式,進而再由運動分量(Motion Components)、地區與適應症加以整理歸納。對於上述之分類,分別詳述如下:

依機構特性分類

根據本研究已蒐集之文獻加以分析整理,膝支架依其樞軸裝置機構之型式分類,可將一般桿件以銷接頭接合者,歸類為連桿式,利用齒輪者歸類為齒輪式,以凸輪或是具有滑槽者,歸類為凸輪式。對於上述之分類,分別敘述如下:

(1)連桿式
連桿式膝支架以其機構而言,皆是由連桿所構成,並無包含滑塊或凸輪,所以各桿件之間的接合皆是以銷接頭所組成。而依其接合的方式可歸納為開迴路運動鏈與閉迴路運動鏈兩種等兩大類。當所有連桿都連接,每根連桿均與兩根連桿接合稱之為封閉式運動鏈。若有一根連桿只與一根連桿接合,而沒有形成一封閉迴路則稱之為開迴路運動鏈。分別探討如下:

a.開迴路運動鏈:
在開迴路運動鏈中主要的型式有二連桿型與三連桿型。二連桿型機構主要是由兩根連桿組 成,兩桿件利用一個銷接頭銷接,為所以類型中最簡單的一種,如圖6 所示(Shirley, 1999)。而根據三連桿型又可分為無彈性桿件與有彈性桿件兩種形式。如圖7 所示(Gillmour, 1998),為一無彈性桿件型,此型由兩個銷接頭所組成,此型可以模擬膝蓋運動時在Saggittal 面上之平移與旋轉兩種運動,但是因為無法準確控制運動軌跡,所以在運動特性上會產生不少誤差,但是此型式的主要功能適用來矯正膝關節內翻的病患,由圖中可看到利用四條固定帶施給關節一向外的推力,將關節推回至正常位置,以減輕病患的疼痛。此型主要是以矯正為目的,所以在運動特性的精確度上並無特別要求,所以此型適合用在膝關節外型矯正上。

如圖8 所示(Castillo, 1993),此為有彈性桿件型之膝支架,在此型中,添加一彈性桿件(42)可使機構在指定的特定範圍內運動,利用此方式來限制使用者之膝關節的運動範圍。圖中的膝支架是給從事運動者使用,主要的功能在於保護關節,在運動範圍上僅限定在安全區域中,所以整體運動特徵的複雜度由彈性件的外型與尺寸所決定。

此兩種型之差異在於無彈性桿件型之機構簡單,製造上容易,但是在模擬膝蓋運動特性時,會產上很大誤差,並且此型機構只能使膝關節做屈曲與伸展之動作,對於膝關節其他方向之運動則無法做到。在有彈性桿件型方面,由於置入一彈性構件,使得機構在運動上可以模擬膝關節在Saggittal 面上實際的運動範圍來作動,但是此型跟無彈性桿件型一樣,無法做到其他軸向之運動。

b.閉迴路運動鏈
連桿式中之另一型式為閉迴路運動鏈型,閉迴路運動鏈主要型式為四連桿式,如圖9 所示(Stearns, 2001)。四連桿式所有桿件均相接合,成為一封閉運動鏈。在機構運動的控制上,四連桿機構可以控制精準點使得連桿通過指定點來模擬膝蓋運動曲線,由於連桿式可以模擬平移和旋轉運動,所以在運動的特性可比三連桿型更加接近膝關節實際運動的情行,但是四連桿式只能模擬Saggittal 面上的運動,並無法模擬Frontal 面與Tansverse 面的運動,所以連桿式也無法達到接近 膝關節實際運動的特性。



(2)齒輪式
齒輪式主要是在兩銷接頭部位各裝上一齒輪,利用齒輪間之相對運動來帶動膝支架運動,如圖10 所示(Tillinghast, 1998)。主要功能是用來彌補膝關節無法完全屈曲與伸展者,或是限定膝關節屈曲與伸展的角度,尤其是在復健型膝支架和功能型膝支架常會看到利用此裝置來輔助與保護病患的膝關節,此裝置也裝上指示裝置,標示轉動的角度讓使用者更方便使用。此機構由於是兩齒輪接合,運動範圍只限定在Saggittal 面上運動,可視為一銷接頭型式,在運動特性上較簡單,所以若要使用在預防型膝支架上是不適合的。此型的機構在設計上需要注意兩齒輪間所產生的間隙,由於齒輪間的磨耗也相當嚴重,再使用一段時間後所產生的誤差也可能帶給使用者不舒適的感覺。

(3)凸輪式
凸輪式是利用凸輪原理引導一從動件在一特定軌跡的溝槽裡滑動,利用溝槽軌跡來模擬膝蓋運動的軌跡,所以精確度較高,但是凸輪式的運動元件在使用一段時間後,會因磨耗而有所誤差,所以在元件材料的選擇上必須詳加考慮,而且加工此特定溝槽是非常麻煩的事,成本相對提高,為此型之缺點。根據機構中溝槽的數目,凸輪式又可分為單槽式與多槽式兩種型式,分別敘述如下:

a.單槽式
所謂單槽式是指在機構中只有一個溝槽和一個滾子,利用此溝槽軌跡來決定整體機構的運動特性。如圖11 所示(Nauert, 2001),為單槽凸輪式之一實例,此型利用一滑槽和一滾子來限定機構之運動的特徵,以達到所需之運動特性,而此機構由於只有一滑槽,其運動曲線完全由溝槽形狀所決定,若要模擬膝蓋運動的曲線,單用一個溝槽來設計是非常困難且不易辦到的事,而且單槽式所提供的運動特徵有限,對於要求較高的使用者則有可能不適用,而成大則利用螺旋軸理論推導膝關節的運動方程式,來符合實際關節的三個平移與三個旋轉運動,並利用此理論來設計新型的膝支架。

b.多槽式
所謂多槽式是指在機構中有兩個或兩個以上的溝槽與滾子,此型機構運動特性可比單槽式要更加複雜,如圖12 所示,為多槽式膝支架支之一實例,從圖13(Morris, 1996)中可以看出此型多槽式可以模擬膝蓋的平移與旋轉運動,所以此型更加符合膝蓋的運動特性與復建者之需要。

除了上述的型式外,由加拿大的一家GENERATION II Ltd.所設計出的球窩型膝支架也為凸輪式的一種,如圖14(Matsuno, 1997),此型是針對老年人膝關節發生病變如關節炎、內外翻等而設計,此型式比其他型式具有更好的醫療效果,因為可以模擬Frontal 面的運動,所以可以提供病患更佳的膝關節活動範圍。根據日本研究表示,此型可使病患在行走與上下樓梯有明顯改善,對於膝關節內外翻的病患,則有著明顯的變化,角度從185.1°減少至183.7°,四頭膝的強度平均從36.8Nm 增加至42.8Nm(Matsuno, 1997),所以此型是目前在實際的醫療應用較成功的型式。




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