人工膝支架的另一種分類

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B94611012 黃振瑋

人工膝支架的另一種分類
針對膝支架之分類，本依膝支架之用途來做分類，共可分為預防性、功能性與治療
性三大類，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：

依用途分類
根據膝支架的用途來分類可分為三大類，分別為預防性、功能性與治療性三大類，分別詳述如下：

(1)預防性膝支架(Prophylactic brace)
預防性膝支架主要由單邊或雙邊的支撐桿、樞軸裝置和黏性固定帶所組成。此型所用的材料為可變形的金屬，當受到衝擊時，可減少約10%到30%的外力 ，所以主要用於保護膝關節以避免外力衝擊導致膝關節內翻或外翻造成內十字韌帶(MCL)的傷害，也可保護前十字韌帶(ACL)免於旋轉應力所造成的傷害。

此型膝支架經常用於運動員的保護上，如美式足球員或從事激烈運動的使用者，所以必須有足夠的剛性來保護來保護膝關節，而且此形膝支架在設計上不可干預膝關節的正常運動，在使用上，膝支架不可傷害到其他週遭人員。一般人的前 十字韌帶通常可承受400 牛頓以上的力量，所以預防性膝支架也需達到此標準，但是目前市面上的預防性膝支架有些無法承受超過300 牛頓的外力，這對運動員的膝關節有極大的風險性，所以支架整體的剛性與材料的選擇也是重要考量的因素。如以下圖:

(2)功能性膝支架(Functional brace)

功能性膝支架主要功能是提供給不穩定的膝關節在活動時有較佳的穩定性。前十字韌帶有缺陷或前十字韌帶手術後之病患與骨關節炎病患使用，一般功能性膝支架是用在手術後6 至12個月來達到保護的作用(Martin, 2001)。功能性膝支架主要是使得膝關節的內旋、外旋和前後位移量達到最小(Paluska, 1999)，而且在樞軸裝置上會限制膝關節的運動範圍以防止過度伸展，通常利用彈性件、彈簧裝置或齒輪至於樞軸裝置裡來達到控制運動範圍的目的，以防止膝關節受到不當外力或不正確的姿勢而使膝關節再度受到傷害。如圖所示，為功能性膝支架之圖例。

(3)復健性膝支架(Rehabilitative brace)

復健性膝支架主要功能是用來對膝關節接受手術或是沒有手術的病患在最初治療階段保護受傷的韌帶和限制屈曲與伸展的角度，一般是使用在手術後4 至8 週(Wirth,1990)。復健性膝支架主要有海綿襯墊包附著大腿、小腿，並有襯墊固定在膝關節的兩側以限制任何偏位，利用樞軸裝置來控制膝關節彎曲的角度，並利用非彈性固定帶來固定支架的位置。如圖 5所示，為復健性膝支架之圖例。

依運動分量(Motion Components)分類

人體膝關節共有三個旋轉運動與三個平移運動，在基準面定義上共有Saggittal 面、Frontal 面與Tansverse 面，在座標軸上共有x、y 與z 軸三個軸，在Saggittal 面上包含了x 軸與z 軸的平移與繞著y 軸的旋轉，在Frontal 面上包含了y 軸與z 軸的平移與繞著x 軸的旋轉，在Tansverse 面 上包含了x 軸與y 軸的平移與繞著z 軸的旋轉。目前市面上現有的膝支架設計一般都是在Saggittal 面上的運動為主，主要在做屈曲與伸展的動作，而外展(Abduction)與內展(Adduction)的動作是在Frontal 面上的運動，在Tansverse 面上則是存在旋轉(Axial-Rotation)的運動。依照基準面區分可以分為單基準面型、雙基準面型與三基準面型三種型式。單基準面型膝支架為最常被採用，雙基準面型膝支架運動特性就比單基準面型複雜許多，此型以可以模擬大部分的膝關節活動的情形，三基準面型則是依照實際膝關節的運動特徵來設計，精確度最高但也最困難設計，目前大多為學理上的設計而已。

(1)單基準面型
單基準面型膝支架之運動包含了Saggittal 面上x 軸與z 軸的平移與繞著y 軸的旋轉，此型包括開迴路運動鏈中的二連桿型與三連桿型、閉迴路運動鏈中的四連桿式、與齒輪式。如圖15(Baker, 1993)為一單銷接頭式，此型機構的運動只能繞著y 軸旋轉，是所有型式中運動特性最簡單的一種，其次是齒輪式膝支架，其運動特性完全取決於兩齒輪間的相對運動。在機構的運動特性上則是以四連桿式為最佳，主要原因是由於四連桿機構可以利用控制精準點使得連桿通過指定點來符合膝蓋在Saggittal 面上的運動曲線，包含了平移與旋轉運動，而其他兩種形式的運動特性較單純，無法模擬膝蓋的運動曲線，所以單銷接頭式與齒輪式通常利用在限制膝關節運動的範圍，給運動精確度要求不高的病患使用。

(2)雙基準面型
雙基準面型膝支架之運動包含了Saggittal 面上x 軸與z 軸的平移與繞著y 軸的旋轉與Frontal面上的y 軸與z 軸的平移與繞著x 軸的旋轉。雙基準面型膝支架中以G-II 膝支架為代表，此型屬於雙槽凸輪式，具有Sagigittal 面加Frontal 面的運動，可以模擬平移、旋轉與偏擺的運動運動， 在使用上對於病患的復健與活動上均有良好的幫助，則是目前在醫學上成功的實例。

(3)三基準面型
三基準面型膝支架之運動包含了Saggittal 面上x 軸與z 軸的平移與繞著y 軸的旋轉與Frontal面上的y 軸與z 軸的平移與繞著x 軸的旋轉與Tansverse 面上的x 軸與y 軸的平移與繞著z 軸的旋轉。在三自由度型式中以成大設計的膝支架為代表，如圖16 所示(Su, 1995)，此型利用螺旋轉理 論推導膝關節三度空間的理論公式，利用此公式配合人體實際測量膝關節所得的數據，設計此新型的膝支架，此型具有Sagigittal 面、Frontal 面與Tansverse 的運動，通常人體膝關節在Tansverse面上的運動是非常微量的，所以此型只用一個旋轉接頭就可替代Tansverse 面的運動。

最後將所有機構依運動分量做整理，依照單基準面、雙基準面與三基準面型做分類，將目前所收集到有關膝支架之專利、期刊與論文以廠商與基準面加以列表整理，如表1 所示，從表中可以發現目前所生產的膝支架以單基準面型為最多，雙基準面與三基準面型則非常有限，但是所有的設計並沒有指定何種病症需適用何種機構設計。

依適應症分類
膝關節為人體全身活動最頻繁的關節之一，相對的所產生的不適與病變也較多且複雜。目前常見的症狀有骨關節炎(Osteoarthritis)與十字韌帶傷害，骨關節炎為關節炎中的一種，由於關節炎種類繁多，所以在此僅討論與本研究相關的骨關節炎，其餘不在此多述。而分別就骨關節炎(Osteoarthritis)與十字韌帶傷害敘述如下：

(1)骨關節炎(Osteoarthritis)
骨關節炎是膝蓋最常發生問題的疾病之一，是關節炎中最常見的一種，別名又稱退化性關節炎(degenerative joint disease)或骨關節病(osteoarthrosis)。隨著年紀增加，產生關節軟骨破壞、關節旁的骨頭增生(即俗稱骨刺)、關節滑膜、關節囊及韌帶有輕度發炎和增厚，此外肥胖、痛風、類風濕性關節炎、受傷及韌帶鬆弛等，也會使關節退化的比例增加、發生的時間提早。病人常在跪、蹲、上下樓梯、爬山及久坐要站立時產生疼痛，在局部還可能出現灼熱、腫脹、關節活動時有聲音、活動度受限等情形，長時間下來會產生關節變形。

大多數退化性關節炎患者所經驗的疼痛來自內側部位。因為患者失去了內側的軟骨，而該處卻是承受身體重量之處，患者行走時，大部分負載都落在病灶所在之一側，嚴重時可見患者腿呈彎曲角度像是羅鍋腿，腿骨呈弧形，只能以手術或以膝關節護具來改善。目前現有的膝支架對於此型病患利用不同的方式來達到醫療效 果。如圖17 所示(Shirley, 2000)，為一種用在膝關節外翻或內翻的病患，此型利用單條繩索調整關節方向，即施加力量於膝關節變形端，然後施加反力於大腿與小腿側，使膝關節恢復原本形狀並保持固定，此型的機構為一單銷接頭，在動作上只允許屈曲與伸展的動作而已，對於復健的病患而言以可達到要求，所以此型屬於復健型的膝支架。

如圖18 所示(Cawley, 1998)，此型利用兩螺栓來調整軟墊的施力方向，針對退化之關節側加以施力，以外力使膝關節恢復到正常位置的狀態，其機構利用齒輪來限定膝關節活動的範圍，已避免關節超過不正當的運動範圍。另一種型式為G-II，如圖19 所示(Talor, 1998)，此型具備"內建"的減壓效果，此項專利發明讓單側(內側或外側)退化性關節炎(Unicompartmental O.A.)患者的病變部位，得以除去疼痛。

退化性關節炎患者裝置此護膝後，因為病變關節上下無接觸，所以不再疼痛，並免於惡化，可以延後可能需做的脛骨切骨矯正手術(HTO)或人工膝關節置換(TKA)，而且患者可以降低對藥物的依賴，甚至可以自由的上下樓梯、跑步、爬山。此型適用於早期或中期的退化性膝關節炎患者、因膝部受傷而引發膝關節磨損的運動員和因為疾病本身不允許開刀、不能接受大手術者或有感染性疾病等患者。有學者針對穿著G-II 膝支架的病患計側骨質礦物密度(MD)值，發現穿戴後數值有者明顯的改善，對於骨骼的強度也有明顯增加(Katsuragawa, 1999)。

(2)十字韌帶傷害
對於長期從事激烈運動或者是勞力密集者，膝關節之十字韌帶受到傷害為最常見，主要由於運動過程中，膝關節受到外力衝撞或是施力不正確導置ACL (前十字韌帶)、PCL ( 後十字韌帶 )、MCL (內十字韌帶)、LCL (外十字韌帶)發生撕裂傷或扭傷，但因現在運動傷害及車禍愈來愈多，故發生十字韌帶斷裂的病人，也有日漸增多的趨勢。

目前最常見到的十字韌帶傷害為前十字韌帶(ACL)受傷，前十字韌帶由股骨外 的後方，一直延伸到脛骨平檯的前方，若其功能喪失，則脛骨平台會向前方滑動。目前市面所有的膝支架對於十字韌帶的保護上並無法完全發揮作用，美國軍方的研究人員於一場醫學會議中報告，病患通常在膝蓋重建手術之後，會以腿部支架來支撐患部，但這種支架似乎無助於防止膝蓋受傷許多學者也提出相同的看法，並且由實驗數據中得
知，膝支架對十字韌帶傷害手術後的復健並無太大的幫助(Beynnon, 2002; Möller, 2001; Riberg,1999; Kartus, 1997)，也有國內學者針對功能性膝支架以臨床實驗分析其優劣性，目前所實驗出得到最佳的型式為playrnkerACL 型膝支架(陳秀佩，1995)，根據實驗結果顯示，不論穿與不穿支架，在膝關節運動的過程中，脛骨相對股骨的角度變化大致是隨著彎曲而脛骨逐漸外展、內旋，伸展而內收、外旋，而位移變化方面也是隨著彎曲過程小腿相對大腿先向後、向下及向內，伸展而向前、向上及向外。

三組支架雖然並沒有改變膝關節三軸向旋轉角與平移量運動趨勢，但振幅 變化的幅度明顯減少，同時螺旋軸方向也較沒有穿時分佈穩定，所以此型為目前較佳一種。就籃球、美式橄欖球、排球與足球的運動員而言，前十字形韌帶撕裂傷是極為常見的運動傷害。因為該處的撕裂傷會使膝蓋無力，所以某些想再度重振運動生涯的人，會前往接受韌帶重建手術。手術完成後，醫師或許會建議病患在運動時穿戴腿部支架，以防止二度傷害。

結論

根據以上兩篇的分類與分析，發現目前膝支架的機構類型大多包含在連桿式、齒輪式與凸輪式中，其中以凸輪式的膝支架的可活動自由度最佳，對於病患的醫療效果也最為明顯。而目前所有膝支架中僅有成大所設計之膝支架考慮到三個旋轉與三個平移的運動 ，其餘多為單基準面或雙雙基準面運動而已。除了機構設計外，整體材料的選擇與固定帶的綁法都是新型膝支架設計之重點，對於新型膝支架的設計與改良還有相當大的進步空間。

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