整合動作分析及動態x光量測技術研究活體人工膝關節之生物力學

Study of the Biomechanics of Total Knee Replacements Using Integrated 3D Fluoroscopy and Motion Analysis System

方毓廷(U-Ting Fang)

指導教授 ： 呂東武

國立臺灣大學/工學院/醫學工程學研究所/碩士(2005年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2005.02286

摘要

退化性關節炎病人接受全人工膝關節置換手術後，如何恢復其日常動作的功能，以提高其生活品質，是現階段新型全人工膝關節設計一個相當重要的課題。以往由於道德上的考量以及技術上的限制，直接量取人工膝關節移動時相對的角度及兩元件接觸點的位置有其困難，因此研究方向希望透過非侵入活體、精確、快速的量測，來盡可能減少受測者的不便，並可比較動作分析系統時產生的皮膚移動誤差，最終目的就是希望能夠提供臨床上研究人工膝關節穩定性的實驗資料。因此本研究旨在發展一個整合動態X光攝影系統、動作分析系統、測力板、以及數學模型分析的新技術以探討活體人工膝關節之生物力學，進而提供人工膝關節在從事單關節運動與功能性運動時，更精確與更好之運動學與動力學描述。
本研究藉由整合動態X光(fluoroscopy)與由逆向工程所獲得的人工膝關節(TKR)的CAD模型，在一個虛擬的環境下透過影像的資料以及模型來比對，進而獲得TKR在人體的三維運動學資料。在這個新的比對技術中，最重要的是模擬一個新的球狀幾何光學系統，並搭配球面移動技術，讓模型投影的影像與待測影像在球面作影像契合。模擬新系統的主要原因在於希望在比對的最佳化過程中，將設計變數由6個(3個位置向量、3個旋轉角度)減少成2個(相對x, y軸的旋轉角度)，透過只比對影像的傅立葉訊號，我們即可快速的比對出物體空間的位置。這個方法的最大的優點在於能使過去比對時所需的6個變數減少為2個，不僅能減少龐大的計算時間，更可以在透過圖庫的建立後，使得計算時間及次數都大量減少，甚至不需要任何的人為操作。
本研究的受試者共七位裝置了人工膝關節的患者，由本研究結果發現TKR的確產生了不穩定的運動，而且發現在比對局部運動時，皮膚移動誤差明顯的影響了motion capture的精確度。在植入人工關節後，因前十字韌帶已切除，膝關節結構不再是單一自由度的機構，其運動範圍受人工關節面及其他韌帶如內、外側韌帶，或後十字韌帶所決定。人工關節之被動運動，因前十字韌帶之切除而其功能未被代償的情形下，不可能與正常關節一樣。後十字韌帶保留及替代兩者對恢復正常運動各有優缺點，也都不足。
此結果顯示人工關節之關節面與正常關節有顯著差異。人工關節的運動幾何和正常膝關節不同，造成肌肉收縮的力臂和作用力方向改變，進而產生人工膝關節於功能性活動時的異常與功能不足，同時也可能對肌肉造成長期的傷害，這是未來設計人工關節所應考慮的重點。
這個研究顯示了現今人工膝關節還是有很大的改進空間。未來，希望能應用我們所發展的方法量測裝置全人工膝關節患者膝關節運動學，希冀能對骨科、復健科、物理治療、職能治療、運動醫學、電腦輔助手術與人工關節設計等領域有所貢獻。

關鍵字

三維立體攝影術 ； 透視投影 ； 影像比對 ； 人工膝關 ； 動態X光 ； 圖庫比對 ； 傅立業描述子 ； 膝關節動作分析

並列摘要

Total knee arthroplasty has been the main choice of treatment for advanced degenerative knee osteoarthritis over the last few decades. In developing a new prosthesis, it is essential to ensure the functional performance that the prosthesis may bring to the patient.
The main purposes of the study are to develop a new technique that integrates video-fluoroscopy systems, motion analysis systems and forceplate as well as mathematical modelling and analysis for in vivo study of total knee biomechanics, providing more accurate and better descriptions of the TKR kinematics and kinetics during isolated joint movement and functional activities.
Kinetics analyses of total knee arthroplasty (TKA) have clarified several in vivo motions using fluoroscopic image and have attracted attention in recent years. We propose a new technique for improving the accuracy of 3D pose estimation and accelerate computational process without manual operation. All 2D real data and projection silhouettes are warped to stick on 3D spherical surface before the matching process. Hence, template matching based on shape invariant can be applied for perspective projection system and can divide 6 degrees of freedom (DOF) of model to calculate respectively.
The results from the current study showed that the majority of patients experienced kinematics is not similar to those of a normal knee. However, the extent of lateral femoral condyle posterior rollback and the extent of axial rotation were less. Besides, skin movement artifacts affect the accuracy of motion analysis system.

並列關鍵字

Single-plane fluoroscopy ； model-based pose estimation ； template matching ； 2-D/3-D registration ； perspective projection ； shape invariant matching ； motion analysis system ； Fourier descriptor

參考文獻

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