膝關節術後復健輔具之研製

人體下肢為輔助站立、行走、跑步、跳躍等活動，下肢結構由股骨(大腿骨)、膝關節、脛骨(小腿骨)、踝關節以及足骨等組成。膝關節位於股骨與脛骨的交接處是最頻繁使用的關節之一，在膝蓋關節除了股骨、脛骨還有髕骨、韌帶、肌腱、半月板等組織構成，膝關節不僅要負荷人體重量和正常活動，跳躍或落地時瞬間膝關節是承受人體重量的數倍壓力，同時也要應付突如其來的反射動作，在長期重複磨損下，會因關節過度使用而提早老化，在無任何預防保護下會有高機率使得膝蓋受到傷害，嚴重時可能需要手術來治療創傷，術後復健是大眾所關注的焦點，復健恢復程度好壞取決於患者對於復健的積極性，但是患者回診前的復健運動細節無法得知，醫師只能根據當時狀況做診斷，而患者最需要的是根據恢復情形給予最適當的醫療計畫，盡早讓身體失能者恢復到正常生活。因此本研究為監測復健運動資訊以了解復健有無成效，而構想一復健輔具能幫助患者復健評估，硬體架構由嵌入式裝置National Instruments (NI) myRIO結合三軸陀螺儀和三軸加速計感測器及個人電腦，利用感測器蒐集膝蓋關節運動資訊（活動角度及加速度），再利用Universal Serial Bus (USB)序列通訊將量測資訊傳輸到個人電腦中，由電腦將數據波形顯示及記錄。從以公開資訊中整理八種常見膝關節復健運動作為實驗測量項目，分別為「足踝運動」、「膝關節壓床運動」、「下肢屈曲滑行」、「坐姿舉腿」、「坐姿協助彎曲」、「抬腿運動」、「側身抬腿」和「站立後抬腿」，實驗項目分兩類情況，一類只用三軸陀螺儀感測器判斷膝關節活動角度；另一類是三軸陀螺儀感測器加三軸加速計感測器，偵測人體下肢運動角度及加速度，參考數據等級分為「待加強」、「尚可」和「良好」，其中足踝運動與膝關節壓床運動屬於無明確膝關節運動以不適用，剩六項以三軸陀螺儀數據呈現，分別為下肢屈曲滑行：待加強（15度至25度）、尚可（25度至45度），良好（45度至55度）；坐姿舉腿：待加強（30度至60度）、尚可（60度至75度），良好（75度至90度）；坐姿協助彎曲：待加強（40度至60度）、尚可（60度至90度），良好（90度至110度）；抬腿運動：良好（40度至50度）；側身抬腿：良好（40度至50度）；站立後抬腿：良好（40度至65度），後三項運動無膝關節活動而目的為增強下肢力量是以「良好」作為基準。實驗模擬結果中安裝感測器位置誤差及感測器晶片產生雜訊，是直接影響數據的因素，安裝位置則須維持在固定方向，而感測器晶片導致的累積誤差須仰賴程式上濾波雜訊處理，減少累積數值獲得更佳的數據。

關鍵字

復健；輔具；膝關節

並列摘要

Human leg is composed of femur (thigh bone), knee joint, tibia (shin bone), ankle joint and foot, etc. As one of the most vulnerable body joints, knee joint needs seamless rehabilitation after surgery therapy. People are highly concern about the curative effects while the rehabilitation plan is in progress. In this thesis, a low-cost auxiliary device which can record the knee joint movement and evaluate the situation for postoperative rehabilitation is developed. This auxiliary device is the integration of an embedded system (ARM Cortex-A9 and Xilinx Zynq-7010), a three-axis gyroscope (STMicroelectronics L3G4200D) and a three-axis accelerometer (Analog Devices ADXL345) and with an USB (Universal Serial Bus) interface for further communication or application. In order to verify the effectiveness of the auxiliary device, eight rehabilitation scenarios and three assessment categories have been identified and illustrated. The detailed depictions of knee joint movement for all three assessment categories at each rehabilitation scenario are also provided.

並列關鍵字

Device ； Knee ； Rehabilitation

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國際替代計量

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