減輕退化性膝關節炎患者之肌肉與膝蓋接觸力之支架研究






研究動機 – Knee Osteoarthritis (KOA)


退化性膝關節炎 (Knee OA)


退化性膝關節炎的發生原因包含了下列可能性:

  • lGenetic (遺傳)

  • lPrevious ligament ruptures (韌帶斷裂舊傷)

  • lUnderloading

  • lOverloading




KOA 的非侵入式治療

利用支架減少膝關節的負荷,但是仍然有問題需要解決




研究方向1 – 如何減少膝蓋負荷?


研究外加力距與內部膝蓋壓縮力 (Knee compressive forces, KCF) 之間的關係




利用外部的關節力矩模擬支架的支撐性


利用 40% 的肌肉力矩補償以減少關節負荷



利用肌肉做工的補償以減少關節負荷



Knee flex-ext (anybody 模擬)






肌肉收縮→關節壓縮力

峰值1:膝蓋與髖關節補償

峰值2:踝關節補償


論文發表於 Stoltze et al. 2018

On the biomechanical relationship between applied hip, knne and ankle joint moments and the internal knee compressive forces, International Biomechanics, 5(1)

DOI: 10.1080/23335432.2018.149942


考量點:相較於外部治具,肌肉補償也許會是一種減少關節負荷的更有效方式。




研究方向2 – 支架開發設計

■ 目標:減少膝蓋拉伸力矩時造成的峰值1力量 (參考下圖表)

■ Levitation brace (passive) 懸浮式支架 (被動式),利用彈簧機構設計

■ Ascend Brace (active) 升降式支架 (主動式), Roam Robotics



設計方向

  • 適用於特定族群

  • 僅處理峰值1的力量

  • 不使用外部施加的力矩 (利用彈簧儲存能量)

  • 彈簧種類選擇

  • 力矩大小考量





MoCap of 5 gait trials (健康者步態記錄)




健康者步行的肌肉力矩變化




彈簧選擇考量



機構設計




個別調整



調整方向





支架模擬 (anybody 數值模擬)




Prototype




健康者測試







討論

  • 減少 EMG→降低壓縮力?

  • 在Anybody 內找出影響的因素(搭配 AnyExp4SOLIDWORKS 模組)

  • 應用量測的彈簧力量








減少 EMG 與膝蓋壓縮力

論文發表於 Soltze et al. 2021

Development and Functional Testing of An Unloading Concept for knee

Osteoarthritis Patients: A Pilot Study, Journal of Biomechanical Engineering, 144(1)

DOI: 10.1115/1.4051847


接續研究:

■ 對疼痛的影響? (需要 KOA 患者分析)

■ 哪些人適合使用這個技術?



研究方向 III: KOA 患者 – 步態記錄






KAO patinet tests (N=1)









研究方向 III: KOA 患者 – 發現

  • 對某些患者而言,設備有可能可以減少峰值 EMG 及 KCF。

  • 對疼痛沒有影響。

  • 對支架測試而言,安慰劑試驗 (placebo trials) 是非常重要的。

  • 接續考量:在初始站立階段應用膝關節拉伸力矩有可能減少 KOA 患者的 KCF (膝關節接觸力),但不是所有的患者都適合這種處理方式。