評估步態改變對脛骨內側軟骨應力影響的工作流程





骨關節炎 Osteoarthritis (OA)

  • 問題來自於軟骨、骨骼、半月板,韌帶等的緩慢退化

  • 骨關節炎是最常見的關節疾病,尤其以膝蓋部位最常見

  • WHO (2016) 將骨關節炎列為五種最容易造成殘疾的疾病之一






目前醫學界採用的非手術式生物力學干預方式,主要是利用不同的矯正鞋墊或膝蓋固定裝置進行步態矯正。






前述的各種方式,多半是藉由調整行走時地面反作用力的壓力中心位置,進而減少地面反作用力與膝關節中心之間的力臂,以減少患者的膝關節關節力矩,降低關節疼痛。

本研究的目的,希望建立一套針對病患的標準工作流程,這套工作流程能夠評估整個身體與局部組織的力量負荷,進而找出最佳的改善方法。




肌肉骨骼模型與有限元素法模型



現有的研究:多體運動學模擬

早期的研究將膝蓋關節視為 “Hinge”。新的研究方向則是將膝關節模型視為搭配移動軸 (Moving-Axis) 的 FDK (Force-Dependent Kinematics) 模型。


11 FDK DOF (脛骨股骨和 髕骨股骨)  Elastic foundation contacts (彈性基礎接觸)  Nonlinear elastic ligaments (非線性彈性韌帶)





目前的研究流程

根據不同的步態建立不同的肌肉骨骼模型  利用 AMS (AnyBody Modeling System) 計算得到作用力與反作用力,再將這些資料當作邊界條件導入 FEA (有限元素法) 模型計算



根據以往的研究報告顯示,Toe in (內八字) 的步態跟骨關節炎可能最有關係




因此本研究中找了五位不同的患者,分別針對五位受試者進行了 MRI 影像掃描,以及根據五位受試者的身體量測數據,建立了 AMS (AnyBody Modeling System) 模型 。







利用 AnyBody針對不同受試者,輸出在不同步態下內側壓迫力 vs 步態週期的變化




膝蓋有限元素模型




五位受試者的膝蓋 FEM 模型




利用 AnyBody輸出的力量數值,作為有限元素模型的輸入邊界條件




AnyBody Moldeing System 計算的力量數值, 作為膝蓋 有限元素模型輸出: 脛骨的應力與應變數值有限元素模型的力量輸入數值


初步結果

  • 矯正鞋墊對於骨關節炎有幫助

  • 步態第二周期時內八字,步態第一周期時外八字,對於減低關節負荷有幫助

  • 但是仍然無法解決高脛骨壓力 (高達 25 MPa)





接續研究方向

  • 用不同的肌肉模型進行參數化研究

  • 進行膝關節拉伸肌肉力量測試

  • 將簡單的膝蓋模型 (Hinge) 變更為複雜的 FDK 模型





變更模型後重複之前的模擬

變更肌肉模型  AMS 提供 Simple muscles 與 3E muscles 兩種類型 用 simple muscle 膝蓋模型模擬時,會出現高點數值



比較相同步態 (Normal gait) 下不同的肌肉模型,3E Muscles 比 Simple muscles 更合理




將膝蓋模型從傳統的 Hinge model 變更為 FDK model




變更後的膝蓋模型 (from AMS)





脛骨軟骨 脛骨外側軟骨 脛骨內側軟骨 建議在一個步態週期中,變形量在紅色虛線範圍內



軸向峰值力期間的脛骨-股骨接觸壓力




站立步態中,脛骨與股骨內側接觸區域的相關分析結果




站立步態中,脛骨與股骨外側接觸區域的相關分析結果



結論

  • 這套流程提供一個非常具體的分析,重點在於這是一套非侵入式的測式,同時又可以協助評估軟骨中的應力分佈與大小。

  • 測試中採用了 10種不同的矯正鞋墊進行測試,其中 5號與 10號鞋墊都無法降低峰值壓力。但是 10號鞋墊在第二個峰期可以有效降低峰值壓力。

  • 不論是採用內八或外八字型的鞋墊,都無法降低第二個峰期的峰值壓力。