附录二人工膝关节参数化设计-正修科技大学人事处.doc

目錄 摘要 2 一、 教具製作計畫緣起 : 2 二、 計畫規劃 5 研究動機與目的 5 三、 客製化人工膝關節設計 7 表1. 人工膝關節各型號參數及適用範圍 9 四、 設計與分析軟體應用至本教具 10 LifeMod簡介 14 LifeMod功能 15 LifeMod膝關節姿態調整 18 五、 教具用於接觸應力的量測上 22 六、 本計畫的具體成效 : 27 七、 結論 27 附錄 人體膝關節的研究成果 28 附錄二 人工膝關節參數化設計 29 摘要 客製化人工膝關節未來將扮演很重要的角色，這是因為不同人體膝幾何及尺寸上的差異外，習慣盤坐、動作的順暢性、使用壽命與設計製造技術日益進步均息息相關。 機械系三年前有執行國科會”私校特色計畫一客製化人工膝關節”的相關研究，計畫是依產品的既有規格下，考慮股骨髁軟骨與人工半月板的嚙合面間的接觸應力為考量重點，希望換上人工假體的膝關節盡可能接近原來人體膝關節的特徵，這是希望手術過後的膝關節和周圍肌肉、韌帶與組織可以有較高的吻合度，以期可提高新植入物和組織間的相容性。為了達到此一目的，本研究利用人體膝的醫學影像資料與三維重建及系統裝配後，再建構有限元模型完成接觸面積與接觸應力特徵研究，並將此一資料作為目標幾何模型。另一方面依使用者的骨骼尺寸及幾何，選擇欲更換假體的規格。並依上述的目標幾何的接觸特徵與假體嚙合面間特徵相互比對，使得假體間的相對運動和原來骨骼間形態接近，以提升人工膝關節的存活壽命。上述建模、分析與模擬工作均會在軟體中完成，以縮短設計週期，卻可能為使用者帶來很大的便利，為客製化人工膝關節設計提供了一個新的作法。 本教具計畫是以大學部大二材料力學課程及大三、大四的專題製作為主，製作一接觸面的接觸應力為導向，並以富士壓敏紙及壓力讀取專用掃描儀的學習及驗證之用。 教具製作計畫緣起 : 生物力學是力學、生物學、醫療學等多學科相互整合而形成的新理論。生物力學主要是研究具有生命體的對象，它包含生物個體、組織、器官、細胞和分子等不同尺度上的關連，這個關連包括了運動、變形、生長拘束、受載等不同的情況。生物力學研究可以協助研究者了解各種生命的機能，以及處在不同環境下，人體組織做相對應的調適，或者有效的設計各種機械、設備以改善生命體的生活品質，因此不同研究載具及不同研究工具均受到很大產業界及學術界的重視，開發出許多創意的產品。 而軟體在建模、分析、模擬及系統的最佳化等，發揮了強大的功能及效率，在人工膝關節客製化的研發工作中，以Pro/E建構膝關節的幾何模型、Adams做運動及動力學分析，ANSYS做嚙合骨骼間的接觸應力分析，Workbench完成膝關節系統的整體分析，只要加入正確的運動對及初始位置的負載及拘束條件，軟體可以完成全系統的分析工作。LifeMod軟體，執行人體的骨骼、肌肉、韌帶的建模及分析工作，它使研究工作不再拘限於研究者對於問題數學的理解力，可以更方便研發者完成產品開發工作。 有關客製化的研究在1987年corin[1]推出了人工膝關節設計系統，把患者的CT片和X光片用數字化儀器輸入至電腦中，做為設計參考，它可自動修正現有關節尺寸，以做為客製化的依據，在1996年之後，客製化膝關節常以CT/MRI等方法，獲得患者膝關節、脛骨平台和股骨遠端關節面的幾何尺寸，並提供手術及加工模擬工作。 Shivani和Sathasivam[2]利用病人的X光射線圖像，結合逆向工程成型技術進行膝關節的參數化設計，Hannover和H.M. Overoff[3]利用超音波圖像分割技術重構膝關節的三維模型，Ma[3]也有以ANSYS及LifeMod設計人工膝關節假體的生物力學分析及模擬，Lu[4]也有類似的研究成果。有關膝關節的股骨脛骨的生物力學的研究有Moeinzadeh等[5]在1983年第一個建立了基于解剖結構的人膝關節動力模型，並固定了股骨，該模型可用來描述當股骨固定時，脛股相對於股骨的相對運動並計算膝關節處的接觸力等。Wongchaisuwat 等[6]在1984年建立了另一個膝關節動力模型，其中股骨被固定，而脛骨被模擬為一個單擺，以此來分析脛骨相對於股骨滑動和滾動的控制策略。Komistek 等[7,8](1992年)運用Kane的方法建立了模型，通過對不同行走速度分析，得到了股骨和脛骨間接觸力的峰值。王西十等[9~12](1993年)釋放股骨，建立一個含有股骨、脛骨的二維自由運動膝關節運動模型。 Tumer和Engin[13](1933年) 建立了一個股骨-髕骨-脛骨三體二維膝關節動力模型。該模型模擬了當股骨固定時，脛骨相對于股骨和髕骨的相對運動。王西十等[14](1998年)再次由股骨自由下，從而建立了股骨-髕骨-脛骨三嚙合的二維自由運動人膝關節模型。2004年，Jia[15]等建立了