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计画名称:前十字韧带损伤及重建后膝关节之生物力学与神...计画名称:前十字韧带损伤及重建后膝关节之生物力学与神经肌肉适应之分析
计画编号:NHRI-EX91-9126EP
执行机构: 国医药学院,台湾大学,高雄医学大学
计画主持 :许弘昌副教授,吕东武副教授,萧世芬助理教授
研究 员:洪启峰,林秀真,高德昌,蔡宗远,陈淑雅,赵伟钧,吴晓臻,
蔡伊谨,周伯禧,黄茂雄,刘玫舫
关键字:前十字韧带,生物力学,电脑模型,动作分析,运动功能,肌力,
自主徵召,动作控制
膝关节由胫骨与股骨和周围组织如韧带等所构成,其关节接触面与韧带共同
决定了在被动活动时的运动情形,再加 神经支配的周围肌肉提供主动支持,而
共同控制膝关节的动作.正常的关节使 类完成许多日常生活的能力,包括行走
位移,站或坐等等.前十字韧带不但提供膝关节稳定作用之外,也传回本体感觉
动作及受力的讯息以作为肌肉动态控制膝关节的依据.若前十字韧带受损,将影
响正常动作和肌肉控制,使病 从事活动时,会有不适的情况.本计画全面性
探讨前十字韧带在膝关节功能 所扮演的角色,包括建立其生物力学模型及观察
病患在损伤之后的动作以及肌肉表现的改变,分别於本计画的 个子计画 探
讨.依序说明如 .
第 子计画之目的在建立 维膝关节电脑模型,应用於静态或活动,以了解
前十字韧带对控制膝关节活动度和稳定度所扮演的角色,也希望对前十字韧带的
重建手术和治疗有所帮助.本阶段膝关节模型主要用以模拟活动度,稳定度与等
长肌力等测试.活动度测试之模拟系在肌肉未收缩的情形 ,由关节面以及韧带
之几何形状,依最小能量法计算关节活动范围,肌肉力臂与作用线,关节面接触
型态等资料.关节稳定度测试之模拟则是在选定膝关节弯曲角度且肌肉未收缩的
情形 ,施外力於胫骨 ,算出胫骨之平移量以代表关节之松弛度.等长肌力测
试之模拟则考虑胫骨受 限制力而单 肌肉做最大收缩时,决定各元件受力情
形.
利用MRI及CT影像资料重建膝关节几何形状,包括股骨,胫骨,髌骨,
各主要肌群及韧带.骨骼与关节面初步假设为刚性.关节面间之接触型态取决於
关节角度,外力,各关节面之曲率以及肌肉与韧带受力与变形情形.膝关节韧带
包括十字韧带及内外侧韧带则模拟为弹性的纤维束.影响膝关节的肌肉则根据
Hill''s equation模拟为具主动收缩能力之单元,考虑肌肉长度,速度,激化程度与
所产生肌力之关系.相关肌肉参数如最佳肌纤维长度,生理截面积等取自於文献
资料,依受试者肌力实验资料调整之.
电脑模型之个 化,验证与正常膝关节於单关节测试动作时之力学分析等,
透过第 子计划实验量测配合进行并验证.包括利用 维动作量测系统之红外线
摄影机,摄取肢段在空间 的位置以同步撷取,以arthrometer (KT2000)量取关
节松弛度,并与第 子计划整合设计并制作 个等长肌力测试装置,以测量膝关
节肌肉等长收缩时作用於胫骨之限制力量.
MRI,CT资料及反光标记资料为定义膝关节模型几何形状之个 化.松弛
度实验所得资料用以调整膝关节模型之材料特性,特别是韧带纤维之弹性系数及
初始长度.最大等长肌力测试资料则用以调整肌肉模型参数,使整个膝关节生物
力学模型得以充份反应受测者膝关节的特性.个 化之后,即模拟活动度试验,
所得胫股关节屈曲角度与另外两个平面角度具 对 关系,证明该关节系具有
个自由度,与文献 致(Wilson et al., 1998).松弛度测试以及最大等长肌力测试
模拟结果与实际量得数据均相当 致.
第 子计画之目的在於利用 度空间立体摄影术之进行动作分析,以探讨前
十字韧带损伤患者因受伤所造成其运动功能之变化,以及其后接受前十字韧带重
建手术后的短,长期效果.第 年度的计划,研究内容著重於建立临床患者与研
究室的转介,病患追踪模式,研究 员训练,整合应用完整的 度空间动作分析
仪,建立动作分析研究之相关研究流程,收集正常受试者与前十字韧带损伤患者
之从事不同功能性活动时的动作特徵.
第 子计画今年度已建立互动良好的的病患转介模式,自 国医药学院附设
医院骨科收集前十字韧带断裂的病患.截至目前为止,已收集单纯的单侧前十字
韧带断裂病 十名,为第 组;曾接受前十字韧带自体髌骨韧带重建术之病患十
名,为第 组;另外并徵求十位正常受试者,作为控制比较组,为第 组.实验
进行先收集每位受试者之基本描述性资料,膝关节松弛度测试(KT-2000),膝关
节运动功能问卷(Lysholm score),动作分析部分共进行 项活动,包含平 行走,
跨越障碍物,由坐到站, 楼梯等,并研究穿 膝关节支架之后平 行走与
楼梯的动作型态变化.
研究结果显示,膝关节支架对平 行走与 楼梯的动作型态并无显著立即
性的影响,但因今年度的研究为 横断面研究,其长期性的效果 有待未来的追
踪与研究.在跨越障碍物部分,发现在正常受试者的膝关节与髋关节屈曲角度会
随障碍物高度增加而增加,然而支撑脚的力矩(moment)却没有随之变化;而前十
字韧带受损患者,受伤侧支撑时的最大力矩值会 降,显示减少膝关节伸直肌力
矩的意图.在从事由坐到站时,同样的随不同高度,主要只有关节屈曲角度的变
化,在力矩方面的变化并不明显,而与其他功能性活动相较之 ,从事由坐到站
肢须承受较大的冠状面和横断面 的力矩,因而需要较多的外展与外转的肌群
作用已完成此项活动.而在 楼梯的部分,穿著膝关节支架同样对於活动并没
有显著的影响,而在 楼梯时,患侧的膝关节弯曲角度显著减小,而无论是 楼
梯或 楼梯时,膝关节与髋关节伸直肌的力矩都显著的 降.
初步结果显示,前十字韧带重建后的患者,膝关节被动松弛度有所改善,因
而提供膝关节静态的稳定性,但是在受伤后与手术后的运动功能仍有不同於正常
的表现,其 的神经肌肉适应的调整而影响膝关节生物力学的机制尚不能完全
由今年度的结果解释.文献 膝关节稳定性的评估多局限在静态或是半静态的状
况,然而动态活动时,膝关节周围的被动与主动限制的组织,包含肌肉与韧带,
其受力并不容易由初步的评估结果得知,因而本计划后续的追踪并整合将结合其
他子计划的研究成果,希望能初步解决 述的问题,而可以对整个动作与功能恢
复机转有整体性的了解.
第 子计画之目的在於探讨前十字韧带损伤患者其神经肌肉系统的功能变
化与其后接受前十字韧带重建手术后的短,长期效果.本年度研究内容除著重於
建立肌力研究室及建立交流机制之外,尚研究正常受试者与前十字韧带损伤患者
之膝关节伸/屈肌之肌力与动作特徵.
此子计划今年度的实验可分成两大部分,首先是针对股后肌群(hamstrings)
自主徵召能力的测试.对於前十字韧带损伤患者而言,膝关节前后肌肉的平衡与
协调十分重要,因此股 头肌与股后肌群的运动单元(motor units)是否能被自如
的运用,徵召,是此子计划本年度研究的重点.在 般健康者身 ,包括股 头
肌等的许多肌肉都已被证实能够做出所谓的『最大自主收缩』,但或许因为实验
技术 的困难,至今尚未有相关研究.为了对前十字韧带损伤患者在重建手术前
后的肌力变化机制能够有更正确的了解,本研究尝试利用『抽搐 加』(twitch
superimposition)技术探讨股后肌群的自主徵召性质.结果发现,在健康的股后肌
群做最大自主收缩时,的确可以做到完全徵召,而在不同程度的自主收缩 ,可
找出 个自主收缩力量-徵召的曲线( voluntary activation curve);利用此不但可以
判断此肌肉的收缩能力,也可以用於推测股后肌群在正常收缩状况 所应产生的
肌力.
另 研究重点为前十字韧带损伤与重建患者之肌力与动作特徵.除术前的评
估,患者需於术后 及六个月再回诊评估.至今共有五位患者符合受试者资格,
其 位已完成第 次(术后 个月)评估.另外本年度徵召15位健康志愿者做
为对照比较.初步结果显示,术前患者之患侧股 头肌与股后肌群力量均有
降,尤以做等长及慢速等速收缩时较为明显.另外,患者两侧肌肉都有明显的自
主徵召困难;患侧比健侧,股 头肌比股后肌群明显.而在已做过第 次评估的
位患者身 发现,患侧股 头肌除在术前即有明显的肌无力,术后此现象更显
著,特别是在膝关节弯曲10-20°时.而患侧股后肌群在术前,术后 个月并没有
明显的变化.在健侧,不论是股 头肌或是股后肌群,肌力与自主徵召的能力都
比之前的表现要好.
第 子计划目前所呈现出来的结果证实了之前的推测,也就是前十字韧带损
伤与重建患者的膝关节肌肉功能表现除了肌力的变化外,自主徵召能力也呈现了
相对应的改变,也可能是造成肌肉无力的原因之 .这些改变除了可以作为术后
恢复的指标外,尚可以综合 年度有关神经反射的研究以对整个动作控制机转
有 整体性的了解,并可用以验证第 子计划的电脑化膝关节模型,以及整合应
用第 子计划所测得的运动功能表现.
本计划的 个子计划在第 年 均依照计划之预定进度,也已充分显示出各
子计划间相互合作的必要.随著各子计划累积的研究成果,相信在未来 年将能
够发挥更多的整合与成果.
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·下一篇：三叉神经痛
计画编号:NHRI-EX91-9126EP
执行机构: 国医药学院,台湾大学,高雄医学大学
计画主持 :许弘昌副教授,吕东武副教授,萧世芬助理教授
研究 员:洪启峰,林秀真,高德昌,蔡宗远,陈淑雅,赵伟钧,吴晓臻,
蔡伊谨,周伯禧,黄茂雄,刘玫舫
关键字:前十字韧带,生物力学,电脑模型,动作分析,运动功能,肌力,
自主徵召,动作控制
膝关节由胫骨与股骨和周围组织如韧带等所构成,其关节接触面与韧带共同
决定了在被动活动时的运动情形,再加 神经支配的周围肌肉提供主动支持,而
共同控制膝关节的动作.正常的关节使 类完成许多日常生活的能力,包括行走
位移,站或坐等等.前十字韧带不但提供膝关节稳定作用之外,也传回本体感觉
动作及受力的讯息以作为肌肉动态控制膝关节的依据.若前十字韧带受损,将影
响正常动作和肌肉控制,使病 从事活动时,会有不适的情况.本计画全面性
探讨前十字韧带在膝关节功能 所扮演的角色,包括建立其生物力学模型及观察
病患在损伤之后的动作以及肌肉表现的改变,分别於本计画的 个子计画 探
讨.依序说明如 .
第 子计画之目的在建立 维膝关节电脑模型,应用於静态或活动,以了解
前十字韧带对控制膝关节活动度和稳定度所扮演的角色,也希望对前十字韧带的
重建手术和治疗有所帮助.本阶段膝关节模型主要用以模拟活动度,稳定度与等
长肌力等测试.活动度测试之模拟系在肌肉未收缩的情形 ,由关节面以及韧带
之几何形状,依最小能量法计算关节活动范围,肌肉力臂与作用线,关节面接触
型态等资料.关节稳定度测试之模拟则是在选定膝关节弯曲角度且肌肉未收缩的
情形 ,施外力於胫骨 ,算出胫骨之平移量以代表关节之松弛度.等长肌力测
试之模拟则考虑胫骨受 限制力而单 肌肉做最大收缩时,决定各元件受力情
形.
利用MRI及CT影像资料重建膝关节几何形状,包括股骨,胫骨,髌骨,
各主要肌群及韧带.骨骼与关节面初步假设为刚性.关节面间之接触型态取决於
关节角度,外力,各关节面之曲率以及肌肉与韧带受力与变形情形.膝关节韧带
包括十字韧带及内外侧韧带则模拟为弹性的纤维束.影响膝关节的肌肉则根据
Hill''s equation模拟为具主动收缩能力之单元,考虑肌肉长度,速度,激化程度与
所产生肌力之关系.相关肌肉参数如最佳肌纤维长度,生理截面积等取自於文献
资料,依受试者肌力实验资料调整之.
电脑模型之个 化,验证与正常膝关节於单关节测试动作时之力学分析等,
透过第 子计划实验量测配合进行并验证.包括利用 维动作量测系统之红外线
摄影机,摄取肢段在空间 的位置以同步撷取,以arthrometer (KT2000)量取关
节松弛度,并与第 子计划整合设计并制作 个等长肌力测试装置,以测量膝关
节肌肉等长收缩时作用於胫骨之限制力量.
MRI,CT资料及反光标记资料为定义膝关节模型几何形状之个 化.松弛
度实验所得资料用以调整膝关节模型之材料特性,特别是韧带纤维之弹性系数及
初始长度.最大等长肌力测试资料则用以调整肌肉模型参数,使整个膝关节生物
力学模型得以充份反应受测者膝关节的特性.个 化之后,即模拟活动度试验,
所得胫股关节屈曲角度与另外两个平面角度具 对 关系,证明该关节系具有
个自由度,与文献 致(Wilson et al., 1998).松弛度测试以及最大等长肌力测试
模拟结果与实际量得数据均相当 致.
第 子计画之目的在於利用 度空间立体摄影术之进行动作分析,以探讨前
十字韧带损伤患者因受伤所造成其运动功能之变化,以及其后接受前十字韧带重
建手术后的短,长期效果.第 年度的计划,研究内容著重於建立临床患者与研
究室的转介,病患追踪模式,研究 员训练,整合应用完整的 度空间动作分析
仪,建立动作分析研究之相关研究流程,收集正常受试者与前十字韧带损伤患者
之从事不同功能性活动时的动作特徵.
第 子计画今年度已建立互动良好的的病患转介模式,自 国医药学院附设
医院骨科收集前十字韧带断裂的病患.截至目前为止,已收集单纯的单侧前十字
韧带断裂病 十名,为第 组;曾接受前十字韧带自体髌骨韧带重建术之病患十
名,为第 组;另外并徵求十位正常受试者,作为控制比较组,为第 组.实验
进行先收集每位受试者之基本描述性资料,膝关节松弛度测试(KT-2000),膝关
节运动功能问卷(Lysholm score),动作分析部分共进行 项活动,包含平 行走,
跨越障碍物,由坐到站, 楼梯等,并研究穿 膝关节支架之后平 行走与
楼梯的动作型态变化.
研究结果显示,膝关节支架对平 行走与 楼梯的动作型态并无显著立即
性的影响,但因今年度的研究为 横断面研究,其长期性的效果 有待未来的追
踪与研究.在跨越障碍物部分,发现在正常受试者的膝关节与髋关节屈曲角度会
随障碍物高度增加而增加,然而支撑脚的力矩(moment)却没有随之变化;而前十
字韧带受损患者,受伤侧支撑时的最大力矩值会 降,显示减少膝关节伸直肌力
矩的意图.在从事由坐到站时,同样的随不同高度,主要只有关节屈曲角度的变
化,在力矩方面的变化并不明显,而与其他功能性活动相较之 ,从事由坐到站
肢须承受较大的冠状面和横断面 的力矩,因而需要较多的外展与外转的肌群
作用已完成此项活动.而在 楼梯的部分,穿著膝关节支架同样对於活动并没
有显著的影响,而在 楼梯时,患侧的膝关节弯曲角度显著减小,而无论是 楼
梯或 楼梯时,膝关节与髋关节伸直肌的力矩都显著的 降.
初步结果显示,前十字韧带重建后的患者,膝关节被动松弛度有所改善,因
而提供膝关节静态的稳定性,但是在受伤后与手术后的运动功能仍有不同於正常
的表现,其 的神经肌肉适应的调整而影响膝关节生物力学的机制尚不能完全
由今年度的结果解释.文献 膝关节稳定性的评估多局限在静态或是半静态的状
况,然而动态活动时,膝关节周围的被动与主动限制的组织,包含肌肉与韧带,
其受力并不容易由初步的评估结果得知,因而本计划后续的追踪并整合将结合其
他子计划的研究成果,希望能初步解决 述的问题,而可以对整个动作与功能恢
复机转有整体性的了解.
第 子计画之目的在於探讨前十字韧带损伤患者其神经肌肉系统的功能变
化与其后接受前十字韧带重建手术后的短,长期效果.本年度研究内容除著重於
建立肌力研究室及建立交流机制之外,尚研究正常受试者与前十字韧带损伤患者
之膝关节伸/屈肌之肌力与动作特徵.
此子计划今年度的实验可分成两大部分,首先是针对股后肌群(hamstrings)
自主徵召能力的测试.对於前十字韧带损伤患者而言,膝关节前后肌肉的平衡与
协调十分重要,因此股 头肌与股后肌群的运动单元(motor units)是否能被自如
的运用,徵召,是此子计划本年度研究的重点.在 般健康者身 ,包括股 头
肌等的许多肌肉都已被证实能够做出所谓的『最大自主收缩』,但或许因为实验
技术 的困难,至今尚未有相关研究.为了对前十字韧带损伤患者在重建手术前
后的肌力变化机制能够有更正确的了解,本研究尝试利用『抽搐 加』(twitch
superimposition)技术探讨股后肌群的自主徵召性质.结果发现,在健康的股后肌
群做最大自主收缩时,的确可以做到完全徵召,而在不同程度的自主收缩 ,可
找出 个自主收缩力量-徵召的曲线( voluntary activation curve);利用此不但可以
判断此肌肉的收缩能力,也可以用於推测股后肌群在正常收缩状况 所应产生的
肌力.
另 研究重点为前十字韧带损伤与重建患者之肌力与动作特徵.除术前的评
估,患者需於术后 及六个月再回诊评估.至今共有五位患者符合受试者资格,
其 位已完成第 次(术后 个月)评估.另外本年度徵召15位健康志愿者做
为对照比较.初步结果显示,术前患者之患侧股 头肌与股后肌群力量均有
降,尤以做等长及慢速等速收缩时较为明显.另外,患者两侧肌肉都有明显的自
主徵召困难;患侧比健侧,股 头肌比股后肌群明显.而在已做过第 次评估的
位患者身 发现,患侧股 头肌除在术前即有明显的肌无力,术后此现象更显
著,特别是在膝关节弯曲10-20°时.而患侧股后肌群在术前,术后 个月并没有
明显的变化.在健侧,不论是股 头肌或是股后肌群,肌力与自主徵召的能力都
比之前的表现要好.
第 子计划目前所呈现出来的结果证实了之前的推测,也就是前十字韧带损
伤与重建患者的膝关节肌肉功能表现除了肌力的变化外,自主徵召能力也呈现了
相对应的改变,也可能是造成肌肉无力的原因之 .这些改变除了可以作为术后
恢复的指标外,尚可以综合 年度有关神经反射的研究以对整个动作控制机转
有 整体性的了解,并可用以验证第 子计划的电脑化膝关节模型,以及整合应
用第 子计划所测得的运动功能表现.
本计划的 个子计划在第 年 均依照计划之预定进度,也已充分显示出各
子计划间相互合作的必要.随著各子计划累积的研究成果,相信在未来 年将能
够发挥更多的整合与成果.
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