臺灣博碩士論文加值系統

本研究針對部份足部截肢之病患，利用鞋內墊量測系統及有限元素分析，探討當改變不同輔具材料組合並在鞋底添加碳纖維板材時對病患足部生物力學上的改變。並且利用材料試驗機量測出輔具材料的材料性質，將不同的輔具材質搭配帶入有限元素模型中，利用有限元素分析完整的討論當改變輔具材料軟硬性質組合時，對足部力與壓力變化情況。首先經由量測結果得知當加入碳纖維板材於鞋底下，可以使病患在推進過程中時間縮短、推進力增加，證明使用此板材於鞋底中有增加推進的效果。在有限元素分析方面，首先模擬步態週期中之推進期，並將電腦模擬結果與臨床量測結果相驗證，確立模擬方式。接著改變輔具之材料組合，模擬推進期時足底壓力之分布情形，由模擬數值可以發現當鞋底材料使用較硬材質時，相對應力值也隨之升高。另外分析中也探討截肢足部前端應力變化大小，當選用填塊為較硬材質時，應力值也相對升高，故為了降低足部在推進過程中應力值，可以使用軟質材料製作鞋墊，而使用較軟的半硬質材料製成鞋底與填塊部分，即可有效降低足部應力值，使足部在推進過程中避免受到過大應力而產生病變。

This research utilized plantar pressure measurement and finite element analysis to the biomechanical effects of orthoses with carbon foot plate for patients with partial foot amputation.The material properties of several commonly used orthosis materials were measured using a material testing machine and then input into a finite element software for nonlinear material simulation. From the pressure measurement results we found: When carbon foot plate was added into the orthosis, the propulsive time was shortened and the propulsive force was increased. This result indicated that the carbon foot plate has the benefit of enhancing the push-off capability for patients with partial foot amputation. The effects of different orthosis material combinations on the plantar pressure distributions of a patient with partial foot amputation were then investigated using finite element analysis. Based on the finite element analysis results, we found that: When harder material was used for the bottom layer of the orthosis the plantar pressure was increased. When harder material was used for the filler of the orthosis, the stress at the anterior portion of the amputation foot was increased. Therefore, in order to reduce the stresses in the foot during push-off phase, material combination of softer upper layer (and filler), and harder bottom layer may be a better choice for the orthosis and can avoid the possible harmful high stress in the foot for patients with partial foot amputation.

第一章 緒論 11
1-1 前言 11
1-2 研究背景 13
1-3 研究目的 16
第二章 基礎理論 17
2.1 足部簡介 17
2.2 矯正鞋墊之材質基本介紹 19
2-3 大拇趾截肢 (HALLUX AMPUTATION) 23
2-4 蹠骨橫截肢 (TRANSMETATARSAL AMPUTATION) 24
第三章 實驗方法與研究流程 27
3-1 研究流程 27
3-2 足底壓力量測 28
3-2-1 病人量測實驗 28
3-2-2 量測資料讀取 32
3-3 各輔具材料之力學測試 34
3-3-1鞋墊材料之靜態壓縮測試 34
3-3-2 碳纖維板材料之彎曲測試 37
3-4 有限元素分析之負載及邊界條件 43
3-5 有限元素模型模擬步態與病人量測資料驗證 46
第四章 結果 51
4-1 病人量測結果 51
4-2 輔具材料性質量測結果與有限元素模型驗證 52
4-2-1 輔具材料試驗與驗證 52
4-2-2 碳纖維板材料試驗與驗證 55
4-3 驗證模型模擬步態週期與病人量測實驗數據 58
4-4 步態推進期之模擬結果 61
4-4-1 足底壓力 61
4-4-2 足部前端接觸力 64
第五章 討論 68
5-1 病人實驗量測 68
5-2 輔具材料性質量測實驗 69
5-3 模擬推進期和實驗數值相互驗證 70
5-4 模擬後足底壓力與前足接觸力之影響 71
第六章 結論與未來展望 73
6-1 結論 73
6-2 未來展望 74
參考文獻 75

∼ 圖表目錄∼
圖2-1 右足骨之俯視觀、內側觀、外側觀 【22】 17
圖2-2 為糖尿病足大拇趾截肢(HALLUX AMPUTATION) 23
圖2-3 大拇趾截肢(HALLUX AMPUTATION)之有限元素模型 24
圖2-4 糖尿病足蹠骨橫截肢之仰視圖 25
圖2-5 糖尿病足蹠骨橫截肢之側視圖 25
圖2-6 蹠骨橫截肢(TRANSMETATARSAL AMPUTATION)之有限元素模型 26
圖3-1 2-D 資料擷取盒連接至Notebook之1480 SCSI卡……….29
圖3-2 鞋內墊感測器四種規格量測設備 30
圖3-3 蹠骨橫截肢病患之足部側視（右腳） 30
圖3-4 病人鞋墊材質分解圖 31
圖3-5 添加於鞋墊最下側的CARBON FOOT PLATES 31
圖3-6 步態週期中推進期與推進期力量分佈圖【27】 32
圖3-7 步態週期中擷取各步態推進期時間、力與壓力 33
圖3-8 擷取步態週期中推進期力與壓力分區圖 33
圖3-9 鞋墊材料試片，由左至右依序為(1)WHITE PLASTAZOTE（軟式、厚）、(2)WHITE PLASTAZOTE（半硬式、厚）、(3)ORANGE PLASTAZOTE（半硬式、厚）、(4) PLASTAZOTE (半硬式、薄) 、(5)MULTI-DUROMETER LAMINATES(半硬式、厚） 36
圖3-10 (6)PPT (軟式、厚) 、(7)PPT(軟式、薄) 、(8)CORK(半硬式、厚) 、(9)BLUE PLASTAZOTE (硬式、薄) 36
圖3-11 材料切割使用之刀模 36
圖3-12 使用小圓柱模型利用曲線模擬驗證實驗數據 37
圖3-13 複合平板示意圖【18】 38
圖3-14 複材受簡單應力作用產生變形之示意圖【18】 38
圖3-15 複材受簡單應力作用產生變形之示意圖 【18】 38
圖3-16 彎曲測試示意圖【22】 41
圖3-17 彎曲測試尺寸示意圖[22] 41
圖3-18 彎曲測試實驗夾具製作成品與架設於材料試驗機 42
圖3-19 用同樣長度比例給予相同邊界條件驗證實驗數據 42
圖3-20 步態週期中足底與地面的接觸角度【22】 43
圖3-21 有限元素模型模擬推進期所設定之旋轉軸位置和地板轉動方向 45
圖3-22 素模型分解圖（蹠骨橫截肢、鞋內墊、鞋底、碳纖維板、地面） 48
圖3-23 限元素模型足底壓力相對應實驗分區（第八區、M3） 49
圖3-24 有限元素模型前足與填塊接觸應力變化圖 49
圖 3-25 有限元素模型前足與填塊接觸面加入3mm厚度的軟質鞋內墊材料……………………………………………………………50
表 3-1 材料性質與元素型態、數目總表 50
圖4-1 步態實驗中改變各材料組合所得之推進期時間(秒) 51
圖4-2 材料實驗的應力應變圖，材料實驗得到的壓縮量…… 53
表 4-1 模型所使用的材料係數(NUMBER OF TERM＝2) 54
圖4-3 碳纖維板材料實驗之力-位移圖 56
圖4-4 碳纖維板材料實驗之應力-應變圖 56
圖4-5 碳纖維板材料實驗與有限元素模型相互驗證之力-位移圖..57
表 4-2 實驗值與有限元素模型(不同層數)相互驗證之誤差度.. 54
圖4-6 整個步態週期足底力總值-箭頭為推進期力之極值位置 59
圖4-7 模擬步態推進過程中反力總值變化圖 59
圖4-8 實驗量測M3區之足底壓力 60
圖4-9 有限元素模型模擬結果在M3區之足底壓力 60
圖4-10 實驗量測之前中足第八區之力值 60
圖4-11 模擬推進期中當輔具下層材料為WPH時之足底壓力 61
圖4-12 模擬推進期中當輔具下層材料為BPH時之足底壓力 62
圖4-13 模擬推進期中當輔具下層材料為PTH時之足底壓力 62
圖4-14 模擬推進期中當輔具下層材料為MDH時之足底壓力 63
圖4-15 模擬推進期中當輔具下層材料為CH時之足底壓力 63
圖4-16 模擬推進期中當輔具下層材料為WPH時之蒙麥斯應力 65
圖4-17 模擬推進期中當輔具下層材料為BPH時之蒙麥斯應力 65
圖4-18 模擬推進期中當輔具下層材料為 PTH時之蒙麥斯應力 66 圖4-19 模擬推進期中當輔具下層材料為MDH時之蒙麥斯應力 66 圖4-20 模擬推進期中當輔具下層材料為CH時之蒙麥斯應力 67

【1】吳淑霞(1999) 全觸式鞋內墊與足部之生物力學評估，中華醫學工程學刊 1999；19(1): 39-45。

【2】Gefen A , Stress analysis of the standing foot following surgical plantar fascia release. J Biomech Eng 2002；35：629-37

【3】Kogler GF, Solomonidis SE, Paul JP. Biomechanics of longitudinal arch support mechanisms in foot orthoses and their effect on plantar aponeurosis strain. Clin Biomech 1995；11(5)：243-52

【4】Brown M, Rudicel S, Esquenazi A. Measurement of dynamic pressures at the shoe-foot interface during normal walking with various foot orthoses using the FSCAN system. Foot Ankle Int 1996；17：152-6.

【5】Gefen A, Megido-Ravid M, Itzchak Y, Arcan M. Biomechanical analysis of the three-dimensional foot structure during gait:A basic tool for clinical application . J Biomech Eng 2000； 122:630-9

【6】Durham JR, McCoy DM, Sawchuk AP, Meyer JP, Schwarcz TH, Eldrup-Jorgensen J, Flanigan DP, Schuler JJ. (1989) Open transmetarsal amputation in the treatment of severe foot infection. Am J Surg, 158: 127-130

【7】Windel Carol M, Gregory Sarah M , Dixon Sharon J . The shock attenuation characteristics of four different insoles when worn in a military boot during running and marching ; Gait Posture 1999 ; 9 : 31-37

【8】Lyon R, Liu XC, Bogart Van, Harris G. Gait analysis after the hallux transfer to the thumb: A clinical consideration for the plastic surgeon
【9】Nyska M, McCabe C, Linge K, Liang P, Klenerman L. Effect of the shoe on plantar foot pressures. Acta Orthop Scand 1995；66(1): 53-6

【10】Patil KM, Braak LH,Huson A. Analysis of stresses in two-dimensional models of normal and neuropathic feet. Med Biol Eng Comput 1996；34: 280-4.

【11】Jordan C , Bartlett R . Pressure distribution and perceived comfort in casual footwear . Gait Posture 1995；3：215-220

【12】Perry Julie E , Hall James O , Davis Brian L . Simultaneous measurement of plantar pressure and shear forces in diabetic individuals . Gait Posture 2002 ; 15 : 101-107

【13】Hosein R, Lord M , A study of in-shoe planear shear in normals.
Clin Biomech 2000 ; 15 : 46-53

【14】Mueller MJ, Salsich GB, Bastian AJ. Differences in the gait characteristics of people with diabetes and transmetatarsal amputation compared with age-matched controls. Gait Posture 1998；7: 200-6

【15】Mueller MJ, Strube MJ, Allen BT. Effect of six types of footware on peak plantar pressures in patients with diabetes and transmetatarsal amputation

【16】莊舜弘(2000)正常足部之三維準靜態有限元素分析，中原大學醫學工程所碩士論文。

【17】吳昱沁(2001)部分足部截肢病人新式足部輔具之生物力學研究，中原大學醫學工程所碩士論文。

【18】劉顯光、許明發， 複合材料2000 ; 全威出版社: 高立圖書, 民90 ; 352-358.

【19】Herakovich Carl T . Mechanics of fibrous composites. New York : Wiley, 1998

【20】Medicine & Science in sports & Exercise . Biomechanics of the unstable ankle joint and clinical implications 1999


【21】Lemmon D, Shiang TY, Hashmi A, Ulbrecht JS, Cavanagh PR. The effect of insoles in therapeutic footwear- a finite element approach. J Biomech 1997；30(6): 615-20

【22】 Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials ; 1990 Annual Book of ASTM Standards,stion 8,Volume 8.01,Designation D790-96a.

【23】Engineered Materials Handbook,Volume 1,Composites.ASM International,1987,pgs. 148-150,125-128,218-251

【24】Jacob H.A.C . Forces acting in the forefoot during normal gait – an estimate , Clin Biomech 2001；16(2)：783-792
【25】Chen WP, Tang FT, Ju CW.Stress distribution of the foot during mid-stance to push-off in barefoot gait :a 3D finite element analysis.Clin Biomech 2001；16：614-20
【26】 Mueller MJ, Incidence of Skin Breakdown and Higher Amputation After Transmetatarsal Amputation : Implications for Rehabilitation . Arch Phys Med Rehabil 1995 ; 76 : 50-54

【27】 Nordin M , Frankel VH , Basic biomechanics of the musculoskeletal system . Third edition . Lippincott Willians and Wulkins .
【28】 Gabriel H , Margaret EM , Chopart prosthesis and semirigid foot orthosis in traumatic forefoot amputation ：Comparative Gait Analysis . Am J Phys Med Rehabil 1996 ；75：283-291
【29】 Nester CJ, van der Linden ML , Bowker P. Effect of foot orthoses on the kinematics and kinetics of normal walking gait. Gait Posture 2003；17: 180-187
【30】Michel V, Do MC . Are stance ankle plantar flexor muscles necessary to generate propulsive force during human gait initiation . Neuroscience Letters 2002；325：139-143
【31】 Miller CA, Verstraete MC . A mechanical energy analysis of gait initation. Gait Posture 1999；9: 158-166
【32】 Gefen A , Megido-Ravid M, Itzchak Y, Arcan M .Integration of plantar soft tissue stiffness measurements in rouine MRI of the
diabetic foot .Clin Biomech 2001；16：921-925
【33】 Johnson JA . Running shoes and orthoses : a practical approach . J Back and Musculoskeletal . 1996；6：71-80
【34】Hillmann A , Rosenbaum D , Winkelmann W . Plantar and dorsal foot loading measurements in patients after rotationplasty . Clin Biomech 2000；15：359-364
【35】Fiber Architects . Finite element modeling of 3-D braided carbon fiber/urethane elastomer tubes
【36】 Donaghue VM, Sarmnow MR, Giurini JM, Chrzan JS, Habershaw GM, Aristidis V. Longitudinal in-shoe foot pressure relief achieved by specially designed footwear in high risk diabetic patients. Diabetes Res Clin Pr 1996；31：109-14


【37】Novacheck TF. The biomechanics of running. Gait Posture 1998；7: 77-95

【38】Colagiuri S , Marsden LL , Naidu V , Taylor L . The use of orthotic devices to correct plantar callus in people with diabetes . Diabetes research and Clin Practice 1995；28：29-34