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研究生:鄒仲偉
研究生(外文):Chung Wei Tsou
論文名稱:腰部彎曲角度回饋剛性適應控制與肌力刺激之下背肌訓練模組開發與應用
論文名稱(外文):Development and Application of a Waist Angle Biofeedback Prosthesis with Stiffness Adaptive Control and Muscle Strength Stimulation
指導教授:李明義李明義引用關係
指導教授(外文):M. Y. Lee
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:醫療機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
論文頁數:94
中文關鍵詞:下背痛磁流變液剛性適應控制肌力刺激
外文關鍵詞:low back painMR fluidstiffness adaptive controlmuscle strength stimulation
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非特定下背痛(non-specific low back pain)的成因為病患腹、背部核心肌群(包括多裂肌、豎脊肌、腹橫肌、腹直肌和腹外斜肌)收縮無力或收縮時序不正確,以致失去穩定和保護脊椎的功能,嚴重時會導致病患脊椎退化。另外,下背痛會造成病患穩定脊椎肌群之動作控制機能發生障礙,此機能無法因下背痛症狀消失而恢復,且易導致病患下背痛復發,因此強化腹、背部核心肌群之肌力(muscle strength)/肌耐力(muscle endurance)復健訓練便成為改善病患下背痛及脊椎動作控制機能之重要關鍵。因此,本研究之目的係開發一套「腰部彎曲角度回饋剛性適應控制與肌力刺激之下背肌訓練模組」,並設計人機互動介面及模組化阻力式表現回饋(Knowledge of Performance, KP)和結果回饋(Knowledge of Result, KR)復健訓練處方程式,以期能透過病患腰部彎曲阻力設定、角度即時監測及視聽覺回饋機制,發揮閉迴路腰部彎曲動作控制訓練之功效。
本研究工作共分為三部份,第一部分為磁流變液剛性適應控制單元開發與測試;第二部份為腰部彎曲角度監測回饋、肌力刺激模組硬體開發與阻力式表現回饋/結果回饋訓練程式設計;第三部份為腰部彎曲角度監測回饋與肌力刺激模組的應用驗證;其中第一部份係利用Solidworks電腦輔助工具軟體設計磁流變液剛性適應控制單元,並製作電流控制模組以調控剛性適應控制單元之扭轉阻力,再藉由拉伸試驗機量測本研究所設計之磁流變液剛性適應控制單元於不同輸入電流下之阻力大小,並進行硬體功能性測試。第二部份之主要工作是設計製作一組可裝置第一部分所開發剛性適應控制單元之連桿機構,此機構是利用腰部彎曲角度感測、回饋,進而控制剛性適應控制單元之阻力,在特定腰部彎曲活動安全範圍內,發揮腹、背部核心肌群肌力訓練之功效;另外,本研究也使用市售之肌肉電刺激器依人體解剖學之適當位置固定成為一組穿戴式電刺激模組,作為受測者穿戴時肌力刺激之用。除此,本研究也使用LabVIEW工具軟體進行腰部角度擷取、人機互動介面及表現回饋/結果回饋復健訓練模組之程式設計;其中表現回饋復健訓練模組係指訓練期間內給予視覺回饋其復健之成效,讓受測者能得知即時之表現;而結果回饋復健訓練模組則是於訓練週期結束後才告知受測者訓練成效;在完成軟體程式開發後,本研究也進行了軟硬體整合及功能測試。第三部份為腰部彎曲角度回饋剛性適應控制與肌力刺激之下背肌訓練模組之應用驗證,本研究共徵召12位正常受測者(平均年齡為24.3±1.07歲,身高172±6.83公分,體重為74±8.2公斤),利用市售BioRadio 150 System肌電訊號分析儀器擷取受測者於穿戴本研究所開發之下背肌訓練模組,進行KP及KR復健訓練前後豎脊肌之肌電訊號,並進行訊號分析且計算肌電訊號中肌肉收縮時期的RMS與不收縮時期的RMS比值(即F/S ratio)。實驗結果發現受測者在訓練後,右豎脊肌之R/S ratio會由3.79±1.43降為2.9±1.45,左豎脊肌R/S ratio會由3.93±2.35降為2.78±1.52,經統計分析,受測者接受KP及KR復健訓練之實驗結果皆有顯著差異(P<0.05)。接著,本實驗也使用Zebris超音波三維動作分析系統量測受測者在雙手抱胸、雙眼緊閉並坐挺於椅子上,在接受預設之目標彎曲角度後,由其本體感覺自行彎曲腰部以嘗試達到預設之目標角度;實驗過程同步紀錄腰部彎曲角度與預設目標角度之平均誤差;實驗結果顯示經過每回合2分鐘、每天四回合、連續三天訓練後,受測者達到目標角度之平均誤差由2.29°±0.54°降為1.84°±0.56°,具統計上顯著差異(P<0.05)。
本研究已完成一套「腰部彎曲角度回饋剛性適應控制與肌力刺激之下背肌訓練模組」,該模組可提供下背痛病患腰部過度彎曲即時監測、電刺激腰部核心肌群強化與動作控制機能訓練之功能,可避免下背痛復發及提升脊椎動作控制能力之效果。

The patients with non-specific low-back pain, which results in losing function of stability and protection on spine, has weak or disorder contractility on core muscles or the worst degenerative spine. Additionally, the hindrances on motion control functions of stable spinal muscles may cause by low-back pain, and this sequela is incapable of fully recovering while the low-back pain is relieved. Besides, the recurrence of low-back pain is inevitable. However, the therapeutic training for muscle strength and endurance of abdominal or back core muscles is a clinical training protocol for relieving the pain and improving the motion control functions. The goal of this study is to develop a waist angle biofeedback prosthesis with stiffness adaptive control and muscle electrical stimulation, and to design a training interface with knowledge of performance (KP) and knowledge of result (KR) for interactive prescription modalities. The other goal of this study is to utilize the waist angle biofeedback prosthesis and KP/KR training protocol for experimental evidence in system functions that are angle monitoring, visual/audio biofeedback and close-loop adaptive bending control effects.
There are three parts in this study. In the first part, Solidworks was used to design the stiffness adaptive control unit with magnetorheological fluid (MR fluid) and to establish the electric current control unit for real-time adjusting the twisting resistance. The correlations between resistances and electric currents of stiffness adaptive control unit were evaluated by material testing machine (MTS).
The second part was to manufacture a linkage of stiffness adaptive control unit which was derived from first part, and to create a wearable electrical stimulator, which has advantage of fitting position of anatomy. In addition, LabVIEW was used in this study for acquiring the waist angle, interactive interface, and KP/KR training protocol. KP training protocol is defined as subject’s real-time perceiving effect by visual feedback during the training; KR training protocol is defined as subject’s end-trial perceiving effect by final scores.
In the third part, 12 subjects, are age of 24.3±1.07 years, height of 172±6.8 cm, and weight 74±8.2 kg, were recruited in this study. Each participant carried on KP and KR training protocols by wearing waist angle biofeedback prosthesis developed in this study. The erector spinae EMG F/S ratio calculated by RMS were used to analyze the training effects. The result indicated that, after training, the R/S ratio of right erector spinae declined from 3.79±1.43 to 2.9±1.45, and 3.93±2.3 to 2.78±1.52 on the left, respectively. Through statistic analysis, the results had significant decreased (p < 0.05) after KP and KR training protocol. Then, Zebris system was also used to measure expected target angle of voluntarily curving waist. The result illustrates the mean error decreases from 2.29°±0.54°to 1.84°±0.56° after 3-day training (2 min/time, 4 time/day). The statistic had significant decreased (p < 0.05).
In this study, a training module of waist angle biofeedback prosthesis with stiffness adaptive control and muscle strength stimulation was developed, which can provide the advantages for patients who suffer from low-back pain with instant monitoring the over-bended waist, strengthening waist core muscles by electrical stimulation and controlling the action functions. In conclusion, this module generates the effects to avoid the recurrence of low-back pain and boost the ability to control spinal actions.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定授權書
長庚大學授權書 iii
致謝 iv
中文摘要 v
Abstract viii
目錄 x
圖目錄 xiii
表目錄 xvi
第一章 研究背景、動機及目的 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機 2
1.3研究目的 2
1.4論文架構 3
第二章 研究文獻回顧 4
2.1下背痛 4
2.1.1下背痛流行病學 4
2.1.2下背痛的病理變化 5
2.1.3下背痛病患軀幹角度配對誤差的變化 6
2.1.4下背痛的評估方法 9
2.2腰部護具 10
2.2.1功能性腰部護具 10
2.2.2腰部護具相關專利 13
2.3剛性調控 15
2.3.1電流變液 15
2.3.2磁流變液 16
2.4肌力刺激 18
2.4.1運動治療 18
2.4.2 功能性電刺激 21
2.5文獻總結 22
第三章 磁流變液剛性適應控制單元開發與測試 23
3.1 剛性適應控制單元設計 23
3.2 剛性調控實驗建置 28
3.3 磁流變液剛性調控實驗 29
3.4 旋轉剛性實驗分析 30
第四章 腰部彎曲角度監測回饋、肌力刺激模組硬體開發與復健訓練程式設計 31
4.1 下背肌機構訓練本體與電刺激設計 31
4.2 彎曲角度回饋程式設計 37
4.3 阻力式表現回饋與結果回饋訓練程式設計 38
4.4 軟硬體整合與功能測試 42
第五章 下背肌訓練模組應用驗證 46
5.1 應用實驗設計 46
5.2 應用實驗執行 48
5.3 實驗結果統計分析 51
第六章 結果與討論 53
6.1磁流變液剛性適應控制單元開發與測試 53
6.2腰部彎曲角度回饋與肌力刺激之下背肌訓練模組開發 55
6.3下背肌訓練應用實驗 57
6.3.1腰部彎曲角度剛性回饋控制訓練 57
6.3.2肌力刺激訓練 58
6.3.3表現回饋/結果回饋復健訓練 59
第七章 未來研究方向 63
參考文獻 64
附錄 一 內部元件設計圖 71
附錄 二 外部元件設計圖 72
附錄 三 國內研討會論文文稿 73

圖目錄
圖2. 1 下背痛穴位黏扣式護具成品示意圖-正面 10
圖2. 2 下背痛穴位黏扣式護具成品示意圖-反面 10
圖2. 3 下背痛患者穿戴護具之示意圖-背面 11
圖2. 4 改善設計腰背帶模型說明圖 12
圖2. 5 運動型背部支撐裝置 13
圖2. 6 具有凸出表面作為肌肉之背部支撐板 14
圖2. 7 膝關節矯正復健設備概念圖 15
圖2. 8 設備測試圖 16
圖2. 9 無磁場作用下的磁流變液 17
圖2. 10 磁場作用下的磁流變液 17
圖3. 1靜態力學分析圖 23
圖3. 2 磁阻式剎車盤的內部概念圖 24
圖3. 3 軸心設計圖 25
圖3. 4 軸心組合圖 25
圖3. 5 利用SolidWorks所繪製之磁流變液剛性適應控制單元組合圖 26
圖3. 6利用SolidWorks所繪製之磁流變液剛性適應控制單元爆炸圖 26
圖3. 7 利用SolidWorks進行磁流變液剛性適應控制單元干涉分析 27
圖3. 8 拉伸試驗機 28
圖3. 9 電流控制器 29
圖3. 10 訊號擷取卡 29
圖3. 11 剛性調控實驗流程圖 30
圖3. 12 扭矩示意圖 30
圖4. 1 可變電阻實驗配置圖 31
圖4. 2 目標角度與電壓之關係圖 32
圖4. 3 外蓋位置 32
圖4. 4 固定可變電阻之示意圖 33
圖4. 5 可變電阻之位置 33
圖4. 6 系統架構設計圖 34
圖4. 7 下背肌機構完成圖 34
圖4. 8 肌肉電刺激治療器 35
圖4. 9 電極貼片位置圖 36
圖4. 10 電刺激治療模組 36
圖4. 11 具電刺激治療之下背肌訓練機構完成圖 36
圖4. 12 程式架構圖 37
圖4. 13 使用者基本資料輸入介面 38
圖4. 14 電刺激治療模組介面 39
圖4. 15 動作控制訓練模組介面 40
圖4. 16 表現回饋介面 40
圖4. 17 結果回饋介面 41
圖4. 18 角度判斷與得分條件關係圖 41
圖4. 19 Zebris Triplet Lumbar 模組圖 42
圖4. 20 下背肌訓練機構與Zebris Triplet Lumbar 模組相對位置圖 43
圖4. 21 Zebris 超音波三維動作量測分析系統 43
圖4. 22 軟硬體整合與功能測試實驗圖 44
圖4. 23 Zebris系統之WinSpine介面圖 44
圖4. 24 軟硬體整合與功能測試流程圖 44
圖4. 25 剛性適應控制單元與彎曲角度解說圖 45
圖5. 1 肌電訊號分析儀器 47
圖5. 2 實驗流程圖 48
圖5. 3 豎脊肌觸診之概要圖 49
圖5. 4 電極貼面與豎脊肌位置 49
圖5. 5 俯臥躬身之動作圖 49
圖5. 6 Zebris Triplet Lumbar 模組 50
圖5. 7 本體感覺測試 50
圖5. 8 表現回饋與結果回饋訓練之實驗進行圖 51
圖5. 9 F/S ratio定義圖 52
圖6. 1 各磁流變液單元於不同電流下之最大扭矩關係圖 54
圖6. 2 可變電阻角度值與Zebris角度值之關係圖 56
圖6. 3 目標角度平均誤差比較圖 57
圖6. 4 阻力強度訓練右豎脊肌F/S ratio比較圖 58
圖6. 5 阻力強度訓練左豎脊肌F/S ratio比較圖 59
圖6. 6 訓練天數與得分百分比之關係圖 61
圖6. 7 各動作控制測試之得分百分比圖 62

表目錄
表2. 1 磁流變液與電流變液性能比較表 18
表3. 1 各元件所需之數量表 27
表4. 1 肌肉電刺激治療器之規格 35
表5. 1 訓練組別分類 47
表5. 2 拉丁方格分散訓練組別 47
表6. 1 各個電流與剛性適應控制單元之最大扭力值 55
表6. 2 目標角度平均誤差表 57
表6. 3 阻力強度訓練之豎脊肌F/S ratio表 58
表6. 4 各動作控制測試之得分百分比表 61
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