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研究生:林琮淇
研究生(外文):Tsung-Chi Lin
論文名稱:正常年輕人在自行車運動中膝關節韌帶之三維有限元素分析
論文名稱(外文):Three-Dimensional Finite Element Analysis of the Knee Ligaments During Cycling in Normal Young Subjects
指導教授:呂東武呂東武引用關係
指導教授(外文):Tung-Wu Lu
口試委員:楊世偉陳文斌
口試委員(外文):Sai-Wei YangWeng-Pin Chen
口試日期:2014-07-28
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:醫學工程學研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:有限元素法自行車運動活體膝關節韌帶受力
外文關鍵詞:finite element methodcyclingin vivo knee ligaments force
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隨著環保意識的興起以及為了達到節能減碳的目的,自行車的使用率日亦漸增。膝關節相對髖與踝關節在自行車運動過程中,擁有較大的活動度,因此有很高的比例為膝關節的過度使用所苦。在膝關節運動中,由肌肉、韌帶及軟組織等精確的控制,改變關節角度來達到我們所希望達成的動作。其中膝關節的韌帶在運動過程中扮演維持膝關節穩定性及傳遞股骨和脛骨間相對運動學資訊的重要角色。而自行車更廣泛應用於下肢傷害的復健,特別是膝關節十字韌帶損傷患者,在膝關節缺少十字韌帶的情況下,膝關節的穩定性會受到影響。
有鑑於機械工程的理論基礎以及電腦的快速發展,許多研究皆利用有限元素分析的方法來得到非侵入式量測下之三維膝關節韌帶力學資訊。有限元素分析流程式由三大部分所構成,包含幾何模型的建立、材料參數的給定以及邊界條件的變化。骨頭以及韌帶的幾何模型是透過電腦斷層掃描以及核磁共振造影建立,韌帶材料參數由KT-2000膝關節量測儀器取得,邊界條件即是骨頭間相對的運動學變化,是由動態X光掃描後使用影像處理比對的技術得到。因此本研究將以上由本實驗室驗證過的有限元素分析流程,運用在活體實驗上,探討正常年輕人在自行車運動中膝關節韌帶之受力情形以及應力分布。由這套跨領域的方法,將這些詳細的資訊應用在臨床上,在治療、復建以及預防都有非常大的幫助。
本研究結果顯示出,在自行車運動過程中,後十字韌帶為主要承受力量及應力之韌帶,且在踩踏前半圈受力遞減;後半圈則呈現遞增的現象。而阻力的高低對於韌帶受力、最大主應力及應力分布沒有太大影響。由復健的角度來看,不建議後十字韌帶損傷患者使用自行車運動來當作復健流程。


With the growing awareness of environmental protection, the popularity of cycling also grows. The knee ligaments plays an important role not only about joint stability but also transmit the relative kinematics information between the femur and the tibia. Exercises with cycles widely applied to the rehabilitation of the lower extremities especially in patients with cruciate ligament injuries.
Finite element analysis procedure consists of the geometry model reconstruction, using computer tomography for bone and magnetic resonance imaging scan for ligaments information, the ligament material properties definition, using the KT-2000 knee ligament arthrometer, the boundary condition variation, using fluoroscopy and computer models image registration. The objective of this study was to analysis the stress distribution and the force of the in vivo knee ligaments in normal young subjects using validated finite element analysis procedure. It will be helpful to use in the treatment, rehabilitation and prevention.
The finite element analysis showed that PCL was mainly stretched and stressed during cycling and there were no effect on ligaments force, stress distribution under unloaded and loaded. Bicycling will not appropriate for PCL injury patients.


目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
第一節 研究背景 1
第二節 膝關節之功能解剖構造 4
第三節 膝關節之運動學 6
第四節 膝關節韌帶之組成與力學性質 8
第五節 膝關節韌帶損傷與復健 11
第六節 文獻回顧 13
膝關節運動學之量測 13
膝關節韌帶受力情形 16
膝關節韌帶數學模型理論 21
膝關節之自行車運動 27
第七節 研究目的 32
第二章 實驗材料及流程 34
第一節 試體膝關節驗證實驗 34
實驗對象與儀器設備 35
實驗流程 37
試體驗證流程 39
第二節 活體膝關節自行車運動實驗 41
實驗對象與儀器設備 41
活體膝關節穩定度測試實驗 45
活體膝關節三維運動學資訊比對流程 46
第三章 韌帶模型有限元素分析 48
第一節 分析流程 48
第二節 三維膝關節幾何模型 51
第三節 韌帶材料特性 57
第四節 骨頭邊界條件 61
第四章 研究結果 62
第一節 活體膝關節穩定度測試結果 62
第二節 自行車運動過程中有限元素分析結果 68
第五章 討論 78
第一節 活體膝關節穩定度測試 78
第二節 自行車運動過程中韌帶受力情形 80
第三節 自行車運動過程中韌帶應力分布 83
第六章 總結 85
第一節 結論 85
第二節 誤差來源及未來展望 86
參考文獻 87

圖目錄
圖 1 1、右膝關節解剖構造前視圖,左為試體,右為示意圖。 4
圖 1 2、前十字韌帶於股骨和脛骨附著位置。 5
圖 1 3、後十字韌帶於股骨和脛骨附著位置。 5
圖 1 4、(A)人體三個解剖平面(B)膝關節對應解剖平面肢運動。 6
圖 1 5、股骨相對於脛骨的滾動及滑動。 7
圖 1 6、韌帶平行纖維束。 8
圖 1 7、韌帶伸長與受力關係圖。 8
圖 1 8、膠原纖絲結構示意圖。 9
圖 1 9、韌帶組成示意圖。 9
圖 1 10、不同受力下之韌帶微觀結構,(A)放鬆時纖維鬆弛排列較散亂,(B)受到拉力時纖維緊繃排列較整齊。 10
圖 1 11、韌帶受力及伸長量關係圖。 10
圖 1 12、半月板撕裂示意圖。 11
圖 1 13、前十字韌帶斷裂示意圖。 11
圖 1 14、側副韌帶斷裂示意圖。 12
圖 1 15、膝關節之自行車復健,(A)最高點及(B)最低點時之膝關節彎曲角度。 12
圖 1 16、以骨釘直接固定於股骨和脛骨再伸出體外,並將標記固定於骨釘上之示意圖。 15
圖 1 17、單平面影像比對技術求得膝關節運動學資訊。 16
圖 1 18、利用感測器量測膝關節受力。 18
圖 1 19、利用機械手臂系統來量測膝關節力量與力矩。 18
圖 1 20、植入式應變感測器量測活體韌帶之應變。 19
圖 1 21、量測骨頭內力的輔具裝置。(LU ET AL., 1997) 20
圖 1 22、標準步態分析實驗室之動作分析系統。(LU ET AL., 1997) 21
圖 1 23、一維彈簧模擬韌帶膝關節模型。 22
圖 1 24、考慮軟骨在膝關節運動之影響。 23
圖 1 25、矢狀平面膝關節韌帶鬆弛情形。 24
圖 1 26、三維膝關節韌帶模型,(A)前視圖(B)後視圖。 24
圖 1 27、前十字韌帶分成前內側韌帶束及後外側韌帶束。 25
圖 1 28、比較不同的韌帶材料定義(ISOTROPIC &; TRANSVERSELY ISOTROPIC)在各膝關節被動彎曲角度下之受力。 26
圖 1 29、可量測踩踏過程中六軸分量之踏板。 28
圖 1 30、改良前人之可量測運動過程中力學變化之踏板。 28
圖 1 31、BOYD改良後之踏板與前人研究結果比較。 29
圖 1 32、下肢自行車運動過程動作分析模型。 29
圖 1 33、植入感測器及座標系統定義示意圖。 30
圖 1 34、(A)自行車運動過程中膝關節之受力,包含兩個高峰對應到膝關節(B)第一個位置及(C)第二個位置。 30
圖 1 35、侵入式量測韌帶應變示意圖。 31
圖 1 36、功能性動作之前十字韌帶最大應變值比較。 31
圖 2 1、工業機械手臂為基礎之膝關節拉伸測試系統。 34
圖 2 2、圈選幾何模型。 35
圖 2 3、幾何重建及平滑。 36
圖 2 4、膝關節試體。 36
圖 2 5、機械手臂系統。 37
圖 2 6、將試體以塑鋼土固定於夾具上。 38
圖 2 7、以指點器定義試體骨頭的局部座標系統。 38
圖 2 8、有限元素分析流程驗證程序。 40
圖 2 9、電腦斷層掃描系統。 42
圖 2 10、核磁共振造影系統。 42
圖 2 11、圈選幾何模型。 43
圖 2 12、幾何重建及平滑。 43
圖 2 13、動態X光系統。 44
圖 2 14、膝關節穩定器。 44
圖 2 15、 膝關節穩定度量測實驗。 45
圖 2 16、三維膝關節運動資訊取得流程。 47
圖 3 1、活體膝關節在自行車運動過程中之有限元素分析流程圖。 50
圖 3 2、醫學影像骨頭輪廓圈選及推疊。 51
圖 3 3、原始模型經表面平滑化及減點處理。 52
圖 3 4、模型實體化。 52
圖 3 5、膝關節有限元素模型。 53
圖 3 6、核磁共振造影重建之膝關節模型。 54
圖 3 7、韌帶在CT模型上之附著位置及面積。 54
圖 3 8、由已知附著位置及面積建構韌帶有限元素模型。 55
圖 3 9、三維膝關節有限元素模型。 56
圖 3 10、韌帶受壓模擬及其受力與變形量關係圖。 58
圖 3 11、韌帶受拉模擬及其受力與變形量關係圖。 58
圖 3 12、模擬與實驗結果得到活體韌帶材料參數。 60
圖 3 13、模擬之動作與動態X光對應圖,由(A)至(F)組成一組完整循環。 61
圖 4 1、第一位受試者(S01)膝關節穩定度測試與有限元素分析之力與位移圖。 63
圖 4 2、第三位受試者(S12)膝關節穩定度測試與有限元素分析之力與位移圖。 63
圖 4 3、第二位受試者(S06)膝關節穩定度測試與有限元素分析之力與位移圖。 63
圖 4 4、S01的前十字韌帶及內側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 65
圖 4 5、S01的後十字韌帶及外側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 65
圖 4 6、S06的前十字韌帶及內側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 66
圖 4 7、S06的後十字韌帶及外側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 66
圖 4 8、S12的前十字韌帶及內側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 67
圖 4 9、S12的後十字韌帶及外側副韌帶與總共韌帶相對於脛骨之作用力。 67
圖 4 10、曲柄角度定義最高點為0度、前端為90度、最低點為180度而後端為270度。 68
圖 4 11、第一位受試者(S01)在不同阻力下曲柄與膝關節角度對照。 69
圖 4 12、第二位受試者(S06)在不同阻力下曲柄與膝關節角度對照。 69
圖 4 13、第三位受試者(S12)在不同阻力下曲柄與膝關節角度對照。 69
圖 4 14、三位受試者在高低阻力下四條韌帶對股骨作用力的平均值。 70
圖 4 15、三位受試者在高低阻力下ACL對股骨作用力的平均值。 71
圖 4 16、三位受試者在高低阻力下PCL對股骨作用力的平均值。 71
圖 4 17、三位受試者在高低阻力下MCL對股骨作用力的平均值。 72
圖 4 18、三位受試者在高低阻力下LCL對股骨作用力的平均值。 72
圖 4 19、第二位受試者在不同阻力下各韌帶受力。 73
圖 4 20、第二位受試者在低阻力下韌帶應力分布圖。 74
圖 4 21、第二位受試者在高阻力下韌帶應力分布圖。 74
圖 4 22、第二位受試者在低阻力下前十字韌帶應力分布圖。 75
圖 4 23、第二位受試者在高阻力下前十字韌帶應力分布圖。 75
圖 4 24、第二位受試者在低阻力下後十字韌帶應力分布圖。 75
圖 4 25、第二位受試者在高阻力下後十字韌帶應力分布圖。 75
圖 4 26、第二位受試者在低阻力下內側副韌帶應力分布圖。 76
圖 4 27、第二位受試者在高阻力下內側副韌帶應力分布圖。 76
圖 4 28、第二位受試者在低阻力下外側副韌帶應力分布圖。 76
圖 4 29、第二位受試者高在阻力下外側副韌帶應力分布圖。 76
圖 5 1、第二位受試者在前後拉過程中,PCL及LCL受力情形。 79
圖 5 2、第二位受試者在前後拉過程中,ACL及MCL受力情形。 79
圖 5 3、踩踏過程中之股骨及脛骨受力。 80
圖 5 4、第二位受試者高低阻力下前後十字韌帶長度變化。 81
圖 5 5、第二位受試者高低阻力下前後十字韌帶受力。 81
圖 5 6、受試者在高低阻力下股骨相對脛骨之內外翻情形。 82
圖 5 7、第二位受試者後十字韌帶之後內束為最大應力發生處。 83

表目錄
表 3 1、骨頭及各韌帶元素數量。 56
表 3 2、客製化正常人膝關節韌帶材料參數。 60
表 4 1、膝關節穩定度實驗與有限元素分析結果。 63
表 4 2、個人化膝關節韌帶材料參數。 64
表 4 3、三位受試者在踩踏過程中最大受力(N)及發生位置。 70
表 4 4、三位受試者在踩踏過程中各韌帶最大受力值(N)。 73
表 4 5、三位受試者在踩踏過程中,各韌帶最大主應力值(MPA)。 77
表 4 6、三位受試者在踩踏過程中,各韌帶最大主應力處。 77
表 4 7、三位受試者在踩踏過程中,最大主應力處對應曲柄及膝關節角度。 77



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