指導教授：呂東武臺灣大學：醫學工程學研究所簡碩辰Jian, Shuo-ChenShuo-ChenJian2014-11-302018-06-292014-11-302018-06-292014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/264446踝關節在人體的日常動作中扮演了相當重要的腳色，常常需要承受人體大部分的重量，如行走或是跑步時。在大部分的下肢運動傷害中，踝關節扭傷是最常見的運動傷害，關節受傷後若沒有進行適當的治療，很容易會造成二次扭傷;根據研究顯示，超過73%的運動員都有過踝關節二次扭傷的問題。踝關節的扭傷位置大部分都發生在外側韌帶，韌帶損傷除了造成疼痛之外，更間接破壞了原本關節之間各組織的平衡狀態，長期處於不穩定狀態下，便容易導致關節炎的發生。 本研究將以踝關節做為研究對象，試著了解在受拉伸試驗下前距腓韌帶對踝關節軟骨面的交互作用。本次實驗結合了三維全域變形及應變量測系統、機械手臂關節測試系統以及影像處理，以獲得足夠的生物力學資訊。實驗會先進行踝關節的拉伸試驗，包含了前拉測試和距骨傾斜測試，過程中利用高畫素相機進行同步的動態拍攝，拉伸試驗後剪斷前距腓韌帶重複上敘實驗，以觀察韌帶斷裂後造成的影響。最後利用數位影像相關法進行軟骨面的三圍模型重建，接著與電腦斷層掃描出的骨頭模型進行對位可獲完整包含軟骨的骨頭模型，而在動態過程中脛骨端與距骨端軟骨中交錯的區域及代表軟骨受到壓縮變形，進而推算出其關節軟骨於動態過程中之變形分布。 研究的結果發現當前距腓韌帶斷裂後，在前拉以及內翻的動作時關節軟骨的接觸面積會減少，平均的變形量會增加，特別是在蹠屈的時候最明顯。而變形量過大長期下來容易造成軟骨面過度的磨損，衍生出關節炎的問題。另外軟骨接觸面積過小時，代表此時的力量都是由鄰近的關節所承擔，容易使這些組織承受過大的力量而提高受傷的風險以及衍生出新的關節炎。The ankle joint plays a very important role in the control of the body motion while sustaining several times of the body weight during various of daily activities, such us walking and running. Among the sport injuries of the lower extremities, ankle sprain is the most frequent injury. Without suitable treatment, the injured ankle may suffer from recurrent sprain. An epidemiological study showed that as much as 73 % of athletes had the problem of recurrent ankle sprain. Lateral ligament injuries of the ankle joint had been found to alter the normal kinematic patterns of the joint. Abnormal kinematics of the ankle joint may contribute to the lesion of the articular cartilage. The main target of the study is to measure the deformation of articular surface and the mechanical interaction between ligament and articular surface under external loads. The study combined the digital image correlation system (DIC), biomedical image process, and robotic-based joint testing system (RJTS). There will also cut the Anterior Talofibular Ligaments (ATFL) to observe the influence of the ATFL in deformation of articular surface. First, we used RJTS to control joint motion by anterior drawer test and talar tilt test in different flexion angles ankle specimen. After draw test, orthopedist will remove ligaments and expose the articular surface and then Coating random speckle on the articular surface. The photo can be reconstructed to the three-dimensional surface by DIC system. The dynamic bone surface data will combine with articular surface data. The thickness of the articular surface can be revealed by the difference between CT model and the articular surface data, and the deformation of the articular surface in dynamic equals to the interlaced parts. Finally, we can research the mechanical interaction between ligaments and articular surface under external loads to get more biomechanical information. The results suggested that the contact area of the ankle cartilage was getting smaller in anterior drawer test and varus test after ATFL cutting. The average deformation of ankle cartilage was getting larger in anterior drawer test after ATFL cutting. Too much deformation and the small contact area will increase the risk of injury and also resulting in excessive wear of the articular surface of adjacent joint and deriving arthritis.目錄 誌謝 I 摘要 II ABSTRACT III 目錄 V 圖表目錄 VIII 第一章 緒論 1 第一節 研究動機 1 第二節 踝關節之功能解剖構造 2 一、 骨骼系統 2 二、 韌帶系統 5 三、 肌肉組織 7 四、 踝關節內翻性扭傷與關節炎的發生 7 第三節 關節生物力學量測方法 8 一、 活體研究 9 二、 試體研究 11 三、 機械手臂關節測試系統 13 四、數位影像相關法 14 五、研究目的 17 第二章 材料與方法 18 第一節 試體 18 第二節 硬體 19 一、 機械手臂系統（RV-20A, Mitsubishi Electric Corporation, Japan） 19 二、 三維全域變形及應變量測系統（Vic3D, Correlation Solutions Inc., SC, US） 23 第三節 軟體 24 第四節 實驗方法與理論 28 一、 座標系統定義 28 二、 機械手臂控制 31 三、 距骨動態移動過程與軟骨變形量測 33 第五節 實驗流程 37 第三章 研究結果 40 第一節 關節軟骨重建 40 第二節 距骨活動範圍 43 第三節 關節軟骨變形 47 第四節 前拉測試 52 第五節 距骨傾斜測試 54 第四章 討論 57 第一節 軟骨面重建 57 第二節 前距腓韌帶斷裂對距骨移動的影響 58 第三節 前距腓韌帶斷裂對踝關節軟骨面的影響 59 第四節 誤差來源 61 第五章 總結 62 第一節 結論 62 第二節 未來展望 63 參考資料 64 圖表目錄 圖 一 1　踝關節解剖構造圖[5] 2 圖 一 2　繞著 3 個解剖平面主軸的足部運動[6] 3 圖 一 3　踝關節旋轉軸[7] 4 圖 一 4　踝關節各解剖平面之足部運動：背屈與蹠屈、外展與內收[8] 4 圖 一 5　踝關節三解剖平面運動。A：旋前；B：旋後[6] 5 圖 一 6　踝關節內韌帶詳細解剖構造圖 6 圖 一 7前拉測試以及距骨傾斜測試 9 圖 一 8　六軸關節穩定度測試儀器[16] 10 圖 一 9　結合核磁共振影像與三為動態X光得到軟骨動態資訊 [16] 11 圖 一 10　踝關節的鬆弛度表示 [16] 11 圖 一 11　六軸關節穩定度測試儀器 [20] 12 圖 一 12　機械手臂系統結合紅外線動作捕捉系統[21] 14 圖 一 13　以數位影像相關法量測肝組織在重力下的變形[22] 15 圖 一 14　數位影像相關法藉由追蹤區塊計算出區塊中心的移動資訊 16 圖 一 15　兩台以上相機經由相機校正後，建立待測物之空間座標 16 圖 二 1 前距腓韌帶(ANTERIOR TALOFIBULAR LIGAMENT) 18 圖 二 2 機械手臂測試系統架設示意圖 19 圖 二 3 機械手臂系統 20 圖 二 4 六軸力規 21 圖 二 5 跟骨端與脛骨端夾具 22 圖 二 6 指點器定義骨頭突起的空間位置 22 圖 二 7 相機校正板 24 圖 二 8 關節測試系統之控制介面 25 圖 二 9 VIC-3D 操作畫面 26 圖 二 10 於醫學影像處理軟體上圈選骨頭範圍 26 圖 二 11 於模型處理軟體內進行模型後處理 27 圖 二 12 模型註冊比對軟體 SCANALYZE 28 圖 二 13 踝關節各座標系統定義 30 圖 二 14 混合式加力量控制方法流程圖 32 圖 二 15 軟骨應變分析流程圖 36 圖 二 16 實驗儀器架設與座標系統示意圖 38 圖 二 17 佈上黑色粉末之踝關節試體前拍照，圖中包含了距骨與脛骨。 38 圖 二 18 佈上黑色粉末之踝關節試體後拍照，圖中包含了跟骨與脛骨。 39 圖 三 1　利用三維全域變形及應變量測系統重建部分軟骨表面模型 40 圖 三 2　最佳化對位不同面向之軟骨表面模型 41 圖 三 3　重建出之完整距骨端踝關節軟骨模型 41 圖 三 4　距骨端軟骨關節軟骨與硬骨結合圖。 42 圖 三 5　脛骨端關節軟骨與硬骨結合圖。 42 圖 三 6 　踝關節軟骨厚度分布及平均厚度值 43 圖 三 7　中性位置下的前拉測試中，踝關節剪斷韌帶前後之距骨六個軸向的位移圖，橫軸前50%為前拉的過程，後50%為後拉的過程． 43 圖 三 8 中性位置下的距骨傾斜測試中，踝關節剪斷前韌帶前後之距骨六個軸向的位移圖，橫軸前50%為外翻的過程，後50%為內翻的過程． 45 圖 三 9　踝關節前拉測試下軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為前拉方向受力，D為前拉方向距骨移動量，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 48 圖 三 10　剪斷韌帶後踝關節前拉測試下軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為前拉方向受力，D為前拉方向距骨移動量，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 48 圖 三 11　踝關節後拉測試下軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為前拉方向受力，D為後拉方向距骨移動量，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 49 圖 三 12　剪斷韌帶後踝關節後拉測試下軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為前拉方向受力，D為後拉方向距骨移動量，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 49 圖 三 13　踝關節距骨傾斜測試下外翻之軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為外翻方向受力，D為外翻方向距骨移動角度，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 50 圖 三 14　剪斷韌帶後踝關節距骨傾斜測試下外翻之軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為外翻方向受力，D為外翻方向距骨移動角度，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 50 圖 三 15 踝關節距骨傾斜測試下內翻之軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為內翻方向受力，D為內翻方向距骨移動角度，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 51 圖 三 16 剪斷韌帶後踝關節距骨傾斜測試下內翻之軟骨變形圖，上方為距股端軟骨，下方為脛骨端軟骨．F為內翻方向受力，D為內翻方向距骨移動角度，A/P為前後方向(ANTERIOR/POSTERIOR)，ML為內外側方向(LATERAL/MEDIAL)． 51 圖 三 17各角度下前拉測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之最大接觸面積，單位為總軟骨面積百分比，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 52 圖 三 18各角度下前拉測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之平均變形量，單位為毫米，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 53 圖 三 19各角度下後拉測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之最大接觸面積，單位為總軟骨面積百分比，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 53 圖 三 20各角度下前拉測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之平均變形量，單位為毫米，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 54 圖 三 21各角度下,外翻測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之最大接觸面積，單位為總軟骨面積百分比，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 55 圖 三 22各角度下, 外翻測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之平均變形量，單位為毫米，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 55 圖 三 23各角度下,內翻測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之最大接觸面積，單位為總軟骨面積百分比，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 56 圖 三 24各角度下,內翻測試之關節軟骨在剪斷前距腓韌帶前後之平均變形量，單位為毫米，D為蹠屈(DORSIFLEXION)，Ｐ為背屈(PLANTARFLEXION)． 56 表 一 1外側三條主要韌帶 6 表 二 1六軸力規訂製規格 20 表 三 1未剪斷韌帶前的各角度前拉測試中，距骨在前後方向最大位移量(MM) 46 表 三 2剪斷韌帶後的各角度前拉測試中，距骨在前後方向最大位移量(MM) 46 表 三 3未剪斷韌帶前的各角度距骨傾斜測試中，距骨在內外翻方向最大位移角度(DEG) 46 表 三 4剪斷韌帶後的各角度距骨傾斜測試中，距骨在內外翻方向最大位移角度(DEG) 474069452 bytesapplication/pdf論文公開時間：2024/10/12論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋學校)踝關節機械手臂關節測試系統數位影像相關法前距腓韌帶thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/264446/1/ntu-103-R01548020-1.pdf