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2009/03/28

義肢新趨勢



本文作者前台灣義肢裝具學會理事長林銘川醫師
 

第二次世界大戰以前,膝上截肢義肢的套筒約為塞入型((plug-fit),二次世界大戰後,則逐漸被四邊形(quadrilateral)套筒所取代,然而近十年來,又出現革新型奔筒,起初是百家爭嗚如 NSNACAT-CAMNarrowed M-L等,目前已由國際義肢裝具協會(ISPO)召開專題討論後,統一命名為包坐骨式套筒(Ischial Ramus Containment socket, IRC)。包坐骨式套筒的意義乃是,將大部份的坐骨包進套筒裡,以增強內外向的穩定(mediolateral stability),而減少不正常步態的發生。它的特徵如下:(l)坐骨結節與骨支(ischial tuberosity & ramus)被包進套筒內,故內側壁與外側壁都比四邊形套筒相對地增高;(2)外側壁緊貼著股骨,故套筒的內外徑變窄而前後徑變寬;(3)套筒的四個轉角都變得十分圓滑,儘量符合肌肉的曲線,故近端截面的形狀顯得很自然而美觀;(4)嚴格要求套筒的內縮角度(adduction), 使其有利於股外展肌的收縮,並儘量限制股骨的外展趨勢;(5)設置套筒淤屈曲位置(initial flexion); (6)套筒與殘肢要完全接觸,以增加承近壓面積,減少殘肢水腫,並增加其本體感覺。膝上截肢義肢套筒的旋轉支點(fulcrum),一般是位於坐骨結節的接觸點附近,比較四邊形套筒與包坐骨式套筒的坐骨結節位置,可知後者的旋轉支點比前者更靠近內側,亦即更接近地面反作用力線,故在步態週期的站立中期(midstance phase),後者所受的內翻力距(varus moment)較小,換官之,包坐骨式套筒因外力而旋轉的趨勢降低。其次,包坐骨式套筒的最大特色,就是將大部份坐骨包進套筒內,以達到所謂的坐骨鎖定(ischial bony lock)效應,因為坐骨一旦被鎖定,好像形成一道牆,使套筒得以拮抗因內翻力距而旋轉的趨勢,同時也阻止了骨盆傾向健側的趨勢,故此設計在冠狀面的穩定性(M-L stabilty) 頗佳。此外,坐骨窩的設計使坐骨與套筒的接觸面積大增,局部壓力減少,病人倍感舒適,且套筒在矢狀面的穩定性(A-P stability)亦增加。作者認為包坐骨式套筒乃是融合過去兩種套筒的優點,再加上特殊的坐骨鎖定設計而成的,既美討又舒適,且有頗佳的前後及內外向之穩定性,以充分發揮其應有的功能,故包坐骨式套筒應是一個值得提倡的新設計。








身為義肢工業的領導者,College Park Industries 公司提供最符合解剖結構的足部義肢。過去十幾年來,我們公司以生醫機器 (Biomechanical) 的設計原則模擬人類足部,並研究整合高科技的複合材料,以期提升義肢的功能與耐用性

在近幾年來,College Park Industries 公司的研發部門,已從「對人體行動產生反應」的動態機器產品,轉而為「智慧型」的嵌入式微電子系統。微電子系統可做為獨立的監控裝置,或可整合至「仿生物 (Bionic)」的義足與腳踝系統。 

產業趨勢與難題
義肢工業的難題之一,即是要符合截肢者的功能需求,亦要能提高義肢矯型師 (Prosthetist) 的效率。義肢矯型師必須負責指定、製作,並調整最後符合各截肢者所用的義肢。而矯型師的服務報酬,又來自於私立或公立的保險機構。保險業越來越朝向「證據」為基礎的業務方向,也就是說保險業者均要求整合科學研究與醫療診斷,以確定義肢相關法規與後續的理賠事宜

但目前此種「證據」為主的保險理賠法尚未普及,主要理由應該是目前有能力為截肢者執行生醫機器測試的步伐分析實驗室,在全球不過僅有數百家而已。這些動輒數百萬美金的設備,往往均安裝於大學之中;如西北大學 (Northwestern University) 的義肢研究實驗室與復健工程研究計畫 (Prosthetics Research Laboratory and Rehabilitation Engineering Research Program)。更進一步來說,此種步伐分析作業十分昂貴,又由於這些實驗室分佈的極為分散,,因此一般義肢使用者更特別難以隻身前往這些地方

College Park Industries 公司的設計難題,即在於要提供可攜式的裝置;除了要能具備實驗室所需的資料擷取功能之外,更要能讓截肢者能穿戴著進行日常活動,以了解是否能夠適應所使用的義肢。由於「iPecs」裝置的重量與體積,不會對配戴者造成突兀的感覺,也因此可降低對測試結果的影響或誤差

iPecs
College Park Industries 公司的「iPecs」為量測工具,可協助研究者與臨床醫生了解病患所需。特別必須一提的是,「iPecs」可針對義肢元件選擇與調整作業所產生的影響,提供個人化的相關資訊。透過這些資訊,任何義肢矯型師 (不限於義肢分析實驗室的研究人員) 不僅可實際檢視資料,並可直接了解所採用義肢元件與調整作業的影響。依實際情況來說,此裝置可進一步量測並記錄截肢者的感覺 包含從地面穿過義肢傳達到殘肢的力道。此裝置是為了能夠改善截肢者對義肢的選擇與調整情形,以期提升截肢者的整體健康與生活便利性

「iPecs」為虛擬的「微型步伐實驗室 (Miniature gait lab)」,可整合至截肢者所使用的義肢中。將針對從地面到膝下截肢末端所產生的 3 度空間力量、強度,與方向,提供相關的即時資訊。此項工具除了能針對支撐物提供客觀量測結果之外,並可取代某些步伐分析作業。雖然目前已有實際的義肢元件功能測試設備,但均不是專為生醫機器的應用所設計。如「iPecs」的技術與工具 (可量測瞬間衝擊力道、殘肢力矩、力,與相關活動) 亦必須持續進行改良,以完整測得實際設定的義肢功能

「iPecs」均可搭配義肢所使用的標準固定元件,以無線通訊蒐集並傳輸資料;而絲毫不會影響義肢的正常功能。此種可自由活動的特性,可更精確了解截肢者以義肢進行日常活動的適應情況。此項資訊不僅可了解截肢者與義肢之間的互動程度,亦為提升義肢製造過程所必須

開發工具
College Park 公司選擇 NI Multisim Ultiboard 軟體設計「iPecs」的電路,並利用 2 款軟體的相容性。在整合此 2 款軟體之後,研發團隊可完全掌握電路板的設計與模擬作業,直到完成最後配置。團隊並使用這些動態工具反覆運算,以進行電路的設計、模擬,與呈現作業。因此有效縮小了裝置與套件的體積

在過去,College Park Industries 公司可能必須動用整個部門設計「iPecs」。但是 Multisim 與 Ultiboard 卻提供小型企業過去無法接觸到的進階技術。產品除了達到極高的成本效益比,亦擁有 NI 所提供的電子設計與軟體支援

研發團隊目前正試著將軟體進一步用於高階的 GUI 設計作業。由於我們想讓新一代的「iPecs」可確實顯示直覺性的機器資料 (力道、強度,與位置資料),以讓不具有工程背景的臨床醫師輕鬆了解所需資訊;因此新的 GUI 設計實為 1 大挑戰。我們還希望可進一步顯示人體與義肢的接觸面資訊,以了解義肢調整所影響的程度與範圍。我們的研發團隊正考慮使用 NI LabVIEW 軟體達到此功能

結果
iPecs」在初試啼聲之後,的確引起矯正器與義肢產業的高度興趣。目前已有多間步伐分析實驗室聯絡 College Park Industries 公司,以隨時了解當前的測試進度與成果。「iPecs」將於 2008 年底進行初階測試


 


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