行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 補 助 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告 期 中 進 度 報 告 籃 球 運 動 員 膝 關 節 振 動 訊 號 與 運 動 傷 害 分 析 之 研 究 計 畫 類 別 : 個 別 型 計 畫 整 合 型 計 畫 計 畫 編 號 :SC93-243 - H - 0-003 - 執 行 期 間 : 93 年 8 月 日 至 94 年 7 月 3 日 計 畫 主 持 人 : 許 秀 桃 共 同 主 持 人 : 楊 旭 光 計 畫 參 與 人 員 : 成 果 報 告 類 型 ( 依 經 費 核 定 清 單 規 定 繳 交 ): 精 簡 報 告 完 整 報 告 本 成 果 報 告 包 括 以 下 應 繳 交 之 附 件 : 赴 國 外 出 差 或 研 習 心 得 報 告 一 份 赴 大 陸 地 區 出 差 或 研 習 心 得 報 告 一 份 出 席 國 際 學 術 會 議 心 得 報 告 及 發 表 之 論 文 各 一 份 國 際 合 作 研 究 計 畫 國 外 研 究 報 告 書 一 份 處 理 方 式 : 除 產 學 合 作 研 究 計 畫 提 升 產 業 技 術 及 人 才 培 育 研 究 計 畫 列 管 計 畫 及 下 列 情 形 者 外, 得 立 即 公 開 查 詢 涉 及 專 利 或 其 他 智 慧 財 產 權, 一 年 二 年 後 可 公 開 查 詢 執 行 單 位 : 國 立 中 山 大 學 機 械 與 機 電 工 程 學 系 中 華 民 國 九 十 四 年 七 月 三 十 一 日
中 文 摘 要 本 研 究 的 方 向 在 於 應 用 關 節 聽 診 的 技 術, 對 已 接 受 專 業 訓 練 而 從 事 籃 球 活 動 的 運 動 員, 或 是 一 般 未 經 專 業 訓 練, 純 粹 熱 衷 於 籃 球 活 動 的 運 動 愛 好 者, 對 其 膝 關 節 於 運 動 時 產 生 的 訊 號, 以 不 同 的 年 齡 層 與 性 別 為 導 向, 展 開 有 規 劃 的 大 規 模 記 錄 研 究 本 研 究 規 劃 為 兩 年 計 畫, 分 別 搜 集 大 學 階 段 的 男 性 ( 第 一 年 計 畫 ), 以 及 女 性 ( 第 二 年 計 畫 ) 運 動 人 員 的 膝 關 節 振 動 訊 號, 並 對 這 些 訊 號 進 行 診 斷 分 析, 取 得 運 動 傷 害 相 關 訊 號 特 徵 參 數 目 前 本 研 究 已 實 際 進 行 量 測 共 計 47 人, 又 分 為 籃 球 隊 男 性 學 生 與 一 般 籃 球 課 男 性 學 生 兩 個 族 群 且 經 過 自 迴 歸 模 型 與 可 適 性 區 段 等 數 學 方 法 先 進 行 訊 號 處 理, 然 後 再 計 算 均 方 根 值 與 平 均 內 部 群 組 距 離 兩 特 徵 參 數 經 過 分 析 後 發 現, 在 均 方 根 值 方 面, 籃 球 隊 男 性 學 生 大 於 籃 球 課 男 性 學 生, 且 在 同 樣 的 運 動 背 景 下 正 常 的 膝 關 節 之 均 方 根 值 會 大 於 受 傷 與 不 適 的 膝 關 節 之 均 方 根 值 在 平 均 內 部 群 組 距 離 方 面, 發 現 籃 球 隊 男 性 學 生 大 於 籃 球 課 男 性 學 生, 另 外 正 常 的 膝 關 節 之 平 均 內 部 群 組 距 離 會 大 於 受 傷 與 不 適 的 膝 關 節 之 平 均 內 部 群 組 距 離 此 計 畫 的 最 終 目 的, 在 於 建 立 運 動 人 員 與 一 般 民 眾 膝 關 節 振 動 訊 號 的 資 料 庫 Abstract The object of this research focuses on the knee joint pathology of the basketball sportsman or player to develop a database of noninvasive diagnosis. The theorem of the noninvasive diagnosis is based on an analysis of vibration arthrometry produced by joint surfaces rubbing against one another during normal movement. The database can develop an expert diagnostic system and provide the assistance in clinical use. Up to now, data of forty seven university male samples have been collected and divided into two groups, basketball sportsmen and players. After autoregressive modeling and adaptive segmentation, we calculate two feature parameters, root mean square value and intraclass distance. Concluding this, we find that in both root mean square value and intraclass distance, the basketball players is higher than basketball sportsmen, and that in both root mean square value and intraclass distance, the normal knee joint is higher than injured knee joint. Once the database is being built-up, a noninvasive technique for detecting and monitoring cartilage changes in vivo would be developed for solving the above-mentioned problems.. 前 言 膝 關 節 是 承 載 人 體 最 重 要 的 關 節, 也 是 滑 液 囊 關 節, 它 是 人 體 所 有 關 節 中 最 常 受 傷 的 關 節 它 的 健 康 與 否, 直 接 影 響 到 日 常 生 活 的 一 切 活 動 其 連 接 股 骨 和 脛 骨, 由 三 個 部 分 所 組 成 :() 中 間 之 髕 股 關 節, 介 於 膝 蓋 骨 和 股 骨 之 間 的 關 節 面 (2) 外 側 之 脛 股 關 節, 介 於 股 骨 外 髁 和 外 側 脛 骨 平 台 之 間,(3) 內 側 之 脛 股 關 節, 介 於 股 骨 內 髁 和 內 側 脛 骨 平 台 之 間 根 據 統 計, 膝 關 節 的 外 科 手 術 占 了 全 部 關 節 外 科 手 術 的 比 例 極 高, 而 膝 關 節 軟 骨 或 半 月 板 的 傷 害 在 臨 床 診 療 上 是 最 常 見 的 傷 害 目 前 醫 學 上 用 來 診 斷 膝 關 節 病 變 的 工 具 大 致 上 可 區 分 為 三 大 類 : 第 一 類 為 侵 入 性 (Invasive) 的 檢 查, 例 如 關 節 鏡 (Arthroscopy) 由 關 節 鏡 的 使 用 雖 然 能 夠 清 楚 地 看 出 關 節 內 部 組 織 的 狀 況, 但 是 以 關 節 鏡 來 觀 察 關 節 軟 骨 的 磨 損 情 況 無 論 就 時 間 或 金 錢 上 而 言 都 是 不 經 濟 的, 而 侵 入 性 手 術 的 過 程 亦 對 病 患 是 種 折 磨, 而 且 在 手 術 進 行 前 需 先 行 麻 醉, 因 此 具 有 一 定 的 危 險 性 另 一 類 則 為 非 侵 入 性 (oninvasive) 的 檢 查, 例 如 X-ray Imaging 2
電 腦 斷 層 掃 描 (Computer Tomography Scanner;CT) 核 磁 共 振 造 影 (Magnetic Resonance Imaging;MRI) 等 等 它 們 能 診 斷 出 較 嚴 重 的 關 節 軟 骨 磨 損, 但 對 於 診 斷 初 期 的 軟 骨 磨 損 並 無 法 提 供 有 效 之 幫 助 最 後 一 類 為 半 侵 襲 性 (Semi-invasive) 的 檢 查, 例 如 關 節 腔 攝 影 此 種 技 術 與 X-ray 與 CT 一 樣, 病 患 需 接 受 放 射 線 照 射, 而 且 無 法 對 其 軟 組 織 成 像, 因 此 對 於 診 斷 初 期 軟 骨 病 變 的 功 效 亦 是 有 限 相 較 於 上 述 檢 查 膝 關 節 病 變 之 工 具, 若 能 利 用 關 節 病 變 所 產 生 的 聲 音 來 診 斷 膝 關 節 的 狀 況, 將 是 一 種 具 有 非 侵 入 性 簡 單 而 價 廉 的 一 種 臨 床 檢 查 工 具 2. 研 究 目 的 本 研 究 在 於 應 用 關 節 聽 診 的 技 術, 對 已 接 受 專 業 訓 練 而 從 事 籃 球 活 動 的 運 動 選 手, 或 是 一 般 未 經 專 業 訓 練, 純 粹 熱 衷 於 籃 球 活 動 的 運 動 愛 好 者, 對 其 膝 關 節 於 運 動 時 產 生 的 訊 號, 以 大 學 階 段 的 男 女 同 學 為 對 象, 展 開 有 規 劃 的 紀 錄 研 究 其 目 的 除 了 提 供 關 節 聽 診 更 多 的 使 用 資 訊, 協 助 相 關 專 家 診 斷 系 統 進 一 步 的 開 發 外, 同 時 配 合 運 動 傷 害 防 護 員 的 專 業 經 驗, 對 於 關 節 聽 診 應 用 於 健 康 檢 查 及 運 動 諮 詢, 提 供 更 有 力 的 證 明 同 時 從 中 尋 求 運 動 傷 害 於 膝 關 節 振 動 訊 號 之 特 徵 參 數, 除 了 參 考 過 去 相 關 文 獻, 並 嘗 試 其 他 以 往 並 未 應 用 於 此 方 面 之 訊 號 處 理 方 法, 試 圖 利 用 不 同 的 分 析 模 式 解 讀 之 此 計 畫 的 最 終 目 的, 在 於 建 立 運 動 人 員 與 一 般 民 眾 膝 關 節 振 動 訊 號 的 資 料 庫 此 資 料 庫 的 建 立, 不 僅 提 供 關 節 聽 診 之 應 用 資 訊, 同 時 提 供 國 內 從 事 專 業 訓 練 的 訓 練 員 與 運 動 選 手, 在 制 定 訓 練 計 畫 上 重 要 的 參 考 依 據, 也 提 供 全 民 安 全 運 動 的 訊 息, 減 少 運 動 傷 害 的 發 生 3. 文 獻 回 顧 關 節 聽 診 發 展 的 歷 史 已 經 相 當 長 遠, 早 在 一 百 多 年 前 就 已 經 有 研 究 人 員 嘗 試 以 聽 診 器 去 聽, 以 麥 克 風 器 紀 錄 最 早 期 與 關 節 聽 診 相 關 的 研 究 歷 史 紀 錄 在 952 年 Mollan 等 人 [] 發 表 的 研 究 中 有 詳 細 的 介 紹 Walters[2] 在 929 年 發 表 了 600 個 關 節 聽 診 的 結 果, 同 時 發 現 症 狀 出 現 以 前 就 能 聽 到 某 些 聲 音, 他 認 為 這 些 聲 音 可 能 是 關 節 炎 初 期 的 前 兆, 並 且 可 以 使 用 聽 診 於 這 些 疾 病 的 初 期 Erb[3] 是 第 一 位 以 電 子 方 式 紀 錄 關 節 的 聲 音 的 學 者, 在 933 年 的 研 究 發 表 中 提 到 利 用 麥 克 風 紀 錄 聲 音, 並 且 以 圖 示 的 方 式 紀 錄 下 聲 強 Fischer 與 Johnston[4] 在 960 年 發 展 出 更 精 緻 的 研 究 方 法, 他 們 利 用 分 析 聲 音 的 方 法, 成 功 地 區 分 出 正 常 關 節 退 化 性 關 節 炎 (Degenerative Arthritis) 與 類 風 濕 性 關 節 炎 (Rheumatoid Arthritis) 之 間 的 差 別 而 使 用 聲 音 檢 查 類 風 濕 性 關 節 炎 在 X 光 影 像 能 發 現 變 化 前 是 非 常 明 顯 的 Chu 與 他 的 研 究 團 隊 紀 錄 了 膝 部 的 聲 音 訊 號, 同 時 他 們 也 使 用 了 統 計 學 上 的 一 些 參 數 方 程 ( 如 Autocorrelation Function) 對 訊 號 作 統 計 處 理, 使 得 原 來 複 雜 的 訊 號 可 區 分 為 類 風 濕 性 關 節 炎 退 化 性 關 節 炎 與 髕 骨 軟 化 症 (Chondromalacia Patella)[5] 隨 後, 他 們 針 對 各 種 膝 部 聲 音 進 行 頻 譜 分 析, 結 果 發 現 當 正 常 的 關 節 其 頻 域 訊 號 出 奇 的 乾 淨 時, 有 問 題 的 關 節 所 發 出 的 聲 音 範 圍 總 是 在 人 耳 所 能 聽 到 的 範 圍, 也 就 是 20 Hz 到 20 khz[6] 在 他 們 的 研 究 中, 相 信 頻 域 訊 號 的 峰 值 大 小 與 膝 蓋 軟 骨 損 害 的 程 度 是 有 關 聯 性 的 ; 而 在 978 年 的 研 究 中, 他 們 已 經 能 夠 說 明 聲 強 訊 號 會 隨 著 膝 蓋 軟 骨 損 傷 程 度 ( 或 是 表 面 粗 糙 度 ) 而 變 大 [7] 加 拿 大 的 Rangayyan 等 人 利 用 可 適 性 區 段 的 方 法, 將 訊 號 分 成 幾 個 部 分 以 利 於 分 析, 再 以 短 時 (Short-time) 的 傅 立 葉 分 析 技 術 將 分 開 的 每 個 部 分 分 別 進 行 分 析, 使 得 訊 號 頻 率 範 圍 能 符 合 已 知 的 角 度 範 圍 訊 號 是 由 6 位 病 人 在 接 受 關 節 鏡 診 療 之 前 所 取 得 的, 病 況 的 結 果 以 關 節 鏡 觀 察 作 確 認 結 果 發 現 膝 關 節 半 月 軟 骨 損 傷 會 在 所 得 的 聲 音 訊 號 中 產 生 陡 峭 的 波 峰 訊 號, 且 以 較 短 範 圍 的 能 量 集 中 在 0~200 Hz 的 範 圍 內 ; 而 輕 微 的 軟 骨 軟 化 症 則 是 以 3
較 長 範 圍 的 能 量 分 布 於 0~300 Hz 的 範 圍 內 若 訊 號 是 代 表 越 嚴 重 的 軟 骨 軟 化 症, 則 所 得 的 訊 號 範 圍 會 相 對 的 低 頻, 約 在 0~00 Hz, 他 們 推 斷 是 因 為 鬆 脫 的 軟 骨 組 織 依 附 在 關 節 間 的 摩 擦 面 所 引 起 [8] 近 幾 年 來 此 團 隊 的 研 究 則 集 中 於 複 雜 的 振 動 訊 號 的 分 析, 其 開 始 將 焦 點 放 在 探 討 一 般 靜 止 狀 態 [9] 與 非 靜 止 狀 態 下 的 VAM 訊 號 [0] 分 析 由 於 VAM 是 屬 於 快 速 擺 動 下 的 膝 關 節 振 動 訊 號, 相 較 於 慢 速 擺 動 產 生 的 PPC 訊 號, 自 然 要 複 雜 的 多 為 了 解 決 複 雜 的 VAM 訊 號 在 分 析 上 的 困 難, 學 者 們 設 法 取 得 許 多 參 數 以 簡 化 分 析, 如 自 迴 歸 係 數 (Autoregressive Coefficient;AR) 主 極 點 (Dominant Poles) 與 倒 頻 譜 係 數 (Cepstral Coefficient) 等 參 數 分 析, 提 供 了 將 VAM 導 入 專 家 診 斷 系 統 的 研 究 方 法, 具 有 重 要 的 參 考 價 值 國 內 最 早 投 入 此 項 研 究 的 國 立 台 灣 大 學 醫 學 院 附 設 醫 院 骨 科 部 的 江 清 泉 教 授 與 其 研 究 團 隊, 自 其 進 行 此 方 面 的 研 究 以 來, 也 完 成 許 多 國 科 會 計 畫 與 期 刊 發 表 [-4], 近 來 的 重 點 皆 放 在 於 各 項 臨 床 常 見 的 膝 關 節 病 變 與 膝 關 節 手 術 後 的 情 況, 並 利 用 數 學 模 式 解 析 不 同 狀 況 下 的 膝 部 振 動 訊 號 [5,6] 4. 膝 關 節 於 擺 動 下 所 產 生 的 振 動 信 號 人 體 膝 關 節 於 正 常 情 況 下 的 伸 直 - 彎 曲 擺 動 即 會 有 振 動 訊 號 之 產 生, 而 此 一 振 動 訊 號 則 可 能 會 反 映 出 膝 關 節 內 部 組 織 的 情 況 髕 股 顫 振 (Physiological Patellofemoral Crepitus; PPC) 是 一 種 由 正 常 膝 關 節 在 慢 速 ( 小 於 5 /sec) 主 動 擺 動 下 所 產 生 在 髕 骨 之 振 動 訊 號, 它 是 由 Beverland 於 986 年 利 用 關 節 振 動 量 測 術 所 發 現 的 且 由 研 究 人 員 量 測 了 250 個 正 常 者 的 膝 關 節, 並 根 據 此 結 果 統 計 出 約 有 99% 的 正 常 者 的 膝 關 節 可 以 量 測 到 PPC 訊 號 因 此, 一 般 認 為 PPC 訊 號 是 由 髕 骨 與 股 骨 之 關 節 軟 骨 在 相 對 慢 速 運 動 下 的 黏 滑 現 象 (Stick and Slip Phenomenon) 所 造 成, 而 此 一 訊 號 將 可 反 映 出 關 節 軟 骨 之 完 好 情 況 曾 有 研 究 藉 由 活 體 實 驗 證 明 了 PPC 訊 號 確 實 是 由 關 節 軟 骨 在 滑 動 下 之 相 互 磨 擦 所 產 生, 該 研 究 並 指 出 PPC 訊 號 會 受 到 關 節 軟 骨 的 完 整 性 接 觸 面 積 與 壓 力 擺 動 速 度 髕 骨 重 量 以 及 軟 骨 附 近 的 軟 組 織 等 因 素 之 影 響 本 研 究 係 採 用 關 節 聽 診 儀, 將 量 測 振 動 訊 號 用 的 加 速 規 置 於 髕 骨 外 面 中 心 點 的 皮 膚 表 面, 以 量 測 膝 關 節 在 慢 速 (2 /sec) 與 快 速 (67 /sec) 擺 動 下 的 振 動 訊 號 在 慢 速 擺 動 下 的 振 動 訊 號, 即 是 所 謂 的 髕 股 顫 振, 至 於 快 速 擺 動 下 的 振 動 訊 號 稱 為 VAM 訊 號 5. 訊 號 處 理 方 法 因 為 膝 關 節 於 正 常 運 動 情 形 下 所 產 生 之 訊 號 為 一 隨 機 訊 號, 因 此 必 須 使 用 隨 機 訊 號 處 理 中 之 預 測 模 型 及 其 他 濾 波 的 方 法, 根 據 文 獻, 目 前 比 較 普 遍 使 用 且 將 於 本 研 究 中 應 用 的 數 學 模 式 與 特 徵 參 數 如 下 所 述 :. 自 迴 歸 模 型 (Autoregressive Model;AR) AR 模 型 是 廣 泛 被 使 用 的 一 種 參 數 模 型 的 技 術 其 又 稱 為 全 極 點 模 型 自 迴 歸 模 型 基 本 上 是 一 種 線 性 預 測, 它 是 利 用 一 組 已 量 測 到 的 資 料 值 以 線 性 組 合 方 式 來 預 測 下 一 時 間 會 量 測 到 的 資 料 值 假 設 x (n), x (n-), x (n-2),... 為 靜 止 的 隨 機 信 號, 在 AR 模 型 中 我 們 假 設 一 個 訊 號 x (n) 的 現 在 值 為 其 過 去 值 與 某 個 輸 入 訊 號 w (n) 的 線 性 組 合, 其 表 示 式 如 下 : x( n) = P λ= a P ( λ ) x( n λ) + w( n) () 其 中 a (λ P ) 為 AR 模 型 的 係 數 或 預 測 的 係 數 (Prediction Coefficients), λ =, 2, 3,,P 為 AR 模 型 的 階 數 (Order) w (n) 為 輸 入, 在 通 常 的 情 況 下, 我 們 皆 假 設 w (n) 為 白 雜 訊 (White oise), 其 平 均 值 為 零, 功 率 頻 譜 密 度 (Power Spectral Density) 為 一 常 數 2. 可 適 性 區 段 (Adaptive Segmentation) 本 研 究 中 我 們 所 量 測 到 的 膝 關 節 振 動 訊 號 其 本 質 為 非 穩 態 (onstationary) 的 隨 機 程 序 4
(Random Process), 因 為 現 有 的 傳 統 頻 譜 估 測 方 法 如 AR 模 型 皆 是 針 對 穩 態 (Stationary) 的 訊 號, 所 以 在 應 用 這 些 方 法 前 有 必 要 先 將 原 始 的 訊 號 以 可 適 性 區 段 的 方 法 切 割 成 許 多 區 段, 其 中 每 一 段 皆 可 視 為 區 域 穩 態 (Locally Stationary) 本 研 究 的 可 適 性 區 段 的 方 法 為 先 選 取 一 個 參 考 窗 戶 (Reference Window) 長 度 為 點, 並 計 算 此 點 信 號 的 功 率 頻 譜 密 度, 因 此, 預 測 誤 差 (Prediction Error) 便 可 由 下 式 求 得, E = 2m + m ^ i= m P( f ) i P( f ) i (2) 其 中 i=-m,,-, 0,,, m, 係 均 勻 分 佈 在 [-π,π] 之 間, 而 2m+ 則 是 計 算 功 率 頻 譜 密 度 的 所 有 點 數 從 參 考 窗 戶 獲 得 的 AR 係 數 被 用 來 估 側 下 一 個 點 信 號, 如 果 下 一 個 點 信 號 的 預 測 誤 差 小 於 一 個 閥 值 (Threshold), 則 此 點 被 加 入 目 前 的 參 考 區 段 (Reference Segment) 中, 此 過 程 將 持 續 到 預 測 誤 差 超 過 閥 值 為 止 3. 均 方 根 值 (Root Mean Square;RMS) 直 接 計 算 與 能 量 有 關 的 參 數, 其 為 將 週 期 時 間 內 之 每 點 訊 號 大 小 的 平 方 和 求 其 總 和, 再 取 平 均 值 最 後 再 開 根 號 振 動 信 號 x (n) 的 RMS, 其 數 學 表 示 式 如 下 : RMS = = 2 x ( n) (3) 其 中 x(n) 為 振 動 訊 號 每 個 取 樣 點 的 值, 為 信 號 的 總 點 數 4. 平 均 內 部 群 組 距 離 (Intraclass Distance) 平 均 內 部 群 組 距 離 係 表 示 一 個 非 穩 態 隨 機 訊 號 經 由 可 適 性 區 段 後, 所 得 到 之 全 部 區 域 性 穩 態 區 段, 彼 此 之 間 AR 模 型 係 數 的 緊 密 程 度 令 { a (), a (2),..., (M ) } 為 第 j 個 區 段 的 AR 模 型 係 數, 則 其 所 有 區 段 的 AR 模 型 係 數 的 平 均 值 可 為 : a( λ ) = a j ( λ) j= j j a j (4) 其 中 λ =, 2,..., M, 而 為 所 有 區 段 的 數 目, 平 均 內 部 群 組 距 離 即 表 示 每 一 個 區 段 的 AR 係 數 與 平 均 的 AR 係 數 值 間 的 緊 密 程 度, 亦 即 訊 號 的 所 有 區 段 間 的 差 異 性 越 大, 內 部 群 組 距 離 也 越 大, 定 義 如 下 : D = M j = λ = 2 ( a j ( λ ) a( λ)) (5) 此 值 即 可 表 示 每 個 訊 號 中 所 有 區 段 間 的 AR 係 數 的 離 散 程 度 6. 實 驗 儀 器 與 實 驗 進 行 步 驟 關 節 聽 診 儀 系 統 包 含 三 大 部 分 :. 等 速 關 節 擺 動 機 如 圖 右 方 女 性 受 試 者 正 在 使 用 的 儀 器, 可 設 定 擺 動 臂 以 慢 速 2 /sec 與 快 速 67 /sec 的 等 角 速 度 來 擺 動 2. 訊 號 擷 取 與 即 時 處 理 系 統, 可 擷 取 受 試 者 膝 關 節 振 動 訊 號, 並 即 時 放 大 與 濾 波 處 理, 然 後 顯 示 於 螢 幕 上 並 儲 存 於 個 人 電 腦 中 3. 診 斷 分 類 顯 示 與 操 作 之 人 機 介 面, 如 圖 左 方 所 示 儀 器 PPC 訊 號 的 實 驗 進 行 步 驟 如 下 : 步 驟 : 紀 錄 受 試 者 基 本 資 料, 採 用 問 卷 填 寫 的 方 式 步 驟 2: 請 受 試 者 坐 於 等 速 關 節 擺 動 機 的 座 椅 上, 此 時 雙 腳 懸 空 膝 關 節 自 然 彎 曲 至 90 步 驟 3: 將 加 速 規 和 量 角 器 固 定 妥 當 5
步 驟 4: 設 定 等 速 關 節 擺 動 機 旋 轉 臂 的 角 度, 由 膝 關 節 完 全 伸 直 到 膝 關 節 彎 曲 90 步 驟 5: 設 定 等 速 關 節 擺 動 機 旋 轉 臂 的 移 動 速 度 為 2 /sec 步 驟 6: 打 開 關 節 振 動 量 測 儀, 並 確 定 訊 號 線 接 妥, 儀 器 設 定 符 合 前 段 所 述 步 驟 7: 告 知 受 試 者, 請 其 小 腿 前 緣 緊 貼 著 旋 轉 臂 的 護 墊, 做 等 速 的 伸 直 彎 曲 運 動 步 驟 8: 啟 動 旋 轉 臂, 在 受 試 者 完 成 數 次 膝 關 節 彎 曲 - 伸 直 - 彎 曲 的 動 作 熟 悉 膝 關 節 的 運 動 速 度 後, 才 啟 動 電 腦 以 取 樣 速 率 之 5 khz 來 紀 錄 一 個 膝 關 節 運 動 週 期 的 訊 號 步 驟 9: 紀 錄 受 試 者 膝 關 節 振 動 訊 號, 並 根 據 受 試 者 問 卷 資 料 與 所 得 膝 關 節 振 動 訊 號 加 以 分 析 比 較 7. 結 果 與 討 論 本 研 究 第 一 年 共 計 量 測 人 數 為 47 人, 其 中 籃 球 隊 男 性 學 生 20 人 及 籃 球 課 男 性 學 生 27 人, 並 針 對 此 47 人 之 膝 關 節 振 動 訊 號 進 行 了 數 學 模 式 分 析 與 特 徵 參 數 計 算 本 研 究 所 計 算 之 特 徵 參 數 為 均 方 根 與 平 均 內 部 群 組 距 離 均 方 根 數 值 是 直 接 利 用 膝 關 節 時 域 振 動 訊 號 之 原 始 數 據 進 行 上 述 均 方 根 公 式 之 計 算, 內 部 群 組 距 離 則 是 先 經 過 自 迴 歸 模 型 與 可 適 性 區 段 處 理 之 後 的 訊 號, 再 根 據 公 式 計 算 此 特 徵 參 數 之 數 值 本 結 案 報 告 中 之 計 算 數 值 與 期 中 進 度 報 告 並 不 相 同, 尤 其 均 方 根 的 部 份 係 因 其 正 規 化 所 使 用 參 數 改 變, 而 平 均 內 部 群 組 距 離 之 程 式 也 已 重 新 撰 寫, 期 中 報 告 中 所 提 出 的 問 題 亦 已 解 決 根 據 計 算 得 之 均 方 根 數 值 與 標 準 差, 可 畫 出 圖 2 與 圖 3 根 據 圖 2 與 圖 3, 可 以 看 出 不 論 右 腳 還 是 左 腳 的 均 方 根 數 值 平 均 值, 籃 球 隊 男 性 學 生 均 比 籃 球 課 男 性 學 生 大 而 在 扣 除 膝 關 節 曾 經 受 傷, 與 最 近 膝 關 節 會 覺 得 不 適 的 資 料 後, 籃 球 隊 男 性 學 生 的 右 腳 均 方 根 平 均 值 還 是 大 於 籃 球 課 男 性 學 生 的 右 腳 均 方 根 平 均 值, 其 左 腳 均 方 根 平 均 值 亦 大 於 籃 球 課 男 性 學 生 之 左 腳 平 均 值 由 於 人 體 慣 用 手 之 不 同, 其 左 右 腳 使 用 之 形 態 亦 不 盡 然 相 同, 因 此 左 右 腳 的 特 徵 參 數 值 分 開 來 比 較 是 合 理 的, 本 研 究 中 所 量 測 對 象 慣 用 手 均 為 右 手 由 上 述 可 發 現, 經 過 專 業 訓 練 之 籃 球 隊 男 性 學 生 的 均 方 根 值, 會 比 一 般 男 性 籃 球 愛 好 者 的 均 方 根 值 為 大 在 扣 除 掉 曾 經 受 傷 與 不 適 的 數 據 後, 也 可 看 見 四 個 均 方 根 值 均 有 小 幅 的 成 長, 因 此 可 發 現 在 相 同 的 背 景 下, 膝 關 節 有 受 傷 者 或 不 適 者 之 振 動 訊 號 的 均 方 根 值 會 比 正 常 者 來 的 小 此 一 結 果 原 因 可 能 為 均 方 根 值 在 評 估 膝 關 節 內 部 軟 骨 的 完 好 狀 況, 而 籃 球 隊 員 平 常 的 重 量 訓 練 中 可 能 就 加 強 了 此 一 部 份, 因 此 造 成 膝 關 節 軟 骨 在 適 當 的 訓 練 下 會 比 一 般 同 學 來 的 強 壯 在 平 均 內 部 群 組 距 離 的 結 果 部 份, 亦 可 由 計 算 結 果 畫 出 圖 4 與 圖 5 根 據 圖 4 及 圖 5 可 發 現 不 論 右 腳 還 是 左 腳 的 平 均 內 部 群 組 距 離 之 平 均 值, 籃 球 隊 男 性 學 生 均 比 籃 球 課 男 性 學 生 大, 而 在 扣 除 掉 膝 關 節 曾 經 受 傷 與 最 近 膝 關 節 會 覺 得 不 適 的 資 料 後, 籃 球 隊 男 性 學 生 的 右 腳 平 均 內 部 群 組 距 離 之 平 均 值, 還 是 大 於 籃 球 課 男 性 學 生 的 右 腳 平 均 內 部 群 組 距 離 之 平 均 值, 其 左 腳 平 均 內 部 群 組 距 離 之 平 均 值 亦 大 於 籃 球 課 男 性 學 生 右 腳 之 平 均 內 部 群 組 距 離 之 平 均 值 而 在 扣 除 曾 經 受 傷 與 不 適 的 數 據 後, 同 樣 也 可 看 見 四 個 平 均 內 部 群 組 距 離 值 均 有 小 幅 的 成 長 平 均 內 部 群 組 距 離 視 為 是 評 估 膝 關 節 在 運 動 到 不 同 角 度 時, 摩 擦 接 觸 面 之 差 異 性 的 參 考, 對 於 此 一 結 果 的 原 因, 應 該 也 同 上 述, 籃 球 隊 學 生 在 平 時 所 接 受 的 訓 練 對 於 膝 關 節 軟 骨 的 發 展 應 該 是 有 助 益 的, 所 以 整 體 平 均 內 部 群 組 距 離 的 數 值 才 會 大 於 一 般 學 生 6
8. 結 論 本 研 究 的 目 的 在 於 應 用 關 節 聽 診 的 技 術, 對 已 接 受 專 業 訓 練 而 從 事 籃 球 活 動 的 運 動 員, 或 是 一 般 未 經 專 業 訓 練, 純 粹 熱 衷 於 籃 球 活 動 的 運 動 愛 好 者, 對 其 膝 關 節 於 運 動 時 產 生 的 訊 號, 以 大 學 階 段 男 性 學 生 為 對 象, 展 開 有 規 劃 的 紀 錄 研 究 其 目 的 除 了 提 供 關 節 聽 診 更 多 的 使 用 資 訊, 協 助 相 關 專 家 診 斷 系 統 進 一 步 的 開 發 外, 同 時 配 合 運 動 傷 害 防 護 員 的 專 業 經 驗, 對 於 關 節 聽 診 應 用 於 健 康 檢 查 及 運 動 諮 詢, 提 供 更 有 力 的 證 明 目 前 所 得 到 之 結 果 為 籃 球 隊 男 性 學 生 在 均 方 根 值 與 平 均 內 部 群 組 距 離, 都 比 籃 球 課 同 學 來 的 高, 推 測 可 能 原 因 為 籃 球 隊 男 性 學 生 在 適 當 的 訓 練 下, 其 膝 關 節 軟 骨 的 生 長 會 比 較 一 般 男 性 同 學 來 的 強 壯 另 一 個 結 果 為 曾 經 受 傷 與 目 前 感 到 不 適 的 均 方 根 值 與 平 均 內 部 群 組 距 離 值 會 比 正 常 的 來 的 低, 原 因 為 本 研 究 所 使 用 之 特 徵 參 數, 皆 與 軟 骨 的 健 全 與 否 有 關, 而 受 傷 與 感 到 不 適 若 與 軟 骨 有 關 的 話, 大 部 分 都 是 膝 關 節 軟 骨 有 所 磨 耗, 意 即 是 軟 骨 被 磨 損 以 致 功 能 性 較 差, 所 以 也 就 會 導 致 其 均 方 根 值 與 平 均 內 部 群 組 距 離 值 會 比 正 常 者 的 訊 號 值 來 的 低 依 據 本 研 究 之 規 劃, 此 研 究 報 告 為 第 一 年 計 畫 結 案 報 告, 目 前 各 項 預 期 目 標 的 進 度 都 已 完 成, 除 了 量 測 人 數 已 達 47 人, 對 於 膝 關 節 振 動 訊 號 之 數 學 模 式 與 特 微 參 數 的 計 算, 已 完 成 各 個 程 式 碼 的 撰 寫, 並 已 得 到 各 族 群 之 均 方 根 數 值 與 平 均 內 部 群 組 距 離 數 值 此 結 果 可 供 往 後 進 行 相 關 研 究 者 之 參 考, 可 建 立 一 個 攜 帶 方 便 使 用 簡 單 且 診 斷 準 確 之 非 侵 入 性 自 動 專 家 診 斷 系 統, 而 這 是 所 有 從 事 生 物 醫 學 工 程 人 員 之 終 極 目 標 而 對 此 關 節 聽 診 技 術 而 言, 有 越 來 越 多 不 同 領 域 的 人 才 陸 續 投 入 其 中, 並 且 已 不 僅 用 於 膝 關 節, 在 其 它 關 節 或 動 物 關 節 上 都 有 相 關 文 獻, 相 信 在 此 關 節 聽 診 技 術 漸 趨 成 熟 之 際, 希 望 不 久 的 將 來 就 可 廣 泛 應 用 於 實 際 臨 床 診 斷 中 圖 關 節 聽 診 儀 操 作 實 況, 左 為 訊 號 儲 存 與 處 理 裝 置, 右 為 等 速 關 節 擺 動 儀 [ 聲 博 科 技 公 司 提 供 ] 7
圖 2 籃 球 隊 與 籃 球 課 同 學 之 均 方 根 值 結 果 圖 3 扣 除 掉 受 傷 與 不 適 的 訊 號 後 之 籃 球 隊 與 籃 球 課 的 均 方 根 值 結 果 8
圖 4 籃 球 隊 與 籃 球 課 同 學 之 平 均 內 部 群 組 距 離 結 果 圖 5 扣 除 掉 受 傷 與 不 適 的 訊 號 後 之 籃 球 隊 與 籃 球 課 的 平 均 內 部 群 組 距 離 結 果 9
參 考 文 獻. R.A.B. Mollan, G.C. McCullagh, and R.I. Willson, A Critical Appraisal of Auscultation of Human Joints, Clin. Orthopaed. Related Res., 70, pp. 23-237, Oct. 982. 2. C.F. Walters, The Value of Joint Auscultation, Lancet,, pp. 920-92, May 4, 929. 3. K.H. Erb, Uber die Moeglichkeit der Registrierung von Gelenkgeraeuschen, Deutsche Z. Chir., 24, pp. 237-245, 933. 4. H. Fischer, and E.W. Johnston, Analysis of Sounds from ormal and Pathologic Knee Joints, in 3rd Int. Congr. Phys. Med., pp. 50-57, 960. 5. M.L. Chu, I.A. Gradisar, M.R. Railey, and G.F. Bowling, An Electroacoustical Technique for the Detection of Knee Joint oise, Med. Res. Eng., 2(), pp. 8-20, 976. 6. M.L. Chu, I.A. Gradisar, L.D. Zavodney, and G.F. Bowling, Computer Aided Acoustical Correlation of Pathological Cartilage Generated oise, in 30th Ann. Conf. Eng. Med. Biol., Los Angeles, CA, USA, p. 75, ov. 5, 977. 7. M.L. Chu, I.A. Gradisar, and R. Mostardi, A oninvasive Electroacoustical Evaluation Technique of Cartilage Damage in Pathological Knee Joints, Med. Biol. Eng. Comput., 6, pp. 437-442, July 978. 8. R.M. Rangayyan, C.B. Frank, G.D. Bell, and R. Smith, Analysis of Knee Joint Sound Signals, in Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 0th Ann. Internat. Conf., ew Orleans, USA, pp.72-73, ov. 4-7, 988. 9. S. Tavathia, R.M. Rangayyan, C.B. Frank, G.D. Bell, K.O. Ladly, and Y.T. Zhang, Analysis of Knee Vibration Signals Using Linear Prediction, IEEE Trans. Biomed. Eng., 39, pp. 959-970, Sept. 992. 0. Y.T. Zhang, C.B. Frank, R.M. Rangayyan, and G.D. Bell, Mathematical Modeling and Spectrum Analysis of the Physiological Patello-femoral Pulse Train Produced by Slow Knee Movement, IEEE Trans. Biomed. Eng., 39(9), pp. 97-979, 992.. 江 清 泉, 新 臨 床 爬 樓 梯 症 候 群 之 膝 關 節 振 動 訊 號 的 數 學 模 式, 國 科 會 專 題 計 畫, SC88-234-B-002-259, 民 國 89 年 0 月 2. 江 清 泉 李 枝 宏, 膝 關 節 病 變 之 膝 關 節 振 動 訊 號 的 數 學 模 式, 國 科 會 專 題 計 畫, SC89-2320-B-002-09, 民 國 90 年 0 月 3. C.C. Jiang, J.H. Lee, and T.T. Yuan, Vibration Arthrometry in the Patients with Failed Total Knee Replacement, IEEE Trans. Biomed. Eng., 47(2), pp.29-227, Jan. 2000. 4. 江 清 泉 李 枝 宏, 膝 關 節 病 變 外 側 關 節 腔 振 動 訊 號 的 數 學 模 式, 國 科 會 專 題 計 畫, SC89-2320-B-002-479, 民 國 90 年 0 月 5. 羅 勇 軍, 前 十 字 韌 帶 重 建 術 後 膝 部 異 常 振 動 信 號 之 數 學 模 式 與 頻 譜 分 析, 國 立 臺 灣 大 學 電 機 工 程 學 研 究 所 碩 士 論 文, 民 國 92 年 6. 李 峰 誌, 以 數 學 模 型 應 用 於 舉 重 選 手 之 膝 關 振 動 信 號 分 析, 國 立 臺 灣 大 學 電 信 工 程 研 究 所 碩 士 論 文, 民 國 93 年 0