崑 山 科 技 大 學 機 械 工 程 系

Department of Mechanical Engineering

Kun Shan University

學生專題製作報告

膝關節研究創新之探討

指導教授：賴添興

班級：四機械四 D

學生:張耀中 4980H094

許致欽 4980H199

王琮信 4980H233

翁彥緯 4980H234

中華民國 102 年 05 月

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摘要

膝關節炎與老化、創傷、肥胖有關，常發生於老年人；嚴重會導致膝關節疼痛

僵硬、變形，甚至活動受到限制，影響日常生活。膝關節是身上最大也是最容易

受傷的關節之一，隨著醫療科技的進步與手術技術的精進，人工膝關節置換手術

便成為病患的一大救星，所以本專題就以探討製造人工的膝關節為目的。

研究目的

本專題探討製造人工的膝關節，主要讓人工的膝關節之主件與副件相互配合，

以減少使用者膝關節摩擦所造成病痛，並可以容許更大的腳部彎曲角度。為了解

決膝關節摩損過快的問題，所以要注意接觸面的接觸方式以及使用耐摩擦材料，

以防止每過一段時間就要再開刀用人工置換術換新的人工的膝關節。

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誌謝

抱著感恩的心情，寫下此篇誌謝文，一年以來不斷的蒐集資料，想以更好的方

法做出人工膝關節，努力地與老師共同的學習成長。一路走來，真正的體會到親

自動手做出一個由自己構想設計的創意概念醫療產品的喜悅，同時付出了許多時

間與精神，讓這次的專題經驗永生難忘。在學習過程中，組員們用心與努力是必

然的，唯有堅持好還要更好，才會有更好的構想。而最大動力，來自於指導老師

賴添興老師的教導，使得製作過程中能夠順利的排解難題。經由老師不斷的指導

與修改，使此專題可以順利的做出來，在最後還是要感謝指導老師，沒有他這方

面專業知識，就不會有我們今天的成果。

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目錄

摘要 --------------------------------------------------------- I

研究目的 --------------------------------------------------------- I

誌謝 -------------------------------------------------------- II

一. 膝關節介紹

1.1膝關節的構造及功用 ----------------------------------------- 1

1.2為什麼要換人工膝關節 --------------------------------------- 2

1.2.1風濕性關節炎 ------------------------------------------ 2

1.2.2退化性關節炎 ------------------------------------------ 2

1.2.3痛風性關節炎 ------------------------------------------ 3

1.2.4外傷性關節炎 ------------------------------------------ 3

1.3如何維護膝關節 --------------------------------------------- 3

二. 研究方法

2.1膝關節的由來 ----------------------------------------------- 4

2.2參考資料 --------------------------------------------------- 4

2.3研究方法 --------------------------------------------------- 5

三. 研究成果

3.1 Soild Work 三視圖 ------------------------------------------- 6

3.2成果實體 --------------------------------------------------- 8

四.結論 ----------------------------------------------------------- 9

五.參考文獻 ------------------------------------------------------ 10

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圖目錄

1.圖 1.膝關節的結構 -------------------------------------- 1

2.圖 2.人工膝關節之裝配 ------------------------------------------- 2

3.圖 3.變曲率雙包絡線人工膝關節模型 ------------------------------- 3

4.圖 4.變曲率雙包絡線股骨骨髁幾何外型 ----------------------------- 4

5.圖 5.手繪人工膝關節(前.右視圖) ---------------------------------- 5

6.圖 6.包覆大腿骨底部之主件上視圖 --------------------------------- 6

7.圖 7. soild work 人工膝關節(上) ---------------------------------------------------- 6

8.圖 8.包覆大腿骨底部之主件前視圖 --------------------------------- 6

9.圖 9.包覆大腿骨底部之主件側視圖 --------------------------------- 6

10.圖 10.固定於小腿骨頂部之副件上視圖 ------------------------------ 7

11.圖 11.soild work 人工膝關節(下) --------------------------------------------------- 7

12.圖 12.固定於小腿骨頂部之副件前視圖 ------------------------------ 7

13.圖 13.固定於小腿骨頂部之副件側視圖 ------------------------------ 7

14.圖 14.包覆大腿骨底部之主件實體成品 ------------------------------ 8

15.圖 15.包覆小腿骨頂部之副件實體成品 ------------------------------ 8

16.圖 16.組合作動圖 ------------------------------------------------ 8

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一. 膝關節介紹

1.1 膝關節的構造及功用[1]

膝關節是連接大腿及小腿的主要關節，在負重與運動上扮演著重要角色。膝

關節由股骨、臏骨和脛骨所形成。膝關節骨頭間的連結並非一種特別緊密接合

處，而是以韌帶肌肉與軟骨來維持關節的穩定。膝關節是身體內最大的關節，也

是最脆弱且最複雜的關節之一。

圖 1.膝關節的結構

膝關節：俗稱膝蓋，由股骨和脛骨構成的關節，前方還有一小三角形骨

為髕骨。膝的主要內部組成結構為半月板以及四條韌帶。[半月板] 為膝內部股

骨下端和脛骨上端之間的接連處所墊的一塊新月形的纖維軟骨組織，作用是緩衝

膝關節的震動，以及避免兩塊骨頭的直接摩擦。另外，它由四條主要的韌帶支撐

著。其中有兩條在膝的兩側，稱為[內側韌帶]和[外側韌帶]，主要功能是防止膝

部軸離位；另外兩條韌帶則分別分佈在膝前後方，稱為[前十字韌帶]和[後十字

韌帶]，作用是防止膝部前後移位。

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1.2 為什麼要換人工膝關節? [3]

當我們的膝關節因為多年的風濕性關節炎。退化性關節炎。或是嚴重的外傷

讓膝關節產生變形或疼痛，造成行走及彎曲膝關節困難而影響日常生活時，醫生

會視情況做人工膝關節置換手術，手術是使用人工的關節取代原有的關節，如圖

2。

1.2.1風濕性關節炎[4]

風濕性關節炎（rheumatoid arthritis）是一種常見的急性或慢性結締組織

炎症。可反覆發作並累及心臟。臨床一以關節和肌肉遊走性酸楚、重著、疼痛為

特徵.屬變態反應性疾病.是風濕熱的主要表現之一，多以急性發熱及關節疼痛起

病。

1.2.2退化性關節炎[2]

在膝關節交界的地方，骨頭上面覆蓋著一層軟骨，主要由膠原纖維、軟骨細

胞，及它所製造的 proteoglycans， 以及水所構成。軟骨等於是一層墊子，有

緩衝的作用。膝關節退化性關節炎是隨著年齡逐漸惡化的關節疾病，它是由於膝

關節長期使用；日子一久，造成膝關節面的 軟骨磨損，膝關節囊的潤滑液變少，

而造成膝關節疼痛、腫脹、無力、蹲距困難它通常發生在中年五十歲以後。它與

過度工作、肥胖、個人體質、年老或關節受傷有關，通常女性較多而且也較嚴重，

退化性膝。且以發生在膝關節內側較常見，更嚴重的情況會造成膝關節內彎，甚

至呈現 O型腿的現象，使得病患走路產生困難。

圖 2.人工膝關節之裝配

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1.2.3痛風性關節炎[5]

由於尿酸鹽沉積在關節囊、滑囊、軟骨、骨質和其他組織中而引起病損及炎性反

應，它多有遺傳因素和家族因素，好發於 40歲以上的男性，多見於拇趾的跖趾

關節，也可發生於其他較大關節，尤其是踝部與足部關節。主要表現為關節的劇

痛，常常為單側性突然發生。關節周圍組織有明顯腫脹、發熱、發紅和壓痛。

1.2.4外傷性關節炎[6]

可分為兩大類 :

1.直接的軟骨受損

外傷時，關節受到撞擊而產生關節內骨折，關節面的軟骨受創，凹陷剝落，

關節漸漸變形。

2.間接導因於其他組織的傷害

如半月板破裂後失去保護作用、韌帶斷裂後關節穩定度變差或是關節上下

端的長骨骨折癒合不正造成關節面受力不均等等，都會慢慢的導致關節囊

面的軟骨磨損，形成關節炎。

1.3如何維護膝關節

置換的膝關節使用期限，因人而異。這與諸多因素有關，包括您的身體狀況、

活動、體重，以及在手術過程中，植入物的植入準確性。人工膝關節不像自然健

康膝關節一樣堅固、耐用，無法保證您的人工膝關節將在您的餘生持續可用。以

下，並瞭解它們會如何影響膝關節置換使用週期和成效。總而這之，您必須注意

到：

避免提重物

保持健康及規律運動

避免過度攀爬樓梯

維持合適的體重

維持健康和運動

避免「衝擊負荷」的運動，如慢跑、高山滑雪和高衝擊有氧運動

進行任何新運動或活動之前，請先諮詢醫師

在運動前思考

避免進行快速走停相關運動、扭轉或衝擊應力的身體活動

避免負重時過度彎曲，例如攀登陡峭的樓梯

避免提舉或推重物

避免屈膝

避免坐於低平面或椅子

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二.研究方法

2.1膝關節的由來

人工膝關節的發展可以回溯到 1938年以金屬物質取代關節軟骨而成，但因材

料及生物力學知識的欠缺，以致於成績不理想。近代人工膝關節的普及約在 1980

年代，基於生物力學的瞭解及生物材料的進步，許多醫學專家設計良好的工具及

人工關節，而能有目前的成績。

2.2 參考資料

本研究參考元智大學最佳化設計實驗室[7] “變曲率雙包絡線＂人工全膝關

節設計之幾何模型，如圖 3。與一般現行人工全膝關節不同的是，利用雙曲率包

絡線使接觸面更佳的華順，人工股骨骨髁的 x 方向與 z 方向是被半月板完全包

覆的狀態，如圖 4，此種接觸狀態使得彎曲伸展接觸界面的接觸面積為最大狀

態，大幅降低接觸應力。半月板在 y 方向設計成上凸狀，以利於排除磨屑。[2]

圖 3.變曲率雙包絡線人工膝關節模型

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圖 4. 變曲率雙包絡線股骨骨髁幾何外型

2.3研究方法

本專題製作構想圖，如圖 5，目的在讓人工膝關節做動時，關節擺動順暢。至

於在基座中間突出部分，使人工膝關節不至於左右滑動或是前後角度太大，以利

於固定整個關節。包覆大腿骨底部的主件，我們經老師的講解改良成橢圓形，以

利於包覆大腿骨底部時不會晃動。

圖 5.手繪人工膝關節(前.右視圖)

基座突出部分

橢圓形

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三.研究成果

3.1 Soild Work 繪製之立體與三視圖

包覆大腿骨底部之主件立體與三視圖，如圖 6~9:

圖 6 上視圖 圖 7立體圖

圖 8 前視圖 圖 9 側視圖

圖 6.包覆大腿骨底部之主件上視圖，中間空洞部分將與底座突出基座配合

圖 7.包覆大腿骨底部之主件立體圖

圖 8.包覆大腿骨底部之主件前視圖，底部採圓弧狀設計，讓人工膝關節做動時，

不會做動不平順

圖 9.包覆大腿骨底部之主件側視圖，利用滑順的曲線，讓膝關節做動更滑順，

角度更良好

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固定於小腿骨頂部之副件的立體與三視圖，如圖 10~13:

圖 10 上視圖 圖 11立體圖

圖 12前視圖 圖 13側視圖

圖 10.固定於小腿骨頂部上視圖，中間部分為上述所說底座突出基座

圖 11.固定於小腿骨頂部之副件的立體圖

圖 12.固定於小腿骨頂部側視圖，頂部突出部分為上述所說底座突出基座

圖 13.固定於小腿骨頂部前視圖，頂部突出部分為上述所說底座突出基座

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3.2成果實體

圖 14.包覆大腿骨底部實體成品

圖 15.包覆小腿骨頂部實體成品

圖 16.組合作動圖

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四.結論

為了讓人工膝關節可以更耐用，更耐磨，好的構想，好的設計，好的材料相

當重要，以避免病人使用不久之後還必須更換之困擾，讓人工膝關節可以達到更

好的使用效果，並可以長久使用。

本專題搜尋一些相關的專利設計來做參考，利用 soild work軟體繪製出理想

的設計圖，並與指導老師討論設計上所需要改善的地方，進行修改後，再去尋找

可以加工的公司幫我們加工，加工過程中也遇到一些尺寸跟配合上的問題，因膝

蓋大小因人而異所以比較沒有尺寸的限制，本專題以一般人常見膝關節尺寸為參

考，完成專題作品之製作。

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五.參考文獻

[1]全人工關節置換術 陳健煜醫師

http://www.postal.com.tw/%E7%B6%B2%E7%AB%99%E8%A1%9B%E6%95%99

%E5%96%AE%E5%BC%B5/%E9%AA%A8%E7%A7%91/%E4%BA%BA%E5%B

7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E9%87%8D%E5%BB%BA.htm

[2]人工全膝關節置換術 Total knee replacement

http://blog.yahoo.com/_SO2E5UCRX3MVXGZ37A3M7SHQGU/articles/60589

[3]臺北醫學大學附設醫院

http://www.tmuh.org.tw/VS/nursing/pdf/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D

%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%BD%AE%E6%8F%9B%E8%A1%93%E8%A1%

9B%E6%95%99%E6%9C%AC.pdf

[4]醫學百科

http://cht.a-hospital.com/w/%E9%A3%8E%E6%B9%BF%E6%80%A7%E5%85%B3

%E8%8A%82%E7%82%8E

[5]醫學百科

http://cht.a-hospital.com/w/%E7%97%9B%E9%A3%8E%E6%80%A7%E5%85%B3

%E8%8A%82%E7%82%8E#.UZzbuJzapXg

[6]退化性膝關節炎的復健及治療

http://www.kch.org.tw/health/%E9%80%80%E5%8C%96%E6%80%A7%E8%86%9

D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%82%8E%E7%9A%84%E5%BE%A9%E5%81

%A5%E5%8F%8A%E6%B2%BB%E7%99%82.htm

[7]最佳化設計實驗室

http://designer.mech.yzu.edu.tw/

http://www.postal.com.tw/%E7%B6%B2%E7%AB%99%E8%A1%9B%E6%95%99%E5%96%AE%E5%BC%B5/%E9%AA%A8%E7%A7%91/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E9%87%8D%E5%BB%BA.htmhttp://www.postal.com.tw/%E7%B6%B2%E7%AB%99%E8%A1%9B%E6%95%99%E5%96%AE%E5%BC%B5/%E9%AA%A8%E7%A7%91/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E9%87%8D%E5%BB%BA.htmhttp://www.postal.com.tw/%E7%B6%B2%E7%AB%99%E8%A1%9B%E6%95%99%E5%96%AE%E5%BC%B5/%E9%AA%A8%E7%A7%91/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E9%87%8D%E5%BB%BA.htmhttp://blog.yahoo.com/_SO2E5UCRX3MVXGZ37A3M7SHQGU/articles/60589http://www.tmuh.org.tw/VS/nursing/pdf/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%BD%AE%E6%8F%9B%E8%A1%93%E8%A1%9B%E6%95%99%E6%9C%AC.pdfhttp://www.tmuh.org.tw/VS/nursing/pdf/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%BD%AE%E6%8F%9B%E8%A1%93%E8%A1%9B%E6%95%99%E6%9C%AC.pdfhttp://www.tmuh.org.tw/VS/nursing/pdf/%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%BD%AE%E6%8F%9B%E8%A1%93%E8%A1%9B%E6%95%99%E6%9C%AC.pdfhttp://cht.a-hospital.com/w/%E9%A3%8E%E6%B9%BF%E6%80%A7%E5%85%B3%E8%8A%82%E7%82%8Ehttp://cht.a-hospital.com/w/%E9%A3%8E%E6%B9%BF%E6%80%A7%E5%85%B3%E8%8A%82%E7%82%8Ehttp://cht.a-hospital.com/w/%E7%97%9B%E9%A3%8E%E6%80%A7%E5%85%B3%E8%8A%82%E7%82%8E%23.UZzbuJzapXghttp://cht.a-hospital.com/w/%E7%97%9B%E9%A3%8E%E6%80%A7%E5%85%B3%E8%8A%82%E7%82%8E%23.UZzbuJzapXghttp://www.kch.org.tw/health/%E9%80%80%E5%8C%96%E6%80%A7%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%82%8E%E7%9A%84%E5%BE%A9%E5%81%A5%E5%8F%8A%E6%B2%BB%E7%99%82.htmhttp://www.kch.org.tw/health/%E9%80%80%E5%8C%96%E6%80%A7%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%82%8E%E7%9A%84%E5%BE%A9%E5%81%A5%E5%8F%8A%E6%B2%BB%E7%99%82.htmhttp://www.kch.org.tw/health/%E9%80%80%E5%8C%96%E6%80%A7%E8%86%9D%E9%97%9C%E7%AF%80%E7%82%8E%E7%9A%84%E5%BE%A9%E5%81%A5%E5%8F%8A%E6%B2%BB%E7%99%82.htmhttp://designer.mech.yzu.edu.tw/