人類膝關節可以利用極心線來呈現它的運動特性。傳統方法係利用拍攝膝關節運動時之連續X光片來求取其極心線。本研究利用市售的數位相機拍攝連續的照片，提供一種對身體無害的方法求取極心線，為了降低膝關節運動時，因為其他肢體的移動造成的量測誤差，本研究設計一個特殊的實驗椅，可將人體軀幹與大腿固定在實驗椅上。另外又設計一固定小腿與腳掌的夾具，除了可固定小腿與腳掌之外，還能將特徵點標示於上面，以利於擷取特徵點的座標位置。最後將擷取的特徵點數據利用兩種曲線擬合法及微分法，便可求得較平滑的膝關節連續極心線。

The kinematics characteristics of the human knee joint can be represented by its centrodes. This paper provides a method, called the photograph method, to construct the centrodes by using commercial digital camera to take the sequential pictures. In order to eliminate the undesired movements, a testing chair and a brace are specially designed. Two types of curve fitting methods are introduced to smooth the measured data. The differential method is applied to construct the centrodes of knee joints from the measured data. This paper provides a safe way to measure the centrodes of human knee joints.

誌謝 i
中文摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖次 vi
表次 viii
第 一 章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文架構 6
第 二 章 人工膝關節 7
2.1 人體膝關節之構造 7
2.2 人體步態 9
2.3 人工膝關節的使用現況及市場情形 10
第 三 章 基本理論 14
3.1 極心及極心線之基本定義 14
3.2 利用電腦輔助計算極心線之求解方法 15
3.2.1 相鄰分離位置中垂線法 15
3.2.2 曲線擬合法線法 15
3.3 座標轉移及剛體位移 18
3.4 滑動率 20
第 四 章 研究方法及實驗結果 22
4.1 實驗規劃 22
4.2 正常人類膝關節運動量測 24
4.2.1 自力抬腳運動量測 25
4.2.2 外力抬腳運動量測 31
4.3 手術後假體膝關節運動量測 37
4.4 固定極心線之特徵值 41
第 五 章 結論與建議 43
參考文獻 45

[1]“Advantim Total Knee System,” Product Report, Wright Medical Technology, Inc., 2009.
[2]Ecsedi, I., “On Some Relationships of Spherical Kinematics,” Journal of Computational and Applied Mechanics, Vol. 4., No.2., 2003, pp.119-127.
[3] Frankel, V.H., Burstein, A.H., and Brooks, D.B., “Biomechanics of Internal Derangement of the Knee: Pathomechanics as Determined by Analysis of the Instant Centers of Motion,” The Journal of Bone and Joint Surgery, 1971, 53: 945-977.
[4]Freudenstein, F. and Woo, L. S., “Kinematics of the Human Knee Joint,” Bulletin of Mathematical Biophysics, Vol.31, 1969.
[5]Figliolini, G. and Angeles, J., “The Synthesis of the Pitch Surfaces of Internal and External Skew- Gears and Their Racks,” Transactions of the ASME, Journal of Mechanical Design, Vol.128, 2006, 794-802.
[6]Green, M.P. and Radcliffe, C.W., “Technical Report on the TGK-5PS0SLK, TGK-5PS0 and the TGK-50S0 PC Knee Units,” DAW Industries Inc. technical report, 2003.
[7]Hall, A.S., Kinematics and Linkage Design, Waveland Press, 1986.
[8]Hobson, D.A. and Torfason, L.E., “Optimization of Four-Bar Knee Mechanisms-A Computerized Approach,” Journal of Biomechanics, Volume 7, Issue 4, 1974, pp. 371-376.
[9] Hollman, J. H., Deusinger, R.H., Van Dillen, L.R., and Matava, M.J., “Knee Joint Movements in Subjects Without Knee Pathology and Subjects With Injured Anterior Cruciate Ligaments,” Physical Therapy, Volume 82. Number 10, 2002, pp.960-972.
[10]Hwang, W.M. and Fan, Y.S., “Polynomial Equations for the Loci of the Acceleration Pole of a Slider Crank Mechanism,” Mechanism and Machine Theory, 43, 2008, 123–137.
[11]Lin, C.C., “Complete Solution of the Five-Position Synthesis for Spherical Four Bar Mechanism,” Journal of Marine Science and Technology, Vol. 1, No. 6, 1998, pp.17-27.
[12] Litvin, F. L., Gonzalez-Perez, I., Yukishima, K., Fuentes, A., and Hayasaka, K., “Generation of Planar and Helical Elliptical Gears by Application of Rack Cutter, Hob, and Shaper,” Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 196, 2007, 4321–4336.
[13]Menschik, A., “Prosthetic Knee Joint for Attachment to a Natural or Prosthetic Leg,” US Patent 3969773,1976.
[14]Muggleton, J. M. and Allen, R., “Insights into the Measurement of Vertebral Translation in the Sagittal Plane,”Medical Engineering & Physics, 20, 1998, 21–32.
[15] Rousseau, M., Bradford, D.S., Bertagnoli, R., Hu, S.S., and Lotz, J.C., “Disc Arthroplasty Design Influences Intervertebral Kinematics and Facet Forces,” The Spine Journal 6, 2006, 258–266.
[16]Scheiber, E. and Lupu, M., “Numerical solutions to inverse problems of general planar motion,”Computational Methods Applied Mechanical Engineering, 146, 1997, 197-214.
[17]Stark, G., “Overview of Knee Disarticulation,” Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol.16, Number 4, 2004, pp.130-137.
[18]Thomas, C. and Michaud, “Foot Orthoses and OtherForms of Conservative Foot Care,” Williams&Wilkins, pp.28, 1993.
[19]Van de Vee, P.G., “Swivel Connection Between Two Parts of an Orthopedic Technical Aid,” US Patent5181931, 1993.
[20]Vujić, D. and Radojković, S., “Synthesis Procedure of Planar Bar Linkages in Infinitesimally Close Position,” FACTA UNIVERSITATIS Series: Mechanical Engineering, Vol.1, No 7, 2000, pp.835–848.
[21]Wu, T.M. and Chen, C.K., “Computer-Aided Curvature Analyses of Planar Four-Bar Linkage Mechanism,” Applied Mathematics and Computation 168, 2005, 1175–1188.
[22]內政部社會司老人福利資料。
[23]林志持、何應勤，以虛連桿法圖解部份十連桿以下具運動不確定性機構之瞬心，中山大學機械與機電工程研究所碩士論文，2005年。
[24]工研院IEK美國骨科醫療器材市場現況分析報告，2008年。
[25]黃炫迪，淺論人工關節材質與技術的新發展，高醫醫訊，23卷8期，2004年1月。
[26]黃文敏，平面連桿機構加速度極心之特性研究，國科會成果報告，2006年。
[27]蔣君宏，高等機動學，美商麥格羅•希爾出版，1997年。
[28]徐正會、賴維治，“膝關節之步態運動分析，”第四屆精密機械製造研討會，台北市，台灣，2004年11月13日。
[29]徐正會、許正誠，“球面人工膝支架之研發，”第六屆機構與機械設計學術研討會暨海峽兩岸機構學學術研討會，雲林，台灣，2003年11月28日。
[30]徐業良、呂東武，新型人工全膝關節之設計，國科會成果報告，2001年。
[31]蔡穎堅、黃庭偉，“機械狗腿部機構設計，＂第八屆全國機構與機器設計學術研討會論文集，台北市，台灣，2005年12月2日，pp.260-266。
[32]蔡穎堅、陳昱廷、錢志回、謝忠明，2006年，“下肢障礙者步行輔具機構概念設計，”第九屆全國機構與機器設計學術研討會暨2006年海峽兩岸機構學術研討會，高雄市，台灣，11月10日，A-028。
[33]游祥明等，解剖學，匯華圖書出版，1998年。
[34]顏鴻森，機構學，東華書局出版，1997年。
[35]楊峻閔、黃金沺，平面四連桿有限位移極心曲線之研究，成功大學機電工程研究所，碩士論文，2003年。
[36]王勵群，具不確定性之平面連桿機構瞬心位置解析解法之研究，國科會成果報告，2008年。
[37]王文瑜，不同連續被動式復健裝置對膝關節運動學分析及皮膚長度之探討，國立陽明大學復健科技輔具研究所，碩士論文，2004年。
[38]于振東，高彎曲型全人工膝關節之動作分析，中國醫藥學院醫學研究所，碩士論文，2003年。