助行矯具之最佳化設計－以個人化旋進助行器之接地板間距為例
長庚大學 物理治療學系 鄭智修 98.12.25
助行矯具(gait orthosis)是臨床上常提供給下肢癱瘓病人行走的復健器材。常
見的形式如髖膝踝足矯具(hip-knee-ankle-foot orthosis)與交替式助行矯具
(reciprocal gait orthosis)等。其目的不僅在於滿足復健治療上的需求，也提供病人
生活上更多的自主性。然而病患在體能上的消耗，卻一直是使用此類助行矯具最
大的限制。旋進助行器(swivel walker)則是一種國內較少使用、卻相當有特色的
助行矯具。利用左右擺動的方式，在單邊腳騰空的瞬間旋轉整個支架、以跨出一
步。整體步態看起來就是像企鵝走路般，搖搖擺擺、一小步一小步地向前移動。
旋進助行器具有操作簡單、耗能低等優點，而框架式的設計，則提供了極佳的穩
定度，所以不須配合枴杖的使用，可空出雙手從事其他的活動。因此適用的病患
範圍很廣，即使下半身與腹部肌群完全癱瘓的病患、甚至是小至一歲的兒童病患
亦可訓練使用。目前臨床上，以兒童神經肌肉型疾病患使用者最多，如脊椎裂
(spinal bifida)、脊髓性肌肉萎縮症(spinal muscular atrophy)、多發性硬化症(multiple
sclerosis)、肌肉失養症(muscular dystrophy)等 [1]。因為兒童能享受這種不同的移
動方式所帶來的樂趣，接受度較一般成人來得高。
旋進式助行器的主體結構為一個框架(frame)，將軀幹與下半身穩穩地固定
住。其下層結構則包含由踏板(base plate)和接地板(foot plate)所組成之旋轉機構。
透過重心偏移的設計，使用者只要能夠將身軀左右擺動，加上一點點前傾或後仰
的動作，就能夠控制自己前進或後退。之前的研究曾經提出，接地板的間距應約
為病患身高的1/5，以達到最佳的省力效果 [2]。然而這樣的建議只是粗略地以
臨床經驗設定1/4、1/5、1/6 三個尺寸間的比較，並沒有進一步探討旋進機制對
於步態上的助益，或是量化病患身高與接地板間距的關係。因此我們提出一項研
究，分析病患使用旋進助行器時的動態穩定性與能量消耗等議題。能夠幫助臨床
人員決定適合的接地板的間距，並可用以設定個人化的參數、滿足不同個體的需
求 [3]。
在研究的方法部分，需透過力學分析與數學模型的建立。我們以簡化的倒
單擺模型(inverse pendulum model)來探討使用旋進助行器時的冠狀平面運動。因
為病患在操作旋進助行器時，主要動作是交替用力將身體擺向左右兩側，而橫切
平面的跨步運動則是由於重力向前偏移，將側向擺動的機械能轉化為前進的動力
(見圖一)。透過力學的分析，我們可以得知旋進助行器之所以能夠減少行走過程
中的能量消耗，主要是冠狀平面上的運動會有身體重心上升的情形，因此可以將
人體擺動的動能以位能的方式儲存，而在接下來的動作中釋放出來以維持運動的
狀態，這種活動形式就如同彈簧的簡諧運動。因此我們進一步用簡單的數學模
型，描述運動過程中的動態穩定度與能量消耗情形。這個模型包含了旋進助行器
的各項尺寸、人體最大出力之能力、以及基本身高體重等各種參數。假設最佳化
的條件為使得行走時的能量消耗為最低，則我們可以建立旋進助行器參數和人體
參數之間的關係。這項結果可依據不同的需求來定義個人最佳化的設計參數。因
此能夠更有效地利用機械動力降低病人行走時的能量消耗。為了方便臨床上使
用，我們也訂出了一般約4~10歲小兒病患(身高範圍為75~145公分、體重為15~45
公斤)所適用的接地板間距對照圖 (見圖二)。
這個研究以簡單的動態模型，分析旋進機制如何提供一個省力穩定的步
態。希冀能夠引發更多臨床或是工程人員對於助行矯具的設計想法，跳脫出一般
行走方式的限制框框。期待有新的概念創意不斷地被提出，提供下肢癱瘓病患更
多的選擇，達到最佳的復健目標。
參考文獻
[1] Stallard J, Lomas B, Woollam P, Farmer IR, Jones N, Poiner R, et al. New technical advances in
swivel walkers. Prosthet Orthot Int 2003; 27: 132-138.
[2] Stallard J, Farmer IR, Poiner R, Major RE, Rose GK. Engineering design considerations of the
ORLAU Swivel Walker. Eng Med 1986; 15: 3-8.
[3] Cheng CH, Chang LW, Lin KH. Determination of Foot-Plate Spacing for Swivel Walkers by an
Optimization Method. Biomedical Engineering- Applications, Basis & Communications 2009 (in
press).
