王茂駿952221E007034MY3(第1年)

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Unformatted text preview: 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 □成果報告 ˇ □期中進度報告 探討在個人因素、鞋具及負重等因子影響下的 最適行走速度(1/3) 計畫類別:□ 個別型計畫 □ 整合型計畫 ˇ 計畫編號:NSC 93-2221 -E-007-034 執行期間:95 年 08 月 01 日 至 96 年 07 月 31 日 計畫主持人: 王茂駿 教授 共同主持人: 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 ˇ 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 □完整報告 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:國立清華大學工業工程與工程管理學系 中 華 民 國 96 年 1 5 月 24 日 【第一年成果報告】 中文摘要 本研究探討行走速度變化、個人因素(年齡與性別) 、穿鞋與負重等因子對於各項指標 (生物力學、生理及心理物理指標)的影響。在第一年的計畫中,討論不同的行走速度對 於各個指標的影響,著重於比較不同性別之間差異,採用二因子不完全隨機實驗設計,其 中獨立變項為性別和速度等級(3、4 和 5 km/hr) ,依變項為肌肉活動度、地面反作用力、 關節活動角度、心搏率和主觀不舒適度。30 位健康受試者(男女各半)參與實驗,研究結 果發現不同的行走速度對於全身、臀部、大腿前側和後側、以及小腿後側部位之不舒適度 的程度有顯著的差異。此外,隨著行走速的增加,肌肉活動度、關節活動角度和地面反作 用力也相對的提升,在肌肉活動度方面:背直肌、股二頭肌、內側腓腸肌的肌肉活動度有 顯著的增加;在關節角度方面,腰椎的關節活動角度有顯著的增加;在地面反作用力方面, 其值在步態週期中的負荷期和站立中期皆有明顯的增加。在性別差異方面,研究結果顯示 女性在脛前肌的肌肉活動度、踝關節的活動角度、地面反作用力以及心搏率皆大於男性。 英文摘要 The purpose of this study aims to evaluate the relationships between walking speed and human responses by the criteria of biomechanics, physiological and psychophysical measures. In the first stage, the effect of speed and gender on subjective perceived exertion, muscle activity, joint motion of lower extremity, vertical ground reaction force and heart rate were discussed during barefoot walking. Thirty healthy young adults (15 females and 15 males) were recruited to participate in this study. Two-factor analysis of variance with incomplete design was employed. The results indicated that walking speed had significant influence on perceived exertion of whole body, as well as the buttock, rear thigh, front thigh and rear shank areas ( p < 0.05). Increased walking speed caused significant increase in the muscle activities of lumbar erector spinae, biceps femoris, andmedial gastrocnemius, lumbar motion, as well as the vertical ground reaction force in the loading response and mid-stance phases. For gender effect, females showed significantly higher tibialis anterior muscle activity, ankle motion, vertical ground reaction force and average heart rate than males. 2 一、 前言 行走是人類重要功能性動作也是身體各系統協調的結果。行走結合了頭部、軀幹及上 肢的自然擺動、骨盆腔的轉動以及髖、膝與踝關節的屈伸律動,這整個感覺動作系統協調 的結果,靠著精密的神經系統控制著下肢的肌肉骨骼系統來共同完成 (Vaughan, 1992)。步 態的特徵常作為臨床評估下肢肌肉骨骼病變的重要指標,同時亦為醫生及治療師選擇治療 方式和觀察復健療程成功與否的依據。過去有許多研究針對生物學、生物力學、運動學、 和動力學的觀點來分析與討論步態的特徵,但卻缺乏對於步態行為在心理物理學觀點上的 相關研究。 在心理物理學方面,即是從心理層面來獲得主觀的身體感受,例如運動自覺量表 Rating ( of Perceived Exertion,RPE)。運動自覺量表是一種以主觀的感覺來評估身體對於壓力、出 力程度和疲勞等感受的綜合評量指標(Robertson et al., 2000)。本研究所採用 Borg CR-10 量 是一種以十級評分的心理物理評量表,此量表已被檢驗出具有良好的信效度以及高的組內 相關係數 並與許多的生理指標間呈現顯著的高度相關 例如與耗氧量的相關性為 0.41-0.60 , , (p<0.001),與心搏率相關性為 0.26-0.60 (p<0.01) (Utter et al., 2002; Chen et al., 2002)。 行走速度會影響到整個步態的時間、步伐距離、能量消耗與肌肉活動等。Perry(1992)指 出隨著下肢移動速度的增加,步伐的距離會變長,擺動期和站立期的時間比率在整個步態 週期中則會減少。然而,過去的實驗多以能量消耗的觀點來探討與定義個人的最佳行走速 度,但是以最低能量消耗時的行走速度是否在生物力學、肌肉生理學及心理物理指標有會 有一致性結果仍有待商榷。此外,性別差異亦是影響步態特徵的重要因子,例如 Ferber 等 人(2003)指出在行走時女性臀部的角速度和關節角度(例如:臀部的內旋和內收)的變化明顯 大於男性。 藉由相關文獻的整理,了解步態的表現會因為年齡和性別與行走速度快慢而造成不同 的結果。本研究期望透過更完整的多項指標來深入了解個人因素與行走速度之間的關係, 並觀察下肢關節活動度、肌肉電位訊號、地面反作用力、心搏率和全身、局部和足底不舒 適度等各項生物力學、生理與心理物理指標的關係,以提供臨床復健、工作負荷評估及鞋 具設計相關之參考。 3 二、研究方法 2.1 受 試者 30位健康受試者(男女 各半) 參 加實驗,所有受試者均須符合無下肢 神 經、肌肉骨 骼等疾病或傷害。每一種速 度 等級(3、4和5 km/hr)皆有10位受試者(男 女 各半) 參 與 實驗,實驗過程中記 錄了 受試者的基本資料 並 量 測各項人體計測值,例 如:年 齡、性別、 體重、大腿長、小腿長、膝寬、以及各項足部尺寸(請 參見 表一)。 表 1 各受試者群的基本資料與人體計測值之平均值與標準差 速度 (km/hr) 個數 年齡 (yr.) 25.1 (2.0) 25.0 (2.3) 24.2 (1.8) 身高 (cm) 165.9 (7.8) 167.5 (9.2) 164.7 (6.0) 體重 (kg) 58.2 (9.1) 59.4 (9.4) 57.1 (9.2) 大腿長 小腿長 (cm) (cm) 38.2 (2.5) 38.5 (2.9) 38.7 (2.1) 38.2 (3.0) 39.6 (3.7) 37.8 (2.6) 膝寬 (cm) 10.5 (0.9) 10.7 (0.6) 9.8 (1.1) 踝寬 (cm) 6.6 (0.8) 6.6 (0.9) 6.2 (1.1) 腳寬 (cm) 9.5 (0.4) 9.6 (0.7) 9.3 (0.9) 踝高 (cm) 6.8 (0.4) 6.6 (0.9) 6.7 (1.0) 內側足 外側足 足跟寬 長(cm) 長(cm) (cm) 23.1 (1.8) 23.7 (2.1) 23.2 (1.9) 19.8 (1.5) 19.8 (2.1) 19.4 (1.7) 5.2 (0.7) 5.4 (1.1) 5.0 (1.0) 3 10 4 10 5 10 2.2 實 驗設計 為了減少實驗的次數,本研究採用二因子不完全隨機實驗設計,30 位受試者依性別隨 機的分配到各個速度等級實驗中,進以減少受試者間的差異。在實驗設計方面,獨立變項 為性別和速度等級(3、4 和 5 km/hr) ,依變項為下肢肌肉活動度、地面反作用力、關節活 動角度、心搏率和主觀不舒適度。 2.3 實 驗儀器與量測變項 2.3.1 肌 肉電位訊號儀 (electromyography, EMG) 藉由肌肉電位訊號的蒐集可反映出肌肉在步態中的活動度高低。本研究採用無線肌肉 電位訊號儀(TeleMyo 900,Noraxon)來量測脛前肌(tibialis anterior)、腓腸肌(gastricnemius)、 股直肌(rectus femoris)和股頭肌(bicieps femoris)以及左右背直肌(lumbar erectors)等 6 個肌 群。資料擷取頻率為 1000 Hz,資料處理採用帶狀濾波(即低通濾波為 600 Hz、高通濾波為 4 6 Hz)。在進行實驗前,每位受試者必須量測最大自主收縮(maximal voluntary contraction ,MVC) 時的電位訊號 EAMax 以及休息時的肌肉電位訊號 EArest。肌肉進行活動時的電位訊 號為 EA,再利用 EAMax 和 EArest 進行正規化,以求出正規化的肌肉電位訊號 sEA%。其詳 細的計算公式如下所示: 2.3.2 動作分析儀 動作分析儀是由 6 組紅外線攝影機與訊號處理器、反光球與軟體(Proreflex MCU 240, Qualysis)所組成的,用來紀錄行走時腳踝、膝蓋、大腿等下肢部位的關節活動角度,並且 運用 3D 視覺化軟體(C-motion Inc.)來計算各個關節角度。採用 Helen Hayes 的標記模式,將 32 個反光球固定於人體的活動關節,以紅外線攝影機追蹤紀錄每一個反光球的三度空間位 置,進以分析人體的動作姿勢。紅外線攝影機捕捉動作的頻率為 120 Hz,資料處理採用高 通濾波為 6 Hz。用此系統來量測走路時,腰椎、右臀、右膝和右踝的關節角度變化。 2.3.3 地 面反作用 力 運用測力板(Kistler 9281 B, Switzerland)來紀錄足部施於垂直地面的反作用力。在整個 行走的週期,最大垂直反作用力(FZ1)出現在初期著地期,最小垂直反作力(FZ2)則出現在站 立中期(mid-stance),第二大垂直反作用力(FZ3)出現在擺盪初期。資料採樣頻率為 400 赫茲 ,以個人的體重來標準化垂直的反作用力,並以體重百分比( ﹪BW, percent of body weight) 來表示。 2.3.4 心 搏儀 採用芬蘭製的 POLAR VANTAGE NVTM 錶型心搏率量測儀,記錄受試者活動時的心 搏率。Polar 錶型心搏率偵測器透過繫於胸前的訊號傳送帶,將訊號傳送帶所偵測到的訊號 傳送到手錶記錄器,資料採樣頻率為(每 5 秒一次)。 2.3.5 運 動自覺 量 表 Borg CR-10 量表用來衡量全身和局部的主觀不舒適度(請參見圖 1)。在局部不舒適的問 5 卷設計,我們將身體劃分成上背、下背、臀部、大腿後側、大腿前測、膕窩、膝蓋、小腿 後側和小腿前側等 10 個區域分別進行調查 Borg CR-10 量表是一種十級分的心理物理評量 。 表,以數字 0 代表沒有不舒適感至數字 10 強烈不舒適等級。每一個受試者運用這 10 個級 分來表達其對於物理壓力和疲勞的感受。 圖 1 調查全身和局部主觀不舒適度之量表 2.4 實 驗 流 程 實驗開始前先帶領受試者了解實驗的過程與內容,其後填寫個人基本資料和量測人體 計測資料。隨機決定三種行走速度(3、4 和 5 km/hr)的前後順序,受試者先在跑步機上行走 5 分鐘,研究人員從旁使用節拍器擷取其行走的節奏後,再請受試者按照先前擷取的節拍 換至平地再繼續行走 5 分鐘。在地面行走的過程中擷取步態動作,並量測行走時心搏率、 下肢肌肉的肌肉電位訊號和地面反作用力。最後再填 Borg CR-10 量表以評估全身和局部等 部位之不舒適度程度。 2.5 數 據分析 運用 SPSS 統進軟體進行數據分析,以多變量分析(Analysis of variance)來分析行走速度 和性別因子對於主觀和客觀數據的影響,並以 Duncan’s multiple range tests 進行事後檢定。 6 三、研究結果 3.1 行 走速 度 的影響 行走速度對於主觀不舒適度、肌肉電位訊號、關節活動角度、地面反作用力以及心搏 率的影響如表 2 所示。在主觀不舒適方面,不同的行走速度對於全身、臀部、大腿前側和 後側、以及小腿後側部位之不舒適度的程度有顯著的差異;在肌肉電位訊號方面:速度對 於背直肌、股二頭肌和腓腸肌皆有顯著的影響;在關節活動角度方面,速度對於腰椎的關 節活動度有顯著的差異;在地面反作用力方面,行走速度對於 FZ1 和 FZ2 皆有顯著的影響。 表 2 變異數分析結果 獨立變數 量測值 全身 上背部 中背部 下背部 運動自 覺量表 臀部 大腿前側 大腿後側 膝膕 膝關節 小腿後側 小腿前側 背直肌 肌肉電 位訊號 股二頭肌 股直肌 腓腸肌 脛前肌 腰椎 關節活 動角度 臀部 膝關節 踝關節 地面反 作用力 心搏率 FZ1 FZ2 FZ3 速度 p-value .008* .243 .197 .349 .048* .007* .002* .704 .566 .012* .284 .036* .006* .426 .031* .105 .049* .405 .976 .328 .000* .002* .513 .182 性別 p-value .204 .136 .080 .021* .052 .034* .603 .953 .498 .926 .513 .654 .166 .061 .379 .027* .769 .185 .910 .020* .002* .791 .007* .027* * 表具有顯著的差異 p < 0.05 7 表 3 為行走速度對於各個反應變數的平均值和標準差以及其事後檢定 Duncan’s multiple range tests 的結果。圖 2 為行走速度對於主觀自覺量表、肌肉電位訊號、關節活動角度、地 面反作用力以及心搏率的影響 在主觀自覺量表方面 其結果顯示以當受試者在 4 和 5 km/hr 。 : 行走時,全身的不舒適度明顯大於 3km/hr,但是在 4 和 5 km/hr 之間則無顯著的差異,在 局部的不舒適度方面,行走速度 5 km/hr 時的臀部、大腿前側、大腿後側和小腿前側的不舒 適度則明顯大於 3 和 4 km/hr。在肌肉電位訊號方面:在行走速度 5 km/hr 時,背直肌、股 二頭肌和腓腸肌明顯大於 3 和 4 km/hr。在地面方作用力方面:在行走速度 3 km/hr 時,FZ1 明顯小於 4 和 5 km/hr,但 FZ2 則大於 4 和 5 km/hr。在心搏率方面,心搏率會隨著行走速 的增加而增加,但是行走速度所造成的差異並不顯著。 表 3 事後檢定結果 量測值 全身 上背部 中背部 下背部 運動自 覺量表 臀部 大腿前側 大腿後側 膝膕 膝關節 小腿後側 小腿前側 背直肌 肌肉電 位訊號 股二頭肌 股直肌 腓腸肌 脛前肌 腰椎 關節活 動角度 地面反 作用力 (%BW) 臀部 膝關節 踝關節 FZ1 FZ2 FZ3 p-value .008* .243 .197 .349 .048* .007* .002* .704 .566 .012* .284 .036* .006* .426 .031* .105 .049* .405 .976 .328 .000* .002* .513 .182 速度(km/hr) 3 0.9 (0.55) a. 4 2.2 (1.20) 0.1 (0. 51) 0.0 (0.0) 0.7 (1.5) 0.1 (0.23) 0.2 (0.35) 0.1 (0.27) 0.1 (0.37) 0.4 (0.89) 0.7 (1.03) 0.1 (0.35) 4.0 (1.12) 5.3 (3.13) 6.3 (4.05) 18.4 (4.70) 9.0 (4.88) 11.3 (3.46) 44.9 (3.31) 65.3 (3.26) 36.4 (3.27) 120 (12) 80 (6) 120 (7) 101.5 (9.0) 5 2.1 (1.00) 0.3 (0.55) 0.3 (0.68) 0.7 (0.88) 0.3 (0.55) 0.6 (0.72) 0.9 (0.76) 0.2 (0.40) 0.5 (0.67) 1.7 (1.20) 0.2 (0.89) 9.6 (7.02) 8.9 (3.82) 8.2 (6.68) 27.4 (9.40) 15.3 (9.94) 18.0 (8.87) 47.8 (2.7) 65.3 (3.13) 36.2 (3.52) 130 (8) 70 (9) 121 (15) 106.0 (9.0) 0.1 (0.24) 0.1 (0.28) 0.6 (0.35) 0.1 (0.19) 0.1 (0.27) 0.1 (0.17) 0.1 (0.23) 0.4 (0.69) 0.3 (0.32) 0.1 (0.28) 5.0 (3.53) 4.5 (1.50) 4.9 (4.48) 20.1 (6.90) 11.0 (3.91) 12.1 (4.81) 45.0 (3.59) 65.7 (4.51) 36.3 (3.69) 110 (7) 90 (5) 119 (13) 96.9 (12.2) 心搏率 (beats/min) * 表具有顯著的差異 p < 0.05;()內為標準差。 8 (a) Rating 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 front thigh 0.0 3 (b) sEA 30 25 20 15 10 5 0 3 4 5 Speed (km/h) overall body buttock rear thigh rear shank 4 5 Speed km/h (c) medial gastrocnemi us biceps femoris lumbar erectors Degree ( ) 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 3 4 5 Speed (km/h) o lumbar (d) BW 160% 120% 80% 40% 0% 3 4 5 Speed (km/h) Fz1 (e) Beat/min 110.0 100.0 female Fz2 90.0 3 4 5 male Speed (km/h) 圖 2 行走速度對於(a)主觀自覺量表、(b)肌肉電位訊號、(c)關節活動角度、(d)地面反作用力 以及(e)心搏率的影響。 3.2 性 別差 異 的影響 表 4 顯示出男女受試者在年齡、身高、體重、步頻和相關人體計測的平均值和標準差 。男女受試者在年齡和步頻之間並沒有顯著的差異,但是身高和體重卻有著顯著的差異。 女性平均身高為 161.6cm、平均體重為 50.5kg,而男性身高為 171.0cm、體重為 64.7kg。 9 表 4 男女受試者群的基本資料與人體計測值之平均值與標準差 性別 女性 男性 個數 10 10 年齡 (yr.) 15 15 .13 身高 (cm) 24.2 (1.8) 25.3 (2.1) .00* 體重 (kg) 161.0 (5.5) 171.0 (6.0) .00* 大腿長 小腿長 (cm) (cm) 50.5 (5.5) 64.7 (6.1) .39 119.3 (15.9) 114.6 (13.4) .15 膝寬 (cm) 37.8 (2.6) 39.1 (2.1) .00* 踝寬 (cm) 36.6 (2.8) 40.5 (2.1) .29 腳寬 (cm) 10.1 (1.0) 10.5 (0.9) .00* 踝高 (cm) 5.8 (0.8) 7.1 (0.4) .00* 內側足 外側足 足跟寬 長(cm) 長(cm) (cm) 9.0 (0.4) 10.0 (0.5) .01* 6.4 (0.9) 7.1 (0.5) .00* 21.9 (0.9) 24.7 (1.5) .00* p-value * 表具有顯著的差異 p < 0.05 (a) Ratings 1.0 female 0.5 male 0.0 lower back (b) sEA 20 rear thigh Regions (c) Degree ( ) 40.0 35.0 female o 15 10 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 ankle female male 5 male 0 tibialis anterior Joint (d) BW 160% 120% (e) Beat/min 110.0 female 80% 40% 0% Fz1 Fz3 female 100.0 male 90.0 Average heart rate male 圖 3 性別在(a)主觀自覺量表、(b)肌肉電位訊號、(c)關節活動角度、(d)地面反作用力以及(e) 心搏率的差異。 10 在人體計測值方面,除了大腿長以及膝寬之外,男女受試者在下肢的各個人體計測值 皆存在有顯著的差異。由表 2 和圖 3 中可得知,男女在運動自覺量表中的下背部和大腿後 側有顯著的差異,且女性主觀不舒適程度明顯大於男性。此外,女性在脛前肌的肌肉活動 度、踝關節的活動角度、地面反作用力以及心搏率皆大於男性 11 四、結 論 在 本年度的計畫中,討論不同的行走速度和性別差異對於各個指標的影響,其研究結 果發現行走速度對於下肢肌肉活動度、地面反作用力、關節活動角度皆有顯著的影響,且 生理、運動學、動力學和心理物理學指標之間皆存有密切的關係。此外,當行走速度增加 時,男女選擇增快速度的策略也有所差異,女性傾向於增加步長來增快行走速度,因此女 性會產生較大的下肢的肌肉活動度和地面反作用力。 下一年的計畫預計將延續第一階段的實驗,將實驗討論的因子擴大,進一步的討論年齡 和鞋具對於各個指標(生物力學、生理及心理物理指標)的影響,以期能更完整的了解行 走速度變化、個人因素(年齡與性別) 、穿鞋與負重等因子對於各項指標的影響。 參考文獻 1. Chen, M.J., Fan, X., Moe, S.T. (2002) Criterion-related Validity of the Borg Ratings of Perceived Exertion Scale in Healthy Individuals: a Meta-analysis. Journal of Sports Sciences, 20, pp.873-899. 2. Utter, A.C., Robertson, R.J., Nieman, D.C. Kang, J. (2002) Children's OMNI Scale of Perceived Exertion: Walking/Running Evaluation. Medicine and Science in Sports and Exercise, 34(1), pp.139-144. 3. Vaughan, C.L., Davis, B.L., O’Connor, J.C. (1992) Dynamics of Human Gait. Illinois, Champaign: Human Kinetics Publishers. 4. 5. Perry, J. (1992) Gait analysis: Normal and pathological function. NJ: Slack Incorporated. Ferber, R., Mc Clay, D.I., Williams, D.S. (2003) Gender Differences in Lower Extremity Mechanics during Running. Clinical Biomechanics, 18, pp.350-357. 6. Robertson, R.J., Moyna, N.M., Swaed, K.L., Millich, N.B., Goss, F.L., Thompson, P.D., (2000) Gender Comparison of RPE at Absolute and Relative Physiological Criteria. Medicine and Science in Sports and Exercise, 32, pp.2120-2129. 12 ...
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This note was uploaded on 11/27/2009 for the course IM MA420 taught by Professor Mar,lee during the Spring '09 term at National Taiwan University.

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