不同背重率下階梯之生物力學分析
國教輔導團健體領域小組 秀朗國小 劉員池老師
國立台北教育大學 翁梓林教授指導
摘要
目的:比較不同背重率(0%、10%、20%)之下階梯動作在生物力學參數上的差異，包括踝關節角度、膝關節角度、垂直分力、水平分力、垂直衝量、負荷率。方法:研究對象是8位下肢無傷痛病史健康男性(年齡28±3.46歲；身高172.25±3.49公分；體重67.25±5.97公斤)，實驗所使用的階梯為木製階梯(每階長100cm、寬35cm、高20cm)；使用壹台Mega Speed Ms25K高速攝影機(100Hz)及壹台AMTI測力板(1000Hz)，以同步方法擷取雙肩後背方式下階梯動作。影片以Kwon 3D動作分析軟體處理，原始資料經人體肢段參數(BSP)建置、直接線性轉換(DLT)及量化後取得；測力板原始訊號透過DasyLab 6.0分析軟體，經濾波、模組(電壓-力量)校正得到原始三維反作用力，再經由積分運算取得衝量參數；將參數以SPSS for Windows12.0版處理，並以重複量數單因子變異數(α＝.05)進行統計分析。結果:運動學參數方面，踝關節角度隨著背重率提高而減少，且達到統計上的顯著水準(P<.05)；動力學參數方面，垂直分力、水平分力、負荷率均達到統計上的顯著水準(P<.05)。結論:人體在下階梯動作時會受到背重的影響，必須藉由踝關節的背屈來緩衝地面所造成反作用力的衝擊。
關鍵字:下階梯、背重率、衝量
壹、 前言
背包的使用非常普遍，每個人也都幾乎有過使用背包的經驗，尤其是現在的捷運族，在捷運站裡處處可見上班族或是學生族背著背包上下階梯。相子元(1997)指出在人體下肢步行動作中，膝關節與踝關節間的伸展與屈曲動作具有密業的關係，當膝關節屈曲時，踝關節蹠屈；膝關節伸展時，則踝關節背屈，這二者間的關係對減少身體重心位置之垂直方向的偏離，具有相當重要的功用。James and Patrick(1993)指出上階梯和下階梯雙腳支撐期分別佔步態的34%和29%，且下階梯身體質量中心(COM)和壓力中心(COP)的距離差異會比上階梯大，會造成身體易於傾斜。Protopapadaki ,Drechsler ,Cramp ,Coutts, and Scott(2007) 指出下階梯(0.56±0.06m/s)比上階梯(0.49±0.05m/s)的速度快，所佔的步態週期也較短(1.32±0.13s、1.45±0.14s)，因此下階梯時身體的穩定性會比較差。本研究主要以運動學及動力學的參數來探討不同背重率下階梯時下肢關節的變化及地面反作用力的影響。
貳、 實驗方法
本研究以8名無下肢傷痛病史健康男性(年齡28±3.46歲；身高172.25±3.49公分；體重67.25±5.97公斤)為研究對象，實驗所使用的階梯為木製階梯(每階長100cm、寬35cm、高20cm)，背重方式為雙肩後背式且每位受試者的背重為體重倍率(0%、10%、20%B.W)各作三次，取其各背重率的生物力學參數之平均數做為統計分析，實驗前先於參考架上黏貼七個參考點作為直接線性轉換(DLT)之依據，在受試者身體右側主要關節位置黏貼九個反光球。正式實驗開始前，每位受試者均做充分的熱身及練習按照節拍(每分鐘90下，踩踏在拍點上)下階梯動作數次；首先，受試者站於階梯上，上身挺直且手插腰，下肢原地踏步踩在節拍點上，此為本實驗受試者預備動作，聞聽口令後即下階梯，最後右腳踩踏於測力板上，此為動力學參數擷取之依據。
以壹台Mega Speed Ms25K高速攝影機(100Hz)沿受試者矢狀面進行拍攝及壹台AMTI測力板(1000Hz)之實驗儀器，以同步方法擷取下階梯動作之生物力學參數，實驗場地配置圖如圖一。影片以Kwon 3D動作分析軟體處理，原始資料經人體肢段參數(BSP)建置、直接線性轉換(DLT)及量化後取得；測力板原始訊號透過DasyLab 6.0分析軟體，經濾波、模組(電壓-力量)校正得到原始三維反作用力並以體重倍率(B.W)表示之，再經由積分運算取得衝量參數；將參數以SPSS for Windows12.0版處理，並以重複量數單因子變異數(α＝.05)進行統計分析。
圖一 實驗場地
叁、結果與討論
本章節將結果分為運動學及動力學二部份
一、運動學
不同背重率下階梯的運動學參數如下(表一)，包含踝關節角度和膝關節角度。
表一 不同背重率下階梯之運動學參數統計摘要表
|
|
0 %(A)
|
10 %(B)
|
20 %(C)
|
F
|
LSD事後比較
|
|
踝關節
角度
|
110.23
±3.80
|
107.13
±3.40
|
105.47
±2.50
|
8.298*
|
A、B＞C
|
|
膝關節
角度
|
153.77
±4.54
|
154.53
±3.83
|
153.27
±5.86
|
0.174
|
|
註: *P＜.05
在踝關節角度部份有達到統計上的顯著水準(P＜.05)這和林耿彰(2008)不同鞋跟高度下階梯所作的結果相符。因為背重率的增加，為了緩衝地面反作用力對身體所造成的衝擊，利用踝關節的背屈來做因應調節；而膝關節角度未達統計上的顯著水準(P＜.05)，可能的原因是地面反作用力的衝擊力不致於大到須要靠膝 關節的彎曲來做調節緩衝，會發現到這三種背重率下，所造成的膝關節角度平均值是很接近的。
二、動力學
動力學參數如下(表二)，包含最大垂直分力(B.W)、最大水平分力(B.W)、垂直衝量(B.W-s)、負荷率(B.W/s)。
表二 不同背重率下階梯之動力學參數統計摘要表
|
|
0 %(A)
|
10%(B)
|
20 %(C)
|
F
|
LSD事後比較
|
|
最大垂直分力(B.W)
|
1.87±0.26
|
1.71±0.22
|
1.66±
0.16
|
8.169*
|
A＞B、C
|
|
最大水平分力(B.W)
|
0.18±0.05
|
0.15±0.03
|
0.14±0.03
|
7.946*
|
A＞B、C
|
|
垂直衝量(B.W-s)
|
0.66±0.04
|
0.67±0.04
|
0.68±0.05
|
0.743
|
|
|
負荷率(B.W/s)
|
14.66±1.39
|
13.26±1.31
|
12.03±0.68
|
7.753*
|
A＞B、C
|
註: *P＜.05
由表二得知最大垂直分力(B.W)、最大水平分力(B.W)、負荷率(B.W/s)均有達到統計上的顯著水準(P＜.05)，隋著背重率的增加，這三個參數反而呈現降低的情況，可能的原因是受試者在背重的預期心理下，為了保持下階梯時的穩定度，而增加了踝關節的背屈角度所造成的結果；而垂直衝量有隋著背重率的增加而增加，但未達統計上的顯著水準(P＜.05)，可能是著地時間隋著背重率的增加而增加，才會造成垂直分力和衝量有不同的結果。
肆、結論與建議
人體在下階梯動作時會受到背重的影響，必須藉由踝關節的背屈來緩衝地面所造成反作用力的衝擊。建議將來的研究方向可朝向下肢關節內力著墨，將可使此研究更趨完整。
伍、參考文獻
林耿彰(2008)。不同鞋跟高度下階梯之生物力學分
析。未出版博碩士論文，國立台北教育大學，台
北市。
相子元(1997)。足部運動生物力學研究。財團法人鞋
類設計暨技術研究中心委託學術機構研究報告。
James & Patrick (1993). Knee kinematics and kinetics during locomotor activities of daily living in subjects with knee arthroplasty and in healthy control subjects. Phys. Ther, 73 (4), 229-238.
Protopapadaki ,Drechsler ,Cramp ,Coutts, and Scott(2007). Gait analysis, Normal and pathological function. NJ :Slack Incorporated.