本節說明四個測驗動作經過儀器擷取後所進行的資料處理,以及如何分期、定義成 所測量之參數。
一、資料處理與分析
以 Vicon Nexus 軟體擷取資料後,同樣利用 Vicon Nexus,將資料中受試者身上之所 有關節點(marker)進行命名(labeling),並儲存成為.cmo 檔。
接著以 Visual3D v5 軟體,依據來自 Vicon Nexus 之靜態檔中命名完成的關節點位置,
建置人體動作模型,再匯入動態檔案作分析。分析的動作共有如下幾點:
(一) 資料的濾波:運動學資料以 6 Hz 之低通濾波(lowpass filtering)進行處理;
動力學資料以 12.53 Hz 之低通濾波進行處理(S. E. Ross, Guskiewicz, & Yu, 2005)。
(二) 時點的標記:利用軟體內建的資料處理工作站(pipeline workshop)中之 Event Creation 功能,進行時點標記。
(三) 資料匯出:將濾波、標記完成之所需運動學與動力學資料匯出成為.txt 檔,
以進行後續運算。
將從 Visual3D 匯出後之檔案以 Microsoft Excel 2010(簡稱 Excel)開啟,並進行所 需的運算。
二、動作分期與參數定義
本研究中共收取了四個動作的資料,在此將四個動作,分為出拳、穩定、彈跳爆發 等三部分進行解說。
(一) 出拳部分:以拗步拳進行評估。
1. 動作分期
(1) 動作開始(Start):以 Visual3D 之 Event_Threshold 定義全身質心速度 在 X 方向上超過.01 m/s 時作標記。
(2) 後(右)腳最大推蹬瞬間(Peak propelling):匯出一號力板(右腳所 踩 踏 的 那 塊 , FP1 ) 三 軸 方 向 之 地 面 反 作 用 力 , 用 Excel 以
√𝑋2+ 𝑌2+ 𝑍2計算出合方向之值,並找出最大值,在該點作標記。
(3) 最大全身質心速度瞬間(Peak COM velocity):匯出 Visual3D 計算出 之 受 試 者 全 身 質 心 速 度 在 三 個 方 向 的 資 料 點 後 , 用 Excel 以
√𝑋2+ 𝑌2+ 𝑍2計算出合方向之值,並找出最大值,在該點作標記。
(4) 最大(右)手部質心速度瞬間(Peak hand velocity):匯出 Visual3D 計算出之受試者右手手部肢段質心速度在三個方向的資料點後,用 Excel 以√𝑋2+ 𝑌2 + 𝑍2計算出合方向之值,並找出最大值,在該點作 標記。
由以上四個瞬間,劃分出如下三個階段(圖 3):
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(1) 最大出拳速度(Peak punch velocity):右手手部肢段質心之合方向最 大速度,單位為 m/s。
(2) 最大質心速度(Peak COM velocity):全身質心之合方向最大速度,
單位為 m/s。
(3) 最大推蹬力量(Peak propelling force):後(右)腳之合方向最大地面 反作用力,單位為 BW(body weight,以體重進行標準化)。
(4) 推蹬期時間(Time 1):從動作開始到最大推蹬力量之時間,單位為
(1)-1. 最大質心高度瞬間:以 Visual3D 之 Event_Global_Maximum 功能,找
推蹬期
(Peak propelling)
最大質心速度
(Peak COM velocity)
最大手部質心速度
(Peak hand velocity)
出騰空飛腳起跳後全身質心達到的最高點作標記。
(1)-2. 最大踢擊速度瞬間:匯出 Visual3D 計算出之受試者右腳足部肢段質心 速度在三個方向的資料點後,用 Excel 以√𝑋2+ 𝑌2+ 𝑍2計算出合方向之 值,並找出最大值,在該點作標記。
(1)-3. 落地瞬間:因騰空飛腳落地後,地面反作用力在所有受試者皆會超過 1000 N,因此以 Visual3D 之 Event_Onset,定義測力板在 Z 方向上,數 值基準線(baseline)原本在 0、開始數值上升後超過 1000 N 之閾值
(Threshold)的條件符合之點作標記。
(1)-4. 動作結束:從落地瞬間開始後 3 秒;以輸出之資料點,從落地瞬間起 算,第 3000 點即為目標(因測力板擷取頻率)。
僅定義此四個時點,不另為各時點間作階段的命名。
單腳獨立平衡部分,定義
(2)-1. 動作開始:因抬起右腳時,會產生一速度的上升,因此以 Visual3D 之 Event_Onset,定義右腳足部質心速度在 X 方向上,數值基準線(baseline)
原本在 0、開始數值上升後超過.03 m/s 之閾值(Threshold)的第一個條 件符合之點作標記。
(2)-2. 動作結束:動作開始後 20 秒;以輸出之資料點,從動作開始起算,
第 20000 點即為目標(因測力板擷取頻率為 1000 Hz)。
2. 參數定義
(1)-1. 垂直方向到達穩定時間(vertical time to stabilization, TTS Fz):由落地 瞬間起算,直到 Z 方向的地面反作用力值到達且停留在體重值為基準線 的上下 5%體重值內,且後續的資料點未再超出此範圍,則定義此資料 點為達到穩定,並定義從落地瞬間起算到此點之時間,為垂直方向之 TTS(圖 4)。
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圖 4 垂直方向到達穩定時間示意圖
上頁圖中曲線為濾波後之 Z 方向 GRF,箭號指出資料點到達且停留在 體重基準線±5%體重值之時間點(911 msec)。
(1)-2. 前後方向到達穩定時間(TTS Fx)
其運作方式如下:
a. 計算平均值序列:將落地瞬間至動作結束的 3000 點資料,逐點作 平均,形成一序列:序列的第一點,為落地瞬間 GRF 的第一點;
序列的第二點,為 GRF 前兩點的平均;序列的第三點,為 GRF 前 三點的平均……;到第 3000 點,則為整列 3000 點 GRF 值的平均。
b. 計算平均值序列之標準差:計算在(1)所得到的平均值序列之 3000 點資料的標準差。
c. 由平均值序列的第一點(時間上也就是落地瞬間的第一點)起算,
直到序列值達到且停留在 3000 點 GRF 之總平均值的±.25 標準差
(也就是(2)所得到的值乘以.25)內時,則定義此資料點為達到穩 定,並定義從落地瞬間起算到此點之時間,為前後(X)方向之 TTS
(圖 5)。圖中實線曲線為原 GRF 資料點,虛點曲線則為序列平均 值之資料點;箭號指出資料點到達且停留在總序列平均值±.25 標準 差之時間點(1759 msec)。
±5%體重 體重基準線 TTS
圖 5 前後方向到達穩定時間示意圖
(1)-3. 左右方向到達穩定時間(TTS Fy):同樣採用序列估計法,計算過程 同 TTS Fx,僅改為使用左右(Y)方向之 GRF 值。
TTS Fz、TTS Fx 及 TTS Fy 乃參考 Wikstrom、Powers 與 Tillman (2004) 研 究中之方法而採用,為所謂的序列估計法(sequential estimation)。此方法被 廣泛使用在許多測量穩定性之研究中,而筆者提出 Wikstrom 等人之研究,
乃由於筆者與 Wikstrom 教授通信討論過此方法的使用,並且 Wikstrom 教授 將其研究團隊用來做此運算的 Excel 檔案授予筆者使用。
按照 Wikstrom 等人在文中的解釋,此為一累進式平均值的代數法,而每 累進一筆平均即與全部資料總平均進行比較,若當前的資料點落在此總平均 的±.25 標準差內,即視為從不穩定的狀態進入穩定。而此方法之統計數理概 念,可參考 Wald (1973) 之 Sequential Analysis。
(1)-4. 落地最大衝擊力(Peak landing impact):騰空飛腳落地之最大地面反 作用力,單位為 BW(以體重進行標準化)。
(2)-1. 壓力中心總偏移量(COP total excursion):匯出單腳獨立平衡之壓力 中心(center of pressure, COP)前後(X)及左右(Y)方向資料點,將 動 作 開 始 到 動 作 結 束 之 間 的 20000 點 資 料 , 以
√(𝑋𝑛− 𝑋𝑛−1)2+ (𝑌𝑛− 𝑌𝑛−1)2,(2 ≤ n ≤ 20000),之方式計算出點與
±.25SD GRF 資料點 序列估計值 TTS
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點之間的二維合方向位移量,再將所得的所有位移量加總,即得到本參 數,單位為 cm。
(2)-2. 前後方向最大偏移量(maximal excursion X):計算出前後(X)方向 20000 點 COP 資料點的平均值;接著找出資料點中與平均值距離最大者,
定義該最大值為最大偏移量,單位為 cm。
(2)-3. 左右方向最大偏移量(maximal excursion Y):計算出左右(Y)方向 20000 點 COP 資料點的平均值;接著找出資料點中與平均值距離最大者,
定義該最大值為最大偏移量,單位為 cm。
(三) 彈跳爆發部分:以騰空飛腳後單腳獨立,以及 CMJ 進行評估。
1. 動作分期:騰空飛腳落地後穩定,如同穩定部分之定義;CMJ 部分,則 未作任何分期。
2. 參數定義:
(1) CMJ 最大質心高度(Peak CMJ COM height):CMJ 質心所到達之最大 高度,與站立預備時之質心高度差,單位為 Height(以身高作標準化)。
(2) 騰空飛腳最大質心高度(Peak kicking COM height):騰空飛腳質心所到 達之最大高度,與站立時之質心高度差,單位為 Height(以身高作標準 化)。
(3) 最大踢擊速度(Peak kick velocity):右腳足部肢段質心之合方向最大速 度,單位為 m/s。
(4) 踢腿時間(Time lag):騰空飛腳最大質心高度到最大踢擊速度之時間,
單位為 msec。