第一章 緒論
1.1 研究背景
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.1.1 帕金森氏症
帕金森氏症 (Parkinson’s disease)其特徵為基底核 (Basal ganglia)黑質緻密部 (Substantia nigra pars compacta) 之多巴胺神經元顯著的退化並導致多巴胺的不足，
多巴胺缺乏造成從被殼到外部蒼白球的抑制增加和視丘下核的抑制減少，視丘下 核藉著谷氨酸作用 (Glutamatergic action) 過度活化而使得內部蒼白球及黑質網狀 部過度刺激，將導致視丘皮質 (Thalamocortical) 和腦幹運動中心過度抑制
(Akinesia) [5, 6]，造成靜止性震顫(Resting tremor) 、身體僵硬 (Rigidity) 、動作遲 緩 (Bradykinesia) 、姿勢不穩 (Postural instability) 等運動方面的問題[7]。
帕金森氏症常發生在年齡超過 50 歲之中老年人。帕金森氏症發病將影響步態，
痛、僵硬或無力。當他人移動患者手臂時僵硬會變得更明顯，動作呈現鋸齒 症統一評定量表 (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale, UPDRS) 是最常見的神 經系統檢查標準，其中包括認知、行為、情感以及日常功能活動表現 [2]。
1.1.2 跨越障礙物
關於跨越障礙物的研究著重於下肢各個關節的運動學(Kinematic)與動力學 (Kinetic)的運動特徵資料這些資料可以描述基本的障礙物跨越運動。
1.1.2.1 跨越障礙物之運動學分析
Chen(1991)研究指出跨越速度會隨著高度增加而減少(Chen, Ashton-Miller et al.
1991)，老年人跨越障礙物時採取較為保守的步態：較短的步長（Step length）、較 慢的跨越速度。研究中也指出跨越障礙物時，足部距離障礙物的最低點82%為腳 跟(Heel)、8%為腳底中間位置(Midsole )與 10%為腳趾(Toe)，這說明跨越障礙物時 若腳跟或腳底中間位置觸碰到障礙物跌倒的機會較腳趾觸碰到障礙物時低[9]。
Austin(1999)針對四種固定高度障礙物，量測 15 位受試者在跨越障礙物時的運 動狀態，研究指出跨越腳與障礙物的間隙會隨著障礙物的高度增加而增加[10]。
Sparrow(1996)年提出障礙物高度依腿長正規化（Normalization）之概念，並用以研 究12 位受試者跨越小腿長(Leg length)的 10%、25%及 40%的障礙物高度[11]。其 研究指出，跨越障礙物時跨越腳與障礙物的間隙並不會受障礙物的高度影響。以 上提及的研究可歸納出：當障礙物高度為固定時，跨越腳和障礙物間的間隙會隨 著障礙物高度的增加而增加，但是當障礙物的高度隨著小腿長正規化後，根據統 計結果，腳與障礙物的間隙並不受影響。
Chen(2004)研究年輕人跨越障礙物三種障礙物高度(正規化於小腿長度 10%、
20%、30%)進行運動學資料量測，指出年輕人前腳跨越一高於 79.4mm 障礙物高度 時，足部間隙並不受障礙物高度影響；後腳跨越時足部間隙不受障礙物高度影響 [12]。Lu(2006)研究老年人與年輕人跨越三種障礙物高度(正規化於小腿長度 10%、
20%、30%)之運動學量測資料比較，指出老年人前腳跨越障礙物時比年輕人有較 大的腳趾間隙(toe clearance)，而在後腳跨越障礙物時，足部間隙則與年輕人五顯著 差異[13]。
Lu(2007)以關節角度與角速度的極座標相位角 (Phase angle, φ)，從近端關節相 位角減去遠端關節相位角可得到兩關節間之相對相位角 (Relative phase angle, RPA)，探討關節間協調性(inter-joint coordination)。將相對相位角於動作週期標準 化為百分比，計算平均標準差可得偏差相位 (Deviation phase, DP)，以表示兩關節 間的穩定度。該研究指出前腳跨越與後腳跨越關節間協調性相似，但後腳的偏差
Huang(2008)探討跨越障礙物時身體質量中心(center of mass)與壓力中心 (center of pressure)的傾斜角(inclination angle)與年齡、障礙物高度的關係。身體質 量中心與壓力中傾斜角與傾斜角速度可以討論人體動態穩定控制能力，研究指出
Chou(1997)以 14 位年輕人為受試者，跨越四種不同的高度，並比較站立腳在 跨越不同高度障礙物時腳趾與障礙物的距離和各關節間的角度與力矩。研究指出 不同的障礙物高度並沒有影響腳尖與障礙物之間的距離，但髖關節與膝關節隨著 障礙物高度提高彎曲的角度也增加，膝關節的差別尤其明顯[17]。Chou(1998)分析 跨越障礙物時站立腳跨越障礙物的關節力矩和跨越腳腳趾與障礙物距離(Toe
distance)和不同障礙物高度的關係，研究指出縮短站立腳與障礙物的距離會對腳踝 的關節力矩造成重大的影響，而增加障礙物的高度則會對髖關節的力矩有較顯著 的影響[18]。
Chen(2006)對人體跨越障礙物時的動力學資訊做探討，討論人體跨越障礙物時 的峰值關節力矩(Peak moments)與跨越力矩(crossing moments)，其中跨越力矩係跨 越腳跨越瞬間之關節力矩。研究指出高度對於關節力矩的影響並無法用峰值關節
跨越障礙物。越大的足部間距，就能避免碰到障礙物，但是相對的要增加較多的
Lu(2012)提出一多目標最佳控制方法(Multi-objective optimal control, MOOC)，
以二維七連桿模型模擬人體跨越障礙物之矢狀面運動狀態，並明確定義跨越障礙 物之目標函數。該研究提出跨越障礙物的目標函數是由最小能量消耗(minimum energy expenditure)與最大足部間隙(maximum foot clearance)妥協(compromise)組合 而成，並足以描述跨越障礙物的控制策略[4]。
1.1.4 運動系統之連桿模型
大部分的研究使用連桿模型來描述一個運動系統，因為連桿模型可以預測動力 學變數或預測運動軌跡，一個連桿模型若有完整動力學資訊即可推測連桿運動學，
我們稱之為正向動力學問題(forward dynamic problem)，反之，若連桿模型具有完 整的運動學資訊即可推導連桿動力學，稱之逆向動力學問題(inverse dynamic problem)。
過去有文獻建立人體的模型：矢狀平面單側的四連桿模型[26, 27]、雙側三連 桿([28])、七連桿模型[29, 30]，與三維的肌肉骨骼模型等[29, 31, 32]。.
Mehran Armand(1998)以股二頭肌(Biceps)和股四頭肌(Rectus femoris)的最大力 量(Peak force)及其收縮相關參數作為設計變數，並以步長、跨越腳腳趾離地瞬間
(Toe off)與障礙物距離實驗資料、跨越腳腳跟著地(Heel on)時腳趾與重心距離、足 腳站立期(Double limb support phase)。該模型將腳底形狀由二次曲線模擬而非直線，
如此得以使在雙腳站立期中足底的接觸皆維持一點。研究指出在二維平面上所得 的運動情形與三維模型在矢狀平面上的動作相似[29]。
McFadyen(1994)發展一模型模擬跨越障礙物，給定關節角度軌跡於不同步行 型態(Gait pattern)下不同的權重，以模擬出跨越障礙物的軌跡。此研究為一單側模 型，選取之變數並不能代表人體控制策略[33]。
Chao and Rim(1973)發表一組二維動力學模型研究步行，利用最佳化方法以關 節力矩為設計變數，以模型計算所得之關節軌跡與實驗值的差距最小化為目標，
並求出各關節的作用力與力矩。如此可以得到與實驗值相當接近的結果，其模型 僅包含擺盪腳，無法完整表現步態週期中模型與地面反作用力的關係[27]。
Onyshko(1980)發表一組二維的平面七連桿模型，將整個步態的週期分為 4 階 段，4 個階段分別模擬地面與固定腳的關係，進而計算整個步態過程中走路的方式。