中國醫藥大學機構典藏 China Medical University Repository, Taiwan:Item 310903500/25298

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

膝關節炎病人臨床治療成效之生物力學評估(3/3)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2320-B-039-008-M08 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 中國醫藥大學物理治療學系 計畫主持人： 吳鴻文 共同主持人： 蘇芳慶，盧逸超 計畫參與人員： 許弘昌、劉紹龍、簡蘚譿 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 年 11 月 1 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

膝關節炎病人臨床治療成效之生物力學評估(3/3)

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC91－2320－B－039－008－M08

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日

計畫主持人：吳鴻文

共同主持人：蘇芳慶

計畫參與人員：許弘昌、劉紹龍、簡蘚譿

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

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

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：中國醫藥大學物理治療學系

中 華 民 國 92 年 10 月 31 日

I

中文摘要

退化性膝關節炎是最常發生在老年人身上的骨性關節炎之一。發生退化性膝 關節炎的患者通常會有膝關節疼痛、膝關節僵硬、膝關節腫脹、膝關節關節活動 度減少、肌肉萎縮等症狀發生。這些症狀會明顯的影響病人的步態、上下樓梯、 從坐到站或跨越障礙物等日常功能性活動。在過去，已經有學者從生物力學的觀 點去研究退化性膝關節炎在水平步行、上下樓梯及從坐到站等活動的動作分析， 但是並無文獻探討退化性膝關節炎病人在跨越障礙物時的動作特徵，所以本研究 的主要目的是從生物力學的觀點探討退化性膝關節炎病人在跨越障礙物時的動 作分析。本研究利用動作分析系統及兩塊三維測力板系統，收集受試者水平步行 及跨越不同高度障礙物時，下肢肢段關節位置及地面反作用力。一共有 12 位正 常女性老年人及 12 位退化性膝關節炎女性病人參與此研究。研究結果顯示，退 化性膝關節炎患者在水平步行與跨越障礙物時的動作特徵與正常女性老年人有 顯著差異。這些差異包括水平歩行時膝關節關節活動度變小，髖關節及膝關節的 關節力矩變小，跨越障礙物時有較大的髖關節外展角度，步長較短，步寬較寬， 跨越速度較慢及跨越著地後前腳之腳跟離障礙物有較近的距離。此外，當障礙物 高度增加時，正常女性老年人及退化性膝關節炎女性病人下肢關節屈曲角度會隨 著增加。而在退化性膝關節炎患者的健側與患側比較上，患側髖關節及膝關節的 關節力矩比健側小。藉這些從退化性膝關節炎患者得到的生物力學方面的動作特 徵可作為臨床診斷及治療的輔助指導方針。而在各種不同臨床治療成效方面以物 理治療為治療方式之女性患者及藥物治療為主之患者，在接受治療後，不論是水 平歩行或是跨越 10 公分和 20 公分之障礙物，在動力學、運動學及歩態特徵上均 未具顯著差異。至於注射關節液治療之患者，在治療後可發現在歩行與跨越不同 高度障礙物時，膝關節及髖關節角度較治療前大，但未達統計差異；但是，動力 學參數方面則無明顯差異存在。

II

Abstract

Knee Osteoarthritis (OA) is one of the most prevalent form of arthritis, especially in the elderly. Individuals with knee OA experience pain, joint stiffness and swelling, joint deformity and muscles atrophy. The symptoms with knee OA were limited activities of daily living such as walking ability, climbing up or down stairs, rising from a chair and stepping over obstacles. Previous biomechanical studies of knee OA focused on level walking, chair rising, and stairs climbing. However, there were little studies regarding about the motion characteristics of knee OA patients during stepping over obstacles. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the gait characteristics during stepping over obstacles. Vicon motion analysis system and two AMTI force plates were used to collect the movement data of lower limbs and ground reaction forces and moments during level walking and stepping over obstacles. Twelve normal elderly females and twelve female patients with knee OA were recruited in this study. There were significant differences in the joint range of motion (ROM) of knee and, hip and knee joint moments during level walking between OA group and normal group. Also, comparing with normal subjects, greater ROM of hip abduction and step width, less step length, less heel-to-obstacle distance, and slower crossing speed were found in the patients with knee OA. The hip and knee joint moments on the affected side were less than that of the sound side in the patients with knee OA. These findings of biomechanical characteristics of knee OA patients during stepping over obstacles could be the additional guidelines for the clinical diagnosis and treatment.

III

目錄

中文摘要………I 英文摘要……….………II 目錄……….III 圖目錄……….………...V 表目錄……….………...VII 符號與縮寫……….………..……….VIII 第一章 緒論………..……….…..1 1.1 文獻探討……….….1 1.1.1 退化性膝關節炎….………..……….….1 1.1.2 危險因子………..……….…..2 1.1.3 臨床症狀………..……….…..4 1.1.4 正常老年人與正常年輕人步態特徵………..………..5 1.1.5 退化性膝關節炎病人步態特徵………..………...6 1.1.6 正常老年人與正常年輕人跨越障礙物動作特徵………....8 1.1.7 總結文獻探討與研究動機………..…………..9 1.2 研究目的………..……….10 1.3 研究假設………..………...10 第二章 實驗方法……….….11 2.1 研究對象……….11 2.2 實驗設備……….12 2.2.1 動作分析系統………...12 2.2.2 三維測力板系統………...12 2.2.3 反光球………..12 2.3 實驗流程……….14 2.4 理論基礎……….14 2.4.1 運動學………..14 2.4.2 動力學………..15 2.5 資料收集及重整……….16 2.6 統計分析……….16 第三章 實驗結果……….………..18 3.1 受試者……….18 3.2 水平步行……….18 3.2.1 運動學………..18 3.3.2 動力學……….………..19 3.3 跨越不同高度障礙物下肢關節角度活動範圍……….……….21 3.4 跨越不同高度障礙物步態特徵……….26

IV 3.5 不同臨床治療之成效………30 第四章 討論………..31 4 . 1 退 化 性 膝 關 節 炎 女 性 與 正 常 女 性 老 年 人 步 態 的 差 異 . … … . . . . 3 1 4.1.1 運動學………..31 4.1.2 動力學………..32 4.2 跨越不同高度障礙物下肢關節角度活動範圍……….34 4.3 跨越不同高度障礙物步態特徵……….35 4 . 4 臨 床 治 療 之 成 效 … … … . . … … … 3 6 第五章 結論……….……….………….37 參考文獻………38 附錄一………41 附錄二………42

V

圖目錄

圖 1.1 膝關節 X-光片………...4 圖 2.1 動作分析系統及兩塊三維測力板系統………....13 圖 2.2 反光球貼法………13 圖 2.3 可調高度式障礙物………14 圖 2.4 自由體圖………16 圖 2.5 跨越障礙物步態特徵之相關資料………17 圖 3.1 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性之健側與 患側在步行時下肢關節角度活動範圍……….…...19 圖 3.2 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性的健側與 患側步行時髖關節最大力矩………19 圖 3.3 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性的健側與 患側步行時膝關節最大力矩……….…...20 圖 3.4 正常女性老年人右腳跨越障礙物時關節屈曲角度之活動範圍…..……21 圖 3.5 退化性膝關節炎女性健側為跨越前腳跨越障礙物時 關節屈曲角度之活動範.………..………..22 圖 3.6 退化性膝關節炎女性患側為跨越前腳跨越障礙物時 關節屈曲角度之活動範圍………22 圖 3.7 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越 前腳跨越障礙物 10 公分時關節角度之活動範圍………..23 圖 3.8 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越 前腳跨越障礙物 10 公分時關節角度之活動範圍………..24 圖 3.9 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越 前腳跨越障礙物 20 公分時關節角度之活動範圍………..24 圖 3.10 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越 前腳跨越障礙物 20 公分時關節角度之活動範圍………...25 圖 3.11 退化性膝關節炎女性患側與健側為跨越前腳跨越障礙物 20 公分時關節角度之活動範圍………..…..26 圖 3.12 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越 前腳跨越障礙物 10 公分之步態特徵………...27 圖 3.13 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越 前腳跨越障礙物 10 公分之步態特徵………...27 圖 3.14 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越 前腳跨越障礙物 20 公分之步態特徵………..28 圖 3.15 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越 前腳跨越障礙物 20 公分之步態特徵………..28 圖 3.16 退化性膝關節炎女性以健側及患側為跨越前腳跨越障礙物

VI

10 公分之步態特徵………...29 圖 3.17 退化性膝關節炎女性以健側及患側為跨越前腳跨越障礙物

VII

表目錄

表 3.1 受試者基本資料之平均值與標準差………..18 表 3.2 正常女性老年人與退化性膝關節炎女性跨越不同高度 障礙物之跨越速度……….30 表 4.1 過去文獻與本研究退化性膝關節炎的患者在走路時 膝關節的關節角度活動範圍……….32

VIII

符號與縮寫

縮寫 說明

OA 退化性關節炎 (osteoarthritis)

ROM 關節角度活動範圍 (range of motion) H 髖關節 (hip joint) K 膝關節 (knee joint) An 踝關節 (ankle joint) AD 內收 (adduction) F 屈曲 (flexion) AB 外展 (abduction) E 伸展 (extension) L 跨越前腳 (leading foot) T 跨越後腳 (trailing foot) FE 屈曲-伸展 (flexion/extension) ABD 外展-內收 (abduction/ adduction) ROT 旋轉 (rotation) DP 背曲-蹠曲 (dorsiflexion/plantarflexion) A 患側 (affected side) S 健側 (sound side) TD 跨越後腳之腳尖到障礙物之水平距離 (toe distance) HD 跨越前腳跨越著地後腳跟與障礙物之水平距離 (heel distance) SL 跨越障礙物之步長 (step length)

HOC 跨越前腳腳跟至障礙物正上方時之垂直高度 (heel-obstacle clearance) TOC 跨越前腳腳尖至障礙物正上方時之垂直高度 (toe-obstacle clearance) VEL 跨越時速度 (velocity)

1

第一章 緒論

隨著年齡的增長，人們會伴隨著一些慢性疾病的產生。而退化性的骨性關節 炎(Osteoarthritis，OA)就是最常見的疾病之一。退化性關節炎是關節軟骨受到破 壞，所以又有人視退化性關節炎是一種”磨損及撕裂”(wear and tear)或是”退化 性”(degenerative)的情況。退化性關節炎可以發生在全身的各個關節，特別是承 受身體重量的關節(weight bearing joint)，其中又以下肢膝關節(knee joint)為最常 發生退化的關節(Davis, 1988；Messier, 1992；Manetta, 2002)。發生退化性膝關節 炎的病人常有膝關節疼痛、膝關節僵硬、膝關節活動度減少、下肢肌肉萎縮、走 路速度較慢等徵狀發生。這些徵狀明顯的會影響病人走路的步態、跨越障礙物、 上下樓梯、從坐到站等日常功能性的活動。這些的限制會影響到病人們從事功能 性活動的獨立性，進而影響他們的生活品質或其照顧者的負擔(Messier, 1992； Fisher, 1997；Kaufman, 2001)。 退化性膝關節炎的病人因為下肢肌肉骨骼系統發生改變，可能造成退化性膝 關節炎病人在平地走路與跨越障礙物時會與一般人不同。過去已有多位學者探討 退化性膝關節炎的病人與正常年輕人或是正常老年人在走路時的步態差異，不過 卻很少有關於東方人步態分析的研究。再者過去並無文獻探討退化性膝關節炎病 人在跨越障礙物時的動作特徵，以及退化性膝關節炎病人利用健側(sound side) 跨越障礙物和患側(affected side)跨越障礙物時的動作差異。藉由生物力學上的觀 點來量化分析退化性膝關節炎患者在跨越障礙物時的動作特徵，並找出退化性膝 關節炎患者與正常人之間動作特徵的差異是一相當重要的課題，同時利用這些量 化的資料能提供臨床治療人員在評估與診療退化性膝關節炎患者時一個更有效 的參考工具。 在過去二年的研究中，我們已針對膝關節炎患者與正常人由坐到站（sit to stand）關節運動的差異，以及站立平衡時重心的量化，而近年來，跨越障礙物 的動作被廣泛運用來評估受試者下肢功能及平衡等問題。因此，我們將針對膝關 節炎患者與正常人在跨越不同高度之障礙物再加以詳細評估。同時，並探討各種 治療方式（物理治療、藥物治療、關節液注射）對膝關節炎患者在執行這些動作 時的改善情形。另外，由於女性因膝關節炎不適而求助於門診醫療的比例遠高於 男性患者，造成男性膝關節炎患者的資料較不易取得，因此，本研究將針對女性 患者及正常女性作一比較。

1.1 文獻探討

1.1.1 退化性膝關節炎

隨著高齡化社會的來臨，一些退化性疾病也會隨著增加。而退化性膝關節炎

2 就是最常見的退化性疾病之一。退化性膝關節炎是屬於非發炎性的關節炎，所以 並無法以一般的抽血檢查得知，通常要診斷患者是否有罹患退化性膝關節炎，都 以 X-光的檢查為主。在 X-光的攝影下，會看見原來骨與骨之間的黑色部份(原 軟骨所在位置，在 X-光中不呈現)逐漸變窄，同時原來平滑的硬骨表面也逐漸粗 糙，甚致有骨刺的形成。嚴重時幾乎看不見兩者之間的空隙，關節甚至已經變形。 退化性膝關節炎的成因，一般皆認為是由於膝關節軟骨受到過度的磨損而產生 的，正常的膝關節軟骨是由軟骨細胞(chondrocyte)及軟骨母細胞(chondroblast) 及細胞基質(matrix)所組成。成熟的軟骨組織並無血管供應營養，其養份及代謝 皆經由擴散作用與滑囊液(synovial fluid)來達到物質的交換。正常關節軟骨組織 的 組 成 成 份 以 水 分 最 多 ， 其 次 是 第 二 型 膠 原 蛋 白 (collagen) ， 和 醣 蛋 白 (proteoglycan)，軟骨細胞可分泌第二型膠原蛋白和醣蛋白。軟骨是由於膠原蛋 白和醣蛋白聚集後規則排列緊密的聯在一起，再加上水分讓關節軟骨有一定的彈 性與黏稠性(viscoelasticity)，而使得它具相當的壓縮功能，所以能夠承擔一部分 的壓力。因此當軟骨本身出了問題後，就無法承受壓力與實行減壓的功能，然後 導致關節軟骨發生一連串的變化，最後造成關節面被磨損，也就形成了退化性膝 關節炎(Solomon, 2001)。

1.1.2

危險因子

目前對導致膝關節退化的危險因子並不很清楚，以下列舉幾項比較有相關的 因素來做討論。 (1) 年齡：退化性膝關節炎，顧名思義，應該跟年紀脫離不了關係。隨著年 齡的增長，軟骨細胞會肥大且增厚（hypertrophy），導致滑囊液養份供應不足， 軟骨隨之變性，第二型膠原蛋白被第一型的膠原蛋白所取代。透明軟骨轉性為纖 維軟骨，造成關節軟骨能承受壓力機轉的能力降低，相對地使骨骼承受壓力增 加，逐漸的關節面被磨損，關節腔減少，骨骼承受壓力的機會日益增加，進而產 生了臨床上退化的症狀。Messier 等(1994)也指出退化性膝關節炎跟年齡是有相 關的，尤其是表現在步態上。 (2) 性別：退化性膝關節炎跟性別也有很大關係。根據 Davis 等學者在 1991 發表的文獻指出，年齡介於 45 歲到 54 歲的男性罹患退化性膝關節炎的發生率是

%

3

.

2

，女性是

3

.

6

%

；年齡介於 55 歲到 64 歲的男性罹患退化性膝關節炎的發 生率是

4

.

0

%

，女性是

7

.

2

%

；年齡介於 65 歲到 74 歲的男性罹患退化性膝關節 炎的發生率是

8

.

4

%

，女性是

17

.

9

%

。由此可發現，在年齡超過 65 歲以上的老 年人中，女性罹患退化性膝關節炎比例是男性的兩倍。在 2001 年 Zhang 等學者 針對居住在北京市區，年齡層大於 60 歲的老年人所做的退化性膝關節炎的調查 也發現，在中國人女性發生退化性膝關節炎的比例是男性的 1.45 倍。也就是說 不管是東方人或是西方人，女性發生退化性膝關節炎的機會是要比男性高的。此 外，在過去大部份的學者都認為西方人罹患退化性膝關節炎的比例要比東方人來

3 的高，或許是過去西方社會對退化性膝關節炎這方面的研究比東方社會來的透 徹，所以一些統計資料也比東方人來的齊全，才會有這種臆測。不過這還只是在 推論階段而已，真正的原因還需進一步的研究才可得知。 (3) 肥胖：肥胖也是造成退化性膝關節炎的危險因子之一。已有許多的研究 及臨床證據顯示體型較肥胖的人罹患退化性膝關節炎的機會要比正常人來的 高。Felson 等(1997)就提到肥胖與退化性膝關節炎的關係是呈現正相關的。也就 是說，愈肥胖的人，其罹患退化性膝關節炎的機會愈大。Messier 等學者(2000) 研究發現，退化性膝關節炎病人如果減輕體重，再配合適當的運動，將有助於改 善病人膝關節疼痛的現象，同時在膝關節及踝關節的關節活動角度及角速度也會 隨之增加。如果就以生物力學的觀點來看，正常的膝關節，承載重量的合力線剛 好通過關節中點，而力量均勻分佈至整個關節面，肥胖會增加對下肢承重關節的 負荷，導致膝關節的荷重增加，使得承載重量的合力離開膝關節中點，使局部關 節面承受超常之壓力因而逐漸演變成退化性膝關節炎。所以控制體重將能使罹患 退化性膝關節炎的機會降低。 (4) 膝關節損傷或過度使用：膝關節曾經受過傷，如膝關節骨折、半月板破 裂、十字韌帶斷掉造成的膝關節不穩定的病人；或膝關節過度使用者，如足球員、 短跑員等，由於這些人可能因為膝關節已經出現異常或長期對膝關節的負荷過 重，也容易導致膝關節發生退化的現象。Kujala 等(1995)就提出足球員容易罹患 退化性膝關節炎的原因是因為過度使用膝關節及膝關節易受傷導致膝關節不穩 定所造成，而舉重選手易罹患退化性膝關節炎是因為膝關節長期負荷過重的重物 所導致。

(5) 骨質密度：骨質密度(bone mineral density)越高的部位，越易得到退化 性關節炎。Hulet 等(2002)研究發現，膝關節內翻變形的患者膝關節內側的骨質 密度較外側來的高，故一般罹患退化性膝關節炎的病患大都是膝關節內側較膝關 節外側要來的嚴重。 (6) 家族史：Williams 等(1993)在一篇回顧退化性關節炎與遺傳關係的文獻 中提出，遺傳是造成退化性關節炎的明顯致病因素之一。 除了以上這些因素是目前比較被探討造成退化性膝關節炎的危險因子之 外，還有研究報告(CDC,1996)指出，退化性膝關節炎的盛行率可能跟種族或地 區的特異而有所差異。例如，在亞洲或是太平洋週邊島嶼及西班牙裔的人種跟高 加索裔的人種相比較之下，亞州裔或是西班牙裔的人種較不容易罹患關節炎。然 而過去很多有關退化性膝關節炎研究的文獻大都是以西方的人種為主，鮮少有文 獻以東方人種做相關的探討。不過根據 Davis 等(1991)與 Zhang 等(2001)研究結 果來看，西方人在罹患退化性膝關節炎的比例是比東方人高一些。Davis 等的研 究中指出，55 歲以上的西方老年人，女性罹患退化性膝關節炎的比例是男性的 1.8 倍。Zhang 等的研究指出，60 歲以上的中國老年人，女性罹患退化性膝關節 炎的比例是男性的 1.45 倍。由於造成退化性膝關節炎的危險因子還不是很清 楚，以上所列舉的只是一般文獻中較常探討的危險因子，日後希望能有更多學者

4 對退化性膝關節炎的危險因子能有更深入的研究，早日對退化性膝關節炎這種疾 病有更透徹的了解。

1.1.3 臨床症狀

病人在罹患退化性膝關節炎後，會造成病人在身體功能上的一些改變，以下 就針對退化性膝關節炎病人的症狀做探討。 (1) 疼痛：病人在罹患退化性膝關節炎後最常發生也最常抱怨的就是膝關節 的疼痛，有的學者指出這是由於關節面持續受到外力磨損而產生的的一種修補過 程，只是這種修補過程做會造成骨贅的形成，導致膝蓋關節的腫大、變形，週邊 韌帶鬆弛而使得膝蓋關節不穩定，更加重關節面磨損程度，如此惡性循環，致使 病人膝關節疼痛不已，尤其是內側膝關節(Solomon, 2001；O’Sullivan, 2001)。 (2) 膝關節僵硬：退化性膝關節炎的患者在長時間不動之後，常會有膝關節 僵硬的情況發生，比如說久坐、早晨剛睡醒時，但活動一下膝關節之後情況就會 改善。 (3) 膝關節腫脹：退化性膝關節炎的患者膝關節四周的軟組織較腫脹，腫脹 有時是間歇性的(關節液增多)或是持續性的(關節囊變厚或有大量的骨贅增生)。 (4) 膝關節變形：退化性膝關節炎的症狀一開始是膝關節活動時關節腔內有 輾軋音，此時表示關節面的軟骨逐漸被磨損而變得不平滑，時間久了之後關節逐 漸變形，膝關節活動度變差且無法伸直；由於膝關節內側較易磨損，造成關節空 腔變得狹窄，使得脛骨內偏形成Ｏ字形腿(圖 1.1)。如此一來，不僅造成行走效 率變差，也增加膝關節的負擔，就更進一步加快關節變形的速度。 圖 1.1 膝關節 X-光片:左圖為正常的膝關節空腔，中圖因軟骨被磨損，關節空腔 變得狹窄，右圖為膝關節變形成 O 型腿。

5 (5) 肌肉萎縮：患者在罹患退化性膝關節炎後，會因為疼痛而較少使用患側 從事一些活動，久而久之造成股四頭肌(Quadriceps)及大腿後肌(Hamstrings)的 萎縮，形成兩側大腿粗細不同的現象。此時若過份使用健側來從事活動，又會造 成健側負荷過重，一樣會罹患退化性膝關節炎，如此惡行循環，將使得患者兩側 均會罹患退化性膝關節炎。 (6) 活動受限：罹患退化性膝關節炎通常會造成膝關節的活動度減少、蹲下 困難、走路不穩、下樓梯比上樓梯難等活動受到限制，進而造成患者無法從事一 些日常功能性活動，如慢跑等，導致患者生活品質變差。 退化性膝關節炎的患者通常會因為膝關節功能的受限而影響患者的活動，加 上患者的年齡層普遍為高年齡層的老年人，本身的活動能力及動機都比年輕人低 落，這些因素都會造成老年人罹患退化性膝關節炎後變得不太願意去從事互外活 動或社交活動，嚴重者甚至會影響到患者無法自行獨立完成一些日常功能性的活 動，造成患者生活上的不方便，進而影響患者們的生活品質，其影響不得不讓我 們去重視它。由於退化性膝關節炎會造成患者在肌肉骨骼系統上的病變，影響患 者在從事一些日常功能性活動，如走路、從椅子上站起來、上下樓梯、跨越障礙 物等活動的表現變差，進而造成患者易發生一些潛藏的危險，如走路或跨越障礙 物時跌倒造成骨折，因為較少活動造成肌肉的萎縮等等，退化性膝關節炎嚴重的 患者到最後必須要更換人工膝關節，不僅造成社會醫療的負擔，也帶給患者負面 的生活品質。 既然退化性膝關節炎會帶給患者這麼多的不便，那麼就需要更進一步深入的 研究。本節將針對過去對於退化性膝關節炎病人與正常人在一些日常功能性活動 上動作特徵做文獻的回顧，同時也回顧正常老年人與年輕人在走路步態上的生物 力學特徵。從生物力學的觀點來看罹患退化性膝關節炎的病人動作變化，來釐清 正常人與退化性膝關節炎的病人在生物力學上與正常人的動作特徵差異。 現在對於人類步態機制方面的研究，不管是運動學(kinematics)或是動力學 (kinetics)方面，已經有很深入的了解及探討(Winter,1991；Perry,1992)。Clark 學者(1995)指出，當人在走路時，身上會有超過一千條的肌肉去連結超過 200 個 骨骼及 100 個關節來參與並完成走路這個動作。老年人因為神經肌肉骨骼系統的 改變，所以在走路的步態上也會呈現出與年輕人不同的動作模式(Prince, 1997)。 所以先了解正常老年人與正常年輕人在走路步態的差異是有其必要性的。以下先 針對正常老年人與正常年輕人在走路時步態的運動學及動力學來做分開的討論。

1.1.4

正常老年人與正常年輕人步態特徵

在運動學方面，一般來說，正常老年人在走路的速度上會比年輕人來的慢， 步長(step length)會比年輕人短，步頻(cadence)也會比年輕人減少(Winter, 1991； Perry, 1992；Himann, 1988；Ostrosky, 1994)。Himann 等(1988)研究年齡層從 19 歲到 102 歲，一共 289 位男性及 149 位女性走路的速度，並以 62 歲為一個區分

6 點。發現 63 歲以上的老年人在走路速度及步長都明顯小於 62 歲以下的族群。 Ostrosky 等(1994)研究了 30 位 60 歲到 80 歲正常的老年人與 30 位 20 歲到 40 歲 正常的年輕人的步態特徵，也發現與 Himann 等人的結果相同。在關節角度的變 化方面，雖然 Winter 指出，在步態分析中，正常的老年人在下肢關節角度的變 化與年輕人相較起來是差不多的，但是還是有一些些微的變異存在。例如踝關節 的動態關節角度活動範圍(range of motion，ROM)老年人比年輕人小(

24

.

9

°

vs.

°

3

.

29

) ， 但 在 髖 關 節 的 動 態 關 節 角 度 活 動 範 圍 老 年 人 比 年 輕 人 大 (

40

°

vs.

°

32

)。正常老年人與年輕人走路時在膝關節角度的活動範圍是最明顯的。許多

學者指出在承重反應期(loading response)時期，正常老年人的膝屈曲(knee flexion) 角度要比年輕人來的少，而這膝關節屈曲角度的減少也會使得步長比正常年輕人 來的短 (Winter, 1991；Ostrosky, 1994) 。Oberg 等(1993)研究年齡層從 10 歲到 79 歲，一共 116 位男性及 117 位女性走路時下肢關節角度活動範圍的變化。發現在 髖關節的關節角度活動範圍變化差異最小，也就是老年人跟年輕人是沒有顯著差 異的。只是 Oberg 等並沒有去解釋為何跟 Winter 等學者的結果不同。

在動力學方面，正常老年人與年輕人在走路步態動力學方面的研究文獻其實 並不多(Prince, 1997)，所以能探討的內容也有限。在 Winter 的文章中指出，正常 老年人在踝關節背曲力矩極大值(peak ankle plantarflexor moment)會比年輕人來 的小。此外，在站立期(stance phase)轉換到擺盪期(swing phase)時，正常老年人 膝關節所吸收的能量要比年輕人來的高，這意味著正常老年人走路時的膝關節的 屈曲力矩(flexion moment)要比年輕人小。在髖關節的部份正常老年人與年輕人則 是沒有很明確的差異。 由以上的討論可知，正常老年人與年輕人在走路的步態分析中，不管是運動 學或動力學，還是有差異的。而 Prince 等學者就指出老年人在步態上的改變是為 了因應因為年齡的增長而出現的一些生理病變，例如肌力變小、關節較僵硬、平 衡變差等因年齡造成的神經肌肉骨骼系統上變化所做出的調整策略。這些策略包 括了走路速度比年輕人來的慢、步長比年輕人短、步頻也比年輕人小、關節角度 減少、關節力矩出現變化等等。

1.1.5

退化性膝關節炎病人步態特徵

當我們要探討退化性膝關節炎病人的步態時，應該也要把年齡的因素放進來 考慮。這樣才能更加精確的去比較罹患退化性膝關節炎的病人在行走步態上的差 異。 Stauffer 等(1977)所做出來的研究顯示，退化性膝關節炎的病人在走路時的 步態與正常年輕人相比較的話，退化性膝關節炎的病人在膝關節的關節角度、膝 部 等 長 收 縮 的 肌 力 (isometric knee strength) 、 地 面 反 作 用 力 的 極大 值 (peak ground-reaction force)都會比正常年輕人來的少。Brinkman 等(1985)也發現退化 性膝關節炎患者在走路時膝關節的屈曲速度與伸展速度會減少，膝關節的關節活

7

動度也會減少。Kaufman 等學者(2001)收集了 139 位，年齡介於 30 歲到 82 歲， 退化性膝關節炎程度在 grade II 的病人，與 20 位平均年齡在 30 歲的正常人做步 態分析的研究中，也指出退化性膝關節炎病人在平地走路時膝關節的最大活動度 (peak knee motion)會比正常人小 6 度(

54

°

vs.

60

°

)。有罹患退化性膝關節炎的 病人在走路速度上也比正常人來的慢。有罹患退化性膝關節炎的病人在走路時為 避免膝關節的疼痛，會減少膝關節的伸展力矩(extension moment)及內收力矩 (adduction moment)，藉由降低膝關節的承重來達到減低疼痛的效果。由 Kaufman 的研究中可知，有罹患退化性膝關節炎的病人在走路的步態上與正常人相比較是 有明顯差異的。Hurwitz 等(2000)在探討罹患退化性膝關節炎的病人在平地走 路，膝關節的疼痛與關節受力的情形。指出當膝關節疼痛上升時，膝關節的內收 力矩(adduction moment)與屈曲力矩(flexion moment)的最大值都會下降；反之， 在膝關節疼痛下降時，膝關節的內收力矩(adduction moment)與屈曲力矩(flexion moment)的最大值都會上升。 以上幾位學者所做的研究皆未控制年齡的因素。而我們知道，罹患退化性膝 關節炎的患者皆以老年人居多，如果拿年輕人的資料與退化性膝關節炎患者的資 料做比較，就容易把老年人及年輕人原本有的差異，如肌力較弱，走路速度較慢， 關節活動度較小等差異忽略掉，所以之後就有一些學者將年齡因素控制在實驗設 計中，也就是用年齡層相近的正常老年人與退化性膝關節炎患者的資料做比較。 Messier 等(1992)可以說是最早將退化性膝關節炎病人與同年齡層相符合的 正常人做步態分析的研究。他們研究同年齡層退化性膝關節炎病人(男性 4 位, 女性 11 位)與 15 位同年齡層正常老年人所做出的研究指出退化性膝關節炎病人 在患側及健側的柔軟度(flexibility)都要比同年齡層的正常老年人來的差，走路速 度較慢、步長較短、步頻較小、膝關節的關節活動度較小及關節角速度較小，但 是髖關節的關節角速度較同年齡層的正常老年人大，Messier 等推測說退化性膝 關節炎病人藉由增加髖關節的角速度來代償膝關節角速度的減少。 Manetta 等(2002)研究有罹患退化性膝關節炎的病人與同年齡層沒有退化性 膝關節炎的正常老年人在髖關節與膝關節力矩在承重反應期(loading response)的 比較。發現退化性膝關節炎病人在走路速度、膝關節的關節活動度及髖關節伸展 力矩的極大值都比同年齡層沒有退化性膝關節炎的正常老年人來的小。Manetta 等指出，退化性膝關節炎病人膝關節的伸展力矩極大值會比同年齡層沒有退化性 膝關節炎的人來的高可能是因為退化性膝關節炎病人的膝關節關節活動度受限 所導致。此外，在 Manetta 等的資料中還可看出退化性膝關節炎患者的髖關節屈 曲力矩也要比正常老年人小，只是 Manetta 等並沒有去解釋這個結果的差異。 Cheing 等學者(2001)針對中國人有罹患退化性膝關節炎(退化性膝關節炎程 度在 grade II 或以上)的病人與同年齡層的正常人做有關步態的運動學方面的研 究。Cheing 等學者發現，退化性膝關節炎病人走路要比同年齡層的正常人來的 慢，步頻與步長等要比同年齡層的正常人來的小。在膝關節活動度方面，退化性 膝關節炎病人在休息時膝關節活動度要比同年齡層的正常人小

11

.

2

%

，在走路

8 時要小

14

.

7

%

。由這些數據來看，東方人在罹患退化性膝關節炎的病人其步態 的變化與西方學者所做出的結果相符，在走路速度、步長、步頻及關節角度變化 方面都要比同年齡層的正常人要來的低。 以上幾篇文獻都是有考慮到年齡的因素去探討退化性膝關節炎病人與正常 人的步態分析。然而在 Messier 及 Manetta 的文獻中，並沒有明確提到說退化性 膝關節炎病人其退化性膝關節炎的嚴重等級，由於膝關節的退化可能會隨著患者 個人的情況而變得越來越嚴重，罹患退化性膝關節炎嚴重者將會導致患者更不利 於行，而需藉助拐杖或助行器，其走路的步態可能因退化嚴重程度與否而有所不 同。所以在實驗設計中去控制患者膝關節的退化嚴重程度將會影響整個實驗資料 的偏差。Cheing 是針對中國人有罹患退化性膝關節炎的族群所做的步態分析研 究，對於了解中國人退化性膝關節炎病人的步態有很大的幫助。可惜 Cheing 的 研究中只有運動學的資料，缺乏了動力學的資料，是比較不足的地方。但不管是 西方學者或是東方學者研究出來的資料都顯示，罹患退化性膝關節炎的患者在步 態上的動作表現及特徵上與正常老年人還是有差異的。所以過去不管是用正常年 輕人的資料或是用正常老年人的資料與退化性膝關節炎患者的資料做比較，都發 現退化性膝關節炎患者在步態特徵上都與正常人有差異，這些差異歸納後包括走 路速度較慢、步長較短、步頻較小、膝關節的關節活動度較小、膝關節力矩較小 等，這些差異都可能會限制患者從事一些活動的能力。

1.1.6

正常老年人與正常年輕人跨越障礙物動作特徵

在過去，並無文獻去探討退化性膝關節炎病人在跨越障礙物時生物力學上的 動作特徵。由於退化性膝關節炎病人在罹患關節炎後，可能因為肌肉無力或骨骼 變形等症狀而影響到患者在從事跨越障礙物時的一些動作表現與正常人不同，可 惜的是過去並沒有類似的研究文獻，所以以下將以探討正常老年人與年輕人跨越 障礙物時的動作特徵，以做為退化性膝關節炎病人跨越障礙物動作特徵的比較。 Chen 等(1991)研究四個不同族群(年輕男性、年輕女性、老年男性、老年女 性)在跨越四種不同的障礙物高度(

0

、

25

、

52

及

152

mm)的研究時指出，隨著 障礙物的高度增加，正常老年人用比較慢的跨越速度(crossing speed，CS)、比較 短 的 步 長 (step length ， SL) 及 跨 越 前 腳 (leading foot) 離 障 礙 物 較 近 的 heel strike(obstacle-heel strike distance，HD)及較寬的步寬(step width，SW)來完成跨越 障礙物的動作。比較有趣的是，隨著障礙物的高度增加，正常老年人與年輕人在 跨越障礙物時與障礙物的最小跨越垂直高度(minimum foot clearance, FC)並無顯 著性的差異，也就是年齡大小對於跨越前腳跨越障礙物時與障礙物的最小跨越垂 直高度並無明顯差異。此外，隨著障礙物的高度增加時，不管是年輕人或老年人， 跨越前腳與最小跨越高度的垂直距離也會隨著增加，但跨越速度是隨著障礙物高 度增加而降低的。Begg 等(1998)研究 12 位年輕人(六位男性，六位女性)跨越三

9 的增加，跨越速度會隨之降低。Patla 等(1993)所做的研究也指出當障礙物高度增 加時，跨越前腳與障礙物之間的垂直高度(toe-obstacle clearance)也會跟著增加。 此外，Patla 等還提出當障礙物高度增加時，跨越前腳在跨越障礙物會使用較多 的髖關節及膝關節的屈曲角度來當做調整的策略，而跨越後腳(trailing foot)則會 使用較多的膝關節及踝關節的屈曲角度來做調整。另外，當障礙物高度增加時， 跨越前腳在矢狀面(sagittal plane)的髖關節，膝關節及踝關節三個關節的屈曲角度 也會跟著增加。作者解釋跨越前腳及跨越後腳在跨越不同高度時，在關節角度及 跨越高度上的策略改變，都是為了要能夠安全的跨越障礙物，而不致發生絆倒 (tripping)的情形。Sparrow 等(1996)用 12 位成年人研究跨越三種不同障礙物高度 (

10

%

，

25

%

and

40

%

的腳長)時指出，跨越前腳與障礙物之間的垂直高度

(leading foot clearance)並無直接的影響，反而是跨越後腳與障礙物之間的垂直高 度(trailing foot clearance)會隨著障礙物高度的增加而增加，但是跨越後腳的跨越 時間卻沒有因障礙物增高而有顯著的增加。Chou 等(1997) 用 14 位平均年齡在 23 歲的正常年輕人跨越四種不同障礙物高度(

51

、

102

、

153

and

204

mm)的研 究時發現，跨越後腳的足尖-與障礙物的垂直高度(toe-obstacle clearance)並不會隨 著障礙物高度的增加而增加。這結果與 Sparrow 等提出的結果有所不同。 統合跨越障礙物運動學上的結果大致來說，隨著障礙物高度的增加，跨越速 度會減慢，關節彎曲角度會變大，但是跨越前腳及跨越後腳與在跨越障礙物時與 障礙物垂直高度之間的距離會不會隨著障礙物的高度增加而有所改變，還是有其 不統一的變異性存在。而比較年輕人與老年人跨越障礙物時，老年人用比較慢的 跨越速度、比較短的步長及跨越後利用比較靠近障礙物的水平距離跨越及以較寬 的步寬來完成跨越障礙物的動作。 由以上跨越障礙物的運動學及動力學上的文獻回顧可知，當跨越不同障礙物 高度時，不管是跨越前腳或是跨越後腳與障礙物高度之間的垂直距離都會受到障 礙物高度的不同而有所影響，但障礙物高度的不同是影響跨越前腳較多或是影響 跨越後腳較多的真正機轉，每個學者所研究發現的結果還不是很確定。另外，隨 著障礙物高度的增加，跨越障礙物的速度會隨著降低。而由 Chen 等學者所做出 的結果顯示，年齡的因素確實是會影響跨越障礙物的動作特徵。

1.1.7 總結文獻探討與研究動機

由以上的文獻回顧可以得知，罹患退化性膝關節炎的病人在步態特徵方面與 正常人有差異。這些差異包括走路的速度慢、步長較短、步頻較少、關節活動度 減少及關節力矩變小等。在過去，許多文獻都用正常年輕人的資料與退化性膝關 節炎病人的資料做比較，只有少數幾篇(Messier, 1992；Cheing, 2001；Manetta, 2002)等用同年齡層正常老年人與退化性膝關節炎病人的資料做步態分析的比 較。由於年輕人與老年人的動作上已經出現不少差異，而罹患退化性膝關節炎的 病人又多以老年人居多，所以用正常年輕人的資料與退化性膝關節炎病人的資料

10 做比較時，就無法把正常年輕人與老年人的差異給排除。所以當我們要去探討退 化性膝關節炎病人的動作分析時，應該要把年齡的因素給考慮進去。也就是說， 利用同年齡層的正常老年人與罹患退化性膝關節炎的病人的資料做步態分析比 較，才能較精確的比較出退化性膝關節炎病人的動作差異。此外，過去的文獻並 沒有探討過退化性膝關節炎病人跨越障礙物時的步態特徵，所以本文將對退化性 膝關節炎病人跨越不同高度障礙物步態特徵的做一初步的研究分析，希望能更進 一步了解退化性膝關節炎病人在跨越不同高度障礙物時的步態特徵。

1.2 研究目的

本研究主要研究的目的有五： 1. 比較同年齡層的正常女性老年人與退化性膝關節炎女性病人在水平步 行(level walking)時下肢運動學及動力學的差異。 2. 比較跨越不同高度障礙物時對同年齡層的正常女性老年人與退化性膝 關節炎女性病人的下肢關節角度活動範圍與步態特徵的差異。 3. 比較退化性膝關節炎女性在水平步行時健側與患側的運動學及動力學 的差異。 4. 比較退化性膝關節炎女性在跨越不同高度障礙物時健側與患側的運動 學與步態特徵的差異。 5. 比較退化性膝關節炎女性在接受各種不同臨床治療（物理治療、藥物治 療、關節液注射）後動作表現之差異。

1.3 研究假設

本研究的研究假設如下︰ 1. 同年齡層正常女性老年人與罹患退化性膝關節炎女性在水平步行時下 肢的運動學及動力學有明顯差異。 2. 同年齡層正常女性老年人與罹患退化性膝關節炎女性在跨越不同高度 障礙物時下肢的運動學與步態特徵有明顯差異。 3. 罹患退化性膝關節炎女性在水平步行時健側與患側的運動學及動力學 有明顯差異。 4. 罹患退化性膝關節炎女性在跨越不同高度障礙物時健側與患側的運動 學與步態特徵有明顯差異。 5. 罹患退化性膝關節炎女性在接受臨床治療前後患側的運動表現有明顯 差異。

11

第二章 實驗方法

2.1 研究對象

因女性罹患退化性膝關節炎比例遠高於男性，所以本研究主要以 12 位退化 性膝關節炎女性病患為研究對象。這 12 位女性病患皆由骨科醫生或復健科轉介 而來，年齡層介於 50 歲到 67 歲。這 12 位女性患者除了一些不影響行走能力的 慢性疾病，如高血壓、糖尿病等，如果有以下任何條件不符，也不予參與本實驗， 排除條件(exclusion criteria)如下： 1. 不能夠獨力行走而需要任何輔具或助行器者。 2. 有罹患神經系統方面的疾病，如帕金森氏症(Parkinson’s disease)、阿茲海默氏 症(Alzheimer's disease)、多發性硬化症(Multiple Sclerosis)等。

3. 下肢關節(髖關節、膝關節及踝關節)有受過外傷或曾經骨折者。

4. 有類風溼性關節炎(rheumatoid arthritis)或相關的下肢發炎性關節疾病，如痛風 (gout)等。

5. 下肢有做過任何型式的手術，如關節置換術、截肢(amputation)或韌帶重建術 (ligament repair)等。

6. 膝關節退化的程度在 grade II 以上的患者。(根據 Kellgren and Lawrence grading system (1963) 區分，見附錄一) 7. 下肢關節(髖關節、膝關節及踝關節)的關節活動角度受限角度大於 10°者。 8. 無法了解或完成整個實驗流程者。 另外有 12 位沒有下肢關節及神經肌肉骨骼方面的病變或傷害的女性自願受 試者(以下簡稱為正常女性老年人)為研究對象。這 12 位正常女性老年人年齡層 介於 50 歲到 62 歲。排除條件與前面所列相同。 每位受試者在予以告知並了解整個實驗目的與流程之後，均要簽署受試者同 意書(附錄二)，才得以進行整個實驗至完成為止。所有實驗均在中國醫藥學院物 理治療學系之動作分析實驗室完成。 在治療方面，接受關節液注射者（3 位），每週注射一劑，在接受注射前及 注五劑後，皆到實驗室進行資料收集。接受物理治療（3 位）者，則每隔三個月 至實驗室收集資料。藥物治療者（6 位），則每個月至實驗室收集資料，最多持 續 6 次。

2.2 實驗設備

12

2.2.1 動作分析系統

使用七台 60 赫茲(60 Hz)的紅外線攝影機，並配合 VICON 370 動作分析系統 (VICON 370 motion analysis system，Oxford Metrics Limited., UK)(圖 2.1)介面來 收集資料。藉由七台攝影機收集貼在受試者身上特定位置的反光球所移動產生的 三維軌跡(three-dimensional trajectory)，來定義出受試者某些肢段在實驗室中的位 置。再經由程式之計算可得出下肢關節角度活動度的大小。

2.2.2 三維測力板系統

使用 AMTI 三維測力板系統(AMTI force plates，Type OR6-6, Watertown, MA , USA)(圖 2.1)。以 960Hz 收集受試者水平步行及跨越障礙物時地面反作用力及力 矩。並藉由類比數位轉換器(A/D converter)與 VICON 370 動作分析系統達到同步 的效果。配合動作分析系統所得到的下肢肢段位置資料，加以運算後可得到下肢 關節的角度及三維受力情形。

2.2.3 反光球

反光球(retro-reflective markers)為直徑 2.5 公分圓形的球型物，球表層再貼上 3M 的反光貼紙，藉由攝影機所投射出來的光線返射回去讓攝影機擷取其位置。 實驗期間，有 23 顆反光球貼在受試者身上的特定位置，分別是身體兩側的顳顎 關節(temporo-mandibular joint)、肩峰(acromion)、肱骨外上髁(lateral epicondyle of the humerus)、橈骨莖突(styloid process of radius)、髂骨前上嵴(anterior superior iliac spine)、大腿外側(lateral thigh)、股骨外上髁(lateral epicondyle of femur)、小腿外 側(lateral shank)、腳踝外踝(lateral malleolus)、第二蹠骨尖(second metatarsal head)、 腳 跟 (calcaneus)及 薦 骨 一 顆 (sacrum, midline of posteroir superior iliac spine)(圖 2.2)。此外，在靜止站立時還包括了股骨內髁(medial epicondyle of femur) 及腳踝內踝(medial malleolus)，以便計算受試者活動時膝關節及踝關節之中心。

除了以上三種主要的實驗設備外，動作分析實驗室尚有平面步道 9 米，可供 受試者在實驗室行走及跨越障礙物。另有可調高度式障礙物一組(圖 2.3)，用以 收集受試者跨越障礙物時資料。

13

圖 2.1 動作分析系統及兩塊三維測力板系統。

14 圖 2.3 可調高度式障礙物。

2.3

實驗流程

在實驗開始之前，會先設定及校正動作分析系統及三維測力板系統。所有受 試者剛開始會接受一些過去病史(history)的詢問，以確定受試者不在本實驗排除 條件之外，符合實驗之受試者會先換裝並簽署受試者同意書。之後便在受試者身 上貼上反光球，首先收集受試者靜止站立時的資料，會先在受試者身上貼上包括 股骨內髁及腳踝內踝等共 27 顆反光球，用以訂定膝關節及踝關節之中心，之後 再把股骨內髁及腳踝內踝的反光球拿掉，才不妨礙受試者接下來做動作的表現。 幫受試者貼完反光球後，會請受試者在實驗室試走幾趟，讓受試者熟悉實驗室環 境及貼上反光球後動作之感覺，待受試者能以平時動作表現後才開始收集資料。 在整個實驗過程，受試者皆以裸腳之型態在實驗室中行走，且都能完成整個實驗 而無身體異常之現象或下肢關節疼痛的現象。

2.4 理論基礎

2.4.1 運動學

透過反光球的位置可以訂定 7 個坐標系來計算關節的角運動。這 7 個坐標系 包括：骨盆坐標系(pelvis coordinate system)，兩側之大腿坐標系(bilateral thigh coordinate systems)，兩側之小腿坐標系(bilateral shank coordinate systems)，兩側 足部坐標系(bilateral foot coordinate systems)(Haug, 1992)。

利用旋轉矩陣可表示每一個肢段在空間中的位置，透過矩陣的運算，我們可 將關節角運動視為遠端肢段相對於近端肢段的運動，其計算可利用下列方程式來

15 表示， d T p d p

R

R

R

/

=

×

其中 p d

R

/ 是關節角運動在空間坐標系中的旋轉矩陣，

R

_p及

R

_d分別是近端 及遠端肢段位置的旋轉矩陣，符號

T

代表轉置矩陣。一般關節的角運動可以透過 尤拉角(Euler angles)來表示。在計算尤拉角時，我們選擇

y

−

x

′

−

z

′′

的旋轉次序 來求取關節角度。其中

y

軸旋轉的角度α代表屈曲-伸展(flexion/extension)，經

x

′

軸旋轉的角度β代表外展-內收(abduction/adduction)，經由

z

′′

軸旋轉的角度γ代 表軸向旋轉(axial rotation)。旋轉矩陣跟尤拉角的關係式可由下列方程式來表示：

(

,

,

)

[ ]

_3×3 ′′ ′z

=

=

Γ

ij x y

R

α

β

γ





















+

−

−

−

+

=

β

α

γ

α

γ

β

α

γ

α

γ

β

α

β

γ

β

γ

β

β

α

γ

α

γ

β

α

γ

α

γ

β

α

C

C

S

S

C

S

C

S

S

S

S

C

S

C

C

S

C

C

S

S

C

C

S

S

C

C

S

S

S

在式子中α、β、γ的角度可進一步利用三角函數來做計算，如下列所示：

其中

C

代表

cos

，

S

代表

sin

。

A

tan

2

代表

tan

的反函數，同時也考慮到象 限計算的狀況。

2.4.2 動力學

當肢段的運動學，地面的反作用力與力矩及人體計測資料(anthropometric data)皆求得後，關節所受三維力量與力矩可以被進一步計算求取。我們利用肢段 自由體圖(free-body diagram)(圖 2.4)的分析，透過牛頓-尤拉方程式(Newton-Euler equations)來求取。其式子如下：

[

d d d p p

]

p w d p

F

r

F

r

M

I

I

M

F

F

ma

F

×

+

×

+

−

×

+

=

−

−

=

ω

ω

ω

&

其中

F

_p是近端的關節力量，m是肢段的質量，a是肢段重心移動之加速度，

)

/

,

/

(

2

tan

)

/

,

/

(

2

tan

)

,

(

2

tan

23 21 33 13 2 33 2 13 23

β

β

γ

β

β

α

β

C

C

A

C

C

A

A

Γ

Γ

−

=

Γ

Γ

−

=

Γ

+

Γ

Γ

−

=

16 d

F

是遠端的關節力量，

F

_w是肢段所受的重力，

M

_p是近端的關節力矩，

M

_d是 遠端的關節力矩，

r

_p是近端的力臂，

r

_d是遠端的力臂，

ω

&

是肢段的角加速度，

ω

是肢段的角速度。 圖 2.4 自由體圖

2.5

資料收集及重整

所有受試者都收集可用之走路資料 6 筆及跨越障礙物 10 公分(包括健側為跨 越前腳 6 筆及患側為跨越前腳 6 筆)及 20 公分(包括健側為跨越前腳 6 筆及患側 為跨越前腳 6 筆)資料各 24 筆，共 54 筆可用資料。障礙物高度之選取參考 Chou 等(1997)研究之障礙物高度，擷取其 10 公分及 20 公分之高度。先將從動作分析 系統收集來的反光球資料經過標定(label)之後，存成 c3d 的檔案格式。所有的反 光 球 資 料 會 先 利 用 generalized cross-validation spline smoothing (GCVSPL) (Woltring, 1986)以 6Hz 截止頻率濾掉雜訊。再經由自行撰寫的程式來計算出下肢 各個關節的關節角度、關節力矩及跨越障礙物步態特徵之相關資料。為定義跨越 障礙物動作特徵，本文採用 Chen (1991)之定義方式(圖 2.5)。

2.6 統計分析

本文的統計分析將分為三部份，分別是： 1. 正常女性老年人與退化性膝關節炎女性之相關資料比較，用獨立樣本 T 考 驗(independent t test)。

2. 退化性膝關節炎女性健側(sound side)與患側(affect side) 之相關資料比較， 用相依樣本 T 考驗(paired-t test)。

17

Tukey’s test 做事後比較(post-hoc)。

4. 退化性膝關節炎女性接受臨床治療前後之相關資料比較，用相依樣本 T 考 驗(paired-t test)。 所有資料之

P

<

0

.

05

即達到統計上的顯著意義。 圖 2.5 跨越障礙物步態特徵之相關資料 TD：toe distance，跨越後腳之腳尖到障礙物之水平距離。 HD：heel distance，跨越前腳跨越著地後腳跟與障礙物之水平距離。 SL：step length，跨越障礙物之步長。 HOC：heel-obstacle clearance，跨越前腳之腳跟至障礙物正上方時之垂直高度。 TOC：toe-obstacle clearance，跨越前腳之腳尖至障礙物正上方時之垂直高度。 VEL：velocity，跨越時速度。 SW：step width，跨越步寬。

TOC

HOC

HD

TD

S

VEL

18

第三章 實驗結果

3.1 受試者

在受試者資料方面，正常女性老年人與退化性膝關節炎女性各 12 位。所有 受試者的慣用側(dominant side)皆為右側。正常女性老年人的年齡介於 50 歲至 62 歲，平均年齡是

54

.

6

±

4

.

1

歲，退化性膝關節炎女性的年齡介於 50 歲至 67 歲， 平均年齡是

58

.

5

±

5

.

9

歲；正常女性老年人的平均身高是

154

.

8

±

3

.

8

公分，退 化性膝關節炎女性的平均身高是

156

.

3

±

5

.

9

公分；正常女性老年人的平均體重 是

56

.

0

±

6

.

5

公斤，退化性膝關節炎女性的平均體重是

56

.

8

±

6

.

2

公斤；正常女 性老年人的平均腳長是

76

.

9

±

2

.

4

公分，退化性膝關節炎女性的平均腳長是

2

.

4

5

.

78

±

公分；正常女性老年人與退化性膝關節炎女性的以上這些資料都沒有 統計上的顯著差異(表 3.1)。在退化性膝關節炎的患側方面，所有退化性膝關節 炎的女性皆為單側罹患退化性膝關節炎。其中有九位患者是在慣用側，三位在非 慣用側；所有患者的膝關節退化程度都是在 grade II。 表 3.1 受試者基本資料之平均值與標準差(Mean±S.D) 受試者 年齡(歲) 身高(公分) 體重(公斤) 腳長(公分) 正常人 54.6±4.1 154.8±3.8 56.0±6.5 76.9±2.4 OA 患者 58.5±5.9 156.3±5.9 56.8±6.2 78.5±4.2

3.2 水平步行

3.2.1 運動學

正常女性老年人在走路時關節角度上的變化左腳及右腳是沒有顯著差異 的。所以本文以下若有用正常女性老年人資料與退化性膝關節炎女性資料做比較 時，正常女性老年人多以右側資料為主。 圖 3.1 為正常女性老年人與退化性膝關節炎女性之健側與患側在走路時下 肢關節角度活動範圍。研究發現罹患退化性膝關節炎女性在走路時膝關節的關節 角度活動範圍要比正常人來的小，不管是患側(比正常人小

6

.

6

°

)或健側(比正常 人小

6

.

4

°

)，都有達到顯著的差異(independent t test，P<0.05)。其它的如髖關節 或踝關節的關節角度活動範圍則無顯著的差異。此外，在退化性膝關節炎女性下 肢的健側與患側的各個關節角度活動範圍上，比較的結果是沒有差異的。

19

圖 3.1 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性之健側與患側在步行時下肢 關節角度活動範圍。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝關節炎女性。 S：健側，A：患側。H: hip, K: knee, An: ankle, FE: flexion/extension, ABAD: abduction/adduction, DP: dorsiflexion/plantarflexion. *: N-OAS, N-OAA

(P<0.05)

3.2.2 動力學

圖 3.2 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性的健側與患側步行時髖關節 最大力矩。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝關節炎女性。S：健側， A：患側。H: hip, AD: adduction moment, F: flexion moment, AB: abduction moment, E: extension moment. *: N-OAA, OAS-OAA (P<0.05)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

HFE HABD KFE AnDP

R O M ( d egre e)

Normal OAS OAA

* 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 HAD HF HAB HE M o m ent ( N m /kg)

Normal OAS OAA

*

20

圖 3.2 為正常女性老年人與退化性膝關節炎女性之健側與患側在走路時髖 關節力矩最大值。研究發現罹患退化性膝關節炎女性在走路時，患側髖關節的屈 曲力矩與伸展力矩的最大值都要比正常女性老年人(independent t test，P<0.05)及 健側(pair-t test，P<0.05)要來的小，且都有顯著差異。其它如髖關節外展力矩 (abduction moment)或內收力矩(adduction moment)則沒有顯著差異。而健側的最 大值與正常女性老年人相比，則沒有顯著之差異。 圖 3.3 為正常女性老年人與退化性膝關節炎女性之健側與患側在走路時膝 關節力矩最大值。研究發現罹患退化性膝關節炎女性在走路時，患側膝關節的屈 曲力矩與伸展力矩的最大值都要比正常女性老年人(independent t test，P<0.05)及 健側(pair-t test，P<0.05)要來的小，且都有顯著差異。其它如膝關節外展力矩或 內收力矩則沒有顯著差異。而健側的最大值與正常女性老年人相比，則沒有顯著 之差異。 圖 3.3 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性的健側與患側步行時膝關節 最大力矩。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝關節炎女性。S：健側， A：患側。K: knee, AD: adduction moment, F: flexion moment, AB: abduction moment, E: extension moment. *: N-OAA, OAS-OAA (P<0.05)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 KAD KF KAB KE M o me n t (N m/ k g )

Normal OAS OAA

*

21

3.3 跨越不同高度障礙物下肢關節角度活動範圍

隨著障礙物高度的增加，不管是正常女性老年人或是退化性膝關節炎女性， 不管是跨越前腳或是跨越後腳，下肢關節在矢狀面(sagittal plane)的關節屈曲角度 活動範圍也會隨著跨越高度增加而增加，且都有達到顯著差異。 圖 3.4 為正常女性老年人用慣用腳(右腳)在水平步行、障礙物 10 公分及障 礙物 20 公分時，不管是障礙物 10 公分或障礙物 20 公分，跨越前腳的髖關節及 膝關節的屈曲關節角度活動範圍會隨著障礙物高度的增加而增加；而在踝關節的 屈曲角度方面，只有在水平步行與障礙物 10 公分，以及水平步行與障礙物 20 公分有顯著差異(one way ANOVA，P<0.05)，在障礙物 10 公分與障礙物 20 公分 則沒有達到顯著差異。在跨越後腳方面，不管是障礙物 10 公分或障礙物 20 公分， 髖關節及膝關節的屈曲關節角度活動範圍也會隨著障礙物高度的增加而增加；而 在踝關節的屈曲角度方面，只有在水平步行與障礙物 20 公分，以及障礙物 10 公分與障礙物 20 公分有顯著差異(one way ANOVA，P<0.05)，在水平步行與障 礙物 10 公分則沒有達到顯著差異。

圖 3.4 正常女性老年人右腳跨越障礙物時關節屈曲角度之活動範圍。L：跨越前 腳；T：跨越後腳。H: hip, K: knee, An: ankle。0cm：水平步行，10cm：障礙 物 10 公分，20cm：障礙物 20 公分。 *: 0-10,0-20,10-20; **: 0-10,0-20; ***: 0-20,10-20 (p<0.05) 圖 3.5 為退化性膝關節炎女性用健側當做跨越前腳在水平步行、障礙物 10 公分及障礙物 20 公分時，不管是障礙物 10 公分或障礙物 20 公分，跨越前腳(健 側)的髖關節及膝關節的屈曲關節角度活動範圍會隨著障礙物高度的增加而增 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

LH

LK

LAn

TH

TK

TAn

R

O

M

(

d

eg

re

e)

0cm

10cm

20cm

* * * * ** ***

22

加；而在踝關節的屈曲角度方面，只有在水平步行與障礙物 10 公分及水平步行 與障礙物 20 公分有顯著差異(one way ANOVA，P<0.05)，在障礙物 10 公分與障 礙物 20 公分則沒有達到顯著差異。在跨越後腳方面，不管是障礙物 10 公分或障 礙物 20 公分，髖關節、膝關節及踝關節的屈曲關節角度活動範圍也會隨著障礙 物高度的增加而增加(one way ANOVA，P<0.05)。

圖 3.5 退化性膝關節炎女性健側為跨越前腳跨越障礙物時關節屈曲角度之活動 範圍。L：跨越前腳；T：跨越後腳。H: hip, K: knee, An: ankle。0cm：水平 步行，10cm：障礙物 10 公分，20cm：障礙物 20 公分。*: 0-10,0-20,10-20; **: 0-10,0-20 (p<0.05)

圖 3.6 退化性膝關節炎女性患側為跨越前腳跨越障礙物時關節屈曲角度之活動 範圍。L：跨越前腳；T：跨越後腳。H: hip, K: knee, An: ankle。0cm：水平 步行，10cm：障礙物 10 公分，20cm：障礙物 20 公分。*: 0-10,0-20,10-20; **: 0-10,0-20 (p<0.05) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 LH LK LAn TH TK TAn R O M ( d eg re e) 0cm 10cm 20cm * * * * * ** 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 00 1 10 1 20 1 30 1 40 1 50 1 60 LH LK LAn TH TK TAn R O M ( d eg re e) 0cm 10cm 20cm * * * ** ** **

23

圖 3.6 為退化性膝關節炎女性用患側當做跨越前腳在水平步行、障礙物 10 公分及障礙物 20 公分時，不管是障礙物 10 公分或障礙物 20 公分，跨越前腳(患 側)的髖關節及膝關節的屈曲關節角度活動範圍會隨著障礙物高度的增加而增 加，；而在踝關節的屈曲角度方面，只有在水平步行與障礙物 10 公分，以及水 平步行與障礙物 20 公分有差異(one way ANOVA，P<0.05)。在障礙物 10 公分與 障礙物 20 公分則沒有達到顯著差異。在跨越後腳(健側)方面，不管是障礙物 10 公分或 20 公分，膝關節的屈曲關節角度活動範圍也會隨著障礙物高度的增加而 增加；而在髖關節與踝關節的屈曲關節角度方面，只有在水平步行與 10 公分， 以及水平步行與 20 公分有差異(one way ANOVA，P<0.05)，在障礙物 10 公分與 障礙物 20 公分則沒有達到顯著差異。 圖 3.7 為若是將退化性膝關節炎女性的患側都當做跨越前腳，比較正常女性 老年人(右腳先跨)跨越障礙物 10 公分時關節角度活動範圍，發現退化性膝關節 炎女性的患側在跨越障礙物 10 公分時會有較大的髖關節外展-內收角度活動範 圍 (independent t test ， P<0.05) 。 其 中 正 常 女 性 老 年 人 的 角 度 活 動 範 圍 為

°

±

°

2

.

27

64

.

15

，而退化性膝關節炎女性的角度活動範圍

18

.

11

°

±

2

.

72

°

，而在 其它的關節角度活動範圍則沒有顯著差異。 圖 3.7 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越前腳跨越障礙物 10 公分時關節角度之活動範圍。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝 關節炎女性，S：健側，A：患側。H: hip, K: knee, An: ankle。FE: flexion/extension, ABD: abduction/adduction, ROT: rotation, DP: dorsiflexion/plantarflexion. *p<0.05 圖 3.8 為若是將退化性膝關節炎女性的健側當做跨越前腳(患側為跨越後 腳)，比較正常女性老年人右側當做跨越前腳，跨越障礙物 10 公分時關節角度活 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

AHFE AHABD AHRO T AKFE AAnDP SHFE SHABD S HRO T S KFE SAnDP

R O M ( d eg ree) Normal OAA *

24

動範圍，發現兩者在下肢各關節角度活動範圍並沒有顯著的差異。

圖 3.8 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越前腳跨越障礙物 10 公分時關節角度之活動範圍。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝 關節炎女性，S：健側，A：患側。H: hip, K: knee, An: ankle。FE: flexion/extension, ABD: abduction/adduction, ROT: rotation, DP: dorsiflexion/plantarflexion. *p<0.05

圖 3.9 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性患側為跨越前腳跨越障礙物 20 公分時關節角度之活動範圍。Normal：正常女性老年人，OA：退化性膝 關節炎女性，S：健側，A：患側。H: hip, K: knee, An: ankle。FE: flexion/extension, ABD: abduction/adduction, ROT: rotation, DP: dorsiflexion/plantarflexion. *p<0.05 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

SHFE SHABD S HRO T SKFE SAnDP AHFE AHABD AHRO T AKFE AAnDP

R O M ( d eg ree) Normal OAS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

AHFE AHABD AHRO T AKFE AAnDP SHFE SHABD SHRO T SKFE SAnDP

R O M ( d eg ree ) Normal OAA *

25 圖 3.9 為若是將退化性膝關節炎女性的患側當做跨越前腳，比較正常女性老 年人右側當做跨越前腳，跨越障礙物 20 公分時關節角度活動範圍。發現退化性 膝關節炎女性的患側當跨越前腳時，髖關節外展-內收角度活動範圍比正常女性 老年人大，且有顯著差異(independent t test，P<0.05)。其中正常女性老年人的角 度活動範圍為

15

.

32

°

±

1

.

87

°

，退化性膝關節炎女性的角度活動範圍為

°

±

°

3

.

90

30

.

20

，而在其它的關節角度活動範圍則沒有顯著差異。 圖 3.10 為若是將退化性膝關節炎女性的健側當做跨越前腳(患側為跨越後 腳)，比較正常女性老年人右側當做跨越前腳，在跨越障礙物 20 公分時關節角度 活動範圍。其結果與跨越障礙物 10 公分類似，兩者在下肢各關節角度活動範圍 並沒有顯著的差異。 圖 3.10 正常女性老年人右側與退化性膝關節炎女性健側為跨越前腳跨越障礙 物 20 公分時關節角度之活動範圍。Normal：正常女性老年人，OA：退化性 膝關節炎女性，S：健側，A：患側。H: hip, K: knee, An: ankle。FE:

flexion/extension, ABD: abduction/adduction, ROT: rotation, DP: dorsiflexion/plantarflexion. *p<0.05 圖 3.11 為若是以退化性膝關節炎女性的患側邊與健側邊做比較，發現只有 在障礙物 20 公分，以患側先跨越障礙物的情況下，髖關節外展-內收角度活動範 圍會比健側先跨越障礙物時來的大(pair-t test，P<0.05)。其它像是在障礙物 20 公分以患側後跨與健側後跨，或是在障礙物 10 公分的情況下，下肢各關節的角 度活動範圍都沒有顯著的差異。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

SHFE SHABD S HRO T SKFE SAnDP AHFE AHABD AHRO T AKFE AAnDP

R O M ( d eg re e) Normal OAS