不同落地訓練時期對成長中母鼠骨骼之影響

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(1)國立臺灣師範大學體育學系博士學位論文. 不同落地訓練時期對成長中母鼠骨骼之影響. 研究生：林欣仕指導教授：王鶴森共同指導教授：黃滄海. 中華民國 101 年 8 月中華民國臺北市.

(2) 口試委員與系主任簽字之論文通過簽名表. i.

(3) 論文授權書. ii.

(4) 不同落地訓練時期對成長中母鼠骨骼之影響 2012 年 8 月研究生：林欣仕指導教授：王鶴森共同指導教授：黃滄海摘要目的：探討不同時間長度之落地訓練對骨骼的影響，以釐清骨骼適應高衝擊性運動在時間序列上的變化。方法：使用 96 隻週齡 7 週的 Wistar 雌性大鼠，在四個時間點分別設置落地訓練組與對照組，每組動物數為 12，依序為 1 週落地訓練組 (E1)、1 週對照組 (C1)、2 週落地訓練組 (E2)、2 週對照組 (C2)、4 週落地訓練組 (E4)、4 週對照組 (C4)、8 週落地訓練組 (E8)、8 週對照組 (C8)，落地訓練組每日接受 30 次自 40 公分的高處落下著地之訓練，並於每週的第一次訓練與第五次訓練架設測力板以記錄地面反作用力 (ground reaction force, GRF) 作為運動強度探討；對照組則維持正常的籠內活動。各組實驗動物分別於 4 個時間點（訓練 1、2、4 及 8 週之後）犧牲，並採集其左右的股骨與脛骨，進行骨密度、組織型態、組織生物力學、斷面參數等測量與分析。採用獨立樣本 t 檢定與單因子變異數分析 (α=.05)。結果：大鼠在第一週第一天的落地 GRF 值顯著高於其他時間點 (p＜.05)；股骨的皮質骨面積與厚度呈現 E1 顯著低於 C1、E4 顯著高於 C4，脛骨則是 E8 在皮質骨面積、皮質骨厚度及斷面轉動慣量矩顯著高於 C8；股骨與脛骨海綿骨的骨生成指數（鹼性磷酸酶染色）、骨密度與結構參數（包括骨量比率及骨小樑厚度）皆為 E8 顯著高於 C8 組，而脛骨的海綿骨骨吸收指數（破骨細胞數）則是 E8 顯著低於 C8；股骨的斷裂負荷值 E1 顯著低於 C1，而 E8 的股骨與脛骨皆有顯著高於 C8 的斷裂負荷值。結論：皮質骨承受落地訓練初期時會因衝擊過大造成骨骼結構與骨生物力學強度暫時性的變弱，經過長期訓練適應之後則可恢復並增強；對快速成長中之海綿骨而言，訓練初期雖無法觀察到訓練效果，唯長期訓練則可呈現結構強化並提升骨密度。. 關鍵詞：運動、高衝擊、骨再塑、動物模型. iii.

(5) Effect of Free-fall Landing Training in Different Training Periods on Bone: An Animal Study in Growing Female Rats August, 2012 Graduate student: Hsin-Shih Lin Advisor: Ho-Seng Wang Co-Advisor: Tsang-Hai Huang Abstract Purpose: To investigate the effects of a time course free-fall landing training on bone metabolism in growing female rats. Methods: Ninety-six rats (7 weeks old) were assigned into eight groups (n=12/group), which were E1, E2, E4 E8, C1, C2, C4 and C8. Animals of the E1, E2, E4 and E8 groups were respectively subjected to 1, 2, 4 and 8 weeks free-fall landing training, in which animals were free-fallen from a height of 40 cm for 30 times per day; 5 days per week. The C1, C2, C4 and C8 groups served as the time matched groups. Additionally, we collected ground reaction force (GRF) data from force plate on day 1 and day 5 every week for 8 weeks. We used methods of micro-computed tomography (μCT), static histomorphometry, geometry measurement and tissue biomechanical testing to estimate the effects of free fall landing on growing bone. Results: Peak GRF on day 1 in first week was significantly higher than other time points (p＜.05). In the geometry measurement of femur, E1 group was significantly lower than C1 group whereas E4 was significantly higher than C4 in cortical area and thickness. In addition, E8 group was significantly higher than C8 in cortical area, cortical thickness and cross-sectional moment of inertia of tibiae. In trabecular bone formation index (alkaline phosphatase staining), bone mineral density and trabecular architectures (e.g. bone volume ratio, trabecular thickness) of femora and tibiae, E8 groups were significantly higher than C8 groups. In addition, E8 was significantly lower than C8 in trabecular bone resorption index (osteoclast number) of tibiae. In Biomechanical testing, fracture load of femora was significantly lower in E1 group as compared to C1. Conversely, E8 group was higher than C8 group in femora and tibiae. Conclusion: Landing training would cause a transiently compromised bone material in initial phase of cortical bone, and a recovery and enhancement in bone strength would occur following a longer period of training. Efficacy of landing training on trabecular bone was only showed after the 8-week training period.. Key words: exercise, high-impact, bone remodeling, animal mode. iv.

(6) 謝誌博士學位，從未想過追尋的理想，如今卻出現在我的生命裡。對我而言，得以完成如此夢幻般的博士學位需要感謝很多人，首先是我的指導教授：王鶴森老師。初進師大體育系大家庭，人際關係與生活環境極不熟悉，所幸鶴森老師給予協助與幫忙。並且在跟隨老師的博士班四年裡，學到許多研究與行政上的事務，對於未來的發展相當有用。再者為黃滄海老師，謝謝你在九年前認識的初期即提供一份工讀的機會給我，讓學生能專心於課業與球隊的訓練上。也教導運動科學相關專業知識，使得本人能進入成大體健休所就讀，並且花了六年時間一路帶領我完成碩士、博士學位。如今能完成這本博士學位論文，心中的感謝不可言喻。心裡由衷的感謝成大體健休所碩士班的梁詠喻與林庭瑜同學，在實驗進行的半年裡給予本人相當多的助力，也謝謝蘇亦秀與蔡欣蓉兩位學妹於數據分析的幫忙。另外，在此謝謝許多人給予本人於實驗進行、數據分析、專業知識與論文修改的幫助：感謝國立成功大學生化所的張明熙教授與許育祥博士於動物實驗進行時所需的幫助；感謝國立成功大學物理治療學系的徐阿田教授與鄭宏彥同學提供雙軸材料測試系統的儀器與專業的操作；感謝國立台灣大學藥理學研究所的符文美教授、林子閎博士後研究員與馬昀研究助理，在微電腦斷層掃瞄的測量與分析給予極大的幫助；感謝國立成功大學體育健康與休閒研究所的邱宏達與鄭匡佑副教授提供地面反作用力的程式計算；感謝林正常、楊榮森與謝伸裕三位教授在研究計畫與學位口試時給予豐富的專業知識與論文修改。最後，感謝家人這一路上的支持，從未給我任何的壓力，讓我在這 28 年都能做自己想做的事。吉兒，感謝你這六年研究生涯的陪伴，使我更有動力在學術上的闖蕩。. v.

(7) 目. 次. 口試委員與系主任簽字之論文通過簽名表........................................................................ i 論文授權書........................................................................................................................... ii 中文摘要.............................................................................................................................. iii 英文摘要.............................................................................................................................. iv 謝誌....................................................................................................................................... v 目. 次.................................................................................................................................. vi. 表. 次................................................................................................................................ viii. 圖. 次.................................................................................................................................. ix. 第壹章. 緒論 ................................................................................................... 1. 第一節問題背景......................................................................................................... 1 第二節研究目的......................................................................................................... 3 第三節名詞操作性定義............................................................................................. 3 第四節研究限制......................................................................................................... 3 第五節研究重要性..................................................................................................... 4. 第貳章. 文獻探討 ........................................................................................... 5. 第一節骨再塑的機制................................................................................................. 5 第二節機械性負荷與骨再塑..................................................................................... 7 第三節落地運動對骨骼的影響之動物實驗評析................................................... 13 第四節總結............................................................................................................... 16. 第參章. 研究方法 ......................................................................................... 17. 第一節實驗動物....................................................................................................... 17 第二節實驗設計....................................................................................................... 17 第三節骨骼樣本之收集與製備............................................................................... 19. vi.

(8) 第四節分析方法....................................................................................................... 19 第五節統計分析....................................................................................................... 26. 第肆章結果 ................................................................................................... 27 第一節訓練前與訓練後落地訓練組與對照組的體重比較................................... 27 第二節身體與骨骼的長度....................................................................................... 27 第三節八週落地的地面反作用力變化................................................................... 29 第四節骨骼斷面參數............................................................................................... 31 第五節海綿骨的骨生成與骨吸收參數................................................................... 36 第六節骨密度與海綿骨結構................................................................................... 39 第七節骨骼生物力學特性....................................................................................... 44. 第伍章討論 ................................................................................................... 50 第一節落地訓練的動物模型：實驗控制的適當性............................................... 50 第二節不同期間的落地衝擊對皮質骨的影響....................................................... 52 第三節不同期間的落地衝擊對海綿骨的影響....................................................... 54 第四節綜合討論....................................................................................................... 55 第五節結論與建議................................................................................................... 60 引用文獻............................................................................................................................. 61 附錄..................................................................................................................................... 67 附錄一縮寫表........................................................................................................... 67 附錄二破骨細胞的染色步驟與計算分析............................................................... 69 附錄三骨骼鹼性磷酸酶的染色步驟與計算分析................................................... 71 附錄四落地訓練的過程圖示................................................................................... 73 附錄五動物實驗同意書........................................................................................... 74 個人小傳............................................................................................................................. 80. vii.

(9) 表. 次. 表 1 落地運動對動物骨骼影響的文獻整理...................................................................... 15 表 2 實驗設計摘要表.......................................................................................................... 18 表 3 訓練前後各時間點落地訓練組與對照組的體重比較.............................................. 28 表 4 身體與骨骼長度.......................................................................................................... 28 表 5 股骨斷面參數.............................................................................................................. 32 表 6 脛骨斷面參數.............................................................................................................. 33 表 7 股骨海綿骨結構.......................................................................................................... 42 表 8 脛骨海綿骨結構.......................................................................................................... 43 表 9 股骨生物力學特性 (結構層次) ................................................................................. 45 表 10 股骨生物力學特性 (組織層次) ................................................................................ 46 表 11 脛骨生物力學特性 (結構層次) ................................................................................ 47 表 12 脛骨生物力學特性 (組織層次) ................................................................................ 48. viii.

(10) 圖. 次. 圖 1 骨骼承受外力產生形變而引發機械性負荷造成系列細胞反應示意圖....................... 9 圖 2 骨骼接受機械性負荷至活化造骨細胞作用的流程圖................................................. 10 圖 3 微型電腦斷層掃描器.................................................................................................... 20 圖 4 雙軸材料測試系統........................................................................................................ 21 圖 5 自製之測力板裝置......................................................................................................... 23 圖 6 落地位置標記示意圖..................................................................................................... 24 圖 7 地面反作用力計算方程式............................................................................................ 25 圖 8 八週落地的地面反作用力變化.................................................................................... 30 圖 9 四個訓練期的落地訓練組與對照組的股骨斷面參數差異百分比............................ 34 圖 10 四個訓練期的落地訓練組與對照組的脛骨斷面參數差異百分比.......................... 35 圖 11 海綿骨的鹼性磷酸酶分佈百分比 ............................................................................... 37 圖 12 海綿骨的破骨細胞數目.............................................................................................. 38 圖 13 股骨與脛骨的皮質骨骨密度...................................................................................... 40 圖 14 股骨與脛骨的海綿骨骨密度...................................................................................... 41 圖 15 四個訓練期的落地訓練組與對照組的骨骼斷裂負荷值的差異百分比.................. 49 圖 16 骨再塑週期和骨骼結構與材料特性的變化示意圖................................................... 57 圖 17 股骨與脛骨的皮質骨對落地訓練產生的 J 型反應.................................................. 58 圖 18 股骨與脛骨的海綿骨對落地訓練產生的 J 型反應.................................................. 59. ix.

(11) 1. 第壹章. 緒論. 第一節問題背景. 骨質疏鬆症 (osteoporosis) 為已開發國家常見的慢性病之一，其造成嚴重之處在於患者因骨流失而缺乏骨量與骨強度，進而無法承受突如其來的外力衝擊，使得個體容易遭遇骨折的意外。另外，骨質疏鬆症患者常見於中老年人，此時期的生理修復機制緩慢，因而，骨折後常造成行動受限、長期臥床，致使諸多併發症出現，嚴重影響患者及家屬的生命及生活品質，同時造成社會的醫療成本提高，進而波及整體國家財政。研究證實，運動可以促進骨量與骨強度或減緩骨流失而預防骨質疏鬆症與骨折的發生 (Turner, 2006)。在生理上，運動對骨骼產生影響之效應可分為兩種，分別為全身性效應與局部性效應。前者是指運動時引起體內激素的改變，像是生長激素 (growth hormone, GH) (Godfrey, Madgwick, & Whyte, 2003)、副甲狀腺素 (parathyroid hormone, PTH) (Takada, Washino, Hanai, & Iwata, 1998)、維生素D3 (vitamin D3) (Iwamoto, Takeda, & Sato, 2005) 等，或運動造成的能量代償引致瘦體素 (leptin) 變化 (Bouassida et al., 2006; Hamrick & Ferrari, 2008)，都會影響全身的骨代謝。後者則指衝擊性或負重式的運動造成骨骼承受局部的物理性刺激，進而影響局部的骨代謝。其中，對骨密度或骨量而言，高衝擊性運動的效果優於低衝擊或有氧運動。另外，若能於青少年時及早運動可提高個體的高峰骨量，儲存足夠的骨本，得以對抗老年時期劇烈的骨流失 (Cooper et al., 1995)。然而，研究雖已指出運動對骨骼的好處，但礙於人體實驗的諸多限制，許多的骨代謝適應運動刺激的機制與過程均有待研究釐清。因此，科學家透過各種動物模型的建立，企圖了解運動造成的機械性負荷如何對骨骼組織產生影響。常見的模型有跑步機運動、攀爬階梯與跳躍。依實用性與簡化性而言，跳躍運動模型可貼近人體運動的模式，也較適合用來研究高衝擊運動所產生之機械性負荷對骨骼的影響。另外，跳躍運動過程中，其動作組成可分成起跳期 (taking off) 與落地期 (landing)，以其所產生的地面反作用力於骨骼而論，落地動作有較高的地面反作用力 (Kato et al., 2006)，這對局部骨組織.

(12) 2. 應可產生較高於起跳動作的機械性負荷。落地運動產生的高衝擊看似可對骨骼造成足夠的效果，但目前探討落地運動對骨骼影響的研究並不多，結果也相當不一致，因而證據有限。以下將依年代分別描述有關落地訓練與骨骼的研究： Judex 與 Zemicke 以公雞為研究對象，使用的訓練強度是 50 至 60 公分之高度，每天進行 200 次的落地，為期三週，其訓練週期為連續訓練三天休息一天。此研究以形變率 (strain rate) 作為骨骼承受的負荷量值，結果顯示，公雞落地時的跗蹠骨形變率高於走路時 7.4 倍。另外，透過動態組織型態學分析顯示，皮質骨的內膜與外膜的骨生成率 (bone formation rate) 經落地訓練後顯著增加。此研究缺乏骨強度的分析，僅得知骨代謝率，並無法證實訓練是否有增加骨強度 (Judex & Zernicke, 2000b)。 Welch等人則採用 7 週雌大鼠為對象，以 30 公分與 60 公分的訓練高度，進行每天 10 次的落地、每次休息 10 秒鐘、每週五天、為期 8 週的訓練期。結果顯示：訓練後，大鼠的尺骨與橈骨之骨強度增加，股骨則無呈現相同效果 (Welch, Weaver, & Turner, 2004)，上述結果的原因，其作者認為可能是落地時前後肢承受的衝擊力不同，而造成承受作用力較大的前肢具有效果。以Welch為首的研究團隊在 2008 年時再次發表一篇以落地運動配合鈣增補的研究，相同運動計畫的結果顯示，經運動訓練後的尺骨之生物力學強度明顯增加 (Welch, Turner, Devareddy, Arjmandi, & Weaver, 2008)。 Lin等人先前以 40 公分的落地高度，進行每天 10 及 30 次的落地訓練，每次間隔 10 秒鐘以上、共進行 5 天的運動介入。結果顯示，訓練可提升大鼠的尺骨之骨生成率與骨強度 (Lin et al., 2011)；然而，股骨的斷面幾何參數與骨強度卻在訓練後出現降低的情況（林欣仕、王鶴森、黃滄海，2010），以上現象可能是由骨骼尺寸與承受的衝擊力不同而造成。上述所列文獻，均只針對特定時間點進行觀察（例：1 週、3 週、8 週），而缺少時間序列之觀察，因此較難了解骨骼適應落地衝擊之過程。此外，依據先前研究顯示，落地訓練對於股骨的材料特性似乎會隨著介入時間的長度而有所變化 (Welch et al., 2004; 林欣仕等，2010)。但由於上述兩個研究所採用的大鼠品系並不相同，可能會有適.

(13) 3. 應上的差別，因此，有待進一步以同一品系之實驗動物，進行時間序列研究，以證實上述推論。以大鼠而言，一個完整的骨再塑 (bone remodeling) 週期至少需 16 天，其序列大致上為負荷引起的 3 天後，破骨細胞 (osteoclast) 引致的骨吸收作用 (bone resorption) 開始進行，中間經過 4 天的反轉期 (reversal stage)，於第 7 天才開始由造骨細胞 (osteoblast) 進行骨生成作用 (bone formation) (Tran Van, Vignery, & Baron, 1982)。基於以上所述的之理由，本研究配合骨再塑之週期，設計時間序列觀察落地訓練對骨代謝變化，預期將有助於釐清骨骼適應高衝擊運動的過程。. 第二節研究目的透過一、二、四與八週的不同長度的落地訓練期，探討其對成長中雌性大鼠骨代謝、結構與密度之影響與適應過程，以期建立完整的落地動物模型。. 第三節名詞操作性定義落地訓練 (landing training)：本研究以落地訓練的方式模擬高衝擊性運動。所指的落地訓練為實驗者抓取大鼠的背部距地面 40 公分之高度，然後任其以自由落體的方式落下著地 (free fall landing)，此過程稱為一次之落地訓練。. 第四節研究限制本研究以年輕雌性大鼠為實驗樣本，研究落地訓練對於成長中鼠骨的影響，目的在於觀察骨骼適應高衝擊負荷的過程，唯動物實驗之研究結果未來若欲進一步應用到人類，仍需要多重研究證實，因而本研究所得之結果用以解釋人類進行相同運動之後的骨代謝仍有限制。.

(14) 4. 第五節研究重要性日常生活中的身體活動涵蓋各式各樣的衝擊性動作，許多運動的形式也富含跳躍之動作。跳躍動作之落地的過程中，地面反作用力對局部骨骼所產生之衝擊或機械性負荷可影響骨代謝，本研究透過不同的時間點，以靜態組織型態學、骨密度、斷面幾何參數、骨骼組織生物力學、地面反作用力等測量與分析，進一步了解落地訓練對發展中骨骼之適應效果，以期建立完整的骨骼適應落地衝擊的動物模型，預期可供相關領域研究者參考或採用。.

(15) 5. 第貳章文獻探討本研究為探討高衝擊運動對骨代謝的影響，有關骨骼的細胞功能、骨再塑過程，或經由運動引起的骨代謝變化等相關背景與基礎理論，本章依序作相關背景知識的介紹與文獻的探討。. 第一節骨再塑的機制ㄧ、骨組織的細胞成員維持骨代謝的正常運作，需依賴破骨細胞與造骨細胞兩者間的相互作用以達成。破骨細胞 (osteoclast) 屬嗜酸性且具有溶蝕的功能，可破壞骨基質並且釋放鈣至血液中，而後便會接續啟動造骨細胞的作用 (Robling, Castillo, & Turner, 2006)。另一方面，造骨細胞又因功能與特性的不同而可分為數種，以下分別描述： (一) 造骨細胞 (osteoblast)：其功能相反於破骨細胞，主要在製造新骨並合成膠原，且進行礦化作用，以利促進骨骼的結構與功能。此類造骨細胞又可稱為活化之造骨細胞 (Clarke, 2008)。 (二) 骨細胞 (osteocyte)：不同於活化之造骨細胞，骨細胞通常為成熟的造骨細胞，存於骨基質中，透過骨細胞與骨細胞之間的骨小管 (canaliculi) 和胞隙接合體 (gap-junction) 可形成細胞與細胞之間的連繫網絡，可用以傳導機械性負荷引起的機械及生化訊號 (Xiong & O'Brien, 2012)。 (三) 襯裡細胞 (lining cells)：此類細胞通常位於骨組織表層，為造骨細胞的分支，稱為不活化之造骨細胞 (Miller, de Saint-Georges, Bowman, & Jee, 1989)。二、骨再塑的運作過程骨代謝是由破骨細胞引致的骨吸收作用與造骨細胞啟動的骨生成作用相互協調而成，其過程總稱為骨再塑 (bone remodeling)，可分成以下四個階段： (一) 休息期 (rest stage)：此時骨骼處於停滯的狀態，並未有任何的作用。 (二) 骨吸收作用期 (bone resorption stage)：待破骨細胞活化後，骨吸收作用便啟動，開始對骨骼進行破壞、侵蝕。根據研究顯示，大鼠的下顎骨骨外膜與脊椎骨的次級海綿骨.

(16) 6. 進行骨吸收作用至少需約 2 天的時間 (Baron, Tross, & Vignery, 1984; Tran Van et al., 1982)；人體則約需 2-4 週的時間 (Clarke, 2008; Robling et al., 2006)；另外，若此階段的代謝程度高過骨生成，便會造成骨流失現象。 (三) 反轉期 (reversal stage)：骨吸收作用串聯至骨生成作用的過程會有重疊期，可稱之為反轉期。此時骨吸收作用開始下降，相對的，骨生成作用則開始走向高峰。不同於骨吸收與骨生成作用期，反轉期同時涵蓋兩種作用發生，此反轉期的長短通常被認為是骨代謝速率的快慢。例如大鼠的下顎骨骨外膜約需 4 天，而次級海綿骨只需約 2 天 (Baron et al., 1984; Tran Van et al., 1982)。 (四) 骨生成作用期 (bone formation stage)：破骨細胞作用啟動時會傳遞分子訊息而活化造骨細胞以進行骨生成作用，此階段包含由造骨細胞分泌新的膠原與礦化作用，因此需要較多的時間，證據顯示：大鼠大概約需 10-36 天 (Baron et al., 1984; Tran Van et al., 1982)；人體則需約 4-6 月的時間 (Clarke, 2008; Robling et al., 2006)。因此，骨生成作用若高於骨吸收作用，骨量將會提昇，並可能促進骨強度。三、運動與骨代謝運動對骨骼具有良好的效果，其作用機制相當多元。一般而言，運動促進骨代謝主要經由兩種途徑，一為全身性效應 (systemic effects)，另一為局部性效應 (local effects)，以下分別描述： (一) 全身性效應：全身性效應意即為維持體內血中鈣離子的恆定，各種賀爾蒙會與骨骼細胞成員相互調解，進而調控骨代謝作用。而這些賀爾蒙則包含以下所列： 1. 副甲狀腺素 (parathyroid hormone, PTH)：亦可稱為升血鈣素，是鈣離子平衡的激素之一，當血中鈣離子濃度下降時便會分泌。主要是經由刺激破骨細胞進行骨吸收作用，讓骨基質降解而釋放鈣至血中，以利鈣平衡。研究證實，運動可降低血中 PTH，減少骨吸收作用，進而促進骨生成與礦化作用，增進骨骼健康 (Takada et al., 1998)。 2. 維生素D3：鈣的代謝明顯受到維生素D3 的影響，簡單而言，若體內有較高的維生素D3 含量，將有利於鈣的吸收。動物實驗指出，運動訓練可提升大鼠血中的維.

(17) 7. 生素D3，而有益骨生成 (Iwamoto et al., 2005)。 3. 生長激素 (growth hormone, GH)：不同於上述以維持鈣平衡的激素，GH是經由腦內垂體所分泌，可進一步引發骨骼及肝臟的類胰島素生長因子 1 (insulin-like growth factor-1, IGF-1) 生成，而 IGF-1 在骨組織可活化造骨細胞，促進骨生成作用而達成骨再塑的淨平衡 (Godfrey et al., 2003)，而運動則可增加生長激素的分泌，因而促進上列所述的代謝過程。 4. 瘦體素 (leptin)：瘦體素是由脂肪組織所合成的賀爾蒙，有關瘦體素與骨骼之間的關係，已有研究指出瘦體素會抑制骨生成 (Ducy et al., 2000)。此外，先前的研究顯示單次運動的代謝量高過 800 卡，或長期的運動訓練都可減低瘦體素含量 (Bouassida et al., 2006)，因而，運動可能透過減低瘦體素的途徑以對骨骼健康產生效益 (Guadalupe-Grau et al., 2009b)。 (二) 局部性效應：局部性是指經由具衝擊性或負重的運動造成骨骼局部承受機械性負荷，進而影響該處的骨代謝。根據文獻顯示，如欲增加局部骨量或骨密度，具衝擊性的運動相較於低衝擊性或有氧運動有更好的效果 (Guadalupe-Grau, Fuentes, Guerra, & Calbet, 2009a)。然而，此效應的機制仍有待釐清，許多研究者試圖透過相關的動物模型，以探討機械性負荷如何影響骨代謝的相關機制。. 第二節機械性負荷與骨再塑ㄧ、機械性負荷引致骨細胞作用活化的機轉運動過程中引致的地面反作用力或肌肉收縮會對骨骼產生物理性刺激，通常稱為機械性負荷 (mechanical loading)。此機械性負荷已證實可影響骨代謝，但相關機制的研究，多來自於離體 (in vitro) 研究。研究證據顯示，造骨細胞與骨細胞均與機械性負荷而引發的骨生成作用有關 (Ajubi, Klein-Nulend, Alblas, Burger, & Nijweide, 1999; Chen et al., 2000)。此外，機械性負荷在活體中，可能是經由液體流動而影響骨細胞所衍生的一系列反應 (Knothe Tate, Knothe, & Niederer, 1998)。如同針對組織間液 (interstitial fluid.

(18) 8. flow) 流動理論所整理的圖 1 所示，當骨骼承受機械性負荷時，造成骨組織形變，此形變會使得骨組織產生不同的壓力空間，組織間液體因而會從壓力側朝向張力側流動，流動過程中對細胞表面所產生的剪應力 (shear stress) 將會進一步轉變成細胞內一連串的生化反應。如圖 2 所示，因運動或外力所產生的機械性負荷最終經由機械連結 (mechanocoupling)、生化連結 (biochemical coupling)、生化訊息傳遞 (transmission of biochemical signals)、功能細胞反應 (effector cell response) 四個步驟後 (Duncan & Turner, 1995)，活化造骨細胞以進行骨再塑中的骨生成作用，以利新骨形成與礦化作用。.

(19) 9. B IFF 張力側. 壓力側. F. D. C. BLC. ●. ● ●. ●. Cp. ●. ●. ●. ●. ●. ●. ●. ●. Te. ●. ●. ●. ●. ● ●. ● ● ●. ●. ●. ●. ●. ●. ● ●. ●. ●. ●. ●. ●. ● ●. ●. ●. ●. ●. ●. Ot. ● ●. ● ●. Ca++ Ch. ● ●. ●. ＊. IGF-1 ＊＊＊＊ OPG ＊ PGE2 NO ＊. ●. ●. ●. Can. I. BLC. ● ●. ●. A. ●. ●. ●. ●. ●. OP. N. POb. ●. Ob. Can. Ot GJ. Ob. M. 圖 1 骨骼承受外力產生形變而引發機械性負荷造成系列細胞反應示意圖 A：骨骼承受外力後造成的骨組織形變； F 為 force，意指外力。B：骨骼產生形變後組織間液流動刺激骨細胞示意圖；Cp 為 compression，意指壓力側；Te 為 tension，意指張力側；IFF 為 interstitial fluid flow，意指組織間液流動的方向；Ob 為 osteoblast，意指活化之造骨細胞；Ot 為 osteocyte，意指成熟之造骨細胞，稱為骨細胞；BLC 為 bone lining cell，意指不活化之造骨細胞，稱為骨骼襯裡細胞；Can 為 canaliculae，意指骨小管。C：骨細胞接收刺激後將胞內的細胞激素與生長因子，經由細胞間的傳送而刺激造骨細胞的分化的示意圖；OP 為 osteoprogenitor，意指骨先驅細胞； POb 為 preosteoblast，意指造骨細胞先驅；GJ 為 gap junctions，意指胞隙接合體，用來傳送分子訊息。IGF-1 為 insulin-like growth factor-1，即為類胰島素生長因子；PGE2 為 prostaglandin2，即為前列腺素 2；OPG 為 osteoprotegrins，意指破骨細胞生長抑制因子；NO 為 nitrogen monoxide，即為一氧化氮。D：由兩種受納器經過生化連結後將訊息傳到細胞內示意圖；M 為 cell membrane，意指細胞膜；N 為 cell nucleus，意指細胞核； I 為 integrins，此為一種整合蛋白，為生化連結通道之ㄧ；Ca++ Ch 為 Ca++ channel，此為鈣離子通道，為生化連結通道之ㄧ。.

(20) 10. 作用於骨骼上的機械性負荷. 機械連結生化連結. 生化連結. 功能細胞反應訊息傳遞功能細胞反應. 訊息傳遞. 圖 2 骨骼接受機械性負荷至活化造骨細胞作用的流程圖. 上述之組織液體流動來自於骨組織的形變，依形變的特性又可分為形變次數 (strain cycle) 、形變率 (strain rate)、動靜態形變 (dynamic or static strain)。而刺激骨代謝的最重要生物力學因素之ㄧ，目前多數研究認為是形變率 (Burr, Robling, & Turner, 2002; Turner, 1998)，也就是單位時間的形變量。以運動場或日常生活時而言，通常具衝擊性的運動或負重式運動（例：籃板衝搶與排球殺球後落地時下肢衝擊），較易使局部骨骼產生較高的形變率。二、動物模型上述的機械性負荷影響細胞的機制多僅限於離體研究，為了更暸解活體的機械性負荷對骨代謝的知識，科學家以動物實驗為例發展出許多模型，各種模型有其優劣，以下進行探討： (一) 跑步機 (treadmill running) 跑步機運動模型已行之有年，此模型的方法是將動物放置於跑步機上，在跑步訓練過程中，動物會因負荷自身體重而對四肢骨產生機械性衝擊。研究證據顯示，此種模型的衝擊力較少：由於量測動物跑步時的地面反作用力有方法上的限制，目前尚未找到相.

(21) 11. 關文獻呈現動物跑步時的地面反作用力。然而，以形變感應器裝置的研究發現，公雞進行跑步時 (1.41-1.84 m/s) 的骨形變率，約為走路時的 1.36 倍 (Judex & Zernicke, 2000a)，於 60cm之高度落地時則約為走路時的 7 倍 (Judex & Zernicke, 2000b)。此外，若以人體試驗測量的地面反作用力而言，由 1.1 m/s的走路速度測得的地面反作用力為 1.2 倍體重，以 2.2 m/s的跑步速度則為 2.3 倍體重，反而以 30.5 cm的高度進行落地就達 3.5 倍體重 (Janz, Rao, Baumann, & Schultz, 2003)。另外，跑步訓練通常會對骨代謝有全身性的效應進而影響體內賀爾蒙，可能與機械性負荷對於骨骼的效果混淆。此外，部份研究者的跑步機設有電擊，動物可能在被逼迫的情況下進行運動，其所分泌的壓力賀爾蒙可能也會影響到骨骼，因而跑步機模型的研究結果並不一致 (Huang et al., 2008b; Huang et al., 2003; Huang, Yang, Hsieh, & Liu, 2002; Judex & Zernicke, 2000a; Notomi et al., 2000)。 (二) 攀爬 (tower climbing) 此模型主要是將動物的食用水放置於特定的高度，讓動物為了取得水源而往上攀爬，形成一種類似阻力訓練的運動。許多研究證實，此種模型的機械性負荷可以促進大鼠的骨再塑，進而增加骨量和骨強度，此正面效果無論在成長中 (Notomi et al., 2001)、缺乏雄性素 (Notomi et al., 2002)、缺乏雌激素 (Notomi, Okimoto, Okazaki, Nakamura, & Suzuki, 2003) 等不同條件的大鼠都已被證實。為了避免逼迫動物運動而影響壓力賀爾蒙等干擾因子，因而有研究者利用此種自主性的運動模型來進行 (Rosa et al., 2010)。然而，此模型雖然可使動物憑自由意志進行運動，但此類的運動在於肌肉收縮並非因高衝擊引起，而肌肉收縮影響骨骼的負荷難以評估，同時因屬自主運動，因此運動量也不易評估。此外，動物經由 21 天的攀爬運動訓練之後，相較於沒有運動訓練的對照組，獲得較少的體重 (Rosa et al., 2010)。體重的改變將影響體內賀爾蒙，因此，攀爬運動可能同時對骨代謝具有全身性與局部性效應，亦會混淆機械性負荷給予骨骼的作用。 (三) 起跳 (taking off) 進行此運動模式訓練時，動物首先會站立於底下備有電刺激的平台，運動介入初期必須使用電刺激讓動物產生跳躍動作，並於約 40cm高處放置另ㄧ平台可供動物躍上抓.

(22) 12. 握之用，因此，運動過程中，不會有起跳之後的落地動作之產生。由於前腳在躍上平台時的抓握動作有類似阻力運動的效果，因此，此類模型以探討後腿的部位為主，所引起的機械性負荷主要在起跳期時後腿骨骼所造成的形變，其與落地模型的差別在於落地時會產生較高的地面反作用力，而較高的地面反作用力可能會使骨組織有較高的形變率 (Edwards, Ward, Meardon, & Derrick, 2009)。雖然起跳期的作用力較落地期小，但以起跳模型介入造成的骨骼效應卻相當明確與一致。無論是運動介入時間的長短（8 週或 1 週）、生理條件的不同（健康個體或雌激素缺乏）、運動計畫相異（例如：頻率、次數、組數），都可使大鼠獲得骨骼的正面效應 (Honda, Sogo, Nagasawa, Shimizu, & Umemura, 2003; Honda, Umemura, & Nagasawa, 2001; Nagasawa, Honda, Sogo, & Umemura, 2008; Umemura et al., 1995; Umemura, Ishiko, Yamauchi, Kurono, & Mashiko, 1997; Umemura, Nagasawa, Honda, & Singh, 2008)。然而，此模型的缺點在於運動初期實驗動物必須承受電刺激所產生的生理或心理壓力，對骨代謝可能產生額外影響。 (四) 落地 (landing) 落地模型是以自由落體的方式讓動物在一定的高度被釋放而落地，此時雙腿甚至四肢均必須承受數倍體重的地面反作用力，進而造成機械性負荷刺激骨代謝。落地時的骨骼產生相當大且快的形變率，研究顯示，公雞於 60cm之高度落地時的形變率高於走路時的 7 倍 (Judex & Zernicke, 2000b)。另外，先前的研究發現，從 40cm的高度讓大鼠落地會造成後腿負荷 10-15 倍的地面反作用力（林欣仕等，2010）。這種模式的優點在於貼近日常生活之人體活動，例如籃球之衝搶籃板時的落地，抑或排球之跳躍殺球後的落地都是此類動作模式的呈現。落地模型對骨骼的正面效應雖顯示於各項研究 (Judex & Zernicke, 2000b; Lin et al., 2011a; Welch et al., 2008; Welch et al., 2004)，但亦有負面效應的研究結果（林欣仕等，2010），因而，高於起跳模型的形變率並未帶來研究結果的一致性。三、落地模型的優勢 (一) 便利性由於落地會引發骨骼相對高的形變率，而形變率對骨生成又是重要的指標，因而只.

(23) 13. 需每天 10-30 次的落地、耗時數分鐘之內的運動介入即可得到效果。如此，操作者只需用手將動物提高至一定高度，而後將動物釋放任其以自由落體的方式著地，對於實驗者而言是相當便利的一種操作方法。相較於起跳模式，落地運動可產生更高的地面反作用力，又可避免因電刺激對動物所產生的壓力。 (二) 精確性由於大鼠落地時是以四肢同時著地以支撐身體，落地時四肢體骨組織所承受的地面反作用力隨高度而有改變 (Welch et al., 2004)，若高度固定，此模式對大鼠四肢骨的負荷應可精確控制。因此，此種模型除了個體的落地技巧不同而可能使衝擊力的分佈不同之外，在固定高度下的落地，對個體下肢所產生的地面反作用力變異性相對低。 (三) 應用性動物運動模型之建立與創造，其目的不外乎能夠應用於人類實際的生活上，落地包含肌肉收縮與地面反作用力之衝擊對骨組織所產生的刺激，實際模擬生活中的高衝擊性運動，或許可與籃球的籃板衝搶、排球攻擊等等之落地動作相類比。. 第三節落地運動對骨骼的影響之動物實驗評析從本研究所搜尋的文獻顯示，使用落地動物模型之研究數量並不多，如表 1 所呈現，至今僅有 5 篇（其中包括本人一篇會議報告之研究成果）。以下依動物種類、運動強度、運動頻率、運動效果分別探討：一、動物種類在五篇的落地運動與骨骼效果的相關研究中，除了一篇是以 12 週大的白來亨雄雞 (white Leghorn rooster) 作為實驗動物 (Judex & Zernicke, 2000b) 以外，其餘皆使用 6.5 或 7 週大的雌性大鼠 (Lin et al., 2011; Welch et al., 2008; Welch et al., 2004; 林欣仕等， 2010)。就年齡而言，這些研究主要著重於落地訓練對於成長期的骨骼效應。然而，就動物種類方面，各研究者則有不同的想法。以使用公雞為例，主要的特色在於模擬人類落地時的雙肢型態，但公雞的骨骼與生理之構造，相較於大鼠與人類骨組織而言，則相.

(24) 14. 似度較低。因此，使用兩種動物的考量各有不同，但亦各有優劣。二、運動強度落地的運動強度主要受落下高度的影響，高度越高骨骼必須承受的負荷也越高，因而此類研究可在高度設計上作改變以調整運動強度。從文獻顯示，Judex與Zernicke 使用的運動強度是 50 至 60 公分之高度 (Judex & Zernicke, 2000b)，不同於Welch等人的 30 公分、45 公分、60 公分 (Welch et al., 2008; Welch et al., 2004)，也與Lin等人使用的 40 公分不相同 (Lin et al., 2011; 林欣仕等，2010)。在另一方面，若以生物力學儀器測量運動強度，也呈現許多差異的存在，例如Judex與Zernicke並未使用測力板收集地面反作用力，而是透過手術的方式加裝形變裝置感應器於骨骼，進而獲取骨骼形變率的資料。根據其結果顯示，落地時的跗蹠骨形變率高於走路 7.4 倍。至於Welch等人與Lin等人雖然都使用雌性大鼠為研究對象，亦均使用測力板為評量工具，但地面反作用力的結果卻呈現相反。 Welch研究的動物落地時的肢體所承受的地面反作用力由前腳的 13-17 倍體重至後腳的 4-7 倍體重 (Welch et al., 2004)，明顯不同於本實驗室先前研究的前腳 4-5 倍體重至後腳的 10-15 倍 (Lin et al., 2011; 林欣仕等，2010)，造成這樣的差異應是標準化 (normalized) 的方式不同。在地面反作用力的數據標準化過程中，兩篇研究者都是用地面反作用力的峰值除以體重，不同之處在於Welch是以前腳的地面反作用力除以前半身的體重，後腳的地面反作用力除以後半身的體重，本研究則是皆除以全身的體重，加上 Wistar品種的大鼠全身體重分佈（後半身高於前半身），因而造成先前的測量結果後腳有較高的地面反作用力。從以上的文獻，只能確定各項研究所設計的高度均能造成足夠的衝擊力作用於骨骼，但相互間在比較仍有困難之處。三、訓練頻率 Judex與Zernicke每天讓動物進行 200 次的落地，連續訓練三天休息一天，為期三週 (Judex & Zernicke, 2000b)。Welch則使動物進行每天 10 次的落地、每次休息 10 秒鐘、每週五天、為期 8 週 (Welch et al., 2008; Welch et al., 2004)。Lin等人的研究則與Welch 相同，差別在於Lin的研究只有為期一週，屬短期研究 (Lin et al., 2011; 林欣仕等，2010)。.

(25) 15. 因此，除了與Judex和Zernicke的運動頻率不同之外，其餘大致相同。上述研究皆以單一週期為主，雖包含短期的一週、中期的三週及長期的八週，卻並未有研究進行時間序列的觀察，因此，有必要透過同一研究，以週齡、品系及各方面實驗條件控制一致的時間序列研究，進一步呈現骨組織適應落地運動之過程。表 1 落地運動對動物骨骼影響的文獻整理作者. 實驗參與者. （年份）. 動物週齡. 實驗組運動設計. 結果. 自 50-60 公分處躍. 運動組的骨膜及內皮. （週齡）. Judex & Zernicke. 雄雞 (rooster). (2000b). 控制組 (n=10). 下落地動作，50 ~. 質骨區的骨生成率顯. 運動組 (n=10). 200 次/天，7 天/. 著高於控制組. 12. 週，3 週 Welch et al.. Fischer 344 雌鼠. (2004). 30 公分運動組 (n=10). 躍下落地，10 次/. 骨強度均顯著優於控. 60 公分運動組 (n=10). 天，5 天/週，8 週. 制組；二組運動組則無. 6.5. 自 30 及 60 公分處運動組尺骨與橈骨的. 控制組 (n=10) Welch et al.. Fischer 344 雌鼠. (2008). 運動組 (n=10). 顯著差異 6.5. 自 45 公分處躍下. 落地，10 次/天，5 骨密度、幾何參數與骨. 運動+鈣增補組 (n=10). 天/週，8 週. 控制組 (n=10). Wistar 雌鼠. (2011). 強度均顯著優於控制組，鈣增補則無額外的. 控制+鈣增補組 (n=10) Lin et al.. 運動組尺骨的海綿骨. 效果自 40 公分處躍下. 運動組尺骨的礦化. 10 次運動組 (n=11). 落地，10 次或 30. 率、礦化形成率、骨生. 30 次運動組 (n=11). 次/天，5 天/週，. 成率與骨強度均顯著. 1週. 優於控制組；二組運動. 7. 控制組 (n=10). 組則無顯著差異林欣仕等. Wistar 雌鼠. 自 40 公分處躍下. 運動組股骨的幾何參. (2010). 10 次運動組 (n=11). 落地，10 次或 30. 數與骨強度均顯著低. 30 次運動組 (n=11). 次/天，5 天/週，. 於控制組；二組運動組. 1週. 則無顯著差異. 控制組 (n=10). 7.

(26) 16. 四、運動效果 Judex 與 Zernicke 透過動態組織型態學分析顯示，骨內外膜的骨生成率 (bone formation rate) 經落地訓練達顯著增加。此研究主要強調高形變率與骨代謝率之間的關係，但缺乏骨強度的分析，並無法證實訓練是否對骨骼材料特性有所影響 (Judex & Zernicke, 2000b)。Welch的研究則顯示，訓練後大鼠的尺骨與橈骨的骨強度均顯著增加，但效果僅限於前腳，後腳的股骨則未具有差異水準 (Welch et al., 2008; Welch et al., 2004)。Lin等人的研究則顯示 5 天的短期訓練後，可增進尺骨之骨生成率與骨強度 (Lin et al., 2011)，然而，卻會造成股骨的骨骼幾何參數與骨強度都低於控制組（林欣仕等， 2010）。相較於實驗大鼠的前腳而言，後腳的落地模式較能模擬人類落地動作，但過去的研究無法呈現較系統性且結論性的結果，有待規劃更完整之研究以釐清。. 第四節總結以上所列有關落地訓練的文獻，各項研究均僅就單一時間點進行分析（例：1 週、 3 週、8 週），缺少時間序列之觀察以了解骨骼適應落地衝擊之過程。除了Lin等人的研究之外，上述研究均以三週以上之訓練期以觀察骨組織的反應，但依據Lin等人之 5 天的短期訓練結果 (Lin et al., 2011; 林欣仕等，2010)，加上先前的研究指出大鼠骨組織一個完整的骨再塑週期約需為 16 天 (Tran Van et al., 1982)。因此，本研究將於 8 週之落地訓練期間，設計時間序列觀察骨代謝的變化，期能有助於釐清落地訓練與骨骼之間的關係。.

(27) 17. 第參章研究方法第一節實驗動物本實驗以 96 隻年輕雌性大鼠為實驗樣本，品系名稱為 Wistar，由國立成功大學實驗動物中心繁殖組購得，並飼養在該中心內。選擇此品種在於其為齧齒性動物，具有和人類相似的骨骼系統，可模擬人類骨骼適應運動的骨代謝。本研究設計之落地運動於動物週齡滿 7 週後開始進行。動物中心飼養之環境溫度為 22  1゜C，光照與黑暗各為 12 小時，飲水及動物飼料 (Rodent Laboratory Chow 5001, Purina. Co., USA) 均採自由取食的方式供應實驗動物。實驗期會進行體重測量以觀察體重變化情形，並且於實驗期結束後量測身體、脛骨與股骨的長度。動物實驗流程於實驗進行前通過國立成功大學動物實驗委員會審查（核准編號：101166）。. 第二節實驗設計本實驗依分四個時間點設置落地訓練組與對照組，依序描述如下（表 2）：一、1 週落地訓練組 (E1 組, n=12) 由實驗者抓取大鼠的背部距落地面 40 公分之高度，然後鬆手任其以自由落體的方式落下著地 (如附錄四)，此過程稱為 1 次之落地訓練。本組實驗動物每天接受 30 次的落地訓練，次與次之間休息約 10 秒鐘，進行 1 週共 5 天的訓練，並於訓練期完畢後休息 3 天犧牲。二、2 週落地訓練組 (E2 組, n=12) 訓練方式、次數與頻率如 E1 組所述，唯訓練期是進行 2 週共 10 天的時間，並於訓練期完畢後休息 3 天進行犧牲，簡稱 E2 組。三、4 週落地訓練組 (E4 組, n=12) 訓練方式、次數與頻率如 E1 組所述，唯訓練期是進行 4 週共 20 天的時間，並於.

(28) 18. 訓練期完畢後休息 3 天進行犧牲，簡稱 E4 組。四、8 週落地訓練組 (E8 組, n=12) 訓練方式、次數與頻率如 E1 組所述，唯訓練期是進行 8 週共 40 天的時間，並於訓練期完畢後休息 3 天進行犧牲，簡稱 E8 組。五、1 週對照組 (C1 組, n=12) 由實驗者抓取大鼠的背部距地面 40 公分之高度，但不使動物產生落地之動作，用以對照 E1 組為主，並與 E1 相同時間進行犧牲。六、2 週對照組 (C2 組, n=12) 實驗處理如 C1 組所述，用以對照 E2 組為主，並與 E2 相同時間進行犧牲，簡稱 C2 組。七、4 週對照組 (C4 組, n=12) 實驗處理如 C1 組所述，用以對照 E4 組為主，並與 E4 相同時間進行犧牲，簡稱 C4 組。八、8 週對照組 (C8 組, n=12) 實驗處理如 C1 組所述，用以對照 E8 組為主，並與 E8 相同時間進行犧牲，簡稱 C8 組。本研究所設置的 40 公分之高度是依據先前落地訓練的研究 (Lin et al., 2011) 所設定，並且依先前的實驗觀察，此高度並不會造成動物翻身反射與死亡。. 表 2 實驗設計摘要表 E1. E2. E4. E8. C1. C2. C4. C8. n. 12. 12. 12. 12. 12. 12. 12. 12. 落地訓練. +. +. +. +. . . . . 訓練時間. 1週. 2週. 4週. 8週. 1週. 2週. 4週. 8週. 註：+, 表示接受落地訓練；, 表示沒有接受落地訓練.

(29) 19. 第三節骨骼樣本之收集與製備所有實驗動物於各時間點之實驗期結束後，以舒泰 50 (Zoletil 50；成分為 zolazepam 與 tiletamine；劑量為每 1 公斤體重施打 1 毫升，Virbac Taiwan Co., Ltd, Taiwan) 進行腹膜下注射麻醉後斷頭 (decapitation) 犧牲，將附著於脛骨與股骨周圍的軟組織去除之後，採集左右的脛骨、股骨，其後續製備流程依不同的分析項目分別描述如下：一、微型電腦斷層掃描 (μCT ) 的樣本製備：將左脛骨與股骨浸泡於 70%酒精以固定並保存骨組織，以供之後進行微型電腦斷層掃描之用，所得影像經重組後，可用以進行骨密度與海綿骨結構的分析。二、生物力學特性測試、斷面參數測量與靜態組織型態學的樣本製備：將右脛骨與股骨包裹於沾濕 PBS 溶液 (phosphate buffer solution) 的紗布，再以鋁箔紙包裝後，置於-20 度 C 冰箱保存，隨後進行生物力學特性分析。待完成生物力學壓斷並完成斷面拍攝後，收集股骨遠端與脛骨近端的樣本並以 4% 福馬林 (formalin) 溶液浸泡 24 小時，固定完成後浸泡 10% 脫鈣液 (ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dehydrate, EDTA) 四週進行組織脫鈣，此後並進行脫水、澄清、石蠟包埋等步驟，以備日後的靜態組織型態學分析。. 第四節分析方法ㄧ、微型電腦斷層掃描 (micro-computed tomography, μCT) 本研究將樣本送至國立台灣大學醫學院藥理學研究所，以微電腦斷層掃描器 (Micro-CT, Skyscan 1176, Kontich, Belgium)（圖 3）進行左脛骨與股骨的 3 維結構掃描。以下為該單位進行分析的標準流程之簡述：藉由 1mm 鋁質濾器在 65 伏特 (kV) 與 350 毫安培 (uA) 的條件下進行掃描，影像搜集的解析度為 9μm /pixel，並以影像重建軟體 GPU-based scanner software (NRecon) 執行影像重建。脛骨與股骨的海綿骨骨密度與結構參數之掃描區域分別被定為距離生長板底下 2-3 mm 與 2-4 mm。脛骨與股骨的皮質.

(30) 20. 骨骨密度則以生長板下 6-7mm 處進行掃描。上述分析是以兩種軟體 (CTAn) 與 (CTvox) 進行分析與計算。最後可得參數分別有皮質骨與海綿骨的體積骨密度 (volumetric bone mineral density, vBMD, g/cm3) 與海綿骨結構參數，結構參數分別有骨量比率 (bone volume/ tissue volume, BV/TV, %)、骨小樑厚度 (trabecular thickness, Tb.Th, mm)、骨小樑間距 (trabecular separation, Tb.Sp, mm) 與骨小樑數目(trabecular number, Tb.N, 1/mm)。. 圖 3 微型電腦斷層掃描器. 二、骨細胞分析以切片機自長骨遠端或近端中央取一骨組織縱向切片，共切 2 片，厚度為 7μm。採用兩種染色法進行組織切片染色，一為抗酒石酸鹽酸性磷酸酶 (tartrate-resistant acid phosphatase, TRAP) 染色法，以TRAP染色劑 (Leukocyte Acid Phosphatase Kit, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA) 進行，待染色完成後在 10  10 倍的顯微鏡下，計算骨組織中生長板以下 3 公厘範圍內的海綿骨破骨細胞 (osteoclast) 數目，用以代表骨吸收作用的指數；另外，骨生成作用的指數以鹼性磷酸酶 (alkaline phosphatase, ALP) 染.

(31) 21. 色法進行，以ALP染色劑 (BCIP-NBT Liquid Substrate System, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO, USA) 進行。待染色完成後，架設高解析度相機 (COOLPIX4500, Nikon, Japan) 於顯微鏡上，以 20  10 倍之鏡頭進行次級海綿骨處的拍攝，並以影像分析軟體 (Image Pro Plus 6.1for Windows (Media Cybernetics, Silver Spring, MD, USA) 進行分析與計算。以上各項的切片染色流程與數據計算方法參照先前的研究. (Huang, Lin, Chen, & Yang,. 2011)，詳細敘述如附錄二和附錄三。三、骨組織生物力學特性與斷面參數分析以先前研究所採用的三點壓斷方式進行 (Huang et al., 2008b)。三點壓斷的兩支撐點距離 20mm，第三點則以每秒鐘 1mm的速度向兩支撐點反方向下壓。以上骨骼材料測驗以國立成功大學物理治療研究所的雙軸材料測試系統 (material testing system) (MTS-858, MTS System, Minneapolis, MN) （圖 4）進行，實驗過程中的負荷-形變數據 (loading-deformation) 透過MTS-858 所附之原廠資料擷取軟體收集。. 圖 4 雙軸材料測試系統. 所有骨組織在壓斷後隨即進行斷面的攝影，架設高解析度相機於 25 倍的顯微鏡上，在固定距離的條件下，將所有組織斷面拍攝下來，隨後再以影像分析系統 Image Pro.

(32) 22. Plus 5.1 for Windows (Media Cybernetics, Silver Spring, MD) 測量組織斷面的各項參數，以供進一步計算斷面的轉動慣量矩 (cross-sectional moment of inertial, CSMI) 之用。其計算方法與公式是參考先前的研究 (Huang et al., 2008b; Turner & Burr, 1993)，簡述如下：. n. I =  (wh3/12 + whdi2) i=1. I 是指轉動慣量矩；n 為映像點 (pixel) 的數目，w 和 h 分別為任何一個映像點的高度與寬度；di 為橫斷面面積裡的質心到各映像點的距離。此外，透過進一步的計算可得到橫斷面面積 (cross-section area)、皮質骨面積 (cortical bone area)、骨髓腔面積 (bone marrow area)、皮質骨厚度 (cortical bone thickness)、斷面高度與寬度。在生物力學數據的部份，本研究將所得的數據進行運算後，得到骨骼的降伏點負荷值 (yield load, 單位：N)、斷裂負荷值 (fracture load, 單位：N)、達降伏點所需能量值 (energy to yield load, 單位：mJ)、降伏點後所需能量 (energy to post-yield, 單位：mJ) 及骨骼斷裂所需能量 (energy to fracture load, 單位：mJ) 、剛性 (stiffness)。而再以斷面的轉動慣量矩進行組織的均質化運算後，又將可得出骨骼的降伏點應力 (yield stress,單位：MPa)、降伏點堅韌度 (yield toughness s,單位：mJ/mm3)、楊氏係數 (Young’s modulus,單位：GPa)，以上相關的計算公式為：應力值 (σ) 公式：σ=FLc/4I 應變值 (ε) = 12cd/L2 楊氏係數 (E) 公式：E=F/d*L3/48I 其中，c為質心的距離；F負荷值；d是位移；L是兩個支撐點的距離。有關降伏點負荷與降伏點應力值是以 0.2% 補償法所計算，詳細內容可參考先前研究 (Huang et al., 2008b; Turner & Burr, 1993)。.

(33) 23. 四、地面反作用力本研究的地面反作用力之數據與分析的方法是參考先前的研究所進行 (Lin et al., 2011; 林欣仕等，2010)，以量測後腳 (hindlimb) 為主。以八週訓練組為樣本 (n=10)，進行每週 2 次（每週的第一天與第五天的訓練），總計 16 個時間點的地面反作用力測量，重點描述如下：（一）測力板系統裝置（圖 5）所使用之測力板是由長與寬皆 30cm 的鋁製板組成，另外含有四顆最大受力值為 50N 之荷重計 (load cell, MDB-10,Transducer TechniquesR, USA)。量測的數據由訊號放大器與資料擷取系統（包含資料擷取盒 InstruNet-100 與資料擷取卡 InstruNet-230），樣本蒐集頻率為 100 HZ，取得後並傳送到個人筆記型電腦。. C. D. A. B. 圖 5 自製之測力板裝置註：A 為力板；B 為荷重計；C 為資料擷取系統；D 為個人筆記型電腦。.

(34) 24. (二)落地座標架設攝影機於測力板上方拍取每次的落地位置（圖 6），所得圖片經由繪圖軟體標示四肢落地位置，隨後以 Image Pro-Plus5.1 軟體計算而得到座標。. 圖 6 落地位置標記示意圖 (三) 地面反作用力的計算公式大鼠每次落地時均會產生 GRF 峰值，本研究以此峰值的數據與座標，以 Matlab 6.5 進行程式運算而得到地面反作用力之數值。有關地面反作用力的計算公式與基本概念如圖 7 所示：.

(35) 25. F3. F2. f3. f1 F1. f2 F4. f1  f 2  f 3  F1  F2  F3  F4 a  F3  F4   b  F2  F3  .  a0  a1  2. f1  a2 f 2  a3 f 3.  b0  b1 . f1  b2 f 2  b3 f3 2 圖 7 地面反作用力計算方程式. (1) (2) (3). 註：F1, F2, F3, F4 為大鼠落地時四顆 load cell 所測得的力量；a, b 為測力板的邊長；f1 為前腳落地時的 GRF 的合力，f2, f3 則分別為後腳的左右邊的 GRF，0,1 為前腳落地位置；2,3 為後腳落地位置。由於以四個 load cell 並無法計算出四隻腳的 GRF，且前腳的 GRF 並非本研究的重點，因此將前腳的反作用力合併為一個力，且假設此合力是作用在前腳落地點連線的中點。 (四)測量地面反作用力的流程與步驟 1. 組裝測力板系統裝置與架設攝影機 2. 測力板平衡校正：由於桌面可能不平而導致測力板的重量無法平均分配，雖然其影響甚小，為求精確，每次組裝完成後都會以平衡儀進行校正。 3. 測力板系統校正：本研究除了進行荷重計校正之外，會再以 500g （換算為 4.9 牛頓）之水瓶放置於測力板中心處，確認每顆荷重計所感應到的負荷值為 1.225 牛頓左右。 4. 大鼠的測力板數據與落地座標的蒐集 5. Matlab 程式運算：此步驟包含測力板原始數據的輸出與整理，也涵蓋落地座標的運算。.

(36) 26. 第五節統計分析本實驗將所得之體重、各項長度值、骨密度、海綿骨的骨生成與骨吸收參數、海綿骨結構參數、生物力學壓斷測試與斷面參數等數值，進行四個時間點的落地訓練組與對照組各自比較，以 SPSS 12.0 中文版套裝軟體，採用獨立樣本 t 檢定，統計顯著水準設為 α=.05。此外，為比較四個時間點的落地訓練組與對照組的差異百分比是否具有差異存在，本研究以單因子變異數分析進行，若 p <.05，以 Scheffe 法進行事後比較。地面反作用力每週測量 2 次，共計有 16 個時間點，以單因子變異數分析觀察各時間點有無顯著差異，若 p <.05，以 Scheffe 法進行事後比較。.

(37) 27. 第肆章結果本章依分析方法的項目而分成以下所列呈現：一、訓練前與訓練後的落地訓練組與對照組的體重比較；二、身體與骨骼的長度；三、八週落地的地面反作用力變化；四、骨骼斷面參數；五、海綿骨的骨生成與骨吸收參數；六、骨密度與海綿骨結構參數；七、骨骼生物力學特性。. 第一節訓練前與訓練後落地訓練組與對照組的體重比較本研究共設置四個時間點，並各有落地訓練組與對照組，為了比較各時間點中落地訓練介入是否會影響體重，因而使用獨立樣本 t 檢定進行分析。分析結果如表 3 顯示，無論在訓練前或訓練後，各時間點的落地訓練組與對照組間的體重變化上並無顯著差異。另外，從數據上可發現，經過 1 週後體重增加的幅度約為 10%，於 2 週後變為 20% 左右，在 4 週與 8 週後分別達約 25%與 40%的增加。. 第二節身體與骨骼的長度為了探討落地訓練是否會影響動物的縱向生長，本研究測量介入後的各時間點兩組之間在身體與骨骼的長度是否具有差異存在。此部分的結果與體重的分析極為相似，顯示落地訓練並未影響縱向生長的發生（表 4）。相同的，從數據的呈現上觀察到，無論是身體的長度或是脛骨與股骨長度，於整個實驗期間裡都有漸進增長的趨勢。.

(38) 28. 表 3 訓練前後各時間點落地訓練組與對照組的體重比較 1-Week. 2-Week. E1. C1. n=12. n=12. 訓練前 (g). 202.6±2.6. 202.8±3.3. 訓練後 (g). 223.0±2.9. 222.6±4.5. 4-Week. E2. C2. n=12. n=12. .969. 207.6±4.3. 205.3±4.0. .934. 243.8±4.5. 244.7±5.3. p. 8-Week. E4. C4. n=12. n=12. .703. 208.0±2.4. 207.9±2.7. .902. 257.7±3.6. 260.0±4.0. p. E8. C8. n=12. n=12. .973. 210.3±2.8. 207.8±2.1. .478. .676. 290.3±4.2. 285.8±7.2. .595. p. p. 所有數值以平均數  標準誤表示。. 表 4 身體與骨骼長度 1-Week. 2-Week. E1. C1. n=12. n=12. 股骨 (mm). 32.6±0.1. 32.5±0.1. 脛骨 (mm). 36.6±0.2. 體長 (cm). 20.3±0.1. 4-Week. E2. C2. n=12. n=12. .412. 33.3±0.2. 33.2±0.2. 36.5±0.1. .689. 37.2±0.3. 20.2±0.1. .738. 20.2±0.1. p. 8-Week. E4. C4. n=12. n=12. .724. 34.6±0.1. 34.4±0.1. 37.2±0.3. .929. 38.3±0.1. 20.2±0.1. .711. 21.1±0.1. p. 所有數值以平均數  標準誤表示。註：C8 組於脛骨長度的樣本數為 11。. E8. C8. n=12. n=12. .260. 35.6±0.1. 35.4±0.1. .252. 38.5±0.1. .296. 39.4±0.1. 39.2±0.1. .151. 21.1±0.1. 1.000. 22.0±0.1. 21.8±0.1. .143. p. p.

(39) 29. 第三節八週落地的地面反作用力變化本研究以八週落地訓練組的大鼠進行每週 2 次（分別為每週的第一次與第五次訓練），共 16 次的地面反作用力之測量。共使用 10 隻大鼠，以每隻動物後腳的前五次落地的峰值進行平均，而後將此 16 個時間點的 GRF 進行單因子變異數分析，以觀察此期間的 GRF 變化。統計結果達顯著差異，而經事後比較發現，除了在第一週第一次的 GRF 顯著高於其他時間點之外，其他各時間點之間未達顯著差異。如圖 8A 所示，第一週第一次的地面反作用力高達約 12 倍體重左右，但經過四天的適應之後，即降為約 8 倍體重的 GRF，最低甚至降到約 6 倍體重左右。整個實驗期維持在約 6 倍與 8 倍體重的 GRF 之間。此外，若以絕對的地面反作用力值呈現，不除以動物本身的體重，其結果亦與上述結果呈現相同的趨勢 (圖 8B)。.

(40) 30. 16. 地面反作用力（倍體重）. 14. A *. 12 10 8 6 4 2 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 40. 50. 60. 測量的時間點（天）. Ｂ. *. 地面反作用力（牛頓）. 25. 20. 15. 10. 5. 0 0. 10. 20. 30. 測量的時間點（天）. 圖 8 八週落地的地面反作用力變化註：A 圖是呈現相對的地面反作用力，單位為倍體重；B 圖則是呈現絕對的地面反作用力，單位為牛頓。所有數值以平均數  標準誤表示。*表示該點與其他時間點的地面反作用力達顯著差異，p <. 05。.

(41) 31. 第四節骨骼斷面參數本研究共進行股骨與脛骨的斷面參數分析，以下分別描述：一、股骨股骨斷面參數的結果顯示如表 5，一週落地訓練組無論在皮質骨面積或是皮質骨厚度皆顯著低於其對照組；相反地，四週落地訓練組則是在這兩項參數顯著高於其對照組。其餘參數除了轉動慣量矩有類似於皮質骨面積與厚度的趨勢外，皆未達顯著水準。另外，為了比較各時間點落地訓練組與對照組的差異，本研究以”（落地訓練組對照組）/ 對照組*100”之公式，進行四個訓練期的皮質骨的厚度、面積與轉動慣量矩的差異百分比之比較。以單因子變異數分析進行的結果達顯著水準，經事後比較發現：二週、四週與八週皮質骨面積的差異百分比顯著高於一週，四週又高於二週（圖 9A）；皮質骨厚度呈現與面積相同的結果（圖 9B）。轉動慣量矩在四週與八週皆顯著高於一週與二週，另外，四週又高於八週（圖 9C）。其中一週在這三項參數的差異百分比皆為負值（圖 9）。. 二、脛骨結果顯示，八週落地訓練組在轉動慣量矩、皮質骨面積、厚度與斷面高度經訓練後顯著高於八週對照組，其餘參數皆未達顯著水準（表 6）。如同股骨進行差異百分比的比較發現，脛骨皮質骨的面積亦達顯著水準（圖 10A），經事後比較指出，二週分別顯著低於一週、四週與八週；一週與四週又顯著低於八週。皮質骨厚度的差異百分比呈現與面積相同的結果（圖 10B）。脛骨的轉動慣量矩差異百分比達顯著差異，經事後比較發現，八週與四週顯著高於一週、二週，八週又高於四週（圖 10C）。.

(42) 32. 表 5 股骨斷面參數 1-Week. 2-Week. E1. C1. n=12. n=12. p. 4-Week. E2. C2. n=12. n=12. p. 8-Week. E4. C4. n=12. n=11. p. E8. C8. n=12. n=12. p. 轉動慣量矩 (mm4). 6.67±0.30. 6.96±0.31. .505. 6.46±0.36. 6.70±0.37. .656. 8.40±0.45. 7.41±0.37. .110. 8.79±0.51. 8.18±0.35. .332. 皮質骨面積 (mm2). 6.24±0.15. 6.78±0.12. .009*. 6.43±0.26. 6.45±0.13. .949. 7.25±0.09. 6.81±0.10. .004*. 7.80±0.10. 7.59±0.14. .219. 橫斷面面積 (mm2). 10.77±0.21. 10.85±0.31. .826. 10.67±0.28. 10.76±0.27. .827. 11.67±0.23. 11.00±0.27. .072. 11.92±0.26. 11.74±0.18. .570. 骨髓腔面積 (mm2). 4.53±0.12. 4.07±0.23. .101. 4.24±0.23. 4.31±0.25. .846. 4.42±0.17. 4.19±0.21. .412. 4.11±0.19. 4.15±0.13. .879. 皮質骨厚度 (mm). 0.63±0.01. 0.69±0.01. .000*. 0.66±0.02. 0.66±0.01. .994. 0.72±0.01. 0.69±0.01. .030*. 0.78±0.01. 0.75±0.01. .122. 斷面高度 (mm). 3.32±0.04. 3.34±0.04. .796. 3.28±0.03. 3.27±0.04. .908. 3.47±0.05. 3.35±0.04. .077. 3.37±0.05. 3.38±0.05. .890. 斷面寬度 (mm). 4.10±0.07. 4.06±0.10. .704. 4.13±0.08. 4.21±0.08. .481. 4.17±0.06. 4.05±0.07. .175. 4.36±0.05. 4.34±0.05. .755. 所有數值以平均數  標準誤表示。*表示 p <.05，組間達顯著差異。.

(43) 33. 表 6 脛骨斷面參數 1-Week. 2-Week. E1. C1. n=10. n=12. p. 4-Week. E2. C2. n=10. n=9. p. 8-Week. E4. C4. n=12. n=12. p. E8. C8. n=12. n=12. p. 轉動慣量矩 (mm4). 3.50±0.22. 3.50±0.29. .988. 2.91±0.19. 3.17±0.24. .402. 3.56±0.20. 3.40±0.16. .535. 3.87±0.10. 3.41±0.16. .020*. 皮質骨面積 (mm2). 4.50±0.13. 4.32±0.15. .381. 4.23±0.21. 4.59±0.19. .220. 5.13±0.11. 5.07±0.11. .728. 5.43±0.07. 5.09±0.10. .010*. 橫斷面面積 (mm2). 7.51±0.22. 7.40±0.35. .813. 6.86±0.31. 6.87±0.33. .992. 7.44±0.20. 7.31±0.16. .612. 7.58±0.12. 7.33±0.17. .244. 骨髓腔面積 (mm2). 3.00±0.20. 3.08±0.24. .819. 2.63±0.27. 2.27±0.16. .276. 2.31±0.12. 2.24±0.12. .660. 2.15±0.13. 2.24±0.11. .600. 皮質骨厚度 (mm). 0.55±0.02. 0.52±0.02. .268. 0.54±0.03. 0.59±0.01. .125. 0.65±0.01. 0.65±0.01. .922. 0.70±0.02. 0.65±0.01. .009*. 斷面高度 (mm). 2.86±0.07. 2.89±0.07. .803. 2.76±0.07. 2.73±0.06. .727. 2.86±0.06. 2.78±0.05. .290. 2.88±0.04. 2.75±0.04. .036*. 斷面寬度 (mm). 3.40±0.07. 3.26±0.09. .236. 3.18±0.10. 3.28±0.08. .483. 3.33±0.05. 3.33±0.05. .956. 3.36±0.04. 3.38±0.06. .869. 所有數值以平均數  標準誤表示。*表示 p <.05，組間達顯著差異。.

(44) 34 10. A. ab. 皮質骨面積差異百分比 (%). 8 6. a. 4 a. 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期 6. B. ab. a. 皮質骨厚度差異百分比 (%). 4 2 a 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 轉動慣量矩差異百分比 (%). 20. C. abd. 15 ab 10. 5. 0. -5. -10 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 圖 9 四個訓練期的落地訓練組與對照組的股骨斷面參數差異百分比 A：皮質骨面積；B：皮質骨厚度；C：轉動慣量矩。所有數值以平均數  標準誤表示。各時間點兩組差異百分比是以 (落地訓練組-對照組)/對照組100% 公式進行計算。a 表示顯著高於 1 week 組 (p<.05)；b 表示顯著高於 2 week 組 (p<.05)；d 表示顯著高於 8 week 組 (p<.05)。.

(45) 35. 10. A. abc. 皮質骨面積差異百分比 (%). 8 6 b. 4 b. 2 0 -2 -4 -6 -8 -10. 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期 abc 10. B. 皮質骨厚度差異百分比 (%). 8 6. b. 4. b. 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 轉動慣量矩差異百分比 (%). 25. C abc. 20. 15. 10. ab. 5. 0. -5. -10 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 圖 10 四個訓練期的落地訓練組與對照組的脛骨斷面參數差異百分比 A：皮質骨面積；B：皮質骨厚度；C：轉動慣量矩。所有數值以平均數  標準誤表示。各時間點兩組差異百分比是以 (落地訓練組-對照組)/對照組100% 公式進行計算。a 表示顯著高於 1 week 組 (p<.05)；b 表示顯著高於 2 week 組 (p<.05)；c 表示顯著高於 4 week 組 (p<.05)。.

(46) 36. 第五節海綿骨的骨生成與骨吸收參數本研究的海綿骨之骨生成與骨吸收參數，是以海綿骨表面所分佈的鹼性磷酸酶與破骨細胞所代表。分別以股骨遠端與脛骨近端的海綿骨進行切片染色分析，結果如圖 11A 和 B 所示，股骨與脛骨的鹼性磷酸酶分佈百分比皆在八週落地訓練組顯著高於八週對照組。另外，脛骨的鹼性磷酸酶分佈百分比則在四週訓練後呈現低於對照組的趨勢 (p=.053) （圖 11 B）。如圖 12B 所示，脛骨的破骨細胞數目，八週落地訓練組顯著低於其對照組，其餘各組無顯著差異，唯四週落地訓練組具有低於其對照組的趨勢 (p=.081)。另外，股骨的破骨細胞數目則在一週訓練後即顯著的低於對照組，其餘各組皆無顯著差異（圖 12A）。.

(47) 37. 20. 鹼性磷酸酉每分佈百分比 (%). 18 16. E C. A (股骨) *. 14 12 10 8 6 4 2 0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 鹼性磷酸酉每分佈百分比 (%). 16 14. B (脛骨). E C. 12 10. * 8 6 4 2 0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 圖 11 海綿骨的鹼性磷酸酶分佈百分比註：A 圖為股骨的資料；B 圖為脛骨的資料。所有數值以平均數  標準誤表示。ALP，鹼性磷酸酶 (alkaline phosphatase)，用以代表骨生成指數。鹼性磷酸酶分佈百分比是以（ALP 表現周長/骨表面周長）100% 之公式進行計算；*表示組間達顯著差異 (p<.05)。.

(48) 38. 100. A (股骨). E C. 破骨細胞數目 (顆). 80. * 60. 40. 20. 0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 300. B (脛骨). E C. 破骨細胞數目(顆). 250. 200. * 150. 100. 50. 0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. 訓練期. 圖 12 海綿骨的破骨細胞數目註：A 圖為股骨的資料；B 圖為脛骨的資料。所有數值以平均數  標準誤表示。Osteoclast number，破骨細胞數目，用以代表骨吸收指數；*表示組間達顯著差異 (p<.05)。.

(49) 39. 第六節骨密度與海綿骨結構本研究的皮質骨骨密度、海綿骨骨密度與結構是以微型電腦斷層掃描 (micro-computed tomography, μCT) 進行測量。以下分成骨密度與海綿骨結構兩個部分進行敘述：一、骨密度 (bone mineral density, BMD) 骨密度在股骨與脛骨皆有進行分析，每一骨骼樣本又分為皮質骨與海綿骨區域兩部分進行分析。因此，在骨密度共分成二項呈現，分別為股骨與脛骨的皮質骨 BMD、股骨與脛骨的海綿骨 BMD。 (一) 股骨與脛骨的皮質骨 BMD 股骨與脛骨的皮質骨骨密度在四個訓練期與其對照組皆未達顯著差異，如圖 13A 和 B。 (二) 股骨與脛骨的海綿骨 BMD 股骨海綿骨的骨密度結果如圖 14A 顯示，一週與二週訓練後分別呈現略低於其一週與二週的對照組，但未達顯著水準。經過四週的訓練後才略高於四週對照組，最終在八週訓練後顯著高於八週對照組。脛骨海綿骨的結果與股骨海綿骨呈現類似的發展趨勢（圖 14B），皆是在訓練初期先出現微幅的下降，經過四週的訓練後便可轉為微幅的上升，而在八週落地訓練後顯著的高於八週對照組。二、海綿骨結構無論是股骨或是脛骨，其呈現海綿骨結構參數的結果與海綿骨骨密度極為相似，皆是八週訓練後，在骨量比率、海綿骨厚度與海綿骨數目顯著高於八週對照組，除了脛骨的海綿骨數目是以趨近顯著水準之外 (p=.051) （表 7 和表 8）。.

(50) 40. 0.7. E C. 股骨皮質骨 BMD (g/cm3). 0.6. 0.5. 0.4. A. 0.3. 0.2. 0.1. 0.0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. Training periods. 0.7. E C. 脛骨皮質骨 BMD (g/cm3). 0.6. 0.5. 0.4. B. 0.3. 0.2. 0.1. 0.0 1 week. 2 week. 4 week. 8 week. Training periods. 圖 13 股骨與脛骨的皮質骨骨密度註：A 圖為股骨皮質骨骨密度 (femoral cortical bone mineral density)；B 圖為脛骨皮質骨骨密度 (tibial cortical bone mineral density)；所有數值以平均數  標準誤表示。所有數值單位為 g/cm3。.