國立臺中教育大學體育學系碩士論文
跑步機與地面步態生物力學分析
The Biomechanical Pattern of
Treadmill and Overground Gait
研 究 生：柯柏任 撰
指導教授：許太彥 博士
國科會碩士論文授權書 (國科會科學技術資料中心版本) 本授權書所授權之論文為本人在國立臺中教育大學體育學系碩士班 96 學年度第二 學期取得碩士學位之論文。 論文名稱：跑步機與地面步態生物力學分析 ■ ■■ ■同意同意同意 同意 □□□不同意□不同意不同意 不同意 本人具有著作財產權之論文全文資料，授予行政院國家科學委員會科學技術資料中 心(或其改制後之機構)、國家圖書館及本人畢業學校圖書館，得不限地域、時間與次數 以微縮、光碟或數位化等各種方式重製後散布發行或上載網路。 本論文為本人向經濟部智慧財產局申請專利（未申請者本條款請不予理會）的附件 之一，申請文號為：＿＿＿＿＿＿，註明文號者請將全文資料延後半年後再公開。 ■ ■■ ■同意同意同意 同意 □□□不同意□不同意不同意 不同意 本人具有著作財產權之論文全文資料，授予教育部指定送繳之圖書館及本人畢業學 校圖書館，為學術研究之目的以各種方法重製，或為上述目的再授權他人以各種方法重 製，不限地域與時間，惟每人以一份為限。 上述授權內容均無須訂立讓與及授權契約書。依本授權之發行權為非專屬性發行權 利。依本授權所為之收錄、重製、發行及學術研發利用均為無償。上述同意與不同意之 欄位若未鉤選，本人同意視同授權。 指導教授姓名：許太彥 研究生簽名： 學號：BPE095107 （親筆正楷） （務必填寫） 日期：民國 97 年 07 月 29 日
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（提供授權人裝訂於紙本論文書名頁之次頁用） 本授權書所授權之論文為授權人在 國立臺中教育大學 體育學系碩士班 運動與健康 組 96 學年度第 二 學期取得 碩士 學位之論文。 論文題目 論文題目論文題目 論文題目：跑步機與地面步態生物力學分析 指導教授 指導教授指導教授 指導教授： 許太彥 茲同意將授權人擁有著作權之上列論文全文（含摘要），非專屬、無償授權 國家圖書館及本人畢業學校圖書館，不限地域、時間與次數，以微縮、光 碟或其他各種數位化方式將上列論文重製，並得將數位化之上列論文及論 文電子檔以上載網路方式，提供讀者基於個人非營利性質之線上檢索、閱 覽、下載或列印。 讀者基非營利性質之線上檢索、閱覽、下載或列印上列論文，應依著作權法 相關規定辦理。授權人
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中華民國 97 年 07 月 29 日謝 誌
雖然在研究所的時光只有兩年，但在臺中教育大學求學實已經過六年光陰， 時光匆匆流逝，點滴在心頭，在學期間感謝系上師長林順安老師、呂香珠老師、 楊國煌老師、鄭炎棟老師、張碧峰老師以及周智麟老師在課業上的教導與生活上 的照顧，尤其特別感謝陳鶴姿老師、張惠如老師與李炳昭老師平時主動且熱情的 教導與提攜，使學生在求學階段更加順利與溫馨。 此外萬分感激論文指導教授許太彥老師兩年來不分寒暑的殷勤指導，帶領學 生進入生物力學的學術領域，且不論是在研究的架構上，或是實驗器材的操作 上，沒有老師亦師亦友般慈愛的帶領與包容，學生不可能如此順利完成學業，除 此之外並感謝口試委員涂瑞洪老師與陳重佑老師，在口試時給予學生許多寶貴的 指正與建議，使學生對於論文方向更加清楚與明確，在此謹獻上萬分謝意，感謝 老師們的照顧。 實驗期間也感謝同門伙伴欣玫，以及大學同窗育竹、富元與佳政的幫助，實 驗後的資料處理，感謝立仁及佩芩給予我諸多協助與建議，讓我處理資料更加容 易與順利，以及實驗的參與者們，感謝你們犧牲睡眠與日間時間陪我一起完成實 驗。 仲瑜、庭卉、毛嘉惠與張紋莉在學校生活時的照顧與陪伴，使研究室的生活 不致枯燥乏味，以及在研究方面的互相激盪與砥礪，點點滴滴皆讓我感激不盡永 生難忘。 最後萬分感謝父親茂青先生、母親麗祝女士與家姊懷淨，在精神上與生活上 的鼓勵與支持，沒有您們的栽培，就沒有今日的成就，謹將完成論文的喜悅與您 們分享。柯
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謹誌於 國立臺中教育大學運動生物力學實驗室 中華民國九十七年七月跑步機與地面步態生物力學分析
跑步機與地面步態生物力學分析
跑步機與地面步態生物力學分析
跑步機與地面步態生物力學分析
研 究 生 柯柏任 指導教授 許太彥 博士 2008 年 7 月摘 要
在測定跑步機與實際地面跑步的耗氧量測驗中，發現在相同速率與距離下使 用跑步機的選手所需耗氧量會比在實際地面上跑步的選手減少 10%左右，因此推 論在跑步機上跑步時所動用的腿部肌群可能會稍異於人體實際在地面跑步時的 動作，故本研究目的為探討健康男性在跑步機與地面上不同速率的步態模式，並 比較其右足在跑步機與地面上行走與跑步動作在運動學與肌電圖參數的變化狀 況。 本研究以臺中教育大學體育學系學生 8 名作為實驗參與者，平均身高為 173.38 ± 6.39 公分，平均體重為 72.14 ± 7.48 公斤，平均年齡為 23.16 ± 3.21 歲。 實驗時使用日本 FOR-A 製 VFC-1000 高速攝影機(250Hz)與義大利 BTS Bioengineering 製 PackEMG（1000Hz）收集運動學參數與肌電訊號，並利用 Kwon3D 動作分析軟體分析運動學參數，使用 Myolab 軟體來分析肌電訊號，最 後使用二因子變異數分析來檢驗運動學參數與肌電訊號在地面與跑步機上的差 異顯著性(α=.05)，如達顯著差異，以單純主要效果進行事後比較。 結果主要發現為在本研究所比較的運動學項目中，地面上的步態模式與跑步 機上的步態模式是相似的；肌電訊號分析方面，在擺動期時且相同的速率因子之 下，地面與跑步機的臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側腓 腸肌活化程度皆相同，顯示在相同速率的訓練之下，在擺動期方面的訓練效果地 面與跑步機上所能達成的訓練效果是相同的，而在支撐期方面，相同的速率因子 之下，臀大肌、股直肌、股二頭肌與脛前肌活化程度皆相同，顯示訓練效果在相 同速率下地面與跑步機上所能達成的訓練效果是相同的，而在內側腓腸肌與外側 腓腸肌方面，跑步機的肌肉收縮程度會大於地面，表示如在相同的速率之下，跑 步機的訓練效果會優於地面訓練；如單純以速率增加的訓練而言，不論是在地面 上或是跑步機上，在股二頭肌的訓練效果上會小於其他肌肉。 關鍵詞:地面、跑步機、支撐期、擺動期、角對角座標National Taichung University
The Biomechanical Pattern of Treadmill and Overground Gait
Graduate student: Ko, Bo-Jen Advisor: Hsu, Tai-Yen Presented Date:07/2008
ABSTRACT
According to previous literature, athletes who run on the ground consume ten percent Oxygen more than those who run on treadmills at the identical speed and distance. Based on this paper, there exists a difference in sport patterns of leg muscles between running overground and treadmills. The purpose of this study is to compare the gait pattern of males overground and treadmill at different speed, to analyze the kinematic and EMG differences, and to compare variations in kinematics and EMG parameter of the right feet on the ground and on the treadmills.
Eight male college students were served as the subjects for this study. The mean height, weight and age were 173.38 ± 6.39cm, 72.14 ± 7.48 kg and 23.16 ± 3.21 years. Kinematic and EMG data were captured by using a VFC-1000 high speed camera (250Hz) and BTS Bioengineering PackEMG (1000Hz). Kinematic data was analyzed by using Kwon3D, and EMG data was analyzed by using Myolab. The selected variables were tested by two-way ANOVA (α=.05).
The main results of this study were as follows: the gait overground and that on the treadmill was much the same in kinematics. In EMG analysis, both activator degrees of gluteus medius, rectus femoris, biceps femoris, tibialis anterior, medial gastrocnemius and lateral gastrocnemius overground on the ground were the same at the same speed during swing phase. This result shows that the training effects on the ground were the same with that on the treadmill. In the stance phase, both activator degrees of gluteus medius, rectus femoris, biceps femoris and tibialis anterior were the same at the same speed. This result shows that the training effects on the ground were the same with that on the treadmill. But the activator degree of medial gastrocnemius and lateral gastrocnemius on the treadmill were above that on the ground at the same speed. It shows that the training effect on the treadmill was superior to that on the ground. Nevertheless, in increasing-speed training, the training effect on biceps femoris was poorer other muscles either overground or on the treadmill.
Key words: Overground, Treadmill, Stance phase, Swing phase, Angle-angle diagram
目 次
國科會碩士論文授權書... I 博碩士論文電子檔案上網授權書 ... II 謝 誌...III 中文摘要 ... IV 英文摘要 ...V 目 次... VI 表 次... VIII 圖 次... IX 第壹章 第壹章第壹章 第壹章 緒緒緒緒 論論論論 ...1 第一節 研究動機與背景 ...1 第二節 研究目的 ...3 第三節 研究範圍 ...3 第四節 研究限制 ...3 第五節 操作型定義...4 第貳章 第貳章第貳章 第貳章 文獻探討文獻探討文獻探討文獻探討 ...6 第一節 跑步機研究現況 ...6 第二節 行進步態模式探討 ...8 第參章 第參章第參章 第參章 實驗步驟與方法實驗步驟與方法實驗步驟與方法實驗步驟與方法...11 第一節 研究對象 ...11 第二節 實驗日期與地點 ...11 第三節 實驗器材與設備 ...11 第四節 實驗流程與場地布置圖 ...12 第五節 實驗步驟 ...16 第六節 統計方法 ...17 第七節 研究架構 ...18 第四章 第四章第四章 第四章 結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論...19 第一節 運動學分析...19 第二節 肌電學分析...31 第五章 第五章第五章 第五章 結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議...33第一節 結論 ...33 第二節 建議 ...34 參考文獻 參考文獻參考文獻 參考文獻 ...35 中文部分 中文部分中文部分 中文部分...35 外文部分 外文部分外文部分 外文部分...35 附錄一 跑步機實際速度與界定刻度關係曲線 ...38 附錄二 各實驗參與者地面速率與跑步機刻度對照表 ...39 附錄三 二因子變異數分析與平均數摘要表 ...40 附錄四 地面與跑步機各速率下角對角座標圖 ...70
表 次
表 4-1 擺動期二因子變異數分析摘要表 ...19 表 4-2 各分類速率平均速率摘要表 ...20 表 4-3 支撐期二因子變異數分析摘要表 ...21 表 4-4 步頻二因子變異數分析摘要表 ...23 表 4-5 步幅二因子變異數分析摘要表 ...24 表 4-6 膝關節活動範圍二因子變異數分析摘要表 ...26 表 4-7 軀幹與水平軸夾角範圍二因子變異數分析摘要表 ...27圖 次
圖 2-1 正常人典型步態週期... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 2-2 跑步飛程 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 2-3 速率不同支撐期與擺動期比較 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 3-1 反光貼片貼點示意圖... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 3-2 地面測驗場地佈置圖... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 3-3 跑步機測驗佈置圖... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 3-4 Footswitch 黏貼位置 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 3-5 類同步啟動訊號產生裝置 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-1 擺動期與支撐期百分比示意圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-2 步頻平均曲線圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-3 步幅平均曲線圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-4 膝關節活動範圍 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未尚未尚未尚未定義書籤定義書籤定義書籤定義書籤。。。。 圖 4-5 軀幹與水平軸夾角範圍... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-6 地面 V1角對角座標圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-7 地面 V7角對角座標圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-8 跑步機 V1角對角座標圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。 圖 4-9 跑步機 V7角對角座標圖 ... 錯誤錯誤錯誤錯誤! 尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤尚未定義書籤。。。。跑步機與地面步態生物力學分析
第壹章 第壹章 第壹章 第壹章 緒緒緒緒 論論論論 第一節 研究動機與背景 依據 2008 年行政院衛生署國民健康局統計 2007 年國人十大死因結果指出， 由代謝症候群（高血壓、高血脂、高血糖）所衍生出的心血管、糖尿病、高血壓 等疾病，其發生率已經佔了國人十大死因的 84.2 %，且依據研究指出具有代謝症 候群症狀的人，多年之後罹患心血管疾病的機率為平常人的二至三倍，而罹患糖 尿病的機會則為常人的五倍 (Eckel,Grundy, & Zimmet, 2005) 。實驗也已證實代謝 症候群普遍存在於肥胖者之間，且肥胖者在近年有逐漸增加的趨勢 （Henry &Mudaliar, 2003），Ahmed 與 Goldstein（2006）研究也指出代謝症候群的人，其
潛在危險因素幾乎都有肥胖的特徵。 行政院內政部戶政司（2007）九月底統計人口數最多的縣市，前兩名為台北 市及高雄市，人口數分別是 2,625,359 人及 1,518,568 人，其縣市土地面積則是分 別為 271.7997 平方公里及 153.5927 平方公里，平均每平方公里台北市為 9,659 人，而高雄市則有 9,887 人，平均每人可分得活動面積分別為 103.53 平方公尺與 101.14 平方公尺，此面積乍看之下，每人還可以分得一面約四百公尺操場大小的 活動範圍，但是再進一步扣除建築物、馬路、公共設施等面積，每個人可得的活 動範圍實際上是非常狹隘的。 在如此擁擠的居住密度下，想擁有一片可供運動的綠地不啻是一種奢求，就 算很幸運的在住家附近有一片綠地，但是人滿為患的場面卻是可以預見的，除非 選擇上班時間或是深夜，不然單純只想跑步，也得要一直留心閃避前方接踵而來 的障礙物，而無法放鬆心情享受跑步的樂趣；或是想運動時，戶外卻下著大雨， 而「跑步機」就是在此一需求狀況下所開發出的健身器材，不受天候與時間的限 制是其最大的優點。 跑步機的功用與價值不僅止於跑步休閒，因其具有可以自行控制跑速的優
點，近年來醫界對於病人的復健研究也開始採用跑步機，如 Herman, Giladi, Gruendlinger, 與 Hausdorff (2007) 曾利用跑步機來幫助患有帕金森式症的病患 做復健；Rodgers, Forrester, Patterson, 與 Macko (2006) 也利用跑步機來幫助測定 患有腦血管栓塞疾病的患者所適合的運動強度。
雖然跑步機的應用很廣，但早期礙於實驗儀器的限制而難以測定其差異，但 是隨著近年科技的發展，先進儀器使分析跑步機與地面步態的模式差異變得較為 可行，Arampatzis 等人 (2006) 利用高速攝影機作為研究跑步機上人體肌腱力學 與型態學的工具之一，而 Riley, Paolini, Della Croce, Paylo, 與 Kerrigan (2007) 則 是為了研究人類步態在跑步機與地面上的運動學與動力學現象，使用了 Vicon 高 速攝影機與兩塊 AMTI 三軸測力板；因此本研究欲利用高速攝影機及肌電圖二種 儀器，以期得到跑步機與實際地面走跑在運動學與肌電圖上的交互性比較。
第二節 研究目的 本研究目的為探討健康男性在跑步機與地面上不同速率的步態模式，並比較 其右足在跑步機與地面上跑步與行走動作在運動學與肌電圖參數的變化狀況。 欲探討主要參數如下: 一、運動學 量測出右側下肢步態的支撐期與擺動期在步態週期中所佔的時間百分 比、步頻與步幅、軀幹與水平活動角度範圍、以及膝關節活動角度範圍。 二、肌電圖參數 測量右側下肢步態主要作用肌群:臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛骨前 肌、內側腓腸肌、外側腓腸肌以完成一個步態週期為單位的積分肌電(IEMG)。 第三節 研究範圍 本研究以臺中教育大學體育系的健康男性學生為研究對象，利用高速攝影機 和肌電圖等儀器，來記錄實驗參與者在跑步機與地面上，分別以七個實驗速率前 進的運動學與肌電活動變化狀況，期望能比較出跑步機與地面上步態在運動學與 肌電活動的差異。 第四節 研究限制 一、本研究所使用的跑步機為 JohnsonT7000 型跑步機，無法將實驗結果推至其 他廠牌或型號的跑步機。 二、使用 Footswitch 的按壓反應作為足底是否接觸地面的依據。
第五節 操作型定義 一、不同運動速率
依照文獻(Jordan, Challis, & Newell, 2007)定義為個人喜好跑速(Preferred running speed, PRS)的 40％、60％、80％、100％、120％、140％與 160％。 二、跑步機 較早期的跑步機可以被區分為磁控式跑步機與電動式跑步機，磁控式跑 步機是利用腳去控制跑道皮帶的滑動，因此下肢肌群的用力方式會較接近人 體在地面上跑步的動作，但是因跑道皮帶阻力設計不易，常會發生阻力過 大，而需雙手握住扶手腳步才能帶動皮動，或是阻力過小，而容易發生滑倒 的意外，因此磁控式跑步機現已較少見，因此本研究所使用之跑步機專指電 動跑步機。 三、大腿與水平夾角(Thigh-X axis) 由水平軸起始逆時針至大腿的夾角。 四、膝關節夾角(Knee joints) 由大腿起始逆時針至小腿的夾角。 五、軀幹與水平夾角（Trunk and X-axis ）
由水平軸起始逆時針至軀幹的夾角。 六、速率類別（speed No）
本研究因有七個研究速率，各實驗參與者之間七個速率又不盡相同，故 定義每位實驗參與者在各速率下的平均速率為速率類別，例：每位實驗參與
七、擺動期
本研究中所指之擺動期，專指右側下肢的擺動期。 八、支撐期
第貳章 第貳章 第貳章 第貳章 文獻探討文獻探討文獻探討 文獻探討 第一節 跑步機研究現況 跑步機的跑道皮帶是利用電動馬達帶動，跑道皮帶會不斷把人體重心往後方 送，雙腿負責動作只是透過不斷交換位置來維持身體的重心，所動用的腿部肌群 可能會稍異於人體實際在地面跑步時的動作，因此在測定跑步機與實際地面跑步 的耗氧量測驗中，發現在相同速率與距離下使用跑步機的選手所需耗氧量會比在 實際地面上跑步的選手減少 10 % 左右 (Pugh, 1970)，但因電動式跑步機具有易 於控制速率的特性，因此目前依舊被廣泛應用於復健、健身與訓練等項目上。 因為應用範圍廣泛的緣故，與跑步機相關的議題被大量的研究，Lange, Hintermeister, Schlegel, Dillman, 與 Steadman (1996) 使用肌電圖量化在不同程度 的跑步機坡度之下，下肢股直肌與股二頭肌活化的程度，肌電圖會記錄股二頭肌 與股直肌肌電訊號的平均值與最大值，以期統計出膝關節所能容許的最大活動角 度，且在上坡的下肢肌肉、關節活動已經被證實在膝關節的復健上具有價值，因 此實驗者使用六位身體狀況良好的實驗參與者（平均年齡為 28.5± 3.7 歲，身高 1.79 ± 0.05 公尺，體重 74.7 ± 7.9 公斤），實驗參與者會在施測的每一個坡度 利用自己覺得舒適的速率行走，當跑步機坡度增加時，受測者下肢的股二頭肌及 股直肌電位活性皆明顯增加，顯示隨著坡度增加時會動員更多的肌肉纖維，且在 腳跟著地期時，膝關節的最大屈曲角度會隨著坡度的增加而變大，實驗結果顯示 適當的坡度運動可以有效幫助受傷膝蓋的復健，以及讓膝關節與前十字韌帶的負 擔減到最小。 Arampatzis等人 (2006) 為研究跑者在不同跑步速率下，肌肉肌腱的力學特性 在跑步機上時會如何影響跑步的能量消耗經濟性，研究者徵求二十八名長距離跑 者（平均年齡為28.1± 4.5歲，身高1.82 ± 0.06 公尺，體重76.8 ± 6.7公斤）參予 此次實驗，實驗參與者在跑步機上所受測的速率分別為3.0 m/s、3.5 m/s、4.0 m/s， 每一個速率施測15分鐘，在施測期間左腳的踝關節、膝關節和髖關節角度會被高 速攝影機（250Hz）所記錄，但是實驗結果的統計顯示未達到顯著差異水準，三
種施測速率都表現出相似的運動學特徵，這說明運動學上的參數無法用來解釋不 同跑步速率對於能量消耗經濟性的影響。
Riley, Paolini, Della Croce, Paylo, 與 Kerrigan (2007) 則是為了測定一般健康 人在跑步機與地面上運動學與動力學的比較，而使用了十部 Vicon 高速攝影機 （120Hz）、兩塊 AMTI 三軸測力板（120Hz）以及三塊裝設在跑步機上的測力板 （120Hz），身體上的標記點為髖關節、膝關節與踝關節，實驗者使用 33 位實驗 參與者，但有七位實驗參與者的資料在擷取時失敗，因此最後樣本數調整為 26 人（13 名為男性），在地面時的施測速率採用實驗參與者選擇自身感覺舒適的速 率，隨後的跑步機上測驗所設定的速率為地面速率的平均值，最後因實驗結果未 達到統計上的顯著差異，因此研究結論為跑步機與地面的移動步態在運動學與動 力學上是非常相似的； Lee, 與 Hidler (2008)以及 Riley, Dicharry, Franz, Croce, Wilder, 與 Kerrigan (2008) 的研究也顯示地面與跑步機在動力學與運動學方面 無顯著的差異。
第二節 行進步態模式探討 行走與跑步是人類日常所賴以行動的動作模式，這兩個幾乎不假思索的雙腿 交換動作技能，並非是天生就會，而是經過幼兒時期神經肌肉的逐漸發展，與自 身不斷的學習，進而發展成不假思索就能完成的反射性動作，但是這看似簡單的 動作中，卻包含著超乎想像的複雜機制，且步態分析的基礎研究就是從測量步態 的週期開始。 在人類行走時的步態週期分析方面，可以分為擺動期與支撐期 (Novacheck, 1998; J. C. Wall, Charteris, & Turnbull, 1987; James C Wall & Crosbie, 1997; Weyand, Sternlight, Bellizzi, & Wright, 2000)。而步態週期是從某一側的腳接觸地面開始， 結束於同一側的腳再次接觸到地面 (Novacheck, 1998)。
圖 2-1 正常人典型步態週期 (DeLisa, United States. Veterans Health Administration, & Technical Publications, 1998)
與行走的步態週期相比，跑步的步態週期則是多了雙腳皆離開地面的飛程 (Novacheck, 1998)，而在兩個相鄰的雙腿騰空期之間，先前蹬地的腳則是進入擺 動期。
圖 2-2 跑步飛程 (Weyand, Sternlight, Bellizzi, & Wright, 2000) 雖然許多實驗研究對於行走或是跑步週期的定義有所不同，但是最基本的分 類是以行走具有雙支撐期，而跑步則具有騰空期為其判定的原則。 成人由行走變成跑步的臨界速率大約 2 m/s 至 2.14 m/s 之間 (Tseh, 2000)， 且隨著前進速率的增加，下肢擺動期在整個步態週期中所佔的比率也會逐漸增 加，而支撐期所佔的比率卻會逐漸減少（圖 2-3），以行走速率 1.2 m/s 而言，支 撐期佔整個步態週期的 62 % ，而擺動期則佔 38 % ，如果速率提升到了 9 m/s， 則擺動期所佔百分比會大幅提升到 80 % ，而支撐期的比率則是下降為 20 % (Novacheck, 1998)，因此各關節與肌肉的活動狀態均會隨著速率改變而有所變化。 圖 2-3 速率不同支撐期與擺動期比較 (Novacheck, 1998)
Jordan, Challis, 與 Newell (2007) 在步行速率對步態週期變化影響的研究 中，使用 11 名女性實驗參與者（平均年齡為 24.9 歲、平均身高 1.64 公尺、平均 體重 57.2 公斤），使用測量儀器為跑步機上埋設兩塊測力板（250Hz），用來紀
錄垂直反作用力（VGRF），在實驗之前會先讓實驗參與者熟悉跑步機，並測量他
們覺得舒適的跑步速率（Preferred running speed, PRS），正式實驗的測試速率為 在跑步機上設定 80 %、90 %,、100 %、110 %和 120 %的 PRS，測驗時間為 12 分 鐘以求記錄到穩定的步態週期，最後根據實驗結果認為在每個移動速率中，各肢 段都會有相對應的擺動週期，並且認為在移動的步態中較低的移動速率身體會有 較佳的穩定性。
Weyand, Sternlight, Bellizzi, 與 Wright (2000) 在跑步機上，利用 33 名實驗參 與者（男性 24 名、女性 9 名）測試選手最大跑速時的力學現象，使用測力板做 為測量工具，發現在賽跑選手的加速過程，一旦步頻到了一定程度之後，就非透 過雙腿騰空期時快速交換雙腿來達成加速的目的，而是透過腿部肌纖維輸出更大 的蹬地力量來使跑步速率增加。因此我們可以瞭解，達到一定步頻後，如要增加 跑步的速率，下肢肌肉就必須產生更大的力量來因應。 在探討下肢運動生物力學，慣用腳的問題經常被有意無意的提起，在許多研 究中慣用腳的測定常利用踢球、登階、跳遠、往前踩步、恢復平衡、鋭劍防衛以 及自我認定的方式來做慣用腳的判定，雖然有許多的測定方法，但經實驗驗證結 果發現被個人認定所謂的慣用腳和非慣用腳，在對地反作用力、單腳站立平衡和 踢腿速率方面的測驗皆未達到顯著差異的水準，因此一般人所謂的慣用腳應該是 「習慣用腳」，而非是真有能力較強的腳(蔡佳良、黃啟煌、吳昇光，2005)。
第參章 第參章 第參章 第參章 實驗步驟與方法實驗步驟與方法實驗步驟與方法實驗步驟與方法 第一節 研究對象 本研究徵求八名臺中教育大學體育系的健康男性學生為研究對象，平均身高 為 173.38 ± 6.39 公分，平均體重為 72.14 ± 7.48 公斤，平均年齡為 23.16 ± 3.21 歲，健康狀況良好、一年內無任何運動傷害且無開刀記錄。 第二節 實驗日期與地點 ㄧ、實驗日期：2008 年 5 月 2、3、4 日 二、實驗地點：國立臺中教育大學體適能中心 第三節 實驗器材與設備 本次研究中所使用的主要研究儀器與軟體，依研究目的區分為運動學與肌電 活性測量二個部份： ㄧ、運動學 （一）日本 FOR-A 製 VFC-1000 高速攝影機一部 （二）百米分段計時器兩組 （三）500W 探照燈三組 （四）比例板一塊(長、高皆為一公尺) （五）反光貼片數個 （六）Kwon3D 動作分析軟體 （七）VFCIC 影片剪接轉檔軟體 二、肌電測量 （一）BTS Bioengineering Workstation 一部 （二）BTS Bioengineering PackEMG 一組（內含六組表面肌電訊號感應套件與兩 組 Footswitch 組件） （三）Access Point 一組
（四）電極貼片數個(Ambu Blue Sensor P, made in Denmark) （五）除毛刀、棉花、酒精 （六）Myolab-2.9.113.0 （七）Dyna3D-1.0.0.0 第四節 實驗流程與場地布置圖 本研究為確保肌電貼片在每位實驗參與者身上，測驗跑步機與地面上跑走時 皆在相同的位置，因此採用交替施測器材的實驗設計，即同ㄧ實驗參與者一次做 完跑步機與地面跑走的測驗，避免肌電貼片在兩測驗中位置相異所造成的誤差， 且為避免實驗參與者穿著不同運動鞋所造成的實驗誤差，故要求實驗參與者在實 驗進行時不得穿著運動鞋。 一、運動學器材架設與資料處理 （一）地面施測 1.架設及校正高速攝影機焦距與拍攝範圍，務求拍攝到動作全景，拍攝頻 率定為 250Hz，光圈為 1/1000 秒。 2.高速攝影鏡頭離欲拍攝物體距離為 8.76 公尺，離地面高度為 0.77 公尺。 3.在高速攝影機正後方架設三組 500W 強光燈補光，並拍攝比例板。 4.移除比例板，並在離預測驗範圍中心點橫向各 1.5 公尺處架設一組百米 分段計時器。 5.測量每位實驗參與者的身高、體重。 6.分別在實驗參與者右側的肩關節（Shoulder）、髖關節（Hip）、膝關節 （Knee）、踝關節（Ankle）與第五蹠趾關節（Toe）處黏貼反光貼片。
圖 3-1 反光貼片貼點示意圖 7.利用百米分段計時器測量實驗參與者的 PRS，並計算其在 40％、60％、 80％、100％、120％、140％與 160％所應達到的速率。 8.場地佈置圖 圖 3-2 地面測驗場地佈置圖 （二）跑步機施測 1.在地面施測的場地中，先移除百米分段計時器。 2.在拍攝範圍內架上跑步機，並於跑步機下方放置鋼板，以求跑步機跑帶 維持水平。 3.起始測試時，將跑步機調至欲施測速率，待實驗參與者走跑動作穩定後 再起始收集資料。
4.場地佈置圖 圖 3-3 跑步機測驗佈置圖 （三）資料處理 1.利用 VFCIC 軟體剪接並轉檔高速攝影機 VFC-1000 所拍攝的影片，再 使用 Kwon3D 動作分析軟體做反光貼片座標的數位化分析。 2.反光貼片的點取順序依次為肩關節（Shoulder）、髖關節（Hip）、膝關節 （Knee）、踝關節（Ankle）與第五蹠趾關節（Toe）。 二、肌電器材架設與資料處理 （一）器材架設 1.利用除毛刀刮除在欲施測部位的毛髮，而後用 75 % 酒精擦至皮膚泛紅 為止。 2.分別在右側臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、內側腓腸肌、外側腓 腸肌的肌腹貼上肌電貼片，兩兩貼片電極約相距一公分，並裝置擷取電 極端 (1000 Hz)。 3.各在左右足底部份貼上三個 Footswitch 感應電極，黏貼的位置依序為足 底的球部、足中部及足跟部，但為避免裸足對 Footswitch 產生傷害與不
同運動鞋對於實驗結果所造成的差異，因此要求實驗參與者穿著厚底襪 子。
圖 3-4 Footswitch 黏貼位置
4.利用 Smart D 擷取軟體連接 PackEMG 與 Workstation。 （二）資料處理
使用 Myolab-2.9.113.0 軟體來做資料處理，利用 Footswitch 定位出一 個右腿跨步週期的前後時間點，對照此時間點擷取該速率下的臀大肌、股 直肌、股二頭肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側腓腸肌的肌電訊號，而後經 過高通濾波(High Pass Filter, Cut off frequency＝20)與低通濾波（Low Pass Filter, Cut off frequency＝500）的濾波訊號處理，利用整流（rectify）把濾 波過後的肌電訊號翻正，再經過積分（integration）處理，最後把該區段的 數值加總，得積分肌電值（IEMG）。 三、儀器啟動方法 本研究使用擷取資料的儀器分別有百米分段計時器、VFC-1000 高速攝 影機及 BTS Bioengineering Workstation 共計三部電腦，百米分段計時器為測 量前就可先啟動待機，故無同時啟動問題，但 VFC-1000 高速攝影機與 BTS Bioengineering Workstation 卻須同時啟動以獲取同一個動作資料，又肌肉肌 電圖是以 Footswitch 判定足部是否接觸地面，故不須精準同步，只求能在高
速攝影機內記憶體所能容許的拍攝時間限制下與 Workstation 能同時啟動， 高速攝影機與 PackEMG 能同時擷取實驗參與者的同一動作即可，為此研究 者自行製作「類同步啟動訊號產生裝置」能同時啟動兩部電腦的擷取軟體。 圖 3-5 類同步啟動訊號產生裝置 在正式實驗時，百米分段計時器先設定為待機狀態，能隨時擷取物體經 過百米分段計時器時的速率，其後待設定完成高速攝影機與 BTS Bioengineering Workstation 的擷取軟體後，利用此啟動裝置連接兩台電腦主 機，即可在擷取動作資料時達到其設計此裝置的預期效果。 第五節 實驗步驟 首先佈置地面測驗場地，待一號實驗參與者到達後，請工作人員測量並記錄 其身高、體重與年齡等基本資料，接著請實驗參與者除去運動鞋後僅著襪子，並 使用百米計時器測量實驗參與者的 PRS 值，而後把 PRS 值代入修正的跑步機實 際速度與界定刻度關係曲線（附錄一）進行運算，可得一號實驗參與者在地面測 驗場地測驗時所需達到其自身 PRS 的 40 ％、60 ％、80 ％、100 ％、120 ％、 140 ％ 與 160 ％ 的速率表（附錄二），待身上反光貼片與電極貼片貼點完成後 即開始進行正式實驗。 正式實驗時，先請受試者站在離第一組百米分段計時器十五公尺處準備，工 作人員先說「預備」，過二~三秒後即說「開始」，實驗參與者聞「開始」口令後， 即起始動作，期望經過百米分段計時器時能分別得到預定 PRS 的 40 ％ 速率， 如無法達到其速率範圍，即請實驗參與者再作一次動作，大部分受試者皆能在四
次之內達到該速率，其它速率依此類推；完成該次動作後，請實驗參與者至旁邊 休息五分鐘，一方面為讓實驗參與者休息不致產生疲勞，另一方面為讓高速攝影 機有足夠的時間儲存資料。 待地面測驗七種速度測驗完畢後，即移除百米分段計時器，把跑步機移至高 速攝影機拍攝中心點與地面測驗時跑道的交匯點，請實驗參與者依照正常跑步機 啟動程序啟動跑步機，告知實驗參與者在 40 % PRS 速率時跑步機所對應的刻度 （附錄二），並調整至該刻度，待實驗參與者動作穩定之後即進行資料擷取，其 餘速率也依照此一程序完成。 待一號實驗參與者測驗完畢後，於另一地架設百米分段計時器，測驗二號實 驗參與者的 PRS，待得知各測驗速率在跑步機上對應刻度之後，即先進行跑步機 測驗，跑步機測驗結束後，移除跑步機並把百米分段計時器架回原處，再起始地 面測驗；三號實驗參與者則先進行地面測驗，再進行跑步機測驗，其後實驗參與 者的施測方式以此類推。 第六節 統計方法 使用 SPSS12.0 版 for Windows 統計套裝軟體來進行統計分析，並使用 Microsoft Office Excel 2003 套裝軟體進行數據的運算、記錄與儲存，並利用二因 子變異數分析（two-way ANOVA）來檢定地面與跑步機在不同速率下運動學參數 及肌電訊號上的差異性，當達到顯著性時再利用單純主要效果檢測來做事後比 較，顯著水準訂為α=.05。
第七節 研究架構 地面 跑步機 40％、60％、80％、100％、120％、140％ 與160％PRS 資料分析 資料分析 運動學 運動學 肌肉肌電圖 高 速 攝 影 機 高 速 攝 影 機 PackEMG PackEMG 跑步機與地面步態生物力學分析 支撐期與擺動期 步頻與步幅 軀幹與水平軸角度範圍 膝關節角度範圍 角對角座標 臀大肌IEMG 股直肌IEMG 股二頭肌IEMG 脛前肌IEMG 內側腓腸肌IEMG 外側腓腸肌IEMG 支撐期與擺動期 步頻與步幅 軀幹與水平軸角度範圍 膝關節角度範圍 角對角座標 臀大肌IEMG 股直肌IEMG 股二頭肌IEMG 脛前肌IEMG 內側腓腸肌IEMG 外側腓腸肌IEMG 單純主要效果檢定 二因子變異數分析 肌肉肌電圖 使用 使用 進行實驗 進行實驗 使用 進行實驗 使用 進行實驗 40％、60％、80％、100％、120％、140％ 與160％PRS
第四章 第四章第四章 第四章 結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論 本章節依照研究目的分為兩大部分加以說明，依序為運動學分析以及肌電圖 分析；但實驗後檢測肌電圖資料發現，二號實驗參與者在地面測驗 V7的全部肌 電訊號，以及四號實驗參與者在地面測驗時，股直肌擺動期的 V6和 V7、外側腓 腸肌的 V6，還有六號實驗參與者在地面測驗 V6時內側腓腸肌擺動期與支撐期時 的肌電訊號，皆有擷取失敗的狀況，因此不列入統計資料，且因本研究統計資料 繁多，故肌電圖統計摘要表皆放置於附錄三。 第一節 運動學分析 一、步態週期（支撐期與擺動期） 在擺動期的時間週期方面，經過二因子變異數分析統計結果，地面與跑 步機之間的交互作用達到顯著差異（表 4-1），但是在地面與跑步機之間的組 間比較未達顯著差異，顯示地面與跑步機在擺動期時的擺動期型態是相似 的，此結果與 Riley, Paolini, Della Croce, Paylo, 與 Kerrigan (2007) 的研究結 果相同。 表 4-1 擺動期二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 107481.40 13 ground（A 主要效果） 2031.51 1 2031.51 0.23 .648 speed（B 主要效果） 44740.71 6 7456.79 3.00* .016 ground*speed（交互作用） 60709.18 6 10118.20 6.05* .000 組內 289767.37 98 2956.81 受試者間 S 52489.99 7 7498.57 殘差（A×S） 62498.42 7 8928.35 殘差（B×S） 104517.57 42 2488.51 殘差（AB×S） 70261.39 42 1672.89 全體 397248.77 111 *p＜.05
本研究數值在七種施測速率之間的組間達到顯著差異，經過事後比較檢 測，不論是在地面上或是跑步機上各速率組內之間也皆達顯著差異， Novacheck (1998)指出隨著速率增加，擺動期在步態週期中所佔比率會逐漸 增加，以行走速率 1.2 m/s 而言，而擺動期則佔 38 % ，如果速率提升到了 3.9 m/s，則擺動期所佔百分比會提升至 64 % ；對照擺動期平均與百分比分 析摘要表（附錄三）與各分類速率平均速率摘要表(表 4-2)中可看出，本研究 在 V1時平均速率為 1.04 m/s，其擺動期所佔百分比約為 41 ％ ，在 V7時平 均速率為 4.17 m/s，其擺動期所佔百分比約為 68 ％ ，所得結果大致與上述 學者研究相同。 表 4-2 各分類速率平均速率摘要表 Speed Level V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Gait phase(m/s) Mean 1.04 1.56 2.08 2.61 3.13 3.65 4.17 SE 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 0.05 在支撐期的時間週期方面，地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異 （表 4-3），而在地面與跑步機的組間比較未達顯著差異，顯示出地面與跑步 機在支撐期時的型態是類似的。
表 4-3 支撐期二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 3226492.68 13 ground（A 主要效果） 39075.57 1 39075.57 4.66 .068 speed（B 主要效果） 3079312.68 6 513218.78 247.90* .000 ground*speed（交互作用） 108104.43 6 18017.41 8.77* .000 組內 320329 98 3268.66 受試者間 S 88327.39 7 12618.20 殘差（A×S） 58750.14 7 8392.88 殘差（B×S） 86949.61 42 2070.23 殘差（AB×S） 86301.86 42 2054.81 全體 3546821.68 111 *p＜.05 而在七種施測速率之間的組內比較，不論是地面測驗組，或是跑步機測 驗組，其組內比較皆達顯著差異，經過事後比較檢測，不論是在地面上或是 跑步機上各速率之間亦皆達顯著差異（附錄三），且隨著速率增加，支撐期 在步態週期中所佔比率會逐漸減少，本研究在 V1時平均速率為 1.04 m/s，其 支撐期所佔百分比約為 59 ％ ，在 V7時平均速率提升為 4.17 m/s，其支撐 期所佔百分比則下降至約 32 ％ ，且 Novacheck (1998) 指出以行走速率 1.2 m/s 為例，支撐期會佔 62 % ，如果速率增加到 3.9 m/s，則支撐期所佔百分 比會降低至 36 % ，與本研究結果相吻合。 綜合以上結果，可得擺動期與支撐期百分比示意圖（圖 4-1），由圖中可 看出擺動期與支撐期在 V2與 V3時變異較大，經相依樣本 t 考驗結果得知， 在 V2時未達顯著差異，但是在 V3時則達顯著差異，從各分類速率平均速率 摘要表中可知 V3平均速率為 2.08 m/s， Tseh (2000)指出成人由行走變成跑 步的臨界速率大約 2 m/s 至 2.14 m/s 之間，因此本研究在 V3的差異可知為因 此速率介於行走與跑步運動型態的轉換點，部分實驗參與者會採取快走的行
走姿態，部分實驗參與者則是採取跑步的運動型態，由此造成實驗差異。
Swing phase cycle and stance phase cycle
0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 speed(No) percentage(%) ground(stance phase) ground(swing phase) treadmill(stance phase) treadmill(swing phase) 圖 4-1 擺動期與支撐期百分比示意圖 在地面與跑步機的步態週期方面，本研究的結果顯示，不論實驗參與者 處於地面環境或是跑步機環境之下，擺動期在一個跨步週期中所佔的百分比 會隨著速率的增加而逐漸上升，而支撐期在一個跨步週期中所佔的百分比則 會隨著速率的增加而逐漸減少（圖 4-1），此結果與 Novacheck (1998)、James
與 Crosbie (1997)、Weyand, Sternlight, Bellizzi, 與 Wright (2000) 研究結果皆 相同，初步顯示本研究實驗設計方式無誤。 二、步頻與步幅 速率為步頻與步幅的乘積，因此如要增加前進速率，就必須增加步頻或 是步幅，甚而為兩者需同時提升。 在步頻週期方面，地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異（表 4-4），地面測驗從最慢的 V1，平均步頻為每秒 0.84 步，到 V7的每秒 1.95 步， 跑步機測驗則為每秒 1.04 步至每秒 1.61 步，經過二因子變異數分析統計結 果，地面與跑步機兩者的組間比較未達顯著差異，顯示地面與跑步機在步頻 的運動學型態是相似的，此結果跟 Lee 與 Hidler (2008) 在地面上與跑步機
上步頻的研究結果相同，儘管步頻在地面與跑步機之間未達到顯著差異，但 依據步頻平均曲線圖(圖 4-2)，可發現地面測驗曲線斜率大於跑步機測驗的曲 線斜率，因此可知在地面速率的增加主要為步頻增加的幅度會較大。 表 4-4 步頻二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 9.03 13 ground（A 主要效果） 0.01 1 0.01 0.13 .710 speed（B 主要效果） 8.21 6 1.37 82.10* .000 ground*speed（交互作用） 0.81 6 0.14 10.13* .000 組內 2.30 98 0.02 受試者間 S 0.52 7 0.07 殘差（A×S） 0.52 7 0.07 殘差（B×S） 0.70 42 0.02 殘差（AB×S） 0.56 42 0.01 全體 11.33 111 *p＜.05 實驗數值在七種施測速率之間皆達到顯著差異，經過事後比較檢測，不 論是在地面上或是跑步機上各速率之間的組內皆達顯著差異，透過步頻平均 分析摘要表（附錄三）可知隨著速率的增加，步頻也會隨之增加。 Cadence cycle 0 0.5 1 1.5 2 2.5 1 2 3 4 5 6 7 speed(No) Cadence(steps/sec) ground treadmill 圖 4-2 步頻平均曲線圖
在步幅週期方面，地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異（表 4-5），地面測驗的平均步幅範圍為一步 1.25 公尺到一步 2.17 公尺，跑步機 測驗從最慢的 V1，平均一步 1.03 公尺，到 V7的一步 2.58 公尺，經統計分析 結果，地面與跑步機的組間比較未達顯著差異，表示地面與跑步機在步幅的 運動學型態是相似的，雖然兩者之間雖然未達到顯著差異，此結果跟 Lee 與 Hidler (2008)的研究結果相同，但根據步幅平均曲線圖(圖 4-3)，可察覺跑步 機測驗的曲線斜率大於地面測驗曲線斜率，藉此可知跑步機速率的增加主要 因素是步幅增加的幅度大於步頻的增加幅度。 表 4-5 步幅二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 21.57 13 ground（A 主要效果） 0.01 1 0.01 0.10 .766 speed（B 主要效果） 20.42 6 3.40 140.14* .000 ground*speed（交互作用） 1.14 6 0.19 8.45* .000 組內 5.00 98 0.05 受試者間 S 2.26 7 0.32 殘差（A×S） 0.78 7 0.11 殘差（B×S） 1.02 42 0.02 殘差（AB×S） 0.94 42 0.02 全體 26.57 111 *p＜.05 實驗數值在七種施測速率之間皆達顯著差異，經過事後比較檢測，不論 是在地面上或是跑步機上各速率之間也皆達顯著差異，透過步幅平均分析摘 要表（附錄三）可知隨著速率的增加，步幅也會隨之而提升。
Step length cycle 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 2 3 4 5 6 7 speed(No) step length(m) ground treadmill 圖 4-3 步幅平均曲線圖 透過步頻與步幅的平均曲線（圖 4-2、圖 4-3），可以發現兩交匯點皆在 V3與 V4之間時，又 V3的平均速率為 2.08 m/s，V4的平均速率為 2.61 m/s， 正好介於人類行走與跑步動作交換的速率 (Tseh, 2000)，由此並參考圖 4-2、 圖 4-3 可得知在本實驗中，雖然地面與跑步機的步幅與步頻上的統計未達顯 著差異，但行走期時，在相同速率下地面測驗的平均步頻會略小於跑步機測 驗，但平均步幅則是地面略大於跑步機；在跑步期時，相同速率下跑步機測 驗的平均步頻會略小於地面測驗，而地面的平均步幅則會略小於跑步機的平 均步幅。 三、下肢關節活動範圍 （一）膝關節活動範圍 在膝關節活動範圍方面，地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異 （表 4-6），地面測驗的膝關節活動範圍從最小的 64.85 度，到最大的 83.13 度，跑步機測驗則為 60.28 度至 98.78 度經統計結果，地面與跑步機兩者的 組間比較未達顯著差異，顯示地面與跑步機在膝關節活動範圍的運動型態是 相似的，雖然在地面與跑步機的運動型態上統計未達顯著差異，但是依照圖
4-4，可以發現膝關節的活動範圍在 V7時跑步機會大於地面，加上較大的關 節活動範圍會造成步幅的增加，對照圖 4-3 可知實驗結果為正確；徐婉靜、 邱靖華與王金成(1991)指出在地面上的擺動期平均活動範圍為 63 度，在跑步 機上為 57 度，此研究使用每分鐘 100 下的節拍器，換算步頻為每秒鐘 0.8 步，在此步頻下對照本研究平均速率參數為 V1 (1.04 m/s )，而本研究在地面 上的活動範圍為 64.85 度，跑步機上為 60.28 度，其 V1時在地面與跑步機組 間也達顯著差異，而後使用徐婉靜等學者所得擺動期平均活動範圍與本研究 相比較，經獨立樣本 t 考驗結果未達顯著水準，顯示本研究的結果與其研究 結果相符合。 表 4-6 膝關節活動範圍二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 14921.78 13 ground（A 主要效果） 725.22 1 725.22 4.30 .077 speed（B 主要效果） 12490.29 6 2081.72 54.20* .000 ground*speed（交互作用） 1706.27 6 284.38 7.97* .000 組內 7139.23 98 72.85 受試者間 S 2846.89 7 406.70 殘差（A×S） 1180.16 7 168.59 殘差（B×S） 1612.95 42 38.40 殘差（AB×S） 1499.23 42 35.70 全體 22061.01 111 *p＜.05 根據二因子變異數分析的結果顯示，七種施測速率的組間考驗皆達到顯 著差異，經過事後比較檢測，不論是在地面上或是跑步機上各速率組間皆達 顯著差異，透過圖 4-4 可知隨著速率的增加，膝關節的活動範圍也會隨之增 加。
Knee joint range of motion
0 20 40 60 80 100 120 1 2 3 4 5 6 7 speed(No) degree ground treadmill 圖 4-4 膝關節活動範圍 （二）軀幹與水平軸夾角範圍 在軀幹與水平軸夾角範圍方面，地面與跑步機之間的交互作用達顯著差 異（表 4-7），地面測驗的軀幹與水平軸夾角範圍從 5.63 度，到最大的 7.66 表 4-7 軀幹與水平軸夾角範圍二因子變異數分析摘要表 變異來源 SS df MS F P 組間 991.92 13 ground（A 主要效果） 159.34 1 159.34 2.50 .158 speed（B 主要效果） 467.87 6 77.98 11.65* .000 ground*speed（交互作用） 364.71 6 60.79 9.72* .000 組內 2604.6 98 26.58 受試者間 S 1615.22 7 230.75 殘差（A×S） 445.59 7 63.66 殘差（B×S） 281.07 42 6.69 殘差（AB×S） 262.72 42 6.26 全體 3596.52 111 *p＜.05度，跑步機測驗則為 3.72 度至最大的 4.59 度（附錄三），經統計結果， 地面與跑步機兩者的組間比較未達顯著差異，顯示地面與跑步機在軀幹 與水平軸夾角範圍的運動型態是相似的，依據圖 4-5，可以發現在 V3之 前的軀幹與水平軸夾角範圍呈現較不規則的轉折，可能原因為軀幹所貼 點的地方分別為肩關節與髖關節，在前進時為平衡身體的旋轉力矩，軀 幹會呈現扭轉現象，而在 V3之前的速率為行走型態，不必太顧慮動作穩 定性，因此會呈現較大的軀幹與水平軸夾角範圍變異，而在 V4之後跑步 型態的軀幹與水平軸夾角範圍呈現穩定增加，可知為因應速率增加，軀 幹會增加身體的扭轉程度，以穩定跑步動作型態，且此扭轉程度在地面 上與跑步機上是相似的。
Trunk and X-axis range of motion
0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 7 speed(No) degree ground treadmill 圖 4-5 軀幹與水平軸夾角範圍 四、角對角座標圖 依據運動時膝關節的夾角為 Y 軸，以及大腿與水平軸的夾角為 X 軸， 可繪製出人體前進步態的角對角座標模式，因人體步態為閉鎖性運動型態， 因此在相同平台且相同速率下時的角對角座標曲線會呈現一再循環且封閉 的圓滑曲線圖，但因本研究收集資料所限，在地面測驗的 V1、V2、V3與 V4 之處，無法獲得完整曲線；而曲線循環的方向為從轉折點 A、轉折點 B、轉
折點 C 至轉折點 D 到轉折點 E，在轉折點 A 時為腳跟著地期，從圖中可以 看出膝關節的活動角度伸展到最大，之後漸漸縮小準備進入支撐期，轉折點 B 為支撐中期，轉折點 C 為擺動期時準備勾腿進入加速擺動的型態，轉折點 D 為擺動中期，轉折點 E 則為擺動動作起始減速，準備進入支撐期。 圖 4-6 地面 V1角對角座標圖 圖 4-7 地面 V7角對角座標圖
圖 4-8 跑步機 V1角對角座標圖 圖 4-9 跑步機 V7角對角座標圖 比較地面與跑步機的角對角座標動作模式，在各速率的比較方面，可明 顯看出相同的 X 座標與 Y 座標間隔下，實驗參與者的速率越快，所得的圖 形就會越大；而在地面與跑步機的步態型態方面，曲線形狀在轉折點 A 與轉 折點 B 時差異甚大，顯示在腳跟著地期要連結至支撐中期時，跑步機的大腿 與水平夾角增大程度與膝關節夾角縮小的動作會較地面測驗時明顯，在附錄 四時更可明顯看出該動作的發生，韓毅雄(1983)在對膝關節的研究中稱此一 現象為「雙重關卡現象（Double locking phenomenon）」，即在腳跟著地後膝
關節會呈現短暫的彎曲伸展動作型態，徐婉靜、邱靖華與王金成(1991)在地 面與跑步機的步態比較研究中也有此一發現。 五、運動學小結 在本研究所設定的運動學參數實驗數據中，可得知不論是在支撐期與擺 動期在步態週期中所佔的時間百分比方面、步頻與步幅、軀幹與水平活動角 度範圍或是膝關節活動角度範圍，在統計上皆未達到顯著差異的水準，因此 可知在這些設定的參數中，地面上與跑步機上的步態是極為相似的，此所得 結果與 Riley, Paolini, Della Croce, Paylo, 與 Kerrigan (2007)、Lee, 與 Hidler (2008)以及 Riley, Dicharry, Franz, Croce, Wilder, 與 Kerrigan (2008) 等人在 地面與跑步機的運動學上研究成果皆相同，但在本研究角對角座標所顯示的 步態模式中，腳跟著地期到支撐中期這段過程裡面，地面與跑步機的步態卻 有很明顯的差異，形成原因為何，尚有待進一步的研究來做探討。 第二節 肌電學分析 在肌電分析的結果方面，依據步態的動作型態區分為擺動期與站立期兩方面 來做探討。 一、擺動期 在擺動期方面，經過二因子變異數統計結果，得知在臀大肌與股直肌在 地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異，而股二頭肌、脛前肌、內側腓 腸肌與外側腓腸肌的交互作用比較則未達到顯著差異，但是在地面與跑步機 的組間比較方面，臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側 腓腸肌皆未達顯著差異水準，表示當右側下肢在進行擺動型態的運動時，在 地面上臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側腓腸肌的運 動活化程度與在跑步機上是相似的。 而在七種施測速率的組間比較方面，臀大肌、股直肌、股二頭肌、脛前 肌、內側腓腸肌與外側腓腸肌不論是在地面測驗或是跑步機測驗上皆達顯著
差異，參考附錄三的各肌肉擺動期 IEMG 平均分析摘要表以及各肌肉擺動期 IEMG 平均圖，可得知隨著施測的速率增加，各肌肉的 IEMG 值皆會增加， 顯示速率越快，肌肉活化的程度會更加激烈。 二、支撐期 在支撐期方面，經過二因子變異數統計結果，得知在脛前肌與外側腓 腸肌在地面與跑步機之間的交互作用達到顯著差異，而臀大肌、股直肌、股 二頭肌與內側腓腸肌的交互作用比較則未達到顯著差異，在地面與跑步機的 組間比較方面，臀大肌、股直肌、股二頭肌與脛前肌皆未達顯著差異水準， 但內側腓腸肌與外側腓腸肌有達到差異水準，表示右側下肢在進行支撐型態 的運動時，在地面上臀大肌、股直肌、股二頭肌與脛前肌的運動活化程度與 在跑步機上是相似的，而內側腓腸肌與外側腓腸肌在地面與跑步機上的活化 程度有明顯不同，經參考附錄三的內側腓腸肌、外側腓腸肌肌肉擺動期 IEMG 平均分析摘要表以及其肌肉支撐期 IEMG 平均圖，可以發現內側腓腸肌與外 側腓腸肌在地面上的肌肉活化程度小於跑步機。 而在七種施測速率的組間比較方面，臀大肌、股直肌、脛前肌、內側腓 腸肌與外側腓腸肌不論是在地面測驗或是跑步機測驗上皆達顯著差異，僅股 二頭肌在地面測驗或是跑步機測驗上皆未達顯著差異，參考各肌肉 IEMG 平 均分析摘要表以及各肌肉 IEMG 平均圖（附錄三），可得知隨著施測的速率 增加，各肌肉的 IEMG 值皆會增加，顯示速率越快，肌肉活化的程度會更加 激烈，Weyand, Sternlight, Bellizzi, 與 Wright (2000) 指出達到一定步頻後， 如要增加跑步的速率，下肢肌肉就必須產生更大的力量來因應，本研究結果 與此相符合，但是在股二頭肌在速率增加的貢獻比例上，小於臀大肌、股直 肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側腓腸肌。
第五章 第五章第五章 第五章 結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 第一節 結論 本研究結果主要發現如下 一、運動學 在相同的速率因子之下經過考驗，地面測驗與跑步機測驗在擺動期、支 撐期、膝關節活動範圍和軀幹與水平軸夾角範圍的考驗上，皆未達差異水 準，顯示本研究所比較的運動學項目中，地面上的步態模式與跑步機上的步 態模式是相似的。 二、肌電分析 （一）擺動期 在相同的速率因子之下，地面與跑步機的臀大肌、股直肌、股二頭 肌、脛前肌、內側腓腸肌與外側腓腸肌活化程度皆相同，顯示在相同速 率的訓練之下，在擺動期方面的訓練效果地面與跑步機上所能達成的訓 練效果是相同的。 （二）支撐期 1. 在相同的速率因子之下，地面與跑步機的臀大肌、股直肌、股二頭肌 與脛前肌活化程度皆相同，顯示如在相同速率訓練課程下，地面與跑 步機上所能達成的訓練效果是相同的。 2. 在相同的速率因子之下，在內側腓腸肌與外側腓腸肌方面，跑步機的 肌肉收縮程度會大於地面，表示如在相同的速率之下，跑步機的訓練 效果會優於地面訓練。 3. 如單純以速率增加的訓練而言，不論是在地面上或是跑步機上，在股 二頭肌的訓練效果上會小於其他肌肉。
第二節 建議 因本研究受器材所限，故在實驗時無法顧及前進步態在行走與跑步之間 轉換時的運動學探討與肌電分析，如在做相關性研究時，討論其轉換時的參 數變化以及動作控制模式，應為可行的研究方向。 而在比較角對角座標動作模式時，跑步機的雙重關卡現象會較地面測驗 時明顯，顯示雖然在本研究所比較的運動學參數中，雖然所得結果為地面運 動型態與跑步機運動型態相類似，但如依照角對角座標所得的運動模式，在 其動作的更細微之處必有所不同，探討其中細微差異應為可行研究方向。
參考文獻 參考文獻參考文獻 參考文獻 中文部分 中文部分中文部分 中文部分 行政院衛生署國民健康局（2008）。衛生統計資訊網--中華民國九十五年死因統計 結果摘要，2008 年 7 月 20 日取自 http://www.doh.gov.tw/statistic/index.htm。 行政院內政部戶政司（2006）。統計資料查詢－各縣市土地面積及人口密度調查 摘要，2007 年 11 月 15 日取自 http://www.ris.gov.tw/ch4/static/st10-6.xls。 徐婉靜、邱靖華、王金成（1991）。地面上與原地跑步機上的二度空間步態比較。 體育學報(13)，211-221。 蔡佳良、黃啟煌、吳昇光（2005）。不同定義之慣用腳靜態平衡力、對地反作用 力及速度之探討。大專體育學刊，7(2)，227-240。 韓毅雄（1983）。骨骼肌肉系統之生物力學。台北市:華杏。 外文部分 外文部分外文部分 外文部分
Ahmed, I., & Goldstein, B. J. (2006). Cardiovascular Risk in the Spectrum of Type 2 Diabetes Mellitus. The Mount Sinai Journal of Medicine, 73(5), 759-768.
Arampatzis, A., De Monte, G., Karamanidis, K., Morey-Klapsing, G., Stafilidis, S., & Bruggemann, G. P. (2006). Influence of the muscle-tendon unit's mechanical and morphological properties on running economy. Journal of Experimental
Biology, 209(17), 3345-3357.
DeLisa, J. A., United States. Veterans Health Administration, S., & Technical Publications, S. (1998). Gait analysis in the science of rehabilitation. Washington, D.C.: Dept. of Veterans Affairs, Veterans Health Administration, Rehabilitation Research and Development Service, Scientific and Technical
Publications Section.
Eckel, R. H., Grundy, S. M., & Zimmet, P. Z. (2005). The metabolic syndrome. The
Lancet, 365(9468), 1415-1428.
Henry, R. R., & Mudaliar, S. (2003). Obesity and TypeⅡ Diabetes Mellitus. In R. H. Eckel (Ed.), Obesity Mechanisms and Clinical Management (pp. 229-272). Philadelphia, USA: Lippincott William & Wilkins.
Herman, T., Giladi, N., Gruendlinger, L., & Hausdorff, J. (2007). Six Weeks of Intensive Treadmill Training Improves Gait and Quality of Life in Patients With Parkinson's Disease: A Pilot Study. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 88(9), 1154-1158.
Jordan, K., Challis, J. H., & Newell, K. M. (2007). Walking speed influences on gait cycle variability. Gait & Posture, 26(1), 128-134.
Lange, G. W., Hintermeister, R. A., Schlegel, T., Dillman, C. J., & Steadman, J. R. (1996). Electromyographic and kinematic analysis of graded treadmill walking and the implications for knee rehabilitation. The Journal of Orthopaedic and
Sports Physical Therapy, 23(5), 294-301.
Lee, S., & Hidler, J. (2008). Biomechanics of overground vs. treadmill walking in healthy individuals. Journal of Applied Physiology, 104(3), 747-755.
Novacheck, T. F. (1998). The biomechanics of running. Gait & Posture, 7(1), 77-95. Pugh, L. G. C. E. (1970). Oxygen intake in track and treadmill running with
observations on the effect of air resistance. The Journal of Physiology, 207(3), 823-835.
Riley, P. O., Paolini, G., Della Croce, U., Paylo, K. W., & Kerrigan, D. C. (2007). A kinematic and kinetic comparison of overground and treadmill walking in healthy subjects. Gait & Posture, 26(1), 17-24
Riley, P. O., Dicharry, J., Franz, J., Croce, U., Wilder, R., & Kerrigan, D. (2008). A kinematics and kinetic comparison of overground and treadmill running.
Rodgers, M., Forrester, L., Patterson, S., & Macko, R. (2006). Biomechanical correlates to aerobic treadmill training in individuals with chronic stroke.
Journal of Biomechanics, 39, 171.
Tseh, W. (2000). Factors influencing gait transition in adolescents The University of North Carolina at Greensboro.
Wall, J. C., Charteris, J., & Turnbull, G. I. (1987). Two steps equals one stride equals what?: the applicability of normal gait nomenclature to abnormal walking patterns. Clinical Biomechanics, 2(3), 119-125.
Wall, J. C., & Crosbie, J. (1997). Temporal Gait Analysis Using Slow Motion Video and a Personal Computer. Physiotherapy, 83(3), 109-115.
Weyand, P. G., Sternlight, D. B., Bellizzi, M. J., & Wright, S. (2000). Faster top
running speeds are achieved with greater ground forces not more rapid leg movements.
附錄二 各實驗參與者地面速率與跑步機刻度對照表 測驗速率 40%PRS 60%PRS 80%PRS 100%PRS 120%PRS 140%PRS 160%PRS 地面速率(No1) 1.04 1.56 2.08 2.60 3.12 3.64 4.16 跑步機對應刻度 3.84 5.76 7.67 9.59 11.51 13.43 15.35 地面速率(No2) 0.96 1.44 1.92 2.40 2.88 3.36 3.84 跑步機對應刻度 3.54 5.31 7.08 8.85 10.63 12.40 14.17 地面速率(No3) 1.27 1.91 2.54 3.18 3.81 4.45 5.08 跑步機對應刻度 4.69 7.03 9.37 11.71 14.06 16.40 18.74 地面速率(No4) 0.98 1.48 1.97 2.46 2.95 3.45 3.94 跑步機對應刻度 3.63 5.45 7.27 9.08 10.90 12.72 14.53 地面速率(No5) 1.07 1.60 2.13 2.67 3.20 3.73 4.27 跑步機對應刻度 3.94 5.90 7.87 9.84 11.81 13.78 15.74 地面速率(No6) 1.11 1.66 2.22 2.77 3.32 3.88 4.43 跑步機對應刻度 4.09 6.13 8.18 10.22 12.26 14.31 16.35 地面速率(No7) 0.99 1.48 1.98 2.47 2.97 3.46 3.96 跑步機對應刻度 3.65 5.48 7.30 9.13 10.95 12.78 14.60 地面速率(No8) 0.92 1.38 1.84 2.30 2.76 3.22 3.68 跑步機對應刻度 3.39 5.09 6.79 8.49 10.18 11.88 13.58
附錄三 二因子變異數分析與平均數摘要表 一、擺動期 擺動期單純主要效果分析摘要表 單純主要效果內容 SS df MS F P ground 因子 在 velocity1 條件下 26650.56 1 26650.56 9.84* .004 在 velocity2 條件下 1521 1 1521 0.56 .274 在 velocity3 條件下 5329 1 5329 1.97 .129 在 velocity4 條件下 297.56 1 297.56 0.11 .699 在 velocity5 條件下 410.06 1 410.06 0.15 .775 在 velocity6 條件下 2450.25 1 2450.25 0.90 .517 在 velocity7 條件下 26082.25 1 26082.25 9.63* .019 誤差（A+AB*block） 132759.81 49 2709.38 speed 因子 在 ground 條件下 83477.21 6 13912.87 6.69* .002 在 treadmill 條件下 21972.68 6 3662.11 1.76* .001 誤差（B+AB*block） 174778.96 84 2080.70 *p＜.05 擺動期平均與百分比分析摘要表 Speed Level V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Ground(msec) Mean 491.75 417.13 405.13 440.38 442.25 424.50 354.38 SE 5.33 4.31 7.07 8.31 10.31 11.67 7.80 Ground percentage Mean 40.94 43.18 52.29 65.16 68.33 68.69 67.77 SE 0.368 0.34 1.08 1.00 0.61 0.59 0.40 Treadmill(msec) Mean 410.13 397.63 441.63 449 452.38 449.25 435.13 SE 7.76 3.34 3.74 5.25 3.20 5.87 4.45 Treadmill percentage Mean 41.88 46.80 61.57 64.25 67.41 69.07 69.91 SE 0.58 0.79 0.38 0.38 0.25 0.31 0.30
二、支撐期 支撐期單純主要效果分析摘要表 單純主要效果內容 SS df MS F P ground 因子 在 velocity1 條件下 72361 1 72361 24.44* .017 在 velocity2 條件下 30625 1 30625 10.35 .082 在 velocity3 條件下 40300.56 1 40300.56 13.61* .013 在 velocity4 條件下 650.25 1 650.25 0.22 .511 在 velocity5 條件下 1207.56 1 1207.56 0.41 .113 在 velocity6 條件下 495.06 1 495.06 0.17 .267 在 velocity7 條件下 1540.56 1 1540.56 0.52* .018 誤差（A+AB*block） 145052 49 2960.24 speed 因子 在 ground 條件下 2114936.11 6 352489.35 170.90* .000 在 treadmill 條件下 1072481 6 178746.83 86.66* .000 誤差（B+AB*block） 173251.47 84 2062.52 *p＜.05 支撐期平均與百分比分析摘要表 Speed Level V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Ground(msec) Mean 710 550 376.13 236.25 201.50 189.25 167.50 SE 7.62 6.53 12.29 7.91 3.30 2.56 2.93 Ground percentage Mean 59.06 56.82 47.71 34.84 31.67 31.31 32.26 SE 0.37 0.34 1.08 1.00 0.61 0.59 0.40 Treadmill(msec) Mean 575.50 462.50 275.75 249 218.88 200.38 187.13 SE 13.45 12.74 3.24 2.41 2.30 2.07 2.31 Treadmill percentage Mean 58.12 53.20 38.43 35.75 32.59 30.93 30.09 SE 0.58 0.79 0.38 0.38 0.25 0.31 0.30
三、步頻 步頻單純主要效果分析摘要表 單純主要效果內容 SS df MS F P ground 因子 在 velocity1 條件下 0.17 1 0.17 7.71* .012 在 velocity2 條件下 0.08 1 0.08 3.63 .083 在 velocity3 條件下 0.04 1 0.04 1.81 .105 在 velocity4 條件下 0.01 1 0.01 0.45 .391 在 velocity5 條件下 0.03 1 0.03 1.36 .367 在 velocity6 條件下 0.05 1 0.05 2.27 .272 在 velocity7 條件下 0.45 1 0.45 20.42* .005 誤差（A+AB*block） 1.08 49 0.02 speed 因子 在 ground 條件下 6.97 6 1.16 77.44* .000 在 treadmill 條件下 2.06 6 0.34 22.89* .000 誤差（B+AB*block） 1.26 84 0.02 *p＜.05 步頻平均分析摘要表 Speed Level V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Ground(steps/s) Mean 0.84 1.04 1.29 1.49 1.58 1.66 1.95 SE 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 Treadmill(steps/s) Mean 1.04 1.18 1.40 1.44 1.49 1.55 1.61 SE 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.02 0.01
四、步幅 步幅單純主要效果分析摘要表 單純主要效果內容 SS df MS F P ground 因子 在 velocity1 條件下 0.19 1 0.19 5.41* .004 在 velocity2 條件下 0.12 1 0.12 3.42 .077 在 velocity3 條件下 0.07 1 0.07 1.99 .087 在 velocity4 條件下 0.01 1 0.01 0.28 .429 在 velocity5 條件下 0.02 1 0.02 0.57 .530 在 velocity6 條件下 0.06 1 0.06 1.71 .368 在 velocity7 條件下 0.67 1 0.67 19.09* .009 誤差（A+AB*block） 1.72 49 0.04 speed 因子 在 ground 條件下 6.33 6 1.06 45.21* .000 在 treadmill 條件下 15.22 6 2.54 108.71* .000 誤差（B+AB*block） 1.96 84 0.02 *p＜.05 步幅平均分析摘要表 Speed Level V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 Ground(m) Mean 1.25 1.51 1.62 1.75 2.02 2.23 2.17 SE 0.01 0.03 0.03 0.02 0.05 0.05 0.05 Treadmill(m) Mean 1.03 1.34 1.49 1.81 2.09 2.36 2.58 SE 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
