少量感測元件不同擺放位置對扁平足步態動力學參數量測準確度之影響
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(2) 少量感測元件不同擺放位置對扁平足步態動力學參數量測準確度之影響 2020 年 8 月 研 究 生：李秉宏 指導教授：相子元 摘要 本研究欲探討少量感測元件不同擺放位置對於量測扁平足之足底壓力中心 (CoP) 以及垂直地面反作用力 (vGRF) 準確度之相關性程度為何。招募 12 名扁平足的受試者 進行指定速度之慢走、快走、慢跑及快跑。以 Pedar-X system 紀錄試驗中穩定走跑的足 底壓力值。以 11 個壓力感測元件組成的 4 種擺放位置 (配置一為過去文獻配置、配置 二為平均陣列配置、配置三為扁平足 CoP 軌跡上、配置四為扁平足 CoP 軌跡兩側)。利 用皮爾森相關係數 (PCC) 及方均根誤差 (RMSE) 比較 4 種擺放位置與黃金標準之 CoP 軌跡及 vGRF 的相關性。結果顯示各配置所量測之 CoP 軌跡與黃金標準相關性皆達顯著 且高度相關，感測元件以較平均且範圍較大的擺放位置所預測 CoP 之 RMSE 與黃金標 準相比誤差較低；各配置所量測之 vGRF 與黃金標準相關性也皆達顯著且高度相關。本 研究結果可以提供鞋墊式足壓系統開發相關之應用，透過擺放位置的選擇即可準確的量 測到扁平足 CoP 及 vGRF 這兩項步態動力學參數。. 關鍵詞： 鞋內足壓系統、垂直地面反作用力、足底壓力中心. i.
(3) Accuracy of measuring flatfoot gait kinetic parameters of different pressure sensor positions August, 2020 Author: LEE, Bing-Hung Advisor: SHIANG, Tzyy-Yuang. Abstract The purpose of this study is to define the accuracy of how few pressure sensors’ position effects the center of pressure (CoP) and vertical ground reaction force (vGRF) for a flat foot. Twelve males with flat foot walk and run at selected speed. Settled with eleven pressure sensors, the pressure value of stable walking and running test is recorded by Pedar-X system four positions (the first position is referring to the past literature ; array;. the second position is average. the third position is flat-footed CoP trajectory and the fourth position is on both sides. of the flat-footed CoP trajectory), which are compared with golden standard for CoP trajectories and vGRF by Pearson’s correlation coefficient (PCC) and root mean square error (RMSE). According to the results, the CoP trajectory has the higher correlation at the fourth position, the RMSE of CoP has the lower deviation at the second position, and the vGRF has the higher correlation at the first and second position. The result of this study can provide applications related to the development of insole plantar pressure system. The flatfoot gait kinetic parameters of CoP and vGRF can be accurately measured through the choice of sensor position.. Keywords: plantar pressure system, vertical ground reaction force, center of pressure. ii.
(4) 目. 次. 中文摘要…………….……………………………………….…..…………………………ii 英文摘要…………………………………..…………………….……………………………iii 目次……………………………………………………………..………………………..iv 圖次………………………………………………………………….…………...……………v 表次………………………………………………………………….…………...……………vi. 第壹章 緒論…...………………………………………………………………1 第一節 研究背景……………………………………….………………………………1 第二節 研究問題…...…………………………………………………………………..2 第三節 研究目的…...…………………………………………………………………..3 第四節 研究假設…...…………………………………………………………………..3 第五節 研究範圍與限制…...…………………………………………………………..4 第六節 研究重要性…...………………………………………………………………..4 第七節 操作性名詞定義解釋……………………………………………………….....4. 第貳章 文獻探討…...…………………………………..……………………..5 第一節 扁平足步態動力學參數之研究…………………………………………….....5 第二節 少量感測元件擺放位置之研究………………………………………..……...8 第三節 文獻探討總結…...……………………………………………………………11. iii.
(5) 第參章 研究方法…...…………………………………..…………………....12 第一節 實驗參與者…...………………………………………………………………12 第二節 實驗設備…...………………………………………………..………………..14 第三節 實驗步驟…...………………………………………………………………....15 第四節 資料處理…...…………………………………………………………………16 第五節 統計分析…...…………………………………………………………………18. 第肆章 結果…...…………………………………..…………………............19 第一節 足底壓力中心…...……………………………………………………………19 第二節 垂直地面反作用力………………………………………..………………….23. 第伍章 討論與建議…………………………………..………………….......30 第一節 足底壓力中心…...……………………………………………………………30 第二節 垂直地面反作用力………………………………………..………………….33 第三節. 結論與建議………………………………………..…………………. …. ….34. 引用文獻…...…………………………………..………………………………36 附錄一 受試者實驗須知…...…………………………………..……………..42 附錄二 受試者同意書…...…………………………………..………………..43 附錄三 受試者基本資料表…..……...………..………………………………44 iv.
(6) 圖 次 圖 3-1 Arch Index 計算示意圖……………………………………………………………..13 圖 3-2 Normalised Navicular Height Truncated 計算示意……………………………….…13 圖 3-3 Pedar-X system 配置示意圖………………………………………………………...14 圖 3-4 實驗流程圖……………………………………………………………………….…15 圖 3-5 四種感測元件配置方法圖……………………………………………………….…16 圖 3-6 CoP 和 vGRF 數據處理流程圖……………………………………………….……18 圖 4-1 各種擺放配置與黃金標準 CoP 原始軌跡比對………………………………...….19 圖 4-2 不同擺放位置與黃金標準 CoP_ML 方向之相關性………………………..……..20 圖 4-3 不同擺放位置與黃金標準 CoP_AP 方向之相關性……………………………….21 圖 4-4 不同擺放位置與黃金標準 CoP_ML 方向之方均根誤差…………………..……..22 圖 4-5 不同擺放位置與黃金標準 CoP_AP 方向之方均根誤差…………………………..22 圖 4-6 各擺放位置與黃金標準 vGRF 原始曲線比對……………………………………..23 圖 4-7 慢走動作下，黃金標準體重標準化之步態週期…………………………………..23 圖 4-8 慢走動作下，配置一體重標準化之步態週期…………………………………….24 圖 4-9 慢走動作下，配置二體重標準化之步態週期……………………………………..24 圖 4-10 慢走動作下，配置三體重標準化之步態週期……………………….……..……..25 圖 4-11 慢走動作下，配置四體重標準化之步態週期…………………………………….25 圖 4-12 慢跑動作下，黃金標準體重標準化之步態週期………………………………….26 圖 4-13 慢跑動作下，配置一體重標準化之步態週期…………………………………….26 圖 4-14 慢跑動作下，配置二體重標準化之步態週期…………………………………….27 圖 4-15 慢跑動作下，配置三體重標準化之步態週期…………………………………….27 圖 4-16 慢跑動作下，配置四體重標準化之步態週期…………………………………….28 圖 4-17 不同擺放位置與黃金標準 vGRF 之相關性……………………………….……..29 v.
(7) 圖 5-1 黃金標準 CoP 軌跡在扁平足 CoP 軌跡兩側之配置……………………………….31 圖 5-2 黃金標準 CoP 軌跡在扁平足 CoP 軌跡上之配置………………………………….31 圖 5-3 黃金標準 CoP 軌跡在平均陣列上之配置……………………………………........32. vi.
(8) 表 次 表 2-1 扁平足步態動力學參數特徵與正常足弓比較之相關文獻整理…………………....7 表 2-2 少量感測元件不同擺放位置與步態動力學參數關係之相關文獻探討………........10 表 3-1 受試者基本資料..…….……………...……………………………...………….…. . .12 表 3-2 受試者足弓參數..…….……………...……………………………...………….…. . .14 表 3-3 感測元件擺放位置..…….……………...……………………………...………….….17 表 4-1 不同擺放位置與黃金標準之 CoP 相關性..…….……………………...………….…20 表 4-2 不同擺放位置與黃金標準 CoP 之 RMSE……………………...……………………21 表 4-3 不同擺放位置與黃金標準之 vGRF 相關性…………………...…………………….28. vii.
(9) 第壹章. 緒論. 第一節 研究背景 隨著科技的發展與演進，硬體設備成長快速，各項電子感測元件除了能夠達到很高 的準確度外，在設計的理念上也慢慢朝向輕量化且方便攜帶的趨勢，也就是現今非常流 行的穿戴式科技。穿戴式科技有別於以往傳統的電子儀器，解決了硬體龐大且缺乏可攜 性的問題，有效的應用在一般日常的生活中。近年來國人運動與健康的意識漸漸提升， 相關議題也開始受到重視，而穿戴式科技也因此廣泛的被應用在紀錄日常生活的活動， 甚至是專業的運動項目上。精密的感測元件在使用的過程中能夠取得的資料非常多，但 目前市面上相關裝置所提供的功能卻只有一些簡單的指標，像是心率、步數等等，若能 將大量的資料進一步的分析運用，想必在穿戴式科技與實際應用的結合上能夠有更大的 發展空間。 2012年NIKE推出了智慧運動鞋，透過在鞋內裝置壓力感測元件和加速規，量化使用 者在運動過程中的各項數據，例如：跳躍及落地時的地面反作用力、衝刺次數及加速度 情況等。這樣將感測元件應用於鞋子的設計，對於無論是競賽成績以及運動效果都有很 大的幫助。在過去，實驗室內的儀器如測力板能夠準確地測量人體在運動過程中所承受 的外力，卻沒有辦法和足底壓力設備一樣針對足部的範圍及時提供步態參數。足底分為 很多區塊，而不同區塊之間所受外力的差異，可能造成不同類型的傷害，因此利用足底 壓力設備進行量測在臨床上變得相當的重要。 有研究指出，量化足底壓力可以提供運動過程中，腳受的垂直地面反作用力以及足 底壓力中心等動力學參數，有助於判斷異常的足部負荷模式，並減少傷害的發生 (Zhang, Zanotto, Agrawal & Letters, 2017)。在過去的研究中，多半是利用傳統的足底壓力板作為 量測的工具，但由於足底壓力版需要裝置在固定的平面上，導致使用上不具有可攜性能 隨者受試者移動，且在每一次僅能收取極少步數的動力學參數 (Sullivan, Burns, Adams, 1.
(10) Pappas, & Crosbie, 2015)，因此較常被應用在靜態的研究 (Soltanzadeh, Najar, Haghpanahi, & Mohajeri-Tehrani, 2017)。 由於微型感測元件的技術逐漸成熟，鞋墊式足壓系統在近年來也發展得很迅速，相 較於足底壓力板，具備了可攜性和連續資料收集的能力。鞋墊式足壓系統依照壓力感測 元件的多寡區分為兩種。第一種為感測元件多的鞋墊，每隻鞋墊中可裝置多達 99 個元 件佈滿整個鞋墊，以便分析完整的足底壓力，在測量上具有非常高的準確性。但由於多 量的感測元件導致收取的數據龐大，所以需要以線路傳輸的方式連接到身上的傳輸設備， 再經由藍芽傳到電腦，因此造成配戴上程序複雜、實驗設計動作受到限制、硬體成本昂 貴等問題。第二種為感測元件較少的鞋墊，其主要目的為提供一種具備可攜性且低成本 的系統來進行步態分析、活動監測等等。而利用少量感測元件的鞋墊有個明顯的缺點， 就是每位使用者的腳尺寸和比例都不盡相同，一致的感測元件擺放位置不一定能符合使 用者的情況，通常會依照特定的解剖學位置去擺放 (Macleod, Conway, Allan, Galen, 2014; Claverie, Ille, & Moretto, 2016; Zhang, Zanotto, Agrawal & Letters, 2017)。 過去研究中，少量感測元件量測步態動力學參數主要是針對正常足弓去選擇擺放的 方式，卻沒有去探討感測元件擺放的位置對於不同足弓型態 (例如：低足弓) 在量測上 是否有影響，因此本研究欲探討少量感測元件擺放位置對於扁平足步態動力學參數預測 之間的關係。. 第二節 研究問題 在臨床上，監控足底壓力有助於了解足部異常的負荷以及預防傷害的發生。目前少 量感測元件的足壓系統已經廣泛的被應用於醫學以及研究上，對於預測正常足弓的步態 動力學參數都有不錯的準確度。低足弓，也就是我們俗稱的扁平足，在運動過程中的足 底壓力特徵特殊。有研究表明，扁平足患者發生下肢過度使用傷害的風險較高，其中包 2.
(11) 括蹠骨骨折 (metatarsal stress fractures)、髂脛束症候群 (iliotibial band syndrome) 以及髕 骨疼痛症候群 (patellofemoral pain syndrome) (Chuckpaiwong, Nunley, Mall, & Queen, 2008)。 先前的研究多數是利用足底壓力板來量測扁平足的步態動力學參數 (Buldt et al., 2018)，但如前言所提，足底壓力板在使用上會受到場地限制且硬體成本昂貴，只有在特 定環境才能使用。若能利用少量感測元件的足壓系統取代它，想必在臨床及研究上的應 用會更加的便利，並且收取更多樣化的運動情境。因此本研究欲先了解少量感測元件的 擺放位置與預測扁平足步態參數之間的關係，在依照扁平足的足底壓力特徵進一步優化 感測元件排列的方式，達到兼具低成本且準確性的效果。. 第三節 研究目的 一個步態中有兩項很重要的步態動力學參數，分別為足底壓力中心 (center of pressure, CoP) 以及垂直地面反作用力 (vertical ground reaction force, vGRF)。CoP 為足 底表面的虛擬位置，能夠即時顯示出運動過程中足底承重的分佈狀況和轉移路徑。vGRF 則是評估下肢傷害與運動表現的重要指標。若能利用少量感測元件準確的預測扁平足上 述兩項參數，對於臨床及研究上的應用能給予許多的幫助。因此本研究欲探討在走跑運 動下，少量感測元件擺放位置的差異，對於預測扁平足患者步態動力學參數 (CoP、vGRF) 之影響為何。. 第四節 研究假設 1.. 少量感測元件在不同的擺放位置下，以扁平足常態足底壓力中心為基礎去選擇的 擺放配置，足壓系統所測量 CoP 與黃金標準的相關性最高。. 2.. 少量感測元件在不同的擺放位置下，以平均陣列去選擇擺放的配置，足壓系統所 3.
(12) 量測到的 vGRF 與黃金標準的相關性最高。. 第五節 研究範圍與限制 1. 本研究結果僅適用穿著運動鞋之情況。 2. 本研究結果僅適用走路與跑步之運動型態。 3. 本研究結果僅適用選定四種壓力感測元件擺放配置。. 第六節 研究重要性 若能利用少量感測元件，透過不同的擺放方式得到和 99 個感測元件相同預測步態 動力學參數的能力，不但能大幅減少足底壓力設備硬體昂貴的成本，也能進一步提升臨 床及研究操作上的便利性，想必能給予相關領域應用上更大的發展空間。. 第七節 操作性名詞定義解釋 1.. 扁平足 (Flat Foot) 本研究中，扁平足需符合下述三種足弓參數之標準。足部姿勢指數大於8、足弓指數 大於0.25及舟狀骨指數小於0.22。. 4.
(13) 第貳章. 文獻探討. 多數的研究中已經使用少量感測元件的足壓系統來預測步態動力學參數，準確性 也達一定的水準，此類型的研究大部分是針對正常足弓。感測元件的擺放位置和數據 的準確性具有很大的關聯性，而目前相關的研究對於感測元件的擺放位置沒有明確的 共識。不同足弓型態之間步態參數差異已經廣泛的被研究，主要是利用足底壓力板作 為實驗的儀器，卻沒有看到使用少量感測元件的足壓系統去量測扁平足步態相關的參 數。本章分別對於少量感測元件擺放位置及扁平足步態動力學參數的相關文獻進行探 討，了解過去研究之情況，並加以結合來設計本次研究元件擺放的配置。. 第一節 扁平足步態動力學參數之研究 人在站立期間腳的形狀，稱為足部姿勢 (foot posture)，是臨床評估經常使用的一項 指標。近期的文獻回顧發現非正常的足部姿勢，可能與下肢受傷風險增加有相關，像是 扁平足的人可能會比較常出現下肢過度使用傷害，包括蹠骨骨折、髕骨疼痛症候群等 (Kaufman, Brodine, Shaffer, Johnson, & Cullison, 1999)。從臨床的角度來看，橫斷面研究 發現足底壓力的模式與狀況，像是中足內側關節炎及脛後肌腱失能之間存在著關聯 (Menz, Munteanu, Zammit, Landorf, & cartilage, 2010; Imhauser, Siegler, Abidi, & Frankel, 2004)。但是並沒有明確的機制顯示兩者之間的相關性，足部姿勢與下肢傷害的內外在危 險因子的相互作用也尚未釐清。因此許多研究去探討扁平足步態動力學參數以及與正常 足弓足底壓力之差異。 過去研究中，發現扁平足相較於正常足弓有不一樣足底壓力特徵，最主要的差異在 前足以及大拇指。有數據顯示，與正常足弓相比，扁平足在前足的壓力分布不平均，其 中第二蹠趾關節的壓力峰值較高；第四及五蹠趾關節的壓力峰值、壓力時間積分、最大 力和力量時間積分較小 (Hillstrom et al., 2013; Rao et al., 2011; Chuckpaiwong, Nunley, Mall, & Queen, 2008; Han, Koo, Jung, Kim, & Lee, 2011)。上述發現可以得知扁平足的第 5.
(14) 二蹠趾關節承受更大的壓力，這可能使其處於與壓力相關傷害的風險中，如疲勞性骨折。 Buldt (2018) 等人在兩項研究中去分析扁平足和正常足弓之間足底壓力相關變數以 及 CoP 相關參數之差異。在足底壓力相關變數中，發現扁平足與正常足弓之間的壓力和 力有顯著的差異，並表示扁平足在大拇指顯示較高的負荷，與多數研究有類似的結果。 在 CoP 相關參數中，發現扁平足內外側力量指數的範圍 (最大力量 - 最小力量) 顯著小 於正常足弓。而在第一蹠趾關節顯示較低的負荷 (Ledoux, & Hillstrom, 2002;. Buldt et. al., 2018)。足底壓力中心內外側力量不等會造成 CoP 偏移面積改變，在一篇研究中特別 為此去探討扁平足及正常足弓在走路過程中 CoP 偏移之差異，結果顯示扁平足 CoP 向 內側偏移面積顯著大於正常足弓。可以推測相較於正常足弓，扁平足內側足弓與地面有 更多的接觸，因此 CoP 向內偏移更多 (Wong et al., 2008)。此結果也與 Song 等人在 1996 年的研究有同樣的趨勢 (Song, Hillstrom, Secord, & Levitt, 1996)。另一項研究中指出，正 常足弓在靜態站立和行走的過程中，足弓指數與舟狀骨掉落程度與足底壓力峰值有顯著 相關，隨著足弓高度降低，拇指與中足內側壓力升高，前足內側壓力降低 (Jonely et al. 2011) 。 除了走路的運動型態以外，有學者去比較扁平足與正常足弓在跑步的情境下足底負 荷模式是否會有差異。他們將腳底分為八個區域來分析壓力峰值、最大力等動力學參數。 結果顯示每個腳步區域在跑步過程中，峰值壓力和最大力都有顯著的增加，且扁平足與 正常足弓在中足內側的接觸面積，以及前足外側的峰值壓力和最大力存在顯著的差異 (Kaufman et al., 1999)。 近三年的研究中，有學者利用不同的介入方式以及不同年齡族群的受試者進行探討。 Sanjari 等人針對正常足弓與扁平足的受試者在介入疲勞後，比較兩者 CoP 之差異。結 果顯示疲勞過後正常足弓與扁平足的 CoP 無明顯的差異，但兩組受試者在疲勞後 CoP 在前後方向的標準差顯著的降低 (Sanjari, Boozari, Jamshidi, & Nikmaram, 2016)。在 2017 年一篇研究探討不同年齡族群的足底壓力參數，其收取 1000 名 3-101 歲的受試者進行 比較。從結果發現，隨著年齡增長，走路過程中足部姿勢會變得更加的外翻，其類似於 扁平足的特徵，造成老人足底壓力峰值較高 (McKay et al., 2017)。 6.
(15) 綜合上述各項研究可以得知，扁平足在步態動力學參數與正常足弓確實存在差異， 在特定足部位置的足底壓力明顯大於正常足弓，主要為內側足弓、前足中央和大拇指， 可能導致傷害發生的機率提高。扁平足的 CoP 則是明顯比正常足弓偏向內側。. 表 2-1 扁平足步態動力學參數特徵與正常足弓比較之相關文獻整理 作者. Song 等人 (1996). 目的 確定足部姿勢差 異對於靜態及動 態的足部功能上 是否有明顯差異. 受試者. 實驗流程. 11 名正常足 弓受試者 赤 腳 以 自 選 速 扁平足足底壓力中 10 名扁平足 度走過測力板。 心明顯向內偏差。 受試者. Ledoux and Hillstrom (2002). 比較正常足弓與 11 名正常足 扁平足在足部 7 弓受試者 個 區 域 的 8 名扁平足 GRF(大拇指、蹠 受試者 趾關節、腳跟). Wong 等 人(2008). 探討赤腳走路過 程中足部姿勢與 CoP 偏移之間的 關係. Han 等人 (2011). Rao 等人 (2011). 結果. 38 名正常足 弓受試者 16 名扁平足 受試者. 比較正常足弓與 10 名正常足 扁平足的足底壓 弓受試者 力峰值與 CoP 軌 9 名 扁 平 足 跡。 受試者. 赤腳以自選速 扁平足在大拇趾明 度在測力板上 顯有更大的 GRF， 進行走路，共取 在其他區愈沒有明 10 次試驗進行 顯差異。 分析。 赤腳以自選速 度在 8m 的步道 扁平足 CoP 向內側 上走路，並在第 的偏移面積顯著大 五步踩到測力 於正常足弓。 板，共取三次試 驗進行分析。 扁平足的足底壓力 赤腳以自選速 在第 4-5 蹠趾關節 度在測力板上 和腳跟的區域低於 進行走路，共取 正常足弓。扁平足的 2 個試驗進行分 CoP 軌跡在前腳有 析。 比較平直的趨勢。. 27 名正常足 比較不同足部姿 扁平足在第二蹠趾 弓受試者 赤腳以自選速 勢之間第一蹠趾 關節的壓力峰值顯 27 名扁平足 度走過測力板 關節之足底負荷 著大於正常足弓 受試者. 7.
(16) Hillstrom 等人 (2013). Sanjari 等 人 (2016). McKay 等 人 (2017). Buldt 等人 (2018). 確定無症狀的扁 平足、正常足弓 和高足弓的腳結 構和功能客觀指 標是否不同. 每位受試者赤 27 名正常足 腳以自選速度 弓受試者 走過 7.32 公尺 22 名扁平足 的 GaitMat II 系 受試者 統。. 17 名正常足 疲勞後正常足弓 弓受試者 與扁平足 CoP 之 17 名扁平足 差異。 受試者. 比較不同年齡族 群的足底壓力參 數。. 比較正常、扁平、 高足弓之間 CoP 的特徵。. 扁平足在第二蹠趾 關節與第二趾的壓 力峰值大於正常足 弓，。扁平足的足底 壓力中心比正常足 弓向內側偏差。. 在疲勞前後以 疲勞過後，正常足弓 自選 與扁平足之 CoP 無 速度在測力板 明顯差異 上走五步。. 隨年齡增長，足部姿 赤 腳 以 兩 步 協 勢在走路得過程中 1000 名 3-101 議 的 方 式 行 走 會變得更加外翻，類 歲的受試者 並 在 第 二 步 踩 似於扁平足的特徵， 到測力板。 造成老人足底壓力 峰值較高。 赤腳以兩步協 站立後期，扁平足弓 35 名正常足 議 的 方 式 在 感 內外側力量指數的 弓受試者 測平台上進行 範圍顯著小於正常 31 名扁平足 自選速度走路， 足弓。效果量為 0.65 受試者 共取 5 次成功試 (moderate)。 驗進行分析。. 第二節 少量感測元件擺放位置之研究 近年來，鞋墊式足壓系統發展得相當迅速，無論是用於臨床及研究上的量測或是與 智慧運動鞋的結合都相當的廣泛。市面上具有公信力的鞋墊式足壓系統 (如 Novel 公司 推出的 Pedar-X system)在設計上通常是利用多量的感測元件佈滿整個鞋墊，以達到完整 的足壓分析。但由於多量的感測元件所收取到的資料量龐大，傳輸資料須要透過線路連 接到身上配戴的裝置，使實驗的動作設計受到限制，且硬體成本昂貴。過去多數研究會 將足部分為 3-10 區來探討步態參數 (Chuckpaiwong, Nunley, Mall, & Queen, 2008; Teyhen et al., 2009; Jonely, Brismée, Sizer Jr, & James, 2011)，由此可見足底壓力主要是受到特定 8.
(17) 區域所影響，許多足底位置的足壓表現對於量測上影響並不大，或許針對足壓主要作用 的區域擺放感測元件即可達到不錯的準確性。因此開始有學者針對少量感測元件在不同 擺放位置對於步態動力學參數量測之準確度進行探討。 多項研究在擺放位置上都有類似的選擇，如腳跟、蹠趾關節及大拇指等。由於感測 元件數量上的限制，選擇擺放位置就顯得相當重要。Howell 等人利用 12 個感測器裝置 於鞋墊進行測試，並提出將感測器擺放於腳跟、蹠趾關節、大拇指和側弓下方的區域對 於分析影響最大，由此結果可以推斷，特定的足部位置對於步態動力學參數的量測足有 更高的重要性。幾項研究中作者都自製感測鞋墊來與現有精準的足底壓力設備進行比較， 如 2016 年一篇研究將足腳底分為 9 個區域，並以 9 個感測元件進行不同區域擺放位置 預測步態動力學參數信效度的比較，結果顯示前足區域配置較多的感測元件在預測的效 果更好；Bamberg 等人於腳後跟、蹠骨及拇指使用了 5 個感測元件，以自製足壓鞋墊 “ GaitShoe ” 實現臨床步態的分析；以及 Zhang,等人以 8 個感測元件並按照解剖學位置. 擺放的自製足壓鞋墊，針對走路及跑步時自製鞋墊與校標量測的 CoP 軌跡進行相關性 的比較，其中作者特別指出走路 CoP 軌跡預測的方均根誤差較跑步來得小，可能的原因 為跑步的著地期遠小於走路，造成跑步時收取的資料誤差較大。 除了比較預測步態動力學的準確性之外，也有學者利用不同擺放位置的感測元件， 探討在不同年齡之間動力學參數的差異。Shu 等人在腳後跟及蹠骨區域選擇 6 個位置， 並配置 6 個感測元件於自製足壓鞋墊中去計算 CoP、足底平均壓力等參數，作者認為上 述擺放位置在年輕人及老人正常活動中具有較高的壓力，實驗結果表明離散的壓力能夠 反映穿著者的狀況和足底壓力變化。上述的研究主要都是靜態或走路的運動形式，而在 2017 年的一項研究中，作者以 8 個感測元件並按照解剖學位置擺放的自製足壓鞋墊，針 對走路及跑步時自製鞋墊與校標量測的 CoP 軌跡進行相關性的比較，其中作者特別指 出走路 CoP 軌跡預測的方均根誤差較跑步來得小，可能的原因為跑步的著地期遠小於 走路，造成跑步時收取的資料誤差較大，也顯示出不同運動模式之間選擇的擺放位置或 許需要做些微的調整。 上述各項研究主要都是以自製足壓感測系統去和足底壓力板比較 CoP、vGRF 等步 9.
(18) 態動力學參數。鞋墊使用的感測元件數量介於 5 至 12 個配置而成，與前面所提到市面 上多量感測元件的足壓系統相比，感測元件的數量減少至將近十分之一，這樣的設計不 僅能讓收集到的資料量大幅減少，以無線的方式進行傳輸，減少分析資料的時間與感測 元件的硬體成本，而且能夠有別於以往複雜的線路配戴，能夠提供使用者在更多元的運 動情境下進行實驗，對於研究及臨床上的應用能夠更加廣泛。. 表 2-2 少量感測元件不同擺放位置與步態動力學參數關係之相關文獻探討 作者. Shu 等人 (2010). 感測元件 數量. 6 個感測 元件. Howell 等 12 個感測 人 元件 (2013). Claverie 等人 (2016). 9 個感測 元件. 擺放位置. 實驗流程. 受試者穿著自製鞋墊 進行正常站立，單腿站 腳跟、蹠 立、腳跟著地及腳跟離 趾關節 地。每次動作保持穩定 10 秒，測試兩次。 腳跟、中. 結果 在這六個壓力點下， COP 位置的測量誤差很 小。在拇指下方加一個 額外的感測元件可以進 一步降低誤差。. 受試者穿著自製鞋墊. 感測器擺放於腳跟、蹠 以自選速度在測力板 足、蹠趾 趾關節、大拇指和側弓 上行走。每位受試者走 關節、大 下方的區域對於動力學 路直到在測力板上取 拇指 參數分析影響最大。 得十個步態進行分析。 受試者穿著自製鞋墊 以自選速度在 10 公尺 腳跟、中 前足區域配置較多的感 的步道上走路，並要求 足、前足、 測元件在預測步態動力 受試者在第 5 步踩到 大拇指 學參數的效果更好。 測力板上，共取 6 次試 驗進行分析。. Liang 等 人 (2016). 6 個感測 元件. 11 名不同足部姿勢的 腳跟、中足、前足分出的 腳跟、中 受試者站在自製鞋墊 六個區域可以區分各種 足、前足 上測量其設定足步區 腳型。 域的平均壓力。. 10.
(19) Zhang 等 人 (2017). 8 個感測 元件. 腳跟、外 側足弓、 大拇指、 第一、三、 五蹠趾關 節. 穿著自製鞋墊沿著 16 米長的直線進行走跑， 走路 CoP 軌跡預測的方 受試者走/跑到盡頭時 均根誤差小於跑步。 以順時針旋轉、每次試 驗須完成 10 圈。. 第三節 文獻探討總結 總結上述兩節文獻探討，步態動力學參數的評估在臨床及研究中扮演重要的角色， 特別是扁平足在特定足部位置產生異常的壓力，可能導致傷害發生機率提高。少量感測 元件的足壓系統逐漸廣泛的被利用，或許針對扁平足特定足底壓力發生的位置去設計感 測元件的配置，能夠有效的降低硬體成本，並且提升量測之準確性，對於未來實際的監 控及應用提供更方便且有效的方法。. 11.
(20) 第參章. 研究方法. 第一節 實驗參與者 招募 12 位扁平足參與者進行實驗，在六個月內無任何可能造成步態異常之下肢骨 骼肌肉系統傷害或神經系統病變。利用三種指標來判定是否扁平足受試者，分別是足部 姿勢指數 (foot posture index, FPI)、足弓指數 (arch index, AI) 和舟狀骨指數 (normalized navicular height truncated, NNHT) ，三種判斷扁平足的指標式參考過去文獻經常使用且 在臨床上具有可靠性 (Buldt et al., 2018; Fernández-Seguín et al., 2014; Mootanah et al., 2013)。所有參與者在實驗前詳閱 「受試者實驗須知」了解本實驗目的、過程以及實驗 方法，確認實驗參與者有意願後簽屬 「受試者同意書」並填寫 「受試者基本資料表」。. 表 3-1 受試者基本資料 Mean(SD) Range. 年齡(years). 身高(cm). 體重(kg). 21.8(3) 18-26. 170.6(8.1) 156-181. 68.4(15.5) 50-99. FPI 是一種以各種視覺面向去觀察足部的方式，其中包括 6 項評估，分別為距骨頭 觸診 (talar head palpation)、外踝上方和下方曲線 (curves above and below the lateral malleoli)、跟骨在額狀面之位置 (frontal plane alignment of the calcaneus)、距舟關節突出 (prominence in the region of the talonavicular joint)、內側縱弓的高度和一致性 (height and congruence of the medial longitudinal arch) 以 及 前 足 相 對 後 足 之 位 置 (abduction / adduction of the forefoot on the rearfoot) (Redmond, Crane, & Menz, 2008)。以輕鬆的雙足 站立狀態下，對上述測量值中以負 2 至正 2 之間進行評分，並將所有測量值加總後大於 8 即達到扁平足之標準 (Evans, Copper, Scharfbillig, Scutter, & Williams, 2003)。 12.
(21) AI 為在輕鬆的雙足站立狀態下，將足底分為三個等長的區域，分別為後足、中足以 及前足，並將中足的面積除以足底面積得到測量值，當測量值大於 0.25 即達到扁平足之 標準 (Cavanagh & Rodgers, 1987)。圖一為計算方式的示意圖。. 圖 3-1 Arch Index 計算示意圖. NNHT 為在輕鬆的雙足站立姿勢時，標記出舟狀骨的突出點，並測量地面到突出點 之高度。接著量測足部後側至第一蹠趾關節的距離作為用來標準化的腳長，並將地面至 突出點的高度除以腳長得到評估值，當評估值小於 0.22 即達到扁平足之標準 (Evans, Copper, Scharfbillig, Scutter, & Williams, 2003)。. NNHt=. 圖 3-2 Normalised Navicular Height Truncated 計算示意圖. 13.
(22) 表 3-2 受試者足弓參數. Mean(SD). FPI. AI. NNHT. 9.3(1.2). 0.35(0.03). 0.17(0.02). 第二節 實驗設備 一、 Pedar-X System (Novel gmbh, DE) Pedar-X 系統為本實驗用來量測足底壓力的儀器及鞋內足底壓力之黃金標準，有研究證 實其擁有優於市面上常見同等級儀器之信校度 (Price, Parker, Nester, & posture, 2016)， 由一雙測量壓力的鞋墊組成，每隻鞋墊包含 99 個電容式壓力感測元件，數據以無線傳 輸，實驗過程中的數據能同步以 Pedar-X software 套裝軟體在電腦上顯示。儀器擷取頻 率設定為 100 Hz。. 圖 3-3. Pedar-X system 配置示意圖. 二、Smartspeed Pro (Fusion sport, UK) 利用 Smartspeed 無線光柵系統，追蹤受試者在實驗過程中之運動速度，並透過藍芽將速 度資訊傳送至手機。有研究指出不同速度對於足底壓力的量測會造成影響 (Buldt et al., 2018)，因此利用此系統追蹤每位受試者來確認運動過程中速度之差異程度。 14.
(23) 第三節 實驗步驟 實驗開始前會請受試者進行 10 分鐘的熱身，接著進行自選速度走路及跑步的實驗 動作練習，讓受試者能夠熟悉動作使實驗過程更加流暢。熱身與練習結束後，協助受試 者配戴 Pedar-X 系統，本次實驗會讓所有受試者穿著同一款運動慢跑鞋以及沒有功能性 的普通運動襪。正試實驗開始時，受試者會以自選速度在平面上進行慢走 (5km/hr)、快 走 (7km/hr)、慢跑 (11km/hr) 以及快跑 (13km/hr) 四種運動型態，每一次試驗會收取 5 次成功的步態，共五次試驗。確認完整收集資料後結束實驗。. 1.實驗前將 Pedar-X 及 Vicon 系統進行校正 2.講解實驗目的及流程，並請受試者簽屬同意書. 配置 Pedar-X 系統及黏貼光點，準備進入正式實驗. 受試者進行熱身及實驗動作練習. 進行規定速度的慢走、快走、慢跑、快跑 (動作順序採平衡次序法). 確認 Pedar-X 系統收集資料完整後，結束實驗 圖 3-4 實驗流程圖. 15.
(24) 第四節 資料處理 資料處理主要會分為兩大項，第一項為少量感測元件擺放位置的選擇，第二項為數 據的分析處理。本次研究中會對於六種不同擺放位置進行資料的處理，所有配置皆以 11 個壓力感測元件來擺放，參考先前研究指出此數量的感測元件能達到與 Pedar-X system 相當的效果 (謝長欣，2018)。第二章文獻探討時有提到，在多數過去的研究中，主要都 是針對特定的解剖學位置來擺放感測元件。有學者對足部無異常的受試者的 CoP 軌跡 進行統計，結果表明大部分人的 CoP 軌跡都有一個趨勢 (Buldt et al., 2018)。因此再決定 感測元件擺放位置上，我們會以過去文獻、平均陣列和扁平足常態 CoP 軌跡這三種概念 為基礎去選擇擺放的位置，感測元件配置如圖 3-5，共 4 種配置。. 過去文獻擺法 (配置一). 平均陣列 (配置二). 扁平足 CoP 軌跡上 (配置三). 圖 3-5 四種感測元件配置方法圖 16. 扁平足 CoP 軌跡兩側 (配置四).
(25) 表 3-3 感測元件擺放位置 過去文獻擺法(配置一). 以正常足弓為受試者，達到很高的相關性. 平均陣列(配置二). 平均擺放於整個足底. 扁平足 CoP 軌跡上(配置三). 文獻統計之常態 CoP 軌跡上，將整體往內側偏移. 扁平足 CoP 軌跡兩側(配置四). 文獻統計之常態 CoP 軌跡的兩側，將整體往內側偏移. 確認感測元件擺放位置後，進入數據的分析處理。首先將經由 Pedar-X 系統所收取 到的資料進行整理，並代入公式算出各種擺放位置下所量測的 vGRF (公式 (1))和 X 和 Y 軸向 CoP (公式 (2) 和 (3))，計算公式如下：. (1). (2). (3). 上述公式中，vGRF 為足步接觸地面的瞬時垂直地面反作用力，其中 Pi 是編號 i 的感測 元件測量到的壓力值，A 則為該顆壓力感測元件的面積，n 則是採用感測元件的總數； ( XCoP, YCoP ) 為瞬時 CoP 座標，(xi, yi) 則是編號 i 的感測元件之位置座標，x 代表內 外側軸向 (medial-lateral, ML)，又稱 ML 方向。y 代表前後側軸向 (anterior-posterior, AP)， 又稱 AP 方向。 17.
(26) 經由計算後得到的 CoP 座標及 vGRF 為實驗過程中所有測量值，我們會先清楚的判 定每一個完整的步態，接著與黃金標準 (Pedar-X system 99 個 sensor) 進行統計分析。. Pedar-X 系統所收取到的資料進行整理. 代入公式，計算各種擺放位置下 所量測的 CoP 和 vGRF. 判定實驗過程每一個完整的步態. 各種不同擺放配置與黃金標準 進行統計分析 圖 3-6. CoP 和 vGRF 數據處理流程圖. 第五節 統計分析 本次研究無論是 CoP 或 vGRF 兩項參數，皆是以 Pedar-X system 99 個感測元件所 量測的步態動力學參數為黃金標準。 統計軟體使用 SPSS 23.0 版進行分析，以皮爾森相關係數 (Pearson’s Correlation Coefficient, PCC) 表示少量感測元件不同擺放位置的 CoP 和 vGRF 與黃金標準之相關 性，相關係數越高，表示足壓系統預測兩種動力學參數更為準確。並以方均根誤差 (root mean square error, RMSE) 用來量化不同擺放位置與黃金標準間 CoP 數據的差異，RMSE 越小，代表足壓系統量測值越接近黃金標準。. 18.
(27) 第肆章. 結果. 第一節 足底壓力中心 圖 4-1 為各種擺放配置與黃金標準 CoP 原始軌跡比對 (以走路為例)。從圖中可明 顯看出配置四與黃金標準之 CoP 軌跡趨勢最為相似。而相較於其他三種配置，配置三與 黃金標準之 CoP 軌跡則偏差較大。. 圖 4-1 各種擺放配置與黃金標準 CoP 原始軌跡比對 (左上：配置一、右上：配置二、左下：配置三、右下：配置四) 19.
(28) CoP 之相關性結果顯示，四種不同擺放位置在各個速度下，CoP 的 ML 和 AP 方向 之相關性皆與黃金標準達到高度的顯著相關 (p < .05)，相關係數落在 0.859 至 0.971，不 同擺放位置組成之系統與黃金標準之 CoP 相關性見表 4-1。不同擺放位置中，ML 方向 以配置四的擺放位置相關性最高；相較於其他三種配置，AP 方向則是以配置三的擺放 位置相關性較低。而在不同速度中，ML 方向之相關性在不同速度間無明顯差異， AP 方向在快跑時相關性較差，上述 CoP 相關性結果見圖 4-2、4-3。. 表 4-1 不同擺放位置與黃金標準之 CoP 相關性 配置一 慢走. 配置三. 配置四. .924 ± 0.25 ★.955 ± .044. .916 ± .056 ★.964 ± .041. .859 ± .074. ★.961 ± .024. .921 ± .074. ★.971 ± .025. .920 ± .036 ★.955 ± .028. .900 ± .072 ★.966 ± .027. .873 ± .074. ★.933 ± .058. .904 ± .063 ★.965 ± .030. ★.965 ± .022 ★.955 ± .024. AP. .918 ± .038 ★.955 ± .035. .922 ± .064 .882 ± .062 .899 ± .065. ★.952 ± .042. ML. .900 ± .063. .907 ± .071. .880 ± .071. ★.931 ± .058. AP. ★.947 ± .038. ★.960 ± .024. .917 ± .063. ★.932 ± .065. ML AP. 快走. ML. 慢跑. AP ML. 快跑. 配置二. 註：所有相關係數皆達 0.001 層級顯著；★表示相關性高達 0.93 以上. 圖 4-2 不同擺放位置與黃金標準 CoP_ML 方向之相關性 20.
(29) 圖 4-3 不同擺放位置與黃金標準 CoP_AP 方向之相關性. CoP 之 RMSE 結果顯示，不同擺放位置 CoP 之 RMSE 在 ML 方向落在 5.23 至 8.13mm 間，AP 方向則落在 14.26 至 28.20 間。不同擺放位置組成之系統的 CoP 數據 RMSE 表 4-2。不同擺放位置中，ML 及 AP 方向皆以配置二的擺放位置 RMSE 最低。而 在不同速度中，ML 方向之 RMSE 在走路 (慢走＋快走) 較高；AP 方向之 RMSE 在各 速度間無明顯差異，上述 CoP 之 RMSE 結果見圖 4-4、4-5。 表 4-2 不同擺放位置與黃金標準 CoP 之 RMSE 配置一. 配置二. 配置三. 6.50 ± 1.79 16.00 ± 5.67. 5.87 ± 2.51 15.34 ± 6.73. 8.08 ± 2.65 24.89 ± 8.00. 5.84 ± 1.95 14.26 ± 3.35. 6.78 ± 1.93 21.09 ± 6.10. 6.29 ± 2.10 18.83 ± 7.16. 8.13 ± 3.19 28.20 ± 14.47. 6.72 ± 1.79 19.71 ± 4.55. 慢跑 ML AP 快跑 ML. 6.16 ± 1.83 17.01 ± 7.76. 5.31 ± 1.83 14.00 ± 5.97. 6.41 ± 2.14 24.71 ± 11.50. 5.79 ± 1.54 18.65 ± 5.72. 5.86 ± 1.73. 5.23 ± 1.48. 6.70 ± 2.36. 5.66 ± 1.60. AP. 16.94 ± 7.40. 15.53 ± 6.31. 24.17 ± 11.58. 20.26 ± 7.32. 慢走 ML AP 快走 ML AP. 21. 配置四.
(30) 圖 4-4 不同擺放位置與黃金標準 CoP_ML 方向之方均根誤差. 圖 4-5 不同擺放位置與黃金標準 CoP_AP 方向之方均根誤差. 22.
(31) 第二節 垂直地面反作用力 圖 4-6 為各種擺放配置與黃金標準 vGRF 原始曲線比對(圖為一個步態之 vGRF 曲 線)。從圖中可明顯看出四種配置與黃金標準 vGRF 之峰值發生點與曲線趨勢都相當一 致。. 圖 4-6 各擺放配置與黃金標準 vGRF 原始曲線比對 (左：走路、右：跑步). 圖 4-7 置 4-11 為所有受試者之步態進行體重標準化後，在慢走速度下各種擺放配 置所得到步態週期平均 vGRF。圖中可以看出相較於少量感測元件之配置，黃金標準步 態週期之標準差明顯較小。. 體重標準化(N/kg). 15. 10. 5. 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-7 慢走動作下，黃金標準體重標準化之步態週期 23.
(32) 體重標準化(N/kg). 15. 10. 5. 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-8 慢走動作下，配置一體重標準化之步態週期. 圖 4-9 慢走動作下，配置二體重標準化之步態週期. 24.
(33) 體重標準化(N/kg). 15. 10. 5. 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-10 慢走動作下，配置三體重標準化之步態週期. 體重標準化(N/kg). 15. 10. 5. 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-11 慢走動作下，配置四體重標準化之步態週期. 25.
(34) 圖 4-12 置 4-16 為所有受試者之步態進行體重標準化後，在慢跑速度下各種擺放配 置所得到步態週期平均 vGRF。. 30. 體重標準化(N/kg). 25 20 15 10. 5 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-12 慢跑動作下，黃金標準體重標準化之步態週期. 30. 體重標準化(N/kg). 25 20 15 10 5 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-13 慢跑動作下，配置一體重標準化之步態週期. 26.
(35) 30. 體重標準化(N/kg). 25 20 15 10 5 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-14 慢跑動作下，配置二體重標準化之步態週期. 30. 體重標準化(N/kg). 25 20 15 10 5 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-15 慢跑動作下，配置三體重標準化之步態週期. 27.
(36) 30. 體重標準化(N/kg). 25 20 15 10 5 0 1. 25. 49. 73. 97. Gait cycle (stance phase). 圖 4-16 慢跑動作下，配置四體重標準化之步態週期. vGRF 之相關性結果顯示，四種不同擺放位置在各個速度下，vGRF 之相關性皆與 黃金標準達到高度的顯著相關 (p < .05) ，相關係數落在 0.867 至 0.990，不同擺放位置 組成之系統與黃金標準之 vGRF 相關性見表 4-3。不同擺放位置中，vGRF 以配置一及配 置二的擺放位置相關性較高。而在不同速度中，vGRF 在快跑時相關性最高，上述 vGRF 相關性結果見圖 4-8。. 表 4-3 不同擺放位置與黃金標準之 vGRF 相關性 配置一 慢走 快走 慢跑 快跑. ★.970 ± .022 ★.980 ± .011 ★.984 ± .012 ★.990 ± .004. 配置二 .940 ± .030 ★.954 ± .021 ★.967 ± .018 ★.981 ± .009. 配置三 .867 ± .067 .906 ± .043 .916 ± .054 ★.956 ± .030. 註：所有相關係數皆達 0.001 層級顯著；★表示相關性高達 0.95 以上. 28. 配置四 .879 ± .070 .912 ± .063 .935 ± .043 ★.967 ± .026.
(37) 圖 4-17 不同擺放位置與黃金標準 vGRF 之相關性. 29.
(38) 第五章. 討論與建議. 本研究欲探討少量感測元件 (11 個) 透過不同擺放位置，與黃金標準相比能夠多準 確的預測扁平足 CoP 和 vGRF。根據研究結果，CoP 結果中有 4 項主要發現：(一)各配 置與黃金標準之 CoP 相關性都達顯著且高度相關 (二)感測元件在 AP 方向的列數，會影 響到 CoP 整體與黃金標準之相關性、(三) 以較平均且範圍較大的擺放方式，所得到 CoP 與黃金標準之 RMSE 較小、(四)不同動作型態中，CoP 在 AP 方向之相關性及 ML 方向 之 RMSE 會受到速度影響。vGRF 結果中有 3 項主要發現：(一) 各配置與黃金標準之 vGRF 相關性都達顯著且高度相關、(二)當動作速度上升時，系統得到之 vGRF 與黃金標 準相關性較高、(三)透過正確的擺放位置，少量感測元件量測 vGRF 曲線整體趨勢以及 壓力峰值的發生的時間點與黃金標準極為相似。下文中我們會針對在 CoP 以及 vGRF 兩 項參數的幾個重要發現分別進行討論。. 第一節 足底壓力中心 研究結果顯示，利用不同擺放位置組成的足壓系統量測 CoP 位置時，四種擺放方式 都達到了很高的相關性，其中 CoP_ML 方向以配置四的擺放方式得到最高的相關性。在 一個步態的過程中，足壓系統會利用步態初期著地 (initial contact)及腳趾推蹬離地 (toe off) 的時間點來判斷著地期，準確的量測到 initial contact 及 toe off 的 CoP 位置能夠更 有效的提升足壓系統與黃金標準 CoP 的相關性。 在本次實驗所有受試者皆以足跟著地的動作來進行走跑，所以在 initial contact 的位 置會影響到整個 CoP 軌跡的趨勢。由圖 5-1 我們可以發現，配置四的擺放方式在 initial contact 以及 toe off 的兩個階段，配置四感測元件擺放的位置更貼近 CoP 軌跡的兩側， 也因此稍微提高了這種擺放位置在 ML 方向之相關性。而在 CoP_AP 方向的數據中我們 可以發現相較於其他三種擺放位置，以配置三的擺放方式所得到的相關性較低。圖 5-2 30.
(39) 中我們可以發現此種擺放方式的感測元件在 AP 方向一共只有四列，而其他三種擺放方 式則有五列，這也可能就是造成這樣的擺放方式在兩側 CoP 時與黃金標準的相關性較 低。 在不同速度中，我們發現 CoP_ML 方向之相關性沒有明顯的差異，但 CoP_AP 方向 在快跑的動作型態所得到的相關性較差，在跑步過程中，著地期遠小於走路，進而造成 足底壓力中心在 AP 方向移動迅速，這可能是造成在快跑時相關性較低的原因。. 圖 5-1 黃金標準 CoP 軌跡在扁平足 CoP 軌跡兩側之配置. 圖 5-2 黃金標準 CoP 軌跡在扁平足 CoP 軌跡上之配置. CoP_RMSE 的數據顯示，無論是在 ML 或 AP 方向，RMSE 皆以配置二的擺放方式 31.
(40) 得到最低的誤差。從圖 5-3 我們可以發現，將黃金標準量測出的 CoP 軌跡實際放在配置 二的擺放方式上，其 CoP 軌跡多數通過此配置中感測元件間較中心的位置，也因此可以 推斷在這樣的擺放配置下，與黃金標準 CoP 之 RMSE 較小。 在不同速度下，走路 (慢走＋快走) 的動作型態中 ML 方向之 RMSE 較高，與過去 文獻有不同的趨勢。Zhang 等人在 2017 的研究中利用 8 個感測元件自製足壓鞋墊，並 請受試者延 16 公尺長的直線進行走跑，結果發現走路所得到 CoP 軌跡之 RMSE 會小於 跑步，其認為跑步的著地期遠小於走路，進而造成跑步時收取的資料誤差較大 (Zhang, Zanotto, & Agrawal, 2017)。而在本研究中，走路時 CoP 在 ML 方向 RMSE 較大的情況 可能是因為走路過程中著地期較長，且因為速度較慢，導致足底在內外側方向移動的範 圍較大，使 ML 方向 CoP 與黃金標準相比，有較明顯的偏移。 除上述結果與討論外，分析資料時發現有一點非常值得注意，那就是鞋墊式足壓系 統在步態過程中會有附著於足底的情況，使附著點的感測元件一直存在壓力值，進而造 成誤差的產生。Claverie 等人在 2016 年的研究中，直接將感測元件固定於足底，所得到 CoP 之 RMSE 皆小於本研究各擺放位置足壓系統量測 CoP 的方均根誤差(Claverie, Ille, & Moretto, 2016)。這樣的結果也符合 Debbi 等人在 2012 所提出的觀點，他們發現將足 壓系統放入鞋內會使 RMSE 提升，因為在步態過程中鞋墊會滑動或是平移，造成誤差變 大 (Debbi et al., 2018)。而本研究就是使用鞋墊式足壓系統作為量測的儀器，這或許可以 解釋上述結果的原因，如何克服這樣的問題則需進一步探討才有可能得以驗證。. 圖 5-3 黃金標準 CoP 軌跡在平均陣列上之配置 32.
(41) 第二節 垂直地面反作用力 根據數據顯示，利用不同擺放位置組成的足壓系統量測 vGRF 時，四種擺放方式都 達到了很高的相關性，其中又以配置一及二的擺放方式具有較高的相關性。第三章的圖 3-5 中我們可以看到這兩種配置方式，前足配置的感測元件數量大於後足，與 Claverie 等 人在 2016 年研究有相同的結果。他們將足底分為 9 個區域，並發現前足區域放置較多 的感測元件可以提升與黃金標準 vGRF 之相關性 (Claverie, Ille, & Moretto, 2016)。我們 也發現在這兩種配置中，感測元件分佈在鞋墊的範圍較大，且排列的方式平均，可能因 此提升了這兩種配置與黃金標準 vGRF 的相關性。 在不同速度下，研究結果發現在快跑的動作形態中，vGRF 相關性較其他三種速度 來得高。在文獻探討中有提到相較於一般足弓，扁平足有不同的足底壓力特徵，像是大 拇指、第二蹠趾關節有較高的負荷。當速度提升時，足底所承受的地面反作用力也會隨 之提升，可能使上述提到扁平足壓力特徵的位置產生較大的地面反作用力，因此提升了 與黃金標準 vGRF 的相關性。 本研究以少量感測元件進行 vGRF 的量測，因此步態過程中感測元件壓力的總和皆 小於黃金標準。從圖 16 中我們可以發現，少量感測元件的足壓系統透過正確的擺放位 置，vGRF 之曲線在走與跑的過程中，整體趨勢以及壓力峰值的發生的時間點極為相似， 代表與黃金標準有極高的相關性，對於量測步態著地期中各個階段是相當有價值的 (Barnett, Cunningham & West, 2001)。即便因為感測元件的數量會導致低估的狀況，量測 出的數據無法直接代表真實的 vGRF，但或許未來能夠透過與黃金標準做線性回歸，進 而準確推算出 vGRF。 值得注意的是，本研究結果與實驗假設相符，原先設計感測元件以配置二的擺放方 式就是希望能夠提升與黃金標準 vGRF 之相關性。足壓鞋墊系統設計的過程中，常常會 因為每位使用者足部形狀與尺寸的不同，需要客製化的去製作。若是能以配置二的方式 去擺放感測元件，在未來實際應用上或許能夠降低不同人在使用上的差異性，提升量測 的精準度。 33.
(42) 綜合上述兩項參數的討論，不同的擺放位置對於量測 CoP 以及 vGRF 各有優劣，像 是以配置四的擺放方式能夠較準確的預測 CoP 這項參數；以配置一或是配置二的擺放 配置則能夠較有效的提升 vGRF 與黃金標準的相關性。而在所有的結果中有一項重要的 發現，過去文獻選擇的配置方式在當時是以正常足弓的受試族群作為研究對象，但在本 研究中用來預測扁平族群的步態動力學參數也達到了相當高的準確性，這在應用層面上 給予重要的發現，透過一種感測元件的擺放位置，就能夠有效的預測正常及扁平兩種族 群的足底壓力中心和垂直地面反作用力。. 第三節 結論與建議 結論 針對本研究受試者族群，各配置的擺放方式所量測 CoP 與黃金標準之相關性皆達顯 著且高度相關，其中當 AP 方向之感測元件列數較多時，CoP 相關性會隨之提升，而在 動作速度上，快跑會造成量測 CoP 之準確度降低；CoP 之 RMSE 會因為擺放配置的選 擇而決定誤差的大小，以平均陣列的方式去擺放使 CoP 通過感測元件間較中心的位置， 可以降低 CoP 之 RMSE；各配置的擺放方式所量測 vGRF 與黃金標準之相關性皆達顯著 且高度相關，其中以平均陣列且範圍較大的方式去擺放感測元件，可以提升量測 vGRF 之準確性。. 建議 本研究的結果可以提供以下兩點作為未來相關系統實務上的建議：(一) 透過正確的 擺放配置，感測元件的數量相較於以往足壓系統可以減少很多。這樣不僅能夠使資料分 析的過程較簡易，也能夠大幅降低足壓系統的硬體成本，在整體使用上更具有靈活性。 (二) 過去文獻之擺放配置在正常和扁平足弓都能夠準確量測步態動力學參數，這樣的結. 34.
(43) 果在實際應用上給予重要的資訊。開發者能夠以一種設計模型即可滿足不同足弓的使用 者，使製作足壓鞋墊的過程更加簡易且方便。 量化步態動力學參數除了學術上的探討外，在日常生活或醫療上都具有重要的意義。 如何製作出一套簡易足壓系統，並普及於一般人使用是一項挑戰。像是多數業餘跑者都 會想了解自己在跑步過程中，步態各個時期足底壓力的狀況，主要是希望能夠避免運動 傷害。而本研究探討的兩項參數或許不能夠完全的代表整個足底壓力的情形，在先前的 研究中，有學者去對 CoP 移動速度和偏移面積去進行探討 (Wong et al., 2008)，這些相 關的參數都有可能與步態的特徵息息相關。在未來需要進一步找出與傷害相關的參數並 將其量化，想必能提供學術及應用更佳全面的見解。. 35.
(44) 引用文獻. 謝長欣. (2018)。壓力感測元件數量對步態動力學參數預測準確度之影響。國立臺灣師 範大學運動競技學系碩士論文，台北市。. Bamberg, S. J. M., Benbasat, A. Y., Scarborough, D. M., Krebs, D. E., & Paradiso, J. A. (2008). Gait analysis using a shoe-integrated wireless sensor system. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, 12(4), 413-423.. Barnett, S., Cunningham, J. L., & West, S. (2001). A comparison of vertical force and temporal parameters produced by an in-shoe pressure measuring system and a force platform. Clinical Biomechanics, 16(4), 353-357.. Buldt, A. K., Forghany, S., Landorf, K. B., Levinger, P., Murley, G. S., & Menz, H. B. (2018). Foot posture is associated with plantar pressure during gait: A comparison of normal, planus and cavus feet. Gait & Posture, 62, 235-240.. Buldt, A. K., Forghany, S., Landorf, K. B., Murley, G. S., Levinger, P., & Menz, H. B. (2018). Centre of pressure characteristics in normal, planus and cavus feet. Journal of Foot and Ankle Research, 11(1), 3.. Cavanagh, P. R., & Rodgers, M. M. (1987). The arch index: a useful measure from footprints. Journal of Biomechanics, 20(5), 547-551.. Chuckpaiwong, B., Nunley, J. A., Mall, N. A., & Queen, R. M. (2008). The effect of foot type 36.
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(50) 附錄一：受試者實驗須知. 首先感謝您參加本研究！本研究題目為： 「少量感測元件不同擺放位置對扁平. 足步態動力學參數測量準確度之影響」 ，目的主要探討以少量感測元件針對不同擺 放位置，對於扁平足步態動力學參數量測的準確性是否會有影響。為了避免其他因素的 影響，使實驗得以順利進行，敬請遵守下列事項：. 一、請據實填寫基本資料。. 二、事先了解實驗流程。. 三、在實驗前確實做好暖身，避免受傷。. 四、實驗過程中如果有不適，請立即告知研究者。. 再次感謝您的熱情參與！. 42.
(51) 附錄二：受試者同意書. 本人已詳細閱讀受試者實驗須知內容，且經過研究者解說後，已完全瞭解實驗內容、步 驟，以及實驗期間可能發生的狀況。本人同意參加此實驗「少量感測元件不同擺放位置 對扁平足步態動力學參數量測準確度之影響」，且在實驗期間會全力配合，並盡自己最 大努力來完成此實驗。. 實驗名稱：少量感測元件不同擺放位置對扁平足步態動力學參數測量準確 度之影響受試者保護說明 一、您將具有隱私權和匿名的權力。. 二、實驗者在實驗內容和實驗目的有告知您的責任。. 三、您可以隨時要求解答有關實驗的各種問題。. 四、您有隨時退出實驗的權力。. 受試者：. 日. （簽名）. 期：. 因為您熱情的協助，使本研究得以順利完成，真誠感謝您的支持與配合！ 43.
(52) 附錄三：受試者基本資料表. 在您瞭解本實驗並且願意參與本實驗後，請填寫下列各項基本資料，讓實驗者瞭 解您的生理狀況以及運動背景，讓實驗可以順利進行。 而您所填寫的各項資料將會受到嚴格保密，不會有公開的危險。 工作單位或校名： 受試者姓名. ：. 出生日期. ： □女性. 性別：□男性. 身高：. 公分. 體重：. 公斤. 平常從事的運動： □3～5 次. 每週運動次數：□5 次以上. □3 次以下. □30～40 分. 每次運動時間：□1 小時以上. □30 分以下. □左腳. 慣用腳：□右腳. □否. 是否曾經受過下肢關節傷害：□是 如受過傷，受傷部位：. （腳踝、肩膀、髖關節…等等） □6 個月以上. 多久前受傷：□6 個月內 □否. 是否痊癒：□是 動作時是否會疼痛：□是. □否. 感謝您確實的填寫！ 44.
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