不同踩踏模式之疲勞介入對下肢動作的影響

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(1)國立臺灣師範大學運動與休閒學院運動競技學系碩士學位論文. 不同踩踏模式之疲勞介入對下肢動作的影響. 研究生：張佑全指導教授：相子元. 中華民國 103 年 5 月中華民國臺北市.

(2) 不同踩踏模式之疲勞介入對下肢動作的影響 2014 年 5 月研究生：張佑全指導教授：相子元摘要目的：疲勞現象對於不同踩踏模式，在足底壓力、肌電活化程度和下肢運動學參數的影響。材料與方法：15 位健康男性 (年齡 25.0±3.3 歲、身高 175.1±5.6 公分、體重 75.3±9.1 公斤)。壓力鞋墊偵測負重運動與非負重運動疲勞前、後足底壓力和足底接觸面積。雙極肌電貼片黏貼於右側臀大肌、股直肌、股外側肌、股內側肌、股二頭肌、脛前肌和外側腓腸肌，擷取疲勞前、後踩踏時的肌電訊號，配戴心率帶和心率錶監測目標心跳率，並以伯格氏自覺用力指數量表評分疲勞前、後用力程度。以相依樣本 t 檢定呈現疲勞前、後心跳值和自覺用力指數，二因子重複量數變異數分析檢測疲勞前、後足底壓力、足底接觸面積、肌電訊號和下肢關節活動度，顯著水準值為 α=.05，分析資料皆為右腳。結果：疲勞後，負重運動的前足壓力顯著上升，後足外側顯著下降，非負重運動後足外側顯著下降，負重運動足壓顯著大於非負重運動，前足接觸面積顯著小於非負重運動，中內側和後足顯著大於非負重運動。臀大肌活化程度顯著上升，脛前肌在非負重運動顯著下降，負重運動臀大肌活化較顯著。非負重運動髖關節和踝關節活動度分別上升和下降，兩者膝關節最小夾角疲勞後皆顯著下降。踝關節最大和最小夾角發生時間點在疲勞後延遲發。負重運動髖、膝、踝關節最大和最小夾角皆大於非負重運動，僅有踝關節活動度和最大夾角在疲勞後兩者之間沒有差異。結論：足壓分布往前足集中，負重運動對於臀大肌活化程度較顯著，脛前肌在非負重運動扮演傳遞踩踏力量重要的角色，膝關節活動度因為髖關節和踝關節活動度代償維持穩定，膝關節最小夾角和踝關節最大、最小夾角發生時間點在兩者皆受到疲勞顯著影響。. 關鍵詞：足底壓力、肌電訊號、關節活動度、次最大運動 i.

(3) The Influence of Exhaustion on Lower Limbs Motion between Different Pedaling Patterns May, 2014 Author: Chang, Yu-Chuan Advisor: Shiang, Tzyy-Yuang. Abstract Purpose: To investigate the influence of fatigue on biomechanics in weight-bearing and non-weight-bearing pedaling by measuring plantar pressure (PP), contact area (CA) electromyography (EMG), and lower limbs kinematics. Method: Fifteen male participants were recruited in this research (age: 25.0±3.3 years old, height: 175.1±5.6 cm, and weight: 75.3±9.1 kg). PP, CA, range of motion (ROM), maximal and minimal angle and angles happening time, and also heart rate (HR) and rate of perceived exertion (RPE) were measured before and after the exercise. The paired t test was used to evaluate HR and RPE before and after the exercise. The 2-way repeated ANOVA was used to evaluate PP, CA, ROM, lower limbs kinematics parameters before and after the exercise. The significant level was α=.05. Only right foot data were analyzed. Result: Forefoot PP increased and rearfoot PP decreased. Muscle activation of gluteus maximal (GM) increased, and tibialis anterior (TA) decreased during non-weight-bearing exercise. Knee flexion angle increased, delayed onset of ankle plantar flexion and dorsiflexion maximal angle. Hip and ankle ROM increased and decreased respectively during non-weight-bearing exercise. Conclusion: After the exhaustion, plantar pressure distribution towards forefoot. Muscle activation of GM increased and TA played an important role as a force transmitter in non-weight-bearing exercise. Knee ROM remained stable due to the compensation of hip and ankle joint. Delayed onset of ankle motion can be the key of exhaustion.. Key words: plantar pressure, electromyography, joint ROM, sub-maximal exercise ii.

(4) 謝誌碩士兩年就這樣結束了！回想當初大學畢業等待推甄放榜的情境依舊歷歷在目，研究所開學後便是一連串轟炸式的碩士生培育計畫，第一次口頭發表、第一次 Seminar、第一次做實驗、第一次接產學合作計畫…，大學不論學了多少專業知識、學了多少高超的治療手法和技巧、學了多少規劃實驗的基本方法，在研究所全部重新洗牌，過程難免艱辛困難也遇到許多挫折，甚至開始自我懷疑，不知道自己到底為什麼而忙碌、為什麼而拚命、為什麼犧牲時間在這麼多紙上作業和實驗上，一度還有了想要休學的念頭，還好在自我放棄之前，相子元老師及時將我從懸崖邊緣救回來，平常覺得與老師的相處和討論內容不外乎就是學術和課堂作業的事情，但是其實老師都有在默默關心研究生的狀況，也因為老師當頭棒喝讓我更覺得不能辜負老師對我的期望，因此才能夠如此快速也順利地在碩二下五月中就完成了碩士學位口試，並且順利修改論文拿到畢業證書。謝謝研究所老師、學長姊、同學、學弟妹的幫忙、謝謝這一路支持我、陪伴我的家人、謝謝所有實驗參與者、謝謝實驗器材在最重要的時刻乖乖地沒有出任何差錯…，要感謝的真的太多了，謝天也不足以表達我對大家的感謝，希望所有曾經幫助過我、被我幫助過的人，在未來的道路上都能夠非常順利、成功！. iii.

(5) 目. 次. 中文摘要…………………………………..………………….……………………………i 英文摘要…………………………………………………………..…….…………………..ii 謝誌…………………………………………………………………………………………iii 目次……………………………………………………………….…………...……………iv 表次………………………………………………………………………………..………..vi 圖次………………………………………………………………................……….……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………………………………………………………4 第四節研究假設………………………………………………………5 第五節研究範圍和限制……………………………………………....5 第六節名詞操作性定義………………………………………………5 第七節研究的重要性…………………………………………………8. 第貳章. 相關文獻探討....................................................................................9. 第一節足底壓力和足底接觸面積……………………………………9 第二節肌電訊號……………………………………………………..10 第三節下肢運動學參數………………………………………….….11 iv.

(6) 第四節文獻總結……………………………………………………..12. 第參章. 材料與方法......................................................................................13. 第一節實驗參與者…………………………………………………..13 第二節實驗設備……………………………………………………..13 第三節實驗設計……………………………………………………..16 第四節實驗步驟……………………………………………………..18 第五節資料處理……………………………………………………..19. 第肆章. 結果………………………………………………………………..21. 第一節相依樣本 t 檢定……………………………………………....21 第二節二因子重複量數變異數分析…………………………….….21. 第伍章. 討論………………………………………………………………..31. 第一節足底壓力和足底接觸面積…………………………………..31 第二節肌肉活化程度………………………………………………..32 第三節下肢運動學參數…………………………………………......33 第四節結論與未來建議…………………………………………......35. v.

(7) 第陸章. 引用文獻…………………………………………………………..36. 表. 次. 表 1 橢圓機和健身車足底壓力的比較…………………………………….10 表 2 實驗參與者基本資料……………………………………..…………….13 表 3 心跳和自覺用力指數………………………………………………..….21 表 4 不同踩踏模式疲勞前、後足底壓力差異……………………………….22 表 5 不同踩踏模式疲勞前、後足底接觸面積差異……………………….....23 表 6 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最大夾角差異………….........27 表 7 不同踩踏模式疲勞前、後髖、踝關節最大夾角差異……………...........28 表 8 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最大夾角時間點差異…….....28 表 9 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最小夾角時間點差異…….....29 表 10 不同踩踏模式疲勞前、後膝關節活動度差異…………………...........30. 圖. 次. 圖 1 斜接樞紐模型……………………………………………………..……..4 圖 2 足底分區圖……………………………………………………...……….6 圖 3 非負重運動和負重運動踩踏週期………………………………….........7 圖 4 伯格氏自覺用力指數量表…………………………………………......14 圖 5 橢圓機和轉速顯示器……………………...……………………….......14 圖 6 固定式健身車和轉速顯示器………………………………...………...15 vi.

(8) 圖 7 下肢關節夾角………………………………………………...………...20 圖 8 一位參與者負重運動疲勞前(左)和疲勞後(右)足底壓力分布圖…….21 圖 9 一位參與者非負重運動疲勞前(左)和疲勞後(右)足底壓力分布圖......22 圖 10 一位參與者非負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現……....23 圖 11 一位參與者非負重運動疲勞後肌電訊號和下肢運動學表現……....24 圖 12 一位參與者負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現……........24 圖 13 一位參與者負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現………....25 圖 14 不同踩踏模式疲勞前、後臀大肌肌肉活化程度的差異…………......26 圖 15 不同踩踏模式疲勞前、後脛前肌肌肉活化程度的差異……………..26 圖 16 不同踩踏模式疲勞前、後膝關節最小夾角差異……..........................27 圖 17 不同踩踏模式疲勞前、後髖關節活動度差異…..................................30 圖 18 不同踩踏模式疲勞前、後踝關節活動差異…………………..............30. vii.

(9) 1. 第壹章. 緒論. 第一節研究背景現代人對於個人健康越來越重視，政府和許多私人運動休閒機構都極力倡導運動的好處，並且不定期舉辦大規模活動，提供民眾有運動的機會，但是，戶外活動往往容易受限於天氣因素影響，因此，越來越多人進而尋求健身房一途維持運動的習慣。健身房裡最常見的心肺和下肢肌耐力訓練器材便是跑步機、健身車和橢圓機，然而，除了健身房之外，許多醫院和診所也都備有跑步機、健身車和橢圓機，提供神經性、肌肉骨骼系統或心肺功能缺損患者，例如：腦性麻痺、中風、脊髓損傷、下肢骨骼肌肉損傷、冠狀動脈疾病…等，在復健療程中，使用這些運動器材達到促進心肺適能和下肢肌力重建的效果。跑步和行走等步態動作是一種負重運動 (weight-bearing exercise)，意味著在活動過程中，下肢必須承受身體的重量。步態週期可以分為站立期和擺動期，在一般正常行走速度下，站立期與擺動期的比例分別約為 60%和 40%，隨著行走速度上升，站立期的時間隨之減少，擺動期的時間相對增加 (Liu et al., 2013)，腳跟著地的瞬間；也就是步態週期中的足跟觸地期 (heel contact)，下肢必須承受極大的反作用力，根據過去研究發現，在每秒 2.8 到 3.4 公尺的速度下，下肢膝關節承受的衝擊力為身體的 4.5 倍 (Roos, Barton, Deursen, 2012)。然而，為了使得下肢負擔減少，同時又能達到心肺適能和下肢肌力訓練效果，因此，近幾十年來便出現了橢圓機這項運動產品，與跑步型態相同的地方在於，橢圓機也是一種負重運動 (Kaplan, Barak, Palmonovich, Nyska, & Witvrouw, 2014)，而且踩踏橢圓機過程中抓握握把能夠幫助減少下肢承受的負荷，因此在反覆踩踏過程中，下肢與踏板產生的反作用力相對較小，對於膝關節的負荷和也相對減低。近年來不論是健身房訓練或是醫院裡進行復健運動，橢圓機都是很熱門的訓練器材，此外，在橢圓機上的動作型態與跑步機非常相似，髖關節、大腿、膝蓋的活動型態在兩者之間皆有高度相關 (Burnfield, Jorde, Augustin, & Bashford, 2007)，由於.

(10) 2. 兩者動作型態極為類似，因此在復健臨床決策上，許多物理治療師會使用橢圓機作為步態訓練的方法。除了橢圓機之外，健身車也是反覆性下肢踩踏的運動型態，同時亦為心肺和下肢肌耐力訓練，其中，橢圓機和健身車皆為閉鎖鏈運動模式 (Heijne et al., 2006; Lu, Chien, Chen, 2007)，下肢活動軌跡受限於機台設計而較為穩定，下肢與踏板之間的衝擊力較小，除此之外，由於健身車有座椅支撐身體重量，屬於一種非負重運動 (non-weight-bearing exercise) (Spector et al., 1996)，如此一來下肢的負荷相較於跑步機和健身車又下降不少。為了瞭解負重與非負重運動特性上的差異，目前亦有許多研究針對橢圓機和健身車在生物力學特性進行分析和探討，在橢圓機踩踏過程中，骨盆、髖關節和踝關節活動度以及活動軌跡皆顯著大於健身車，兩者膝關節活動軌跡較為相似，但是踩踏健身車時，髖關節和膝關節屈曲活動度較橢圓機多 (Damiano, Norman, Stanley, Park, 2011)，除了運動學的參數之外，橢圓機和健身車在踏板足底壓力和垂直反作用力也有所差異，在足底壓力的部分，不論前、中、後足，橢圓機皆顯著大於健身車，但是在垂直反作用力的部分，只有前足在橢圓機踩踏顯著大於健身車。在肌肉活化方面，在橢圓機踩踏過程中，股直肌肌肉作用時間和肌肉活化程度都顯著大於健身車，半腱肌在兩者之間並沒有顯著差異，且大腿前、後側肌肉共同活化時間 (coactivation time) 在橢圓機踩踏也顯著大於健身車 (Prosser, Stanley, Norman, Park, Damiano, 2011)。儘管使用橢圓機和健身車能夠達到增進心肺適能和下肢肌力的成果，並且減少下肢承受的衝擊力，降低傷害風險，但是仍有研究表示，使用這兩種運動器材對於下肢依然潛在受傷的危機，對於如何正確使用和選擇這些運動器材，才能達到最好的訓練效果並且將傷害風險減到最低，便是一個值得探討的問題。. 第二節研究問題長時間運動會產生疲勞現象，下肢疲勞會使得肌肉力量降低、影響運動效率、姿勢控制以及反應時間，若忽略疲勞現象持續運動，便有可能產生嚴重的傷害 (Bisson,.

(11) 3. Chopra, Azzi, Morgan, Bilodeau, 2010; James, Scheuermann, Smith, 2010)。除了整體運動狀況和表現受到影響之外，下肢疲勞也會造成足部舟狀骨位置下降，進而導致足弓產生塌陷，反覆發生這樣的現象便可能增加足部受傷的風險 (Headlee, Leonard, Hart, Ingersoll, Hertel, 2008)。騎乘自行車是一種相當考驗耐力的活動，即使對下肢的衝擊和負荷很小，但是經過長時間反覆踩踏，疲勞現象導致不正常關節活動產生，便容易造成下肢軟組織和肌肉骨骼系統產生傷害，其中最常見的傷害便是髕骨股骨疼痛症候群 (patellofemoral pain syndrome)和髂脛束摩擦症候群 (iliotibial band friction syndrome) (Callaghan, 2005)，因此，有許多研究開始探討疲勞現象對於騎乘的影響。有研究透過長時間騎乘觀察下肢關節運動學的變化，結果發現，經過 60 分鐘的模擬計時賽制騎乘之後，脛骨旋轉活動度在長時間騎乘之後顯著大於騎乘前，這樣的現象顯示在踩踏期的過程中，穩定膝關節的機制因為疲勞產生而失去作用，膝關節穩定度下降，隨之而來便是傷害的產生，也間接說明為何大多數自行車選手膝關節容易產生反覆性傷害 (Sayers, Tweddle, Every, & Wiegand, 2012)。雖然透過先前研究得知，踩踏橢圓機和健身車產生的踏板反作用力顯著小於跑步和行走時產生的地面反作用力，但是，下肢承受的反作用力減少，依舊無法解決長期踩踏對下肢產生的傷害，因此，有學者認為下肢傷害的來源並不僅來自反作用力的衝擊 (Lu et al., 2007)，此外，針對使用者自覺用力指數探討身體各部位在踩踏橢圓機和跑步機行走的差異時，腿部自覺用力指數在踩踏橢圓機時卻顯著大於跑步機運動 (Green, Crews, Pritchett, Mathfield, & Hall, 2004)。透過斜接樞紐模型 (mitered hinge model) (圖 1) 可以說明脛骨內轉和外轉帶動足部產生旋前 (pronation) 和旋後 (supination) 的現象 (Pohl, Messenger, Buckley, 2006)，自行車踩踏產生疲勞後，脛骨的過度向內扭轉會使得足部產生過多旋前動作，而過多的旋前動作會造成舟狀骨下降，進而產生足弓塌陷，雖然在上述研究中，足部旋前關節活動度在疲勞後並沒有顯著差異，但是，這樣的機轉仍然需要後續研究探討，方能得知下肢疲勞對於足部的運動學和運動力學參數是否會有所影響。.

(12) 4. 圖 1 斜接樞紐模型 (mitered hinge model) 資料來源：”Foot biomechanics during walking and running,” by C. W. Chan, 1994, Mayo Clinic Proceedings, 69(5), p.451. 目前已有許多研究著力於探討自行車和橢圓機的生物力學特性，以及運動疲勞可能對人體造成的影響，橢圓機和健身車都是訓練心肺適能非常常見且受歡迎的訓練方式，儘管兩種運動皆為閉鎖鏈運動模式，對於下肢負重程度卻大不相同，根據不同負重程度，臨床決策者變能夠較為準確的開立治療處方給予適合的患者 (Kaplan et al., 2014)，先前研究雖然提到下肢疲勞會產生足弓塌陷的現象，但是，這樣的機轉是否能夠確實反映在足底壓力分布和足底接觸面積上？疲勞產生後，兩種踩踏模式在肌肉活化程度、關節夾角變化等參數上，是否會有相同或是相反的趨勢？如果能夠了解疲勞產生後的趨勢變化，便可以針對不同運動需求的使用者提供更佳的運動資訊，對於運動器材開發和改良也能夠較有依據，因此，本研究希望能夠探討兩種不同踩踏模式在疲勞前後，運動學和運動力學參數上的差異，進而提供物理治療師、運動指導員和選手，在選擇運動器材和使用上，能夠有更明確的選擇指標，以及對於疲勞現象的影響有更深入的了解，並且提供運動器材廠商在開發器材上的參考依據。. 第三節研究目的本實驗研究目的在於探討疲勞前以及疲勞後，足底壓力、足底接觸面積、肌電訊號、膝關節和踝關節夾角的變化，在不同踩踏模式之間有無任何差異，並且透過實驗.

(13) 5. 結果提供臨床使用，以及運動器材開發和改良。. 第四節研究假設運動產生疲勞後，足底壓力、足底接觸面積、肌電訊號和下肢關節活動度與疲勞前有顯著差異。. 第五節研究範圍和限制本實驗以橢圓機和健身車作為兩種不同踩踏模式，然而，執行健身車疲勞介入實驗的踩踏頻率和阻力設定已經有許多研究支持，但是橢圓機種類繁多，設計上不盡相同，運動強度的設定和定義也有許多差異，因此，本研究設定在相同的阻力下，以個人舒適速度為橢圓機踩踏頻率，而健身車仿造先前實驗設定當作參考指標，而整體的疲勞過程以踩踏健身車當作疲勞介入。足底壓力和足底接觸面積只有在疲勞前、後進行數據收取，因此無法得知整個實驗過程中足底壓力值的變化趨勢。. 第六節名詞操作性定義一、踩踏模式踩踏模式分為負重運動踩踏以及非負重運動踩踏兩種模式。二、負重運動表示運動過程中，下肢必須承受身體重量，在本研究中以橢圓機運動作為負重運動代表。三、非負重運動表示運動過程中，下肢不需要承受身體重量，在本研究中以固定式健身車作為非負重運動代表。.

(14) 6. 四、疲勞現象當實驗參與者在踩踏過程中無法維持 90±5 rpm 達 10 個踩踏週期，且達到或超過個人目標心跳率，則定義為已達到疲勞。五、足底壓力分區將足底分成前足、中足和後足三大區塊，再將各區等分分成左、右兩個區塊，共六個區塊。 (圖 2)。. 圖 2 足底分區圖. 六、最大足底壓力平均值在踩踏過程中，計算每一個時間點偵測的壓力，再將一步中的最大壓力值加總除以總步數，即為最大足底壓力平均值。七、足底接觸面積在踩踏過程中，將每一步足底分區內有感應到壓力的感測器數量加總，並且將感測器數量換算成接觸面積，加總除以總步數，即為足底接觸面積。八、踩踏週期踩踏週期可分為踩踏期 (drive phase) 和恢復期 (recovery phase)。踩踏期為踏板從上死點 (top dead point) 經過踩踏最前端一直到下死點 (bottom dead point) ，而恢復期為踏板從下死點經過踩踏最尾端回到上死點 (Sayers et al., 2012) (圖 3)，踩踏一圈為 100%，上死點為 0%，下死點為 50%。.

(15) 7. 圖 3 非負重運動和負重運動踩踏週期. 九、最大關節夾角在踩踏過程中，膝關節和踝關節在一個踩踏週期中產生的最大夾角。十、最小關節夾角在踩踏過程中，膝關節和踝關節在一個踩踏週期中產生的最小夾角。十一、最大關節夾角時間點在踩踏過程中，膝關節和踝關節在一個踩踏週期中產生最大夾角的時間點，以百分比表示。十二、最小關節夾角時間點在踩踏過程中，膝關節和踝關節在一個踩踏週期中產生最小夾角的時間點，以百分比表示。十三、下肢關節活動度在踩踏過程中，關節最大角度與最小角度的差。十四、自覺用力指數估計實驗參與者藉由踩踏運動過程中自身感覺，包含心跳、呼吸、排汗、肌肉疲勞等，估計運動時的強度。十五、最大自主收縮在踩踏運動過程中，以最快速度進行衝刺踩踏，此時肌肉會產生反覆最快和最大收縮。.

(16) 8. 第七節研究的重要性根據過去研究可以得知，雖然橢圓機和健身車同為心肺適能訓練和下肢肌力訓練器材，而且兩者皆屬於閉鎖鏈運動模式，其中，健身車為非負重運動，而橢圓機為負重運動，因此在足底壓力分布、足底接觸面積、肌肉活化程度和下肢關節活動度應會有所差異，但是，疲勞現象對於運動學和運動力學參數的變化仍然需要研究支持。然而，先前研究大多著重於非負重運動產生疲勞現象之後在生物力學特性的影響，對於負重運動並沒有研究探討其產生疲勞之後的現象，亦沒有針對這兩種運動模式在疲勞前、後差異進行探討，若能夠了解疲勞現象產生的影響，便可以提供物理治療師、運動指導員和一般民眾在使用這些運動器材時，更加瞭解疲勞對身體產生的變化，並且針對訓練需求和方向，正確選用適合自己的器材，以達到使用目的和最佳的訓練效果。.

(17) 9. 第貳章. 相關文獻探討. 第一節足底壓力和足底接觸面積運動過程中，人體與接觸表面會產生作用力與反作用力，不論是跑步時產生的地面反作用力或是騎乘自行車和踩踏橢圓機產生的踏板反作用力，都可以透過測力板得到這些力量的數值，但是，透過這些數值我們只能了解整體作用力的大小與方向，並沒有辦法知道這些力量對於足底各區域的影響，因此，便有研究開始探討足底壓力分布和其他參數在運動過程中的情形。有研究發現，長時間慢跑到疲勞後，足底壓力會往第一腳趾掌趾關節集中，局部壓力上升便可能造成肌肉骨骼傷害，例如：掌趾關節疲勞性骨折，此外，中足內側壓力在疲勞後也有顯著上升 (Weist, Eils, Rosenbaum, 2004)，然而，別篇研究顯示疲勞後中足內側壓力卻顯著下降 (Bisiaux, Moretto, 2008)，可能原因在於實驗設計的差異產生不一樣的結果，但是由此可知，疲勞現象對於足部產生的變化確實能夠反映在足底壓力大小和分布上。除了運動對於足底壓力分布情形之外，過去亦有研究探討糖尿病患者足底褥瘡和足底壓力分布的相關性，結果發現糖尿病患者足底壓力基準值顯著高於非糖尿病患者，壓力顯著集中於第一腳趾掌趾關節處 (Ledoux et al., 2013)，為了分散足底壓力，有許多產品便因應而生，例如客製化鞋墊，因此也有研究開始探討不同鞋墊設計對於足底壓力分布的影響，穿著與足底輪廓較符合的鞋墊騎乘自行車時，足底接觸面積顯著上升，代表鞋墊與足底較為服貼，較能達到分散壓力的效果 (Bousie, Blanch, McPoil, Vicenzino, 2013)。儘管有些研究結果不盡相同，我們依舊可以透過足底壓力的分布情形，更進一步了解運動對足底產生的變化，並且了解足底壓力應用的廣泛性。然而，不同運動項目在足底壓力分布和足底接觸面積也所差異 (表 1)，從研究結果可以發現，踩踏健身車的壓力值皆顯著小於橢圓機，儘管如此，依然可以從實驗數據發現兩者足底壓力分布情形一致，皆為前足>中足>後足。在足底接觸面積方面，橢圓機後足接觸面積顯著大於健身車，前、中足皆無顯著差異，原因在於自行車踩踏大.

(18) 10. 多以前足部位接觸踏板，後足呈現懸空狀態，因此後足接觸面積較少，也可以從上述壓力分佈看到這樣的現象 (Burnfield et al., 2007)。雖然目前已經知道不同運動器材在足底壓力分布上或有些許差異，但是對於疲勞現象產生之後的結果仍然未知。. 表1 橢圓機和健身車足底壓力的比較. 足底壓力. 足底接觸面積. 前足. 中足. 後足. 橢圓機. 188.0 (77.0). 111.0 (26.0). 99.0 (42.0). 健身車. 44.0 (13.0). 40.0 (12.0). 29.0 (12.0). 橢圓機. 76.2 (12.1). 57.6 (10.0). 40.0 (10.9). 健身車. 41.1 (24.9). 27.3 (12.0). 14.5 (11.5). 資料來源：” Variations in plantar pressure variables across five cardiovascular exercises,” by. J. M. Burnfield, 2007, Medicine & Science in Sports & Exercise, 39 (11), p.2015-2016 註：足底壓力單位為千帕，足底接觸面積單位為平方公分。數據以平均值(標準差)表示. 第二節肌電訊號肌電圖的應用非常廣泛，許多文獻都會利用肌電圖探討運動過程中肌電訊號變化，然而，最常見的便是探討各部位肌肉在運動過程中活化程度的差異，透過活化程度差異可以讓我們知道執行一項運動的主要作用肌群，一旦了解肌肉的作用機制，不論在訓練或是復健的選擇上，都能夠更符合使用者需求，達到最佳的訓練效果。橢圓機和健身車運動的共同特點為心肺和下肢肌肉耐力訓練，除了一般體適能訓練以外，也是復健運動常見的訓練模式，雖然同為下肢運動，但是動作型態上仍然有些許差異 (Damiano et al., 2011)，為了釐清這些差異對於肌肉活化是否也會產生不同的現象，因此，便有學者開始探討這兩種運動之間肌肉活化的差異。研究結果指出，橢圓機踩踏對於股直肌活化程度、活化時間顯著高於健身車，半腱肌在兩者之間無顯著.

(19) 11. 差異，除了活化時間和程度之外，踩踏橢圓機對於大腿主要作用肌和拮抗肌的共同收縮時間也顯著大於健身車 (Prosser et al., 2011)。肌肉活化程度較高代表肌肉被徵召的數量較多，想要增加股直肌肌力，踩踏橢圓機比健身車更能達到效果，然而，雖然半腱肌在兩種器材之間並沒有達到顯著差異，但是踩踏健身車對於半腱肌活化程度低於橢圓機，加上共同活化時間也顯著低於橢圓機，對於想要增加心肺耐力和下肢肌力，卻有腿後肌群有痙攣性張力異常 (spasticity) 的患者，例如：腦性麻痺，便可以使用健身車達到較好的訓練效果，也能有效減少運動過程中可能引起的痙攣性張力異常。為了達到好的訓練效果，通常都必須拉長運動時間，雖然使用不同運動器材在肌肉活化方面的差異已經略有所知，但是，長時間騎乘產生的疲勞現象對於肌肉活化的改變仍然不明確，如果能夠知道產生疲勞後對於身體產生的變化與影響，不論是訓練或是競賽，都能夠提供使用者在運動時有較好的執行策略，達到最佳效率，因此，也有其他研究開始探討疲勞現象對於自行車踩踏的影響，實驗參與者經過 13 次反覆快速衝刺之後，最後一次與第一次衝刺相較之下，股二頭肌和外側腓腸肌肌肉活化顯著小於疲勞前，但是在衝刺測試前後的穩定踩踏數據上，只有股外側肌顯著上升 (Hautier et al., 2000)。雖然股二頭肌和外側腓腸肌在疲勞衝刺後的穩定踩踏測試中，肌電活化沒有顯著改變，但是整體輸出力量和功率卻下降，由此可知，為了達力量傳遞的效率，拮抗肌會配合已經疲勞的主要作用肌做調整，降低共同收縮的程度。雖然目前已經了解疲勞衝刺後，肌電訊號和生理機制會有所改變，但是，這樣反覆衝刺的結果並不符合選手比賽時的競賽策略，以及一般使用者在訓練時的踩踏模式，此外，目前疲勞測試大多僅限於健身車，在作者的認知中，並沒有相關研究探討疲勞現象對於踩踏橢圓機時肌電訊號的影響。. 第三節下肢運動學參數雖然踩踏橢圓機和騎乘健身車的動作屬於閉鎖鏈運動模式，運動型態相較於一般跑步可能會有較穩定的運動軌跡和關節活動範圍，因此，對於需要步態訓練但是下肢.

(20) 12. 穩定能力較差的患者而言，橢圓機和健身車便成為初步訓練的好選擇，然而，先前研究卻指出，橢圓機和健身車除了膝蓋關節活動度略為相似以外，橢圓機踩踏時，骨盆、髖關節和踝關節的活動度皆顯著大於健身車，儘管關節活動度相似，在踩踏健身車的髖關節和膝關節活動度中，有較大的屈曲角度 (Damiano et al., 2011)。由此可知，對於下肢關節受限又要訓練下肢肌力的患者，便可以藉由這些數據從中選取適合自己的運動器材。然而，在疲勞現象產生之後，髖關節伸直角度、踝關節背屈角度和脛骨旋轉活動度顯著上升 (Sayers et al., 2012)，其中，髖關節伸直角度上升的現象也與其他研究結果相符合 (Bini, Diefenthaeler, Mota, 2010a; Bini, Diefenthaeler, 2010b; Sanderson, Black, 2003)，然而，在矢狀面以外的動作平面上，唯有脛骨旋轉活動度在疲勞後的變異性較大，因此，脛骨旋轉活動度可能成為判斷產生疲勞現象的指標。但是，疲勞現象對於橢圓機踩踏在運動學上的差異仍然缺乏文獻佐證。. 第四節文獻總結從過去文獻可以得知，目前大多數文獻對於健身車和橢圓機兩種不同運動模式都有基本的探討和認識，不論在運動學、運動力學或是肌電等其他參數上，都能夠藉由這些研究結果釐清人體在操作這類運動器材上的異同之處，雖然也有許多研究在探討疲勞現象對於人體在運動表現或是型態上的差異，但是不同負重運動程度的運動在疲勞產生後，會有什麼相同或相異的變化趨勢仍然是個未知數，因此本研究希望能夠透過疲勞介入，了解疲勞現象對於不同踩踏模式在足底壓力、肌電參數和運動學的差異和影響，進而提供使用者或學者更多資訊，以便針對這類的心肺訓練器材進行改良和開發。.

(21) 13. 第參章. 材料與方法. 第一節實驗參與者本研究招募 15 位實驗參與者 (表 2)，所有參與者皆有騎乘自行車和踩踏橢圓機經驗，並且有持續運動習慣，所有參與者在六個月內皆無任何下肢相關神經性和肌肉骨骼系統之損傷。實驗參與者在進行正式實驗前，皆被告知完整實驗內容以及過程中可能發生的風險，並且簽署實驗參與者知情同意書，之後便開始正式實驗。. 表2 實驗參與者基本資料年齡(年). 身高(公分). 體重(公斤). 25.0 (3.3). 175.1 (5.6). 75.3 (9.1). 註：以平均值(標準差)表示。. 第二節實驗設備一、心率帶和心率錶實驗過程中，參與者全程配戴心率帶和心率錶 (POLAR S725X Pro Team Edition, Oulu, FI)，隨時監控心跳是否有達到目標心跳率，確保所有人的運動強度皆達到標準。二、伯格氏自覺用力指數量表以此量表作為評估參與者在實驗過程中，估計運動強度的參考指標，也當作判定參與者是否達到疲勞的參考依據之一 (圖 4)。.

(22) 14. 伯格式自覺用力指數表 6 7. 完全沒有用力的感覺極為輕鬆. 8 9. 非常輕鬆. 10 11. 輕鬆. 12 13. 有點辛苦. 14 15. 辛苦. 16 17. 非常辛苦. 18 19 20. 極之辛苦盡最大努力圖 4 伯格氏自覺用力指數量表. 三、橢圓機本實驗使用市售前置式飛輪橢圓機 (Spirit CG800 e-Glide Elliptical Trainer, Arkansas, USA)作為實驗器材，為了使運動型態較為自然，所有參與者在踩踏過程中，皆抓握活動式握把，並且以個人可接受的踩踏頻率進行實驗 (圖 5)，橢圓機前方亦有轉速顯示器，提供實驗參與者視覺回饋，維持穩定踩踏頻率，踩踏頻率設定為 60±5 rpm。. 圖 5 橢圓機和轉速顯示器.

(23) 15. 四、固定式健身車本實驗使用自製固定式健身車作為疲勞介入的運動器材，當踏板位於下死點時，膝關節屈曲 30 度能夠產生最佳踩踏效率，並且降低騎乘過程中產生傷害的風險 (Bini, Hume, & Croft, 2011)，因此所有實驗參與者皆在此姿勢下進行疲勞踩踏，健身車前方亦有轉速顯示器提供視覺回饋，讓實驗參與者在踩踏過程中能夠維持較一致的踩踏頻率，也能使施測者了解實驗參與者是否已經達到疲勞程度，無法維持設定的踩踏頻率。疲勞測試踩踏頻率設定為 90±5 rpm (Lucía, Hoyos, & Chicharro, 2001) (圖 6)。. 圖 6 固定式健身車和轉速顯示器五、慢跑鞋本實驗使用的足底壓力器材為足底壓力鞋墊，過去研究顯示，不同鞋子中底設計會影響足底壓力分佈的情形 (Bousie et al., 2013)，為了讓足底壓力分佈的差異性降到最低，每位參與者皆穿著相同的鞋子 (NIKE FREE 5.0, Oregon, USA) 進行騎乘和踩踏。六、自行車褲所有實驗參與者皆穿著有臀部加厚護墊的自行車褲，提高疲勞騎乘時的舒適度，避免在漫長的疲勞測試中，因為臀部的不舒適影響運動表現和騎乘時數。七、足底壓力鞋墊本實驗使用足底壓力鞋墊 (PEDAR System, NOVEL, Munich, DE)偵測踩踏橢圓機和騎乘健身車在疲勞前後的足底壓力，以及足底接觸面積。此足底壓力鞋墊是由 99 個壓力感測器組成，在實驗開始前，會依照參與者鞋號尺寸選擇適合的足底壓力鞋墊，避免鞋墊在鞋內過度擠壓，或是預留過多空間而無法測得該區域真正的數值，取樣頻.

(24) 16. 率為 100 赫茲。八、三維動作擷取系統使用 Vicon 三維動作擷取系統 (Vicon Motion Analysis System, Vicon, Oxford, UK)，以及 10 台紅外線攝影機，搭配 Nexus 1.8 軟體進行攝影機設定和校正。依照 Plug-in-Gait 人體肢段模型黏貼下肢共 7 顆光點，分別位在股骨大轉子、脛骨外上髁、脛骨內上髁、踝外髁、踝內髁、足跟後側及第二掌趾關節處，其中，足跟後側和第二掌趾關節光點連線必須等高並且平行於地面，所有光點皆黏貼於右腳，紅外線攝影機取樣頻率訂為 100 赫茲。九、肌電訊號使用無線肌電儀器搭配 MyoResearch XP (Noraxon, USA, Inc., Arizona, USA) 擷取並且分析肌電訊號，雙極肌電貼片黏貼位置分別位於右側臀大肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、股二頭肌、腓腸肌外側和脛前肌 (Dingwell, Joubert, Diefenthaeler, & Trinity, 2008)，取樣頻率為 1500 赫茲。. 第三節實驗設計所有實驗參與者皆被告知在實驗前一天要避免下肢激烈運動，以防進行正式實驗當天身體狀況不佳影響實驗結果。實驗開始前，所有參與者皆換上我們提供的自行車褲和鞋子，避免因為穿著不同的衣物和鞋子影響實驗數據，著裝完畢後開始黏貼光點和肌電貼片，為了減少收取數據的誤差，皆由同一位施測者黏貼光點和肌電貼片，黏貼完畢後量測安靜心跳率，並且計算目標心跳率，完成後便開始量測實驗參與者靜態踩踏時的膝關節角度，首先請實驗參與者坐在自行車坐墊上，並且將踏板踩踏至下死點處靜止不動，此時，利用三維動作分析系統觀察施測者膝關節屈曲角度是否為 30 度，確認角度無誤後後便可開始進行暖身，暖身完畢即收取最大自主收縮肌電數據，參與者等待施測者下達口令之後，參與者以最快的速度進行踩踏，維持 10 秒鐘，便完成擷取最大自主收縮肌電數據的步驟 (Albertus-Kajee, Tucker, Derman, Lambert, 2010)，分別擷取橢圓機踩踏和健身車踩踏的最大自主收縮數據，作為事後標準化的基準值。.

(25) 17. 休息 30 分鐘之後，即可進入疲勞測試流程，全程以固定阻力 150 瓦特和 90 rpm 的踩踏頻率進行疲勞測試，疲勞開始前先收取第一筆資料作為疲勞前數據，收取完畢後將足壓儀器拆除，便開始進行疲勞踩踏測試，之後每三分鐘詢問一次參與者的自覺用力指數並且觀察心跳，停止疲勞測試的標準如下：自覺用力指數達 20 分、達個人目標心跳率、無法穩定維持 90±5 rpm 的踩踏頻率達 10 個踩踏週期，達以上條件則立即穿戴足壓儀器，並且收取最後一筆資料當作疲勞後數據，即可結束實驗，足壓儀器拆裝過程皆不超過 5 分鐘。.

(26) 18. 第四節實驗步驟換裝穿著相同的自行車褲和鞋子. 量測安靜心跳率計算參與者目標心跳率，作為運動強度指標之一。. 設定坐墊高度、暖身調整坐墊高度，適應踩踏阻力和踩踏頻率. 最大自主收縮在橢圓機和健身車上進行最快衝刺踩踏，並且收取肌電訊號。. 疲勞前測擷取肌電訊號、足底壓力和光點數據，當作疲勞前測資料。. 疲勞開始以90±5 rpm的踩踏頻率，並且每3分鐘量測一次心跳和詢問自覺用力指數。. 疲勞後測當參與者無法維持90±5 rpm的踩踏頻率，且達到或超過目標心跳率，則立即收取肌電訊號、足底壓力和光點數據，當作疲勞後測資料。. 實驗結束.

(27) 19. 第五節資料處理一、目標心跳率根據過去研究發現，以次最大自行車運動 (sub-maximum cycling) 進行疲勞介入較能造成神經肌肉疲勞 (James et al., 2010)，因此將運動強度定為 70%，目標心跳率以 Karvonen 公式計算，公式如下：(220-年齡-安靜心跳率) × 70% + 安靜心跳率 (Vlist, Bartneck, Mäueler 2011)。二、最大足底壓力平均值使用 Pedar 軟體分析疲勞前、後踩踏一分鐘足壓數據，擷取中間 5 個踩踏週期進行分析，將足底分區內每一個感應器接收到的最大壓力值加總並且求其平均值，即為該區域在踩踏過程中的最大足底壓力平均值。三、足底接觸面積平均值使用 Pedar 軟體分析疲勞前、後踩踏一分鐘足壓數據，擷取中間 5 個踩踏週期進行分析，將各區內每一步踩踏接觸面積加總且求其平均值，即為 5 個踩踏圈數的足底接觸面積平均值。四、肌肉活化程度利用 MyoResearch XP 軟體分析肌電原始數據，首先將原始資料進行翻正 (rectification)，接著以 15-500 赫茲進行通帶濾波 (band-pass filter)，再來以 50 毫秒間隔時間進行平滑化 (smoothing)，最後計算均方根 (Albertus-Kajee et al., 2010)，並且以最大自主收縮數據做標準化，以百分比方式呈現運動過程中肌電活化程度。擷取 5 個穩定踩踏週期中的最大肌電活化百分比值，加總且求其平均值。五、下肢關節夾角擷取 5 個穩定踩踏數據，以餘弦定理計算活動過程中髖關節、膝關節和踝關節在矢狀面上的關節夾角 (圖 7)，髖關節至參考點線段以及髖關節至膝關節線段之間夾角為髖關節夾腳，髖關節至膝關節線段以及踝關節至膝關節線段之.

(28) 20. 間夾角為膝關節夾角，膝關節至踝關節線段以及掌趾關節至踝關節線段為踝關節夾角 (Bini et al., 2010a; Bini et al., 2010b)，並求得最大以及最小夾角，便以最大角度與最小角度相減，求得關節活動度，加總求得平均值，即為疲勞前、後踩踏關節夾角平均值。. 圖 7 下肢關節夾角六、統計分析 (一) 相依樣本 t 檢定疲勞前、後心跳和自覺用力指數以相依樣本 t 檢定進行分析，顯著水準值為 α=.05。 (二) 二因子重複量數變異數分析疲勞前、後肌肉活化程度、足底壓力值、足底接觸面積和下肢關節活動度，以二因子重複量數變異數分析，產生交互作用時探討單純主要效果，顯著水準值為 α=.05，統計分析使用套裝軟體 SPSS v20.0 (Chicago, USA)進行計算。.

(29) 21. 第肆章. 結果. 第一節相依樣本 t 檢定一、心跳和自覺用力指數疲勞產生後，心跳和自覺用力指數皆顯著提升，表示所有的實驗參與者皆有達到個人訂定的心肺疲勞標準 (表 3)。表3 心跳和自覺用力指數心跳. 自覺用力指數. 疲勞前. 131.3 (13.4). 8.7 (1.7). 疲勞後. 177.0 (9.4)*. 19.8 (0.4)*. *p<.05 註：心跳單位為次數/分鐘。數據以平均值(標準差)表示。. 第二節二因子重複量數變異數分析一、足底壓力. 圖 8 一位參與者負重運動疲勞前(左)和疲勞後(右)足底壓力分布圖.

(30) 22. 圖 9 一位參與者非負重運動疲勞前(左)和疲勞後(右)足底壓力分布圖. 足底壓力前外側和前內側交互作用達顯著，其餘四個區塊交互作用皆未達顯著。後測結果顯示，唯有後外側足底壓力顯著小於疲勞前 (p=.046)。在前外側的部位，只有負重運動在疲勞後，足底壓力顯著大於疲勞前 (p=.032)，在前內側的部位，也只有負重運動在疲勞後，足底壓力顯著大於疲勞前 (p=.030)。比較負重運動和非負重運動在足底壓力上的差異，結果顯示，不論疲勞前、後，負重運動在六個區塊的足底壓力數值皆顯著大於非負重運動 (表 4)。. 表4 不同踩踏模式疲勞前、後足底壓力差異. 負重. 非負重. 後外. 後內. 中外. 中內. 前外. 前內. 疲勞前. 78.3(28). 71.5(19.9). 51.6(16.7). 43.4(18.9). 49.2(16.8). 79.3(31.2). 疲勞後. 67.7(15.5)*. 63.3(15.3)#. 55.4(20.3)#. 46.9(18.8)#. 57.7(22.1)*,#. 98.8(44.5)*,#. 疲勞前. 5.1(7.6)#. 5.6(8.3). 20.7(6.5). 17.8(6.9). 25.5(5.6). 32.6(7.8). 疲勞後. 3.5(5.9)*,#. 4.5(7.9)#. 16.7(8.7)#. 14.8(9.6)#. 25.3(5.0)#. 33.1(7.0)#. *疲勞前後 p<.05, #兩種運動型態 p<.05 註：數據以平均值(標準差)表示，單位：千帕。. 二、足底接觸面積足底接觸面積在六個區塊交互作用皆未達顯著。疲勞後測結果顯示六個區塊在疲勞前、後也皆未產生顯著差異。.

(31) 23. 比較負重運動和非負重運動在足底接觸面積上的差異，結果顯示不論疲勞前或疲勞後，負重運動在前外側和前內側足底接觸面積顯著小於非負重運動 (p=.000, p=.000)，但是，負重運動在中內側、後外側和後內側足底接觸面積卻顯著大於非負重運動 (p=.004, p=.000, p=.000) (表 5)。. 表5 不同踩踏模式疲勞前、後足底接觸面積差異. 疲勞前. 疲勞後. 後外. 後內. 中外. 中內. 前外. 前內. 負重. 13.2(1.5). 13.3(1.4). 14.4(1.0). 14.6(1.0). 13.7(1.5). 15.3(0.9). 非負重. 1.9(3.7)#. 2.3(4.0)#. 19.8(7.5)#. 11.1(6.1)#. 21.3(7.5)#. 24.2(5.9)#. 負重. 12.9(0.9). 12.8(0.9). 13.9(0.9). 14.1(1.2). 14.0(1.2). 15.5(1.7). 非負重. 0.9(2.2)#. 0.9(1.6)#. 15.3(10.3)#. 9.5(8.2)#. 24.2(7.7)#. 27.8(7.8)#. *疲勞前後 p<.05，#兩種運動型態 p<.05 註：數據以平均值(標準差)表示，單位：平方公分。. 圖 10 一位參與者非負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現.

(32) 24. 圖 11 一位參與者非負重運動疲勞後肌電訊號和下肢運動學表現. 圖 12 一位參與者負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現.

(33) 25. 圖 13 一位參與者負重運動疲勞前肌電訊號和下肢運動學表現. 三、肌肉活化程度肌肉活化程度在脛前肌交互作用達顯著，其餘交互作用皆未達顯著。疲勞產生後，臀大肌肌肉活化程度最大值顯著大於疲勞前 (p=.006) (圖 8)。脛前肌肌肉活化程度最大值只有非負重運動在疲勞後顯著小於疲勞前 (p=.013) (圖 9)。比較負重運動和非負重運動在肌肉活化程度的差異，結果顯示不論疲勞前或疲勞後，負重運動在臀大肌肌肉活化程度最大值顯著大於非負重運動。然而，負重運動脛前肌肌肉活化程度最大值僅在疲勞後顯著大於非負重運動，疲勞前則無顯著差異。.

(34) 肌肉活化程度 (MVC%). 26. 120. *. 100. *. 80 60. *. 負重非負重. *. 40 20 0. 疲勞前. 疲勞後. 圖 14 不同踩踏模式疲勞前、後臀大肌肌肉活化程度的差異註：*表示達顯著差異. 90. (MVC%). 肌肉活化程度. 100. 80. *. *. 70. 負重. 60. 非負重. 50 40 疲勞前. 疲勞後. 圖 15 不同踩踏模式疲勞前、後脛前肌肌肉活化程度的差異註：*表示達顯著差異四、下肢運動學參數髖關節最大夾角交互作用達顯著，兩種運動型態的髖關節最大夾角在疲勞前、後未達顯著差異。但是不論疲勞前、後，負重運動的髖關節最大夾角皆顯著大於非負重運動 (p=.000)。膝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的膝關節最大夾角在疲勞前、後未達顯著差異。負重運動的膝關節最大夾角則顯著大於非負重運動 (p=.000)。踝關節交互作用達顯著，疲勞產生後，僅有非負重運動踝關節最大夾角顯著下降 (p=.001) (表 6)。.

(35) 27. 表6 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最大夾角差異. 疲勞前. 疲勞後. 髖關節. 膝關節. 踝關節. 負重. 98.8(0.7). 162.2(6.4). 97.5(6.0). 非負重. 65.5(0.7)**. 146.8(5.1)**. 107.3(6.0)**. 負重. 97.4(1.0). 160.6(7.7). 100.6(10.0). 非負重. 66.1(0.9)**. 145.9(5.8)**. 105.0(7.7). *疲勞前後 p<.05，**負重與非負重 p<.05 註：數據單位為度，以平均值(標準差)表示，單位：度。. 髖關節最小夾角交互作用未達顯著。兩種運動型態最小夾角在疲勞前、後皆未達顯著差異。然而，負重運動的膝關節最小夾角則顯著大於非負重運動 (p=.000) (表 7)。膝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的最小夾角在疲勞後達顯著差異 (p=.018)。兩種運動型態相比，負重運動的膝關節最小夾角顯著大於非負重運動 (p=.000)。踝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的最小夾角在疲勞前、後未達顯著差異。但是負重運動的踝關節最小夾角顯著小於非負重運動 (p=.043) (圖 10)。 120 角度 (度). 100 80. * *. * *. 60. 負重非負重. 40 20 0 疲勞前. 疲勞後. 圖 16 不同踩踏模式疲勞前、後膝關節最小夾角差異 *p<.05.

(36) 28. 表7 不同踩踏模式疲勞前、後髖、踝關節最大夾角差異. 疲勞前. 疲勞後. 髖關節. 踝關節. 負重. 54.5(3.1). 76.4(7.2). 非負重. 24.6(3.3)**. 80.6(5.3)**. 負重. 54.0(3.3). 77.4(8.4). 非負重. 24.0(3.6)**. 82.7(7.5)**. *疲勞前後 p<.05，**負重與非負重 p<.05 註：數據單位為度，以平均值(標準差)表示，單位：度。髖關節最大夾角發生時間點交互作用未達顯著，兩種運動型態的最大夾角發生時間點在疲勞前、後未達顯著差異。負重運動髖關節最大夾角發生時間點顯著晚於非負重運動 (p=.000)。膝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的最大夾角發生時間點在疲勞前、後未達顯著差異。負重運動膝關節最大夾角發生時間點顯著晚於非負重運動 (p=.000)。踝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的最大夾角發生時間點在疲勞後顯著晚於疲勞前 (p=.000)。兩種運動型態之間的踝關節最大夾角發生時間點未達顯著差異 (表 8)。表8 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最大夾角時間點差異. 疲勞前. 疲勞後. 髖關節. 膝關節. 踝關節. 負重. 72.7(1.6). 62.4(4.0). 57.8(15.7). 非負重. 55.3(0.8)**. 49.3(0.9)**. 54.2(7.1). 負重. 72.0(1.9). 61.9(4.1). 67.9(12.9)*. 非負重. 55.7(1.4)**. 49.3(1.1)**. 61.4(10.6)*. *疲勞前後 p<.05，**負重與非負重 p<.05 註：數據單位為%，以平均值(標準差)表示，單位：百分比。.

(37) 29. 表9 不同踩踏模式疲勞前、後髖、膝、踝關節最小夾角時間點差異. 疲勞前. 疲勞後. 髖關節. 膝關節. 踝關節. 負重. 13.3(2.4). 2.7(5.9). 94.3(13.8). 非負重. 55.3(0.8)**. 負重. 13.5(2.4). 非負重. 8.6(1.3)**. 98.2(1.0)** 1.9(1.5) 98.6(1.2)**. 6.5(10.2)** 98.2(9.8)* 16.0(10.5)*,**. *疲勞前後 p<.05，**負重與非負重 p<.05 註：數據單位為%，以平均值(標準差)表示，單位：百分比。. 髖關節最小夾角發生時間點交互作用未達顯著，兩種運動型態的最小夾角時間點在疲勞前、後未達顯著差異。負重運動髖關節最小夾角發生時間點顯著晚於非負重運動 (p=.000)。膝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的最小夾角時間點在疲勞前、後未達顯著差異。負重運動膝關節最小夾角發生時間點顯著晚於非負重運動 (p=.010)。踝關節交互作用未達顯著，兩種運動型態的踝關節最小夾角發生時間點在疲勞後顯著大於疲勞前 (p=.004)。負重運動踝關節最小夾角發生時間點顯著小於非負重運動 (p=.000) (表 9)。. 髖關節關節活動度交互作用達顯著，疲勞產生後，非負重運動的髖關節活動度顯著上升 (p=.009) (圖 11)。兩種運動型態的差異僅發生在疲勞產生前，負重運動髖關節活動度顯著大於非負重運動 (p=.002)。膝關節活動度交互作用未達顯著，兩種運動型態的膝關節活動度在疲勞前、後並沒有顯著差異 (表 10)。負重運動的膝關節活動度則顯著大於非負重運動 (p=.000)。踝關節交互作用達顯著，疲勞產生後，非負重運動的踝關節活動度顯著下降 (p=.006) (圖 12)。兩種運動型態的差異僅發生在疲勞產生前，負重運動顯著小於非負重運動.

(38) 30. (p=.008)。表 10 不同踩踏模式疲勞前、後膝關節活動度差異膝關節疲勞前. 疲勞後. 負重. 62.7(5.2). 非負重. 71.5(3.2). 負重. 64.4(5.3). 非負重. 71.1(3.4). *疲勞前後 p<.05，**負重與非負重 p<.05 註：數據單位為度，以平均值(標準差)表示，單位：度。. 角度 (度). 46 44. *. 42. 負重非負重. *. 40 38 疲勞前. 疲勞後. 圖 17 不同踩踏模式疲勞前、後髖關節活動度差異. 角度 (度). *p<.05 30 25 20 15 10 5 0. * * 負重非負重. 疲勞前. 疲勞後. 圖 18 不同踩踏模式疲勞前、後踝關節活動差異 *p<.05.

(39) 31. 第伍章. 討論與結論. 第一節足底壓力和足底接觸面積足底壓力的定義為足部單位面積在運動過程中承受的垂直力量，實驗結果顯示，足底接觸面積不受疲勞影響產生顯著差異，從後足外側壓力顯著下降以及前足內、外側壓力顯著上升的現象可以得知，在運動過程中足底壓力往前足集中，而此現象在負重運動過程中更加顯著。負重運動過程中，下肢必須承受身體重量，因此足底每個部位承受的壓力皆顯著大於非負重運動，非負重運動主要以中、前足部位踩踏，因此，後足的足底壓力數值與負重運動的差異更加顯著。足底接觸面積定義為踩踏過程中足底各區域接觸面積與總接觸面積的比例，如同上述，兩種運動型態的踩踏模式不同，因此非負重運動在中、前足部位應有較高的接觸比例，後足部接觸比例較低，從實驗結果便能清楚看到這個現象。本實驗的足底壓力數值和壓力分布情況與先前研究相符合，但是在足底接觸面積上卻略有差異 (Burnfield et al., 2007)，先前研究使用的器材為仰躺式自行車，本實驗則使用一般固定式自行車，一般固定式自行車整體踩踏和運作模式皆與真實自行車相似，因此數據的差異可能來在於本實驗選用的器材不同導致這樣結果，而且本實驗數據結果可能會與真實騎乘情境更為接近。在負重運動過程中，壓力往前足內側集中，此部位正是大腳趾掌趾關節，因此對於足部有掌趾關節病變，例如：蹠骨疼痛 (metatarsalgia)，或是足部接受開刀且術後不適合前足承重的患者，在術後應盡量避免負重運動，若需要加強心肺耐力和下肢肌力，可以使用非負重運動器材達到訓練效果，患者也能夠在鞋內增加局部吸震的設計，針對足底壓力數據較高且較為集中的區域，避免長時間運動導致壓力過度集中，減少產生傷害的風險。近年來穿戴式科技越來越發達，鞋子裝配感應器偵測使用者運動過程的活動量，也有知名品牌推出測力鞋墊，透過力量偵測推算起跳高度和施力情況等參數，並且回傳至智慧型裝置進行記錄，除了鞋子和應用程式的連結以外，也可以將運動器材踏板加裝壓力感測器，隨時監控壓力變化，並且給予即時回饋，達到降低運動.

(40) 32. 者受傷的風險。. 第二節肌肉活化程度踩踏力量的主要來源為髖關節和膝關節，主要由臀大肌和股外側肌收縮產生力量，並且透過踝關節將力量傳遞至踏板產生運作 (Rouffet, & Hautier, 2008)，負重運動必須承受身體重量，從實驗結果也可以看到，下肢肌肉活化程度皆高於非負重運動，臀大肌差異更加顯著。雖然在疲勞產生後，兩種踩踏模式的臀大肌活化皆顯著高於疲勞前，但是臀大肌活化程度在負重運動仍舊顯著大於非負重運動，當一個關節需要有較好的控制和穩定時，肌肉活化程度也會跟著提升 (Kellis, E., & Liassou, C., 2009)，表示疲勞現象對負重運動的髖關節穩定性影響較大，也因此在疲勞產生後臀大肌需要有更多的活化來維持髖關節穩定，同時臀大肌訓練效果也比較好。脛前肌活化程度在非負重運動疲勞前顯著大於負重運動，表示踝關節動作在非負重運動中傳遞力量的重要性，雖然兩種運動型態皆為閉鎖鏈運動，但是脛前肌活化程度在疲勞後便沒有顯著差異，在進行非負重運動時，踏板在矢狀面上可以產生前傾和後傾的動作，使得腳踝能夠主動產生較多背屈和蹠屈的動作。疲勞產生後，踝關節背屈角度上升引起腓腸肌產生伸張-縮短循環機制 (stretch shorten cycle)，達到維持穩定功率輸出的效果 (Sayers et al., 2012)，由於重複產生較多的踝關節背屈動作，使得脛前肌產生疲勞，進而導致肌肉活化程度下降。進行負重運動時，踝關節主動動作以蹠屈為主，一般正常步態在擺動期時，踝關節會做出背屈動作，避免腳趾觸碰地面 (Damiano et al., 2011)，雖然橢圓機和一般步態兩種負重運動在運動學參數極為類似 (Burnfield et al., 2007)，但是，進行橢圓機負重運動時，雙腳皆固定於踏板上，於是當踩踏周期進入類似步態擺動期的時候，踝關節不需要做出過多的背屈動作避免腳趾觸碰地面，同時踝關節在此階段也會受到踏板帶動，被動產生背屈，從結果可以看到，負重運動的脛前肌活化程度在疲勞前、後沒有達到顯著差異，也因此得知脛前肌在非負重運動扮演重要的角色，針對自行車手可以加強訓練踝關節背屈肌力，以應付長時.

(41) 33. 間騎乘造成下肢肌肉疲勞現象，達到較穩定的功率輸出以及力量傳遞的效率。. 第三節下肢運動學參數負重運動和非負重運動皆屬於閉鎖鏈運動模式 (closed-kinetic chain)，因此只要其中一個關節產生變化，便會連帶影響其他關節的動作表現。疲勞產生後，負重運動膝關節屈曲角度顯著上升，過去研究顯示，膝關節屈曲力矩受疲勞影響有顯著上升的現象 (Sanderson et al., 2003)，股二頭肌的活化也會顯著上升 (Dorel, Drouet, Couturier, Champous, & Hug, 2009) ，膝關節屈曲也能夠增加踩踏時的緩衝效果 (Gefen, Megido-Ravid, & Itzchak, 2001)，當踏板進入恢復期，膝關節會主動做出屈曲的動作，減少對側踩踏期的負荷，也有可能是當踏板進入恢復期，膝關節受到疲勞影響無法維持和支撐身體重量，導致踏板在回到上死點的過程中將膝關節被動帶到更屈曲的角度，膝關節屈曲角度上升會使髖關節屈曲角度和踝關節背屈角度跟著上升，雖然本次實驗股二頭肌活化程度、髖關節屈曲和踝關節背屈夾角在統計上並沒有顯著差異，但是仍舊可以看到這樣的現象。髖、膝、踝關節在非負重運動中皆受到疲勞影響，膝關節最小夾角與負重運動有相同趨勢，此外，髖關節和踝關節活動度分別顯著上升和下降，關節活動度定義為一個踩踏週期中最大和最小夾角的差值，髖關節最大夾角在疲勞後有上升的現象，最小夾角則有下降的現象，雖然最大屈曲和伸直夾角的變化幅度在統計上未達顯著，但是這樣些微的變化反映到關節活動度便產生顯著差異，而踝關節的變化也與髖關節雷同，疲勞產生後，踝關節最大背屈夾角有下降的現象，最大蹠屈夾角則上升，雖然統計上也沒有顯著差異，但是反映在踝關節活動度便達到顯著下降的結果，表示疲勞影響踝關節周邊肌肉對於踝關節穩定控制的能力，從脛前肌活化程度下降的結果便能夠看到反映在踝關節動作變化上的差異，而近端和遠端關節一加一減的變化相互抵銷，也可能是導致膝關節活動度在疲勞後沒有顯著改變的原因之一，便能夠得知為了在疲勞後維持相同頻率的穩定踩踏，在非負重運動中以髖關節和踝關節動作進行代償，達到膝關節穩定踩踏的目的。.

(42) 34. 但是，過去研究結果發現髖關節活動度在疲勞後顯著下降 (Bini et al., 2010b)，與本實驗結果相反，先前研究以最大攝氧量測試作為疲勞定義，並且以不同最大攝氧量百分比程度作為疲勞程度的區別，本研究以正常騎乘型態進行疲勞模擬測試，因此不論踩踏時間或是疲勞狀態都更接近真實騎乘疲勞情況。除了角度的變化之外，兩種負重運動的踝關節最大背屈和最大蹠屈夾角發生時間點在疲勞後都有延遲的現象，踝關節背屈主要由脛前肌收縮產生動作，從脛前肌肌肉活化程度下降可以解釋肌肉疲勞使得控制關節動作的能力下降 (Kellis, E., & Liassou, C., 2009)，因此增加了踝關節執行背屈所需的時間，也導致後續踝關節最大蹠屈夾角發生時間點產生延遲，也由於脛前肌活化程度在非負重運動受疲勞影響較顯著，因此踝關節背屈延遲情況亦較為顯著。負重運動的髖、膝關節相較於非負重運動皆處在較伸直的動作範圍進行運動，非負重運動則處在較為屈曲的動作範圍，由於負重運動在站立的姿勢進行踩踏，而非負重運動則是在坐姿下進行運動，在非負重運動中，膝關節夾角會受到座墊和踏板相對高度的影響，本實驗將每位實驗參與者的踩踏姿勢標準化，當踏板踩踏至下死點時，膝關節屈曲約 150 度，實驗過程中便以此姿勢進行踩踏，因此，疲勞前、後膝關節夾角並不會因為疲勞顯著差異，從實驗結果也可以看到這樣的現象，負重運動踏板位於下死點時，踩踏型態出現類似步態分期中的單腳站立期，此時膝關節必須產生足夠的伸直角度才能維持支撐身體重量並且維持穩定性，而此結果與先前研究結果相同 (Damiano et al., 2011; Prosser et al., 2011)。非負重運動的踝關節動作則是處在較蹠屈的範圍進行踩踏，如同先前所述，非負重運動的踏板在矢狀面上多了前傾和後傾的動作，在踩踏期踝關節能夠做出較多蹠屈動作幫助踩踏力量傳遞，在恢復期階段，踝關節處於較為放鬆的狀態，藉由踏板的轉動使踝關節被動產生背屈動作，在負重運動中，踝關節處在較背屈的姿勢下進行踩踏，且踏板在矢狀面上並沒有前傾和後傾的自由度，雖然橢圓機負重運動與一般步態相似 (Burnfield et al., 2007)，踝關節也有類似推蹬 (push off) 動作，但是在橢圓機上踩踏並不需要過多的蹠屈動作，在踩踏恢復期階段，由於下肢承受身體重量，因此當踏板回到上死點的過程中，便使得踝關節被動產生較大的背屈夾角。.

(43) 35. 從夾角發生時間點可以發現，負重運動在髖關節和膝關節動作發生時間點皆晚於非負重運動，僅有踝關節的最小夾角早於負重運動，若以關節最小夾角至最大夾角的區段視為踩踏動作的踩踏期，負重運動的踩踏期和恢復期比例在各關節約為 6：4，但是非負重運動的比例約為 5：5，表示負重運動施力時間較長，而 6：4 的比例與一般正常步態的站立期和擺動期比例相似 (Liu et al., 2013)，因此，橢圓機負重運動不論在運動學參數或是施力比例上，皆與一般行走步態相似。此外，髖關節活動度、踝關節活動度以及踝關節最大蹠屈夾角在疲勞產生後出現有趣的現象，疲勞產生前，這三個運動學參數在兩種負重運動型態有顯著差異，一旦疲勞產生，便沒有顯著差異，表示不論負重運動程度多寡，在疲勞產生後，關節活動範圍會因為動作代償等因素，使得關節活動度處在一個特定的範圍進行穩定且規律的踩踏。. 第四節結論與未來建議疲勞產生後，負重運動足底壓力分佈往前足內側集中，建議未來研究可以在疲勞過程中，以等距時間收取數據，才能從疲勞過程中的變化定義出疲勞指標。若要特別增強臀大肌的肌力訓練，便可以選擇負重運動進行訓練達到更好的效果，此外，自行車手可以加強踝關節背屈肌力，面對長時間騎乘產生的疲勞現象，達到穩定力量輸出的效果。膝關節最小夾角下降以及踝關節夾角最大和最小值時間點延遲發生可以視為疲勞產生的關鍵點，非負重運動膝關節活動度維持穩定的原因可能來於髖關節和踝關節代償所致，負重運動對於下肢關節活動範圍需求顯著小於非負重運動，且活動範圍大多落在較為伸直的角度。對於術後下肢關節必須避免過多屈曲動作的患者，便可以選用負重運動進行復健訓練，下肢在術後無法立即完全負重且膝關節角度受到手術影響的患者，可以先選擇非負重運動，使得膝關節不至於在踩踏過程中過度伸直導致患者的不舒適，術後恢復狀況穩定且膝關節角度有顯著進步後，便可以改成負重運動進行訓練，增加膝關節活動度並且使下肢有更多的負重，加強訓練強度。.

(44) 36. 第陸章. 引用文獻. Albertus-Kajee, Y., Tucker, R., Derman, W., & Lambert, M. (2010). Alternative methods of normalizing EMG during cycling. Journal of Electromyography and Kinesiology, 20 (6), 1036-1043. Bini, R. R., Diefenthaeler, F., & Mota, C. B. (2010a). Fatigue effects on the coordinative pattern during cycling: Kinetics and kinematics evaluation. Journal of Electromyography and Kinesiology, 20 (1), 102-107. Bini, R.R, & Diefenthaeler, F. (2010b). Kinetics and kinematics analysis of incremental cycling to exhaustion. Sports Biomechanics, 9 (4), 223-235. Bini, R., & Hume, P. A., & Croft, J. L. (2011). Effects of bicycle saddle height on knee injury risk and cycling performance. Sports Medicine, 41 (6), 463-476. doi: 10.2165/11588740-000000000-00000 Bisiaux, M., & Moretto, P. (2008). The effects of fatigue on plantar pressure distribution in walking. Gait & Posture, 28 (4), 693-698. doi:10.1016/j.gaitpost.2008.05.009 Bisson, E. J., Chopra, S., Azzi, E., Morgan, A., & Bilodeau, M. (2010). Acute effects of fatigue of the plantarflexor muscles on different postural tasks. Gait & Posture, 32 (4), 482-486. doi:10.1016/j.gaitpost.2010.07.006 Bousie, J. A., Blanch, P., McPoil, T. G., & Vicenzino, B. (2013). Contoured in-shoe foot orthoses increase mid-foot plantar contact area when compared with a flat insert during cycling. Journal of Science and Medicine in Sport, 16 (10), 60-64. doi:10.1016/j.jsams.2012.04.006. Burnfield, J. M., Jorde, A. G., Augustin, T. R., Augustin, T. A., & Bashford, G. R. (2007). Variations in plantar pressure variables across five cardiovascular exercises. Medicine & Science in Sports & Exercise, 39 (11), 2012-2020. doi:10.1249/mss.0b013e318148bdfa Callaghan, M. J. (2005). Lower body problems and injury in cycling. Journal of Bodywork and Movement Therapies, 9 (3), 226-236. doi:10.1016/j.jbmt.2005.01.007 Chan, C. W., & Rudins, A. (1994). Foot biomechanics during walking and running. Mayo Clinic Proceedings, 69 (5), 448-461..

(45) 37. Damiano, D. L., Norman, T., Stanley, C. J., & Park, H. S. (2011). Comparison of elliptical training, stationary cycling, treadmill walking and overground walking. Gait & Posture, 33 (2), 244-250. doi:10.1016/j.gaitpost.2011.05.010 Dingwell, J. B., Joubert, J. E., Diefenthaeler F., & Trinity, J. D. (2008). Changes in muscle activity and kinematics of highly trained cyclists during fatigue. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 55 (11), 2666-2674. doi: 10.1109/TBME.2008.2001130 Dorel, S., Drouet, J. M., Couturier, A., Champoux, Y., and Hug, F. (2009). Changes of pedaling technique and muscle coordination during an exhaustive exercise. Medicine and Science in Sports and Exercise, 41(6), 1277-1286. Gefen, A., Megido-Ravid, M., & Itzchak, Y. (2001). In vivo biomechanical behavior of the human heel pad during the stance phase of gait. Journal of Biomechanics, 34 (12), 1661-1665. Green, J. M., Crews, T. R., Pritchett, R. C., Mathfield, C. Hall, L. (2004). Heart rate and ratings of perceived exertion during treadmill and elliptical exercise training. Perceptual and Motor Skills, 98 (1), 340-348. Hautier, C. A., Arsac, L. M., Deghdegh, K., Souquet, J., Belli, A., & Lacour J. R. (2000). Influence of fatigue on EMG/force ratio and cocontraction in cycling. Medicine & Science in Sports & Exercise, 32 (4), 839-843. Headlee, D. L., Leonard, J. L., Hart, J. M., Ingersoll, C. D., & Hertel, J.(2008). Fatigue of the plantar intrinsic foot muscles increases navicular drop. Journal of Electromyography and Kinesiology, 18 (3), 420-425. Heijne, A., Fleming, B. C., Renstrom, P. A., Peura, G. D., Beynnon, B. D., & Werner, S. (2006). Strain on the anterior cruciate ligament during closed kinetic chain exercises. Medicine & Science in Sports & 10.1249/01.MSS.0000128185.55587.A3. Exercise,. 36. (6),. 935-941.. doi:. James, C. R., Scheuermann, B. W., & Smith, M. P. (2010). Effects of two neuromuscular fatigue protocols on landing performance. Journal of Electromyography and Kinesiology, 20 (4), 667-675. doi: 10.1016/j.jelekin.2009.10.007 Kaplan, Y., Barak, Y., Palmonovich, E., Nuska, M., & Witvrouw, E. (2014). Referent body weight values in over ground walking, over ground jogging, treadmill jogging, and.