雙重任務對下肢關節協調之影響

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(1)國立台灣師範大學體育學系碩士學位論文. 雙重任務對下肢關節協調之影響. 研究生：李光鑫指導教授：李恆儒. 中華民國一百零一年六月中華民國臺北市.

(2) i. 雙重任務對下肢關節協調之影響 2012 年 6 月研究生：李光鑫指導教授：李恆儒. 摘要目的：藉由功能性的上下樓梯動作，探討年齡差異（組間）及不同任務情境（組內），對認知任務表現、步態時間空間及下肢關節協調參數之影響。方法：16 名老年人受試者 (7 男 9 女, 79.16 ± 6.97 歲, 160.49 ± 7.27 公分, 62.16 ± 11.26 公斤) 及 12 名年輕人受試者 (6 男 6 女, 23.00 ± 1.21 歲, 165.25 ± 4.11 公分, 60.25 ± 6.90 公斤)，皆須接受坐姿的認知任務測驗、上下樓梯行走測驗，以及上下樓梯合併認知任務回答測驗。結果：老年人上樓梯回答次數顯著多於前測及下樓梯，而後測也顯著多於前測，年輕人上樓梯和下樓梯回答次數顯著多於前測，而後測回答次數也顯著多於前測。不同年齡組別間，年輕人在兩種情境下相對於老年人，呈現較短的步行時間、較快的步行頻率、較快的步行速度及較大的步行長度，而不同情境間，年輕人和老年人在單一任務情境下相對於雙重任務，呈現較短的步行時間、較快的步行頻率、較快的步行速度及較大的步行長度。關節協調穩定性部分，上樓梯轉換期，年輕人在擺盪期的雙重任務情境下，膝-踝協調的穩定性比單一任務情境還差，但老年人卻沒有。在上樓期階段，站立期的膝-踝協調穩定性，雙重任務情境下，年輕人的穩定性比老年人還要差。下樓期階段，年輕人在擺盪期的單一和雙重任務情境下，髖-膝協調穩定性都比老年人還差，相反地，老年人的膝-踝協調穩定性則比年輕人還差。在下樓轉換期，年輕人在單一和雙重任務的情境下，站立期的髖-膝協調穩定性都比老年人還差。結論：老年人和年輕人會根據動作的困難度，選擇是否專注於認知任務上。年輕人在上下樓梯的動作中，協調穩定性較差，是因為有足夠的下肢肌力控制，採取較大膽的動作策略，老年人剛好相反，都趨向選擇較保守的策略，來維持下肢關節協調的穩定性，老年人顯然在下樓梯時，受到的影響較大，但年輕人則反之，因此，下樓梯動作可能造成老年人跌倒的風險提高。關鍵詞：樓梯行走、認知任務介入、下肢肌力.

(3) ii. Effect of dual task on lower extremity inter-joint coordination 2012, June Student: Kuang-Hsin Lee Advisor: Heng-Ju Lee. Abstract Purpose: The aim of this study was to investigate the effect of aging (between groups) and different conditions (within group) on cognitive performance, spatiotemporal gait parameters and lower extremity inter-joint coordination during stair negotiation. Methods: 16 healthy elderly adults (EA) (7 males and 9 females, 79.16 ± 6.97 years, 160.49 ± 7.27 cm, 62.16 ± 11.26 kg) and 12 healthy young adults (YA) (6 males and 6 females, 23.00 ± 1.21 years, 165.25 ± 4.11 cm, 60.25 ± 6.90 kg) were recruited in this study to perform cognitive task on sitting posture and stair negotiation (single task; ST); they also performed stair negotiation with cognitive task (dual task; DT). Results: For EA, the numbers of correct cognitive test answers during stair ascent (SA) were significantly more than pre-test and stair descent (SD), and during post-test were also significantly more than pre-test. For YA, the numbers of correct cognitive test answers during SA and SD were significantly more than pre-test, and during post-test were also significantly more than pre-test. Between age groups, YA performed shorter time of gait cycle, faster cadence, faster gait velocity and larger stride length than EA. Within different conditions group, during ST, both YA and EA took shorter time of gait cycle, faster cadence, faster gait velocity and larger stride length than during DT. During transition phase of SA, YA produced less stable knee-ankle coordination in DT of swing phase than ST, while EA did not. During SA phase, YA produced less stable knee-ankle coordination in DT of stance phase than EA. During SD phase, YA revealed less stable hip-knee coordination in both DT and ST of swing phase than EA. On the contrary, less stable knee-ankle coordination were found in EA than YA. During ST and DT of transition phase of SD, less stable hip-knee coordination of stance phase were detected in YA than EA. Conclusion: Elderly and young subjects alike depended on the degree of difficulty of motor task to determine whether to focus on cognitive task or not. Displaying less stable inter-joint coordination during stair negotiation in YA may result from greater lower muscle strength capacity to perform unrestricted movement strategies. Contrarily, EA had tendency to adopt more conservative strategies so as to maintain stability of lower extremity inter-joint coordination. Apparently, EA got a bigger influence on SD, but YA did not do so. Therefore, the increasing of falling risk in EA may be caused by SD movement. Keywords: stair negotiation, cognitive task intervention, lower extremity muscle strength.

(4) iii. 謝誌三年，比預定時間多了一年，在此完成論文之際，心中有著無限感激。首先我要以感恩的心向指導教授李恆儒老師致十二萬分的感謝。在我撰寫論文的這段時間，他對我細心與耐心的指導以及協助支持及鼓勵，讓我學習如何思考，組織及寫作屬於自己真正的論文。此外，更感謝長庚大學張雅如老師及台灣大學陳顥齡老師的詳細、精闢論點及不吝指正，使本論文獲益良多且更為謹慎。想感謝的人實在太多：首先當然是李家班頭號大師兄育銘學長，每當有任何研究上的問題，請教學長總是迎刃而解；感謝同學瑞翔和承哲，學妹宥汝、綠豆及日系型男小龍，在實驗上的參與和協助，感謝實驗室的學長姐、同學和學弟妹們的幫忙，使論文能順利的完成，更感謝大家陪伴我度過了碩士三年的生涯。最後，要感謝家人對我的支持和包容，希望自己是你們心中的驕傲，讓我能夠在無後顧之憂下完成學業，謹以此篇論文獻給所有支持我的師長及親友。李光鑫僅誌於國立臺灣師範大學體育學系碩士班中華民國一百零一年六月三十日.

(5) iv. 目次摘要 ............................................................................................................................................. I Abstract ..................................................................................................................................... II 謝誌 .......................................................................................................................................... III 目次 .......................................................................................................................................... IV 表次 .......................................................................................................................................... VI 圖次 .........................................................................................................................................VII 第壹章. 緒論 ............................................................................................................................ 1. 第一節研究動機...................................................................................................................................... 1 第二節問題背景...................................................................................................................................... 2 第三節研究目的...................................................................................................................................... 5 第四節研究假設...................................................................................................................................... 6 第五節研究範圍與限制.......................................................................................................................... 6 第六節名詞操作型定義.......................................................................................................................... 7. 第貳章. 文獻探討 .................................................................................................................... 9. 第一節姿勢控制與跌倒風險的相關 ...................................................................................................... 9 第二節雙重任務與姿勢控制 ................................................................................................................ 16 第三節樓梯動作相關研究 .................................................................................................................... 19 第四節下肢關節協調性........................................................................................................................ 24 第五節文獻總結.................................................................................................................................... 25. 第参章. 研究方法 .................................................................................................................. 26. 第一節研究對象.................................................................................................................................... 26 第二節研究工具.................................................................................................................................... 27 第三節實驗程序.................................................................................................................................... 31 第四節資料處理.................................................................................................................................... 33 第五節統計考驗.................................................................................................................................... 39. 第肆章. 結果 .......................................................................................................................... 40. 第一節受試者基本資料........................................................................................................................ 40 第二節認知任務表現............................................................................................................................ 41 第三節時間空間步態參數 .................................................................................................................... 43.

(6) v. 第四節下肢關節協調差異性 ................................................................................................................ 58 第五節下肢關節協調穩定性 ................................................................................................................ 74. 第伍章. 討論與結論 .............................................................................................................. 87. 第一節認知任務表現............................................................................................................................ 87 第二節步態參數虧損............................................................................................................................ 88 第三節下肢關節間協調性 .................................................................................................................... 90 第四節結論 ........................................................................................................................................... 99 第五節建議與未來研究...................................................................................................................... 101. 參考文獻 ................................................................................................................................ 102 附錄一 .................................................................................................................................... 111 附錄二 .................................................................................................................................... 114 附錄三 .................................................................................................................................... 116.

(7) vi. 表次表 3-1 反光球黏貼位置...................................................................................... 30 表 4-1 受試者基本資料...................................................................................... 40 表 4-2 不同年齡族群的認知任務表現 ............................................................. 42 表 4-3 上樓梯步態參數表現.............................................................................. 49 表 4-4 下樓梯步態參數表現.............................................................................. 57 表 4-5 上樓梯不同年齡組別間之均方根誤差值與交叉相關 ......................... 63 表 4-6 下樓梯不同年齡組別間之均方根誤差值與交叉相關 ......................... 71 表 4-7 上樓梯下肢關節偏差相角值 ................................................................. 78 表 4-8 下樓梯下肢關節偏差相角值 ................................................................. 86.

(8) vii. 圖次圖 2-1 COM 與 BOS 相對位置圖...................................................................... 12 圖 2-2 COM-COP 傾斜角示意圖 ..................................................................... 14 圖 3-1 Vicon 紅外線攝影機 ............................................................................... 27 圖 3-2 Nexus 分析軟體 ...................................................................................... 28 圖 3-3 樓梯構造圖.............................................................................................. 29 圖 3-4 相角示意圖.............................................................................................. 37 圖 4-1 老年人的認知任務表現.......................................................................... 41 圖 4-2 年輕人的認知任務表現.......................................................................... 42 圖 4-3 上樓梯轉換期之步長（不同任務情境比較） ..................................... 44 圖 4-4 上樓梯轉換期之行走步速（不同年齡組別比較） ............................. 45 圖 4-5 上樓梯轉換期之行走步速（不同任務情境比較） ............................. 46 圖 4-6 上樓梯上樓期之行走步速（不同年齡組別比較） ............................. 47 圖 4-7 上樓梯上樓期之行走步速（不同任務情境比較） ............................. 48 圖 4-8 下樓梯轉換期之步長（不同年齡組別比較） ..................................... 51 圖 4-9 下樓梯轉換期之步長（不同任務情境比較） ..................................... 52 圖 4-10 下樓梯下樓期之步速（不同年齡組別比較） ................................... 53 圖 4-11 下樓梯下樓期之行走步速（不同任務情境比較） ........................... 54 圖 4-12 下樓梯轉換期之步速（不同年齡組別比較） ................................... 55 圖 4-13 下樓梯轉換期之步速（不同任務情境比較） ................................... 56 圖 4-14 上樓梯轉換期單一任務情境下之相對相角 ....................................... 58 圖 4-15 上樓梯轉換期雙重任務情境下之相對相角 ....................................... 58 圖 4-16 上樓梯轉換期之均方根誤差值 ........................................................... 60 圖 4-17 上樓梯轉換期之交叉相關 ................................................................... 60 圖 4-18 上樓梯上樓期單一任務情境下之相對相角 ....................................... 61 圖 4-19 上樓梯上樓期雙重任務情境下之相對相角 ....................................... 61 圖 4-20 上樓梯上樓期之均方根誤差值 ........................................................... 62 圖 4-21 上樓梯上樓期之交叉相關 ................................................................... 62 圖 4-22 上樓梯轉換期單一任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 64 圖 4-23 上樓梯轉換期雙重任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 64 圖 4-24 上樓梯上樓期單一任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 65 圖 4-25 上樓梯上樓期雙重任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 65.

(9) viii. 圖 4-26 下樓梯下樓期單一任務情境下之相對相角 ....................................... 66 圖 4-27 下樓梯下樓期雙重任務情境下之相對相角 ....................................... 66 圖 4-28 下樓梯下樓期之均方根誤差值 ........................................................... 67 圖 4-29 下樓梯下樓期之交叉相關 ................................................................... 68 圖 4-30 下樓梯轉換期單一任務情境下之相對相角 ....................................... 69 圖 4-31 下樓梯轉換期雙重任務情境下之相對相角 ....................................... 69 圖 4-32 下樓梯轉換期之均方根誤差值 ........................................................... 70 圖 4-33 下樓梯轉換期之交叉相關 ................................................................... 70 圖 4-34 下樓梯下樓期單一任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 72 圖 4-35 下樓梯下樓期雙重任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 72 圖 4-36 下樓梯轉換期單一任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 73 圖 4-37 下樓梯轉換期雙重任務情境下肢關節角度與角速度 ....................... 73 圖 4-38 上樓梯轉換擺盪期之膝-踝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 75 圖 4-39 上樓梯轉換擺盪期之膝-踝偏差相角值（不同任務情境比較） ...... 75 圖 4-40 上樓梯上樓站立期之膝-踝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 76 圖 4-41 上樓梯上樓擺盪期之膝-踝偏差相角值（不同任務情境比較） ..... 77 圖 4-42 下樓梯下樓擺盪期之髖-膝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 79 圖 4-43 下樓梯下樓擺盪期之膝-踝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 80 圖 4-44 下樓梯下樓站立期之髖-膝偏差相角值（不同任務情境比較） ...... 81 圖 4-45 下樓梯下樓站立期之膝-踝偏差相角值（不同任務情境比較） ...... 82 圖 4-46 下樓梯轉換擺盪期之膝-踝偏差相角值（不同任務情境比較） ...... 83 圖 4-47 下樓梯轉換站立期之髖-膝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 84 圖 4-48 下樓梯轉換站立期之膝-踝偏差相角值（不同年齡組別比較） ...... 85.

(10) 1. 第壹章. 緒論. 第一節研究動機. 根據內政部統計處報告，我國九十八年度人口結構，高齡者（ 65 歲以上）比例逐年上升，幼年人口 (0-14 歲) 比例則因出生率下降而逐年降低； 65 歲以上者 245 萬 7,648 人占 10.63％，0-14 歲者有 377 萬 8,018 人占 16.34 ％，65 歲以上老年人口對 0-14 歲人口之老化指數為 65.05％，續創歷年新高。而根據聯合國世界衛生組織 (World Health Organization, WHO) 所訂的指標，老年人口達全國總人口數的 7%以上即為高齡化社會 (aging society)。在老年人族群當中，跌倒是常見的意外死亡原因之一，根據行政院衛生署的統計資料，我國台北市九十七年度 65 歲以上的老年人，跌倒在意外事故死亡原因中排名第二，占了非常高的發生比例。在美國，每年約有三分之一的老年人曾經跌倒 (Campbell et al., 1990; Sattin, 1992; Tinetti, Speechley, & Ginter, 1988)，跌倒也會導致髖關節骨折的風險提高 (Greenspan et al., 1998)，這些意外也常會伴隨著併發症和死亡以及造成相關醫療費用的提高 (Campbell, Reinken, Allan, & Martinez, 1981; Hayes et al., 1996; Tinetti et al., 1988)，經歷過跌倒的老人，也常會導致一些後遺症的發生而影響到身體的功能以及生活品質，稱之為“跌倒後焦慮症狀” (post fall anxiety syndrome) (Murphy & Isaacs, 1982)。此症候群會產生焦慮緊.

(11) 2. 張及害怕再次跌倒的不安情緒，導致身體活動量的衰退情形 (Murphy & Isaacs, 1982)。另外，老年人隨著年齡增長的老化過程中，會伴隨著肌肉力量的下降及感官系統的退化，進而影響到姿勢控制 (posture control) 的能力，導致日常生活的功能受到影響 (Faulkner & Brooks, 1990; Load & Ward, 1994; Lord & Ward, 1994)。研究指出，當我們在進行姿勢控制的時候，需要有效率的將感覺訊息給予整合進而調整身體質心位置或足底面積的大小來維持平衡 (Fitzpatrick, Rogers, & McCloskey, 1994)。一旦因為老化的過程導致老年人無法有效將感覺系統訊息整合時，便會使得跌倒風險的提高，並且會降低老年人的日常生活品質 (Horak, 2006)。根據以上原因，有鑑於老化會造成身體機能退化，導致老年人居家危險的發生，使生活品質低落，因此，本研究希望藉由評估日常生活中功能性的動作，來探討跌倒風險發生的原因，進一步發展出因應之道，未來，希望也能推廣到臨床應用上，來改善銀髮族的生活品質。. 第二節問題背景. 我們每天所進行的日常生活動作 (Activity of Daily Living; ADL) 包含了站立、走路、座椅起身、上下樓梯、跨越障礙物、從床鋪起身等…。Foerster 等 (1999) 提到利用量化日常生活動作的方式，來鑑定老年人在日常生活品質上的好壞，是一個有效的評估方式。過去在評估姿勢控制，通常以靜態.

(12) 3. 站立的方式來進行，大多數都是藉由干擾感覺系統的方式來評估；但是，如果以靜態動作做為評估姿勢控制的方式，似乎不太符合我們日常生活中的情況。因此，我們或許需要另一種評估方式，可以符合日常生活中常見的動作；相對地，也比較能夠直接地應用到日常生活中，也就是使用動態的動作來進行評估，能夠來彌補靜態動作所無法解釋的部分。日常生活中常見的動態動作，通常會在站立後伴隨著行走的動作而產生，根據流行病學相關研究指出，老年人大約有 50%的跌倒，是在行走時要跨越不平穩的隆起表面時所發生 (Tinetti, Doucette, Claus, & Marotttoli, 1996)，因此，造成老人跌倒最常見的兩個原因便是絆倒 (tripping) 與失去平衡 (loss of balance) (Blake et al., 1988; Campbell et al., 1990; Desforges, Tinetti, & Speechley, 1989)。一般來說，在我們日常生活中，在上樓梯和跨越障礙物時比較可能會發生絆倒的情況，根據調查約 10% 的跌倒或傷害在上下樓梯時所發生 (Startzell, Owens, Mulfinger, & Cavanagh, 2000; Svanstrom, 1974)；然而，在下樓梯動作的困難度以及風險卻又比上樓梯時還要來的高 (Tinetti et al., 1988)，雖然下樓梯沒有被絆倒的問題存在，但跟上樓梯相較起來，卻存在過大的額狀面 (frontal plane) 動作 (Hamel & Cavanagh, 2004)，根據 Lee 等 (2006) 提到額狀面動作，是對於評估行走平衡能力的一個重要指標，因此，下樓梯可能相對地比上樓梯還要容易失去平衡，由此可知，上下樓梯確實.

(13) 4. 是日常生活中一個高風險的功能性動作。同樣地，很多研究指出老年人在跨越障礙物動作中，發生跌倒狀況的比例也非常高 (Blake et al., 1988; Campbell et al., 1990; Desforges et al., 1989; Overstall, Exton-Smith, Imms, & Johnson, 1977)，根據眾多利用不同參數探討跨越障礙物的文獻指出，老化的確會對於老年人和年輕人之間的動作上產生不一樣的結果 (Hahn, 2004; Lu, Chen, & Chen, 2006)，是由於和老化相關的身體機能衰退，而導致平衡能力的退化所引起 (Hahn, Lee, & Chou, 2005; Lamoureux, Sparrow, Murphy, & Newton, 2002)。而 Chen 等 (2006) 則利用另一種的觀點來探討，提到跨越障礙物是需要下肢多關節同時作用的複雜動作，必須要擁有良好的擺盪腳控制能力，且依賴著跨越腳和支撐腳關節間的協調性整合，使身體保持在一個平衡的狀態下 (Chen & Lu, 2006)。老年人在跨越障礙物時，擺盪腳下肢關節間協調的變異性相對於年輕人來說比較大，是為了要將擺盪腳順利跨過障礙物而避免被絆倒 (Yen, Chen, Liu, Liu, & Lu, 2009)。這可能也是造成老年人在跨越障礙物動作容易跌倒的主要因素之一。除此之外，另一種常發生的情況，也會影響到姿勢控制的能力；也就是，當我們在進行日常生活的功能性動作時，通常會與額外認知任務並存著，如走路時同時和他人交談，或跑步邊聽音樂等情況，在這些情況下，我們的注意力通常都會被分散。另外，先前研究指出當一個比較簡單的動作任務（站立），同時加上額外任務的反應時間，相對比較起來，會比困.

(14) 5. 難動作（站立在狹窄的基底上）任務加額外認知任務的反應時間，還要來的快 (Lajoie, Teasdale, Bard, & Fleury, 1993)。也就是說，雙重任務 (dual task) 的介入，對於簡單的動作任務沒有影響；但是，當動作困難度提升，額外任務干擾所產生的變化機制就會顯現出來。除了動作難度之外，老化也是另一個影響的因子，根據 Lacour 等 (2008) 的回顧性文獻中提到，當進行同樣的姿勢控制的動作時，額外的認知任務對於老年人的挑戰性相對比年輕人還要來的大，因此，年齡的差異也會造成在額外注意力上影響程度的不同。在日常生活的動作中，由於過去研究，對於雙重任務以及下肢關節協調性的探討，多半在跨越障礙物的動作上，因此，本研究希望以同樣存在著高跌倒風險且動作相似的上下樓梯為評估動作，並且以年輕人做為對照的族群，來探討老年人因老化在下肢關節協調性的變化，也會進一步介入雙重任務來探討其影響。. 第三節研究目的. 藉由功能性的上下樓梯動作，探討年齡老化因素（老年人和年輕人）以及不同任務（單一任務和雙重任務）的情境，對於下肢關節協調性以及生物力學相關參數的影響。.

(15) 6. 第四節研究假設. 根據實驗目的，本實驗的研究假設為一、不同年齡族群上的比較 (一)老年族群在上下樓梯的認知任務表現、時間空間、下肢關節協調等參數，會與年輕族群的結果產生差異。二、不同任務情境的比較 (一)年輕族群在單一任務情境下的認知任務表現、時間空間、下肢關節協調等參數，會與雙重任務情境下的結果產生差異。 (二)老年族群在單一任務情境下的認知任務表現、時間空間、下肢關節協調等參數，會與雙重任務情境下的結果產生差異。. 第五節研究範圍與限制. 一、受試者並無下肢肌肉或骨骼傷害、頭部的傷害或神經系統疾病，避免因病變因素而影響結果。二、假設上肢動作不影響下肢動作。三、為了避免實驗誤差，本實驗全程以赤腳方式進行。四、由於實驗室環境高度的限制，身高過高會造成資料收取不易，因此，受試者身高限制不得超過 170 公分。.

(16) 7. 第六節名詞操作型定義. 一、姿勢控制 (posture control) 一種維持平衡的能力，即在重力的作用下，使身體質心 (center of mass) 保持在支撐底面積 (base of support) 內，或是當身體重心偏移時能夠重新回到支撐底面積的範圍內，與平衡是一體兩面的關係。二、平衡 (balance) 通常指的是在連續的動作下維持姿勢來避免跌倒。三、身體質量中心 (center of mass; COM) 在三維空間中代表全身質量集中的一個虛擬點，站立姿勢時約位於軀幹下腹內。四、基底面積 (base of support; BOS) 雙腳足部與支撐表面之間的所涵蓋的範圍區域。五、關節間協調性 (inter-joint coordination) 關節間協調性 (inter-joint coordination) 被定義為兩個鄰近關節間，角度和角速度的變化關係，和關節本體感覺的訊息回饋息息相關 (Burgess-Limerick, Abernethy, & Neal, 1993)。六、時間空間參數 (spatiotemporal parameters) 泛指步態的基本參數，涵蓋時間和空間序列，可作為一個簡單的步態.

(17) 8. 評估參考依據，本研究主要探討步長、步寬、步速等參數。七、運動學 (kinematics) 人體外在運動形式的探討，描述人體外在所產生的動作形式，包含角度、速度和角速度等參數。八、雙重任務 (dual task) 本研究主要介入額外的認知任務，實施方式為提供受試者一個隨機的數字，並且要求受試者在動作進行的同時，同時進行額外的認知思考任務。.

(18) 9. 第貳章. 文獻探討. 本研究目的在探討年齡的差異在上下樓梯動作中，對下肢關節協調性的影響，以及雙重任務的情境是否會改變下肢關節協調型態，因此，本章節文獻探討將其分為以下部分來進行討論：. 第一節姿勢控制與跌倒風險的相關. 一、姿勢控制的定義人類是屬於雙足的動物，有時會雙足接觸地面（站立）；有時會單足接觸到地面（走路）；有時雙足離地（跑步），每種動作對於姿勢控制的困難度都不同。姿勢控制為一種維持平衡的能力，即在重力的作用下，控制身體在空間中的位置，達到穩定的姿勢方位 (orientation) 和姿勢平衡 (equilibrium) (Winter, 1995)。姿勢方位定義為身體相對於外在環境下，保持在適當位置下的能力，在大多數的功能性動作，人體多半保持在直立的動作下，必須仰賴多重的感覺系統，包含了視覺 (visual) 、前庭覺 (vestibular) 和體感覺 (somatosensory)，體感覺則包含了觸覺、壓力、關節受器 (joint receptor) 及肌肉本體感覺 (muscle propriceptive)。這三個主要的感覺系統，又屬於視覺最先啟動，先接受並瞭解外來環境的訊息；前庭覺功能則是可以感受到動.

(19) 10. 作的方向性，判斷屬於線性運動或角運動；而體感覺則是屬於多重的感覺，可以知覺身體動作位置及速度，或身體與外在物體的相對感覺。而在姿勢平衡部分；也可稱為姿勢穩定，指的是將身體質心保持在基底面積內的能力，是用來評估平衡的一個重要指標。二、靜態姿勢控制評估首先，最早在姿勢控制的研究，常以站立動作並評估足壓中心 (center of pressure; COP) 的方式來探討，包括了晃動軌跡、晃動面積及速度，並且常以干擾感覺系統的方式來進行，像是閉眼情境或不平穩的地面等方式，有趣的是，COP 的晃動範圍較大是否就代表維持平衡的能力較差呢？疑惑確實已經在眾多研究中被解答。如 Tucker 等 (2009) 要求受試者以站立身體主動擺動的方式，利用 COP 評估年輕人和跌倒風險老年人的平衡能力，證實跌倒風險老年人在 COP 的晃動幅度比年輕人還要大。而 Melzer (2004) 也以站立姿勢為測量動作，分別在狹窄 (narrow base) 和寬敞 (wide base) 兩種支撐底面進行，並以閉眼及不平穩的地面來破壞感覺系統，比較無跌倒風險和有跌倒風險老年人的平衡能力，結果 COP 晃動軌跡在寬敞面是沒有差別的；然而，在窄底面跌倒風險老年人有著比較大晃動軌跡、面積及速度，因此，由上述兩篇研究可得知，較大的 COP 晃動確實代表著較差的平衡能力。.

(20) 11. 三、姿勢控制策略當身體在站立時處於一個較不穩定情況時，人體主要會採取三種主要的策略，把身體回復到穩定的站立姿勢，首先是踝關節策略 (ankle strategy)，出現於 COM 處於一個較小的晃動時且還保持在 BOS 內，先假設身體為反鐘擺的模型 (inverted pendulum model)、支點 (pivot) 為踝關節，踝關節策略利用小腿蹠屈 (plantar ) 和背屈 (dorsi) 肌群的協同作用，控制反鐘擺模型回到一個穩定的狀態，身體遠端的踝關節會產生力矩來穩定近端的膝關節和髖關節，第二種情況為 COM 產生較快的前後水平速度時，踝關節策略發揮不了作用時，就由髖關節策略 (hip strategy) 來取代，藉由髖關節的快速轉動產生力矩，將 COM 控制在 BOS 內，會導致人體上半身軀幹和 COM 處於不同方向的情況，通常產生於較大的晃動或是站立於狹窄底面的時候。最後，當踝關節和髖關節策略仍然無法將身體控制到平穩的狀況時，第三種選擇便出現；稱作跨步策略 (step strategy)，當身體產生過大晃動或產生過快的 COM 速度時，使得 COM 偏離 BOS，此時，勢必要快速地再重新創造一個範圍更大的 BOS，於是便產生向前跨一步的動作。跨步策略最初被認為，當 COM 超出 BOS 時，才會使用 (Horak, Shupert, & Mirka, 1989)，但後來發現，當 COM 位於 BOS 內時，也常會使用跨步策略 (McLlroy & Maki, 1995)。高跌倒風險的老年人傾向使用跨步策略的比例，相對比低跌倒風險的人還高，低風險者則傾向使用踝關節策略來控制，由.

(21) 12. 此可知，具有跌倒風險的人，傾向使用較安全且保守的策略，來避免意外的出現。下圖中由左到右分別代表著踝關節策略、髖關節策略及跨步策略，而白色圓點則為 COM 並以連線來表示投影的位置。. 圖 2-1 COM 與 BOS 相對位置圖引用自 (Horak, 2006). 跨步策略其實跟走路的型態很類似，且走路跟站立比較起來，應用性也相對比較大，常出現於日常生活中，舉例來說，如前文所述的閉眼站立測量方式，其實在日常生活很少出現，因此，評估走路相較於站立也較有其應用價值。四、動態平衡評估走路跟站立不同的地方在於，走路並非將 COM 不動的維持在 BOS 內就好，走路是 BOS 不斷改變的情況，因此，COM 也必須配合 BOS 不斷的移動，目的也是要將 COM 以動態控制的方式維持在 BOS 內，在連續動態的動作中來維持姿勢，我們稱之為動態平衡 (dynamical balance)。人體有三分之二的質量分佈在上半身；包括頭、雙臂及軀幹，如前面所述，便可假設人體為反鐘擺模型，因人體先天上就是處於一個較不穩定的狀態，相.

(22) 13. 對也就提升了在維持動態平衡的困難度。除了要維持 COM 在適當的位置之外，Pai 等 (2000) 也提到 COM 速度也是影響平衡的重要因素，過快的 COM 速度造成無法將 COM 維持在 BOS 內，將導致跌倒意外發生。前述都以單獨 COM 或是 COP 的測量來評估平衡能力，兩者都被廣泛的使用，但獲得的訊息相對也比較單一化，COM 和 COP 在動態控制的過程，跟靜態評估較不同之處，在於無法認定過大的晃動是否代表著不穩定，因此，結合 COM 和 COP 將能獲得更完整的姿勢控制訊息 (Winter, 1995)，且在過去研究 COM-COP 參數也已經被大量的運用在步態分析，甚至是在臨床上的評估應用，Hsue 等(2009) 以 COM-COP 間的距離來評估腦性麻痺孩童和正常孩童在動態平衡能力的差別，若過大的 COM-COP 距離 (COM-COP separation)，會產生較大的地面反作用力的力臂，使得過大的外關節力矩產生，因此就必須要產生的更大的力量來抗衡，若無法抵銷過大力臂所產生的外力，便會導致失去平衡的情況。而 Lee 等(2006) 則提出 COM-COP 距離，會受到身材的影響而產生變異性，於是採用 COM-COP 連線與 COP 垂直線相交所產生的傾斜角 (COM-COP inclination angle)，如下圖所示，圖 A 表示在相同的 COM-COP 傾斜角度之下，身高較高者會比身高較矮者有較大的 COM-COP 距離，圖 B 表示在相同的 COM-COP 距離之下，身高較矮者會比身高較高者有較大的 COM-COP 傾斜角，COM-COP 傾斜角可排除受試者身高差異的因素，且傾斜角度也可有效地評估老年人的.

(23) 14. 平衡能力好壞。. 圖 2-2 COM-COP 傾斜角示意圖引用自(Lee & Chou, 2006). 然而，若要以 COM-COP 傾斜角來評估動態平衡，受試者必須要單腳踩在一塊測力板上，才能採集到最正確的 COP 參數，施測者必須要控制受試者的腳步，使受試者在不被告知的情況下，達到施測者的要求，但勢必會造成實驗困難度的提升，尤其老年人族群的步幅變異性相對比年輕人還要大 (Azizah Mbourou, Lajoie, & Teasdale, 2000)，倘若施測者告知受試者實驗的要求，又會影響到受試者最自然的走路型態，而且，本研究又是進行上下樓梯的動作，若要在樓梯每一階都架設測力版，不僅耗時又費力，因此，Chen 等(2010) 提出用利用踝關節外髁 (lateral malleoli) 反光球，來取代 COP 的位置，計算出 COM 與踝關節外髁連線與踝關節外髁垂直線相交的傾斜角，把它和 COM-COP 傾斜角相比，發現兩者的結果在整個走路週期的角度變化非常類似，被認為可以用來取代 COP 的方式，既可以解決.

(24) 15. COP 資料收集不易的缺點，同時又可以達到評估動態平衡的效果。本研究也將採取此方式來計算傾斜角參數。五、骨骼肌肉控制眾所皆知，肌肉力量會隨著年紀增長而下降，且下肢肌肉強度對於老年人在動態平衡的控制中，扮演著不可或缺的角色 (Brown, Sinacore, & Host, 1995)。在靜態評估動作，會運用踝關節和髖關節策略，控制 COP 在矢狀面的前後擺動和額狀面的左右晃動，在踝關節的蹠屈肌群和背屈肌群主要負責控制矢狀面動作，髖關節外展和內收肌群則是負責控制額狀面動作 (Winter, Prince, Frank, Powell, & Zabjek, 1996)，是由於在矢狀面肌肉控制是由遠端關節到近端關節的作用 (Tang & Woollacott, 1996)，而額狀面的肌肉控制在近端關節的重要性大於遠端關節 (Gribble, 2004)。在動態評估的部分，髖關節外展肌群也是在控制額狀面動作的主要作用肌群，來穩定行走時 COM 在雙腳之間的快速轉換 (Hahn et al., 2005)，而踝關節蹠屈肌群和背屈肌群不僅穩定踝關節，也會限制脛骨 (tibia) 以距骨 (talus) 為支點的向前旋轉動作，減少膝關節動作，踝-膝關節的聯合穩定可以避免 COM 過大的前後擺動 (Sutherland, Cooper, & Daniel, 1980)，由此可知，下肢肌群在姿勢控制的影響因素中，也佔了一席之地。.

(25) 16. 第二節雙重任務與姿勢控制. 如前所述，姿勢控制為維持平衡的能力。早期被認為是種自發性反射的控制任務，對於注意力 (attention) 的需求來說並不大。然而，後來研究結果則逐漸否定了這種說法，這些研究提出姿勢控制需仰賴注意力的協助，而注意力的需求程度取決於動作的困難程度、個體年齡以及平衡能力的好壞來決定 (Woollacott & Shumway-Cook, 2002)。注意力被定義為個體處理訊息過程的能力。假設同時進行兩個任務的訊息處理，超過個體訊息處理的負擔能力，會導致其中一個任務或同時兩個任務都受到影響 (Woollacott & Shumway-Cook, 2002)。很多有關注意力和姿勢控制的研究便是使用雙重任務的方式，姿勢控制的動作被視為首要任務 (primary task)，並搭配另一個次要任務 (secondary task)，可以是認知處理或是動作任務等……很多種方式，在額外任務的介入過程中，會使得注意力被分散掉，間接影響到首要姿勢控制的表現下降 (Camicioli, Howieson, Lehman, & Kaye, 1997)。然而先前研究指出仍然很難明確的定義出姿勢控制所需要的注意力多寡，是因為兩種任務是呈現交互作用影響的結果，無法單一方向的明確推論 (Woollacott & Shumway-Cook, 2002)。由上述得知影響注意力需求的原因之一便是年齡因素，Woollacott 等 (2002) 在回顧性文獻中提出，簡單的次要任務對年輕族群的注意力需求負.

(26) 17. 擔程度其實不大。Lajoie 等(1996) 採用對聲音反應時間的次要任務，來探討年齡差異所造成的改變，由於次要任務過於簡單，因此並沒有導致組間的表現不同，卻發現較困難的姿勢控制動作（走路、站立）的反應時間都比簡單姿勢控制任務（坐姿）還要慢，而 Maylor 等(1996) 便是以複雜的次要任務來介入，發現年輕人在各種認知任務的表現都比老年人要佳，各種姿勢控制動作也都比老年人還要穩定。因此，由這兩篇文獻可得知，首要和次要任務交互作用影響注意力的因素，除了年齡之外，還包括了姿勢控制任務的難度和額外認知任務的種類。過去文獻中有眾多認知任務的種類，包含聲音反應時間、視覺干擾介入、記憶性介入、拼單字和數字計算等……，根據 McCulloch 等(2009) 提出視覺性的干擾測驗對於走路來說過於困難，有可能是因為視覺是感覺系統的一部分，而且本研究又是採取較困難的樓梯動作，所以視覺干擾便不在考慮的範圍內，再者，希望能用簡單的方式來介入操弄，故也將需要額外儀器設備的反應時間移除，最後，是希望能夠明確的判斷受試者在認知任務的表現，因此，多方考量下，連續數字計算 (serial subtractions) 是最符合本實驗的需求，也能夠藉由認知任務基準值的測試來評斷雙重任務的虧損 (dual task cost)。雙重任務的虧損不僅會反應在認知任務上，動作控制上亦同，如 Hollman 等(2007) 以倒拼單字的認知任務方式來介入，比較老年人、中年.

(27) 18. 人和年輕人在走路上的表現，結果各組組內都呈現差異，雙重任務的步速下降及步幅變異性 (stride-to-stride variability) 增加，而在組間差異的部分，老年人在雙重任務下步速都比另外兩個族群慢；步幅變異性則較大。此結果顯示雙重任務對注意力的需求，導致老年人在步態行走上的不穩定，會有較大的跌倒風險。接著，若是探討在較困難的姿勢控制動作上，Harley 等 (2009) 也採用三個族群間的比較，探討額外介入口語任務的情境下，跨越障礙物表現的差異，70 至 79 歲的組別在雙重任務下的表現，呈現與單一任務類似的認知任務表現、減少與障礙物間的距離及增加了跨越腳落地的變異性，與其它兩組年紀小的族群呈現較不一樣的結果，也就是隨著年齡的增長，注意力負荷的增加會影響到動作表現，而年輕族群則能夠在面對額外注意力需求時還能保持姿勢的穩定，但此能力會隨著年紀的增長而下降。以上文獻驗證了雙重任務耗損也反應在動作上，但回顧眾多文獻發現雙重任務方式還沒有被運用於樓梯動作上，因樓梯動作本身的困難程度，或許可以預期在認知任務介入後會有明顯的不同結果，但仍需要本研究來證實。另外，雙重任務的方式，也常被運用在臨床評估的範疇上，如腦震盪 (concussion) (Parker, Osternig, Lee, Donkelaar, & Chou, 2005)、平衡受損 (balance impairment) (Siu, Chou, Mayr, Donkelaar, & Woollacott, 2009)、帕金森氏症 (Parkinson’s disease) (Canning, 2005) 和中風 (stroke) (Yang, Chen,.

(28) 19. Lee, Cheng, & Wang, 2007) 等……，且也都能有效評斷臨床患者注意力被分散時，姿勢控制上的表現，最後，不管是年輕人、老年人或是臨床患者，姿勢控制任務都是需要注意力的幫助，而要決定需求程度的多寡就如本節所述之眾多因素。但本研究並不探討認知任務種類及動作難度的影響，主要著重於年齡差異對雙重任務耗損的情形。. 第三節樓梯動作相關研究. 約在這過去二十年，開始有很多學者，利用人工打造樓梯的方式，將實驗室環境模擬成日常生活中上下樓梯的情況來進行研究。是為了要改善並預防，人們常在樓梯的轉換過程中被絆倒，不只是老年人；年輕人也常在意外的情況下而跌倒。目前為止，上下樓梯的相關研究，已經有了一些基本生物力學的資訊可以提供參考。在此，便以時間空間參數、運動學、動力學及肌電圖、以及姿勢控制等方向來進行探討：一、時間空間參數 (spatiotemporal parameters) 基本的時空參數常被運用於快速的臨床診斷治療，只要有基本的碼錶和數位攝影機等工具便可取得，雖然不比動作分析系統的測量來的精確；然而，它存在著快速且方便獲得結果的優點，費用也相對便宜很多，可以快速的幫助我們瞭解動作最基本的資訊。另一方面，當我們使用動作分析系統進行測量後，我們便可先探討時空參數的變化，先得知動作的基本型.

(29) 20. 態後，再更進一步的去探討。在上樓梯和平地行走的部分，在步速、步頻、週期時間、步長、站立期和擺盪期等參數都有明顯的差別 (Nadeau, McFadyen, & Malouin, 2003)，而樓梯動作在族群年齡差異的部分，老年人在週期時間及單腳支撐 (single support) 時間都比年輕人還要長 (Mian, Thom, Narici, & Baltzopoulos, 2007)，因此，當我們得知不同的動作或是不同的族群在時空參數上有差別後，便可進入更詳細的探討；相反地，就算沒有差別，我們也可討論其原因為何。二、運動學 (kinematic) 下肢關節角度的部分，Riener 等(2002) 提到在上樓梯的動作，矢狀面 (sagittal plane) 的下肢髖、膝以及踝關節角度活動範圍，都明顯的比平地行走還要大，而在下樓梯的動作，只有髖關節角度活動範圍比平地行走還要小。在額狀面 (frontal plane)，最大的髖關節外展 (abduction) 角度不會超過 5 度，通常發生在腳尖離地 (toe-off) 後，而且，在上樓梯過程，髖關節的外展會逐漸變大，然而，平地走路卻呈現快速的髖關節外展動作，另外，上樓梯在轉換過程時，會產生髖關節內收 (adduction) 的動作，但平地行走卻保持在自然的角度 (neutral position)；膝關節在上樓梯時的額狀面動作和平地行走非常相似，幾乎沒有太大變化，踝關節則和髖關節有著很類似的動作，最大外展角度出現在腳尖離地時，最大內收角度出現在單腳站立期的初期。另外，若以不同年齡來比較，上樓梯動作的下肢膝關節和踝關節.

(30) 21. 角度活動範圍，老年人和年輕人的型態都很類似；然而，老年人在下樓梯時的踝關節背屈角度 (dorsiflexion) 卻比年輕人還要大，被指出踝關節可能在下樓梯動作扮演很重要的角色 (Reeves, Spanjaard, Mohagheghi, Baltzopoulos, & Maganaris, 2008)。根據以上之探討，可以清楚瞭解到上樓梯動作中，矢狀面的下肢髖關節、膝關節以及踝關節都和平地行走有很大的差異，而額狀面似乎只有髖關節變化比較明顯，由此可知，基本上兩者外在動作已經有明顯的不同，而外在動作的不同便是由於內在力量的差異所產生，而年齡差異所造成影響似乎不大。三、動力學 (kinetic) 在地面反作用力的部分，下樓梯的地面反作用力相對於平地走路來說都會比較高 (Hamel, Okita, Bus, & Cavanagh, 2005)，而在上樓的動作特性，膝關節所產生的力矩約比平地走路還多出三倍 (Riener et al., 2002)，由上述特性來看，樓梯動作確實比平面的行走還具有挑戰性，先前很多研究指出，上樓梯時會相對於平地行走產生較大的膝關節屈曲力矩 (flexion moment)，相對地，膝關節伸肌群 (knee extensor) 便成了在上樓梯轉換過程中的主要活化肌群 (McFadyen & Winter, 1988)，Richards 等(1989) 也談到膝關節屈曲肌群 (knee flexor) 的重要性同樣也不可獲缺。而在額狀面，上樓梯相對平地行走，髖關節的外展力矩 (abduction moment) 型態是類似的，而內收力矩 (adduction moment) 則比平地行走還大 (Kirkwood, Culham, &.

(31) 22. Costigan, 1999)，兩者動作特性所產生的差異，對年輕人或許沒影響，但對於老年人來說，老化所引起的肌力退化，可能導致跌倒風險產生。Reeves 等 (2008) 利用等速肌力儀，所測得最大力矩來做為關節力矩標準化的方式，發現老年人和年輕人地面反作用力數值非常類似，但卻產生不同比例的標準化關節力矩值（以關節力矩除以最大力矩值的方式作為標準化），老年人在標準化的關節力矩值比年輕人還大，在上樓梯還有下樓梯的膝關節和踝關節都是類似的結果，而在上樓梯的情況又比下樓梯產生更大的比例，因此，綜合以上來看，上樓梯在矢狀面最主要的下肢作用關節為膝關節，額狀面則為髖關節，跟平地走路相較起來，樓梯動作運用了不同的下肢肌群活化策略，去應付外在環境需求的變化，老年人比年輕人產生更大的下肢關節及肌群的負荷，也是為了要順利的在樓梯的轉換過程中避免跌倒，最後，本實驗中因為實驗設備的限制，並沒有收取動力學的相關參數。四、上下樓梯動作的姿勢控制儘管過去已有許多在上下樓梯的生物力學相關探討，如前述的關節角度、關節力矩及肌肉活化等參數，使得我們對於樓梯的動作有初步的瞭解；然而，那僅是對於下肢單一關節的探討，忽略了全身 (whole body) 或肢段運動學的訊息。倘若在身體移動的過程中，身體動作若超出行進的範圍平面過多，也許是不當的神經肌肉 (neuromuscular) 控制所引起，此時便可指出是一個缺乏穩定性 (lack of stability) 的情況，會導致維持平衡的困難度提.

(32) 23. 升 (Mian, Narici, Minetti, & Baltzopoulos, 2007)。為了要能夠有效評估老化對動態平衡的影響，勢必要瞭解全身在三維空間 (three-dimensional) 中的動作， Mian 等 (2007) 提到，健康老年人與年輕人在上樓梯及下樓梯的 COM-COP. 水平距離參數 (medial-lateral COM-COP separation; anterior. posterior COM-COP separation)，沒有明顯的差別，並沒有符合預期的結果，代表健康老年人在上下樓梯的過程，可以保持良好的動態穩定性。Lee 等 (2007) 則發現老年人在下樓梯的轉換過程中，明顯比年輕人有較大的 COM-COP 額狀面傾斜角度，證實老年人在轉換過程中，無法有效的減少身體的晃動，便可能導致跌倒風險的提高。五、小結在過去樓梯相關文獻中，主要進行了樓梯動作與平地走路的相關探討，瞭解到這兩者動作在各種參數上的差異，發現樓梯動作的確比平地行走還要有挑戰性，有趣的是，對於年輕族群並沒有太大的影響，但相對於老年人族群，卻使用了不同的動作因應策略，因此，也就更值得我們進行更深一步的探討。另外，筆者發現到在過去文獻，雖然在下樓梯動作的跌倒風險較高，但針對下樓梯動作的研究卻相對稀少，為了降低樓梯意外發生的比例，上下樓梯動作的整合研究勢必不可缺少，最後，若要對樓梯動作的生物力學特性更加了解，不僅要討論最主要的動作產生解剖面；矢狀面，而是要針對整個三維空間中的動作變化來討論，便能獲得更完整的訊息。.

(33) 24. 第四節下肢關節協調性. 在動作行為的觀點中，協調 (coordination) 定義為「環境中各種物體和事件的狀態下各部位的動作型態」 (Turvey, 1990)，Bernstein (1967) 則認為「協調是控制動作器官多餘自由度，並轉換為一個可控制的系統之過程」，簡單來說，「協調是動作器官控制之組織」。相對相角 (relative phase) 是一種從動力系統理論 (dynamical system theory；DST) 發展出來的分析工具，能夠測量在週期運動中鄰近肢段間的相互改變及協調關係。相對相角及相對相角的變異性，已經被用來在步態分析的探討上，藉由相位圖描述步態週期內，鄰近肢段之間的速度和位置的變化關係 (Clark & Phillips, 1993)。相對相角可分為連續性或間斷性，連續性的相對相角用來描述在時間和空間 (temporal-spatial) 序列裡，協調性的變化，相對相角的變異性 (variability)，可用來表示整個動作過程中的穩定性，在某些動作中，較大的變異性代表動作型態的轉換；新的動作型態將要出現，例如走到跑的轉換過程會有較大的變異性，而較低的變異性代表維持著穩定的動作型態 (Emmerik & Wagenaar, 1996)。而關節間的協調性定義為「兩個鄰近關節間的角度和角速度的變化關係，和關節受器的訊息傳入控制息息相關」 (Burgess-Limerick et al., 1993)，因此，動力系統衍生出的相對相角測量方法，提供了比傳統生物力學對神經肌肉系統，還要更.

(34) 25. 有效的評估方式 (Barela, Whitall, Black, & Clark, 2000)。過去利用相對相角的相關研究，多半集中在下肢；如跨越障礙物 (Lu, Yen, & Chen, 2008)、跑步跟走路 (Li, Bogert, Caldwell, Emmerik, & Hamill, 1999) 及從地板拾物 (Burgess-Limerick et al., 1993) 等，只有少數是探討上半身動作 (Cirstea, Mitnitski, Feldman, & Levin, 2003)，過去並沒有針對樓梯動作在下肢協調的探討，如前所述，樓梯動作對老年人挑戰性較高，容易發生意外，因此，在此推測老年人在樓梯動作的相對相角變異程度或許會比年輕人還要大，樓梯動作可能導致老年人在動作型態的轉換。. 第五節文獻總結. 綜合文獻所提，過去在樓梯動作的相關研究多半集中在運動學及動力學的部分，相較起來，姿勢控制的部分就比較稀少，在下肢關節間協調性的探討甚至完全沒有，另外，雖然下樓梯的風險較高，但過去的研究卻多半探討上樓梯，到目前為止，對於樓梯動作的相關研究，對生物力學範疇來說，已經建立了初步的資訊，但似乎還不是非常完整。因此，本研究希望針對日常生活中高功能性的樓梯動作，建立完整的資訊，及類推到實際的應用情境，並模擬平常會出現的雙重任務情境，最後，無非就是希望藉由前述所提到的相關參數，釐清老年人在樓梯意外的高比例原因，探討不同年齡族群在樓梯動作上姿勢控制表現的能力差別。.

(35) 26. 第参章. 研究方法. 第一節研究對象. 一、12 位年輕人，及 12 位健康老年人，參與本次實驗。二、老年人受試者篩選老年人受試者來源，主要透過台北市文山區老人活動中心社工的協助招募，有意願參與本的實驗老年人，必須先接受伯格氏平衡測量表 (Berg Balance Test) 確保無任何任何周邊神經病變、中樞動作控制問題及前庭知覺的障礙，分數必須高於 52 分（滿分為 56 分）才可參與本次實驗 (Berg, Maki, Williams, Holliday, & Wood-Dauphinee, 1992)，此外，因本研究會介入額外認知任務，為了避免老年人在認知功能的差異而影響結果，簡易智能狀態測驗 (Mini-Mental Status Examination; MMSE) 分數若低於 24 分（滿分為 30 分）將被排除 (Folstein, Folstein, & McHugh, 1975)。另外，還必須確保無任何頭頸部傷害 (head trauma)；神經系統疾病 (neurological diseases) ，如帕金森氏症 (Parkinson’s) 小兒麻痺 ( post-polio syndrome) 和糖尿病所引起的神經病變 (diabetic Neuropathy) 等；無視力異常 (visual impairment) 或下肢肌肉骨骼 (musculoskeletal) 的相關疾病，如關節置換 (joint replacement) 或關節融合 (joint fusions)。.

(36) 27. 三、在進行實驗之前，所有受試者已經充分了解實驗目的及流程，同意參與並簽署實驗同意書，所有實驗的過程皆在台灣師範大學公館校區生物力學實驗室進行，實驗時間為 100 年 2 月到 4 月。. 第二節研究工具. 一、本研究之實驗器材如下 (一) Vicon 三維動作分析系統 (MX13+Oxford Metrcis, UK) 使用十台紅外線攝影機，頻率設定為 (100Hz)，來收集黏貼於身體各肢段之重要關節處的反光球，將採集到的反光球位置，轉變成對應到實驗室空間座標系統的座標位置，用以做運動學的分析。. 圖 3-1 Vicon 紅外線攝影機.

(37) 28. (二) Vicon Nexus 1.5.2 套裝分析軟體配合紅外線攝影機同步收取資料之軟體，並且用來事後資料的反光球命名 (label)，去除雜點及檔案輸出之功能。. 圖 3-2 Nexus 分析軟體. (三) 人體測量工具－身高體重計 (四) Matlab (R2007a) 分析軟體用以資料處理後相關參數分析之計算。 (五) 釣竿校正器受到實驗室環境高度的限制，必須確保攝影機高度之位置，避免拍攝不到頭部反光球之情況發生。 (六) 紅外線感應器紀錄受試者雙重任務時回答過程之行走時間，用來計算認知任務回答次數之參數。.

(38) 29. (七) 游標尺、捲尺、布尺及膠布 (八) 樓梯一座本研究使用之樓梯，將仿照一般公寓之樓梯的高度，以木板釘製 1 個 4 階高度的階梯，每階級深 28 公分、級高 18 公分、寬度 90 公分（符合營建署規定的級高 20 公分以下級深 24 公分以上之標準），並且在最後 1 階做一長達 3 公尺的平台延伸，示意圖如下。. 圖 3-3 樓梯構造圖.

(39) 30. 二、肢段反光球黏貼之位置為取得各肢段在實驗室空間中之位置，本研究使用自建的反光球貼法來黏貼於特定的關節位置，被動式反光球 (passive marker, 1.27cm) 黏貼的位置，以及相對應反光球名稱如下表，用以建立出身體各個肢段，包含頭部、左右上臂、左右前臂（含手掌）、軀幹、骨盆、左右大腿、左右小腿、以及左右足部。. 表 3-1 反光球黏貼位置. 反光球名稱 FHD＊ BHD＊ Shoulder＊ Elbow＊ Wrist＊ Hand＊ Scapula ASIS＊ Sacral Knee lateral＊ Knee medial＊ Ankle lateral＊ Ankle medial＊ Toe＊ Heel＊. 解剖學位置. 註解大約在太陽穴附近。位於頭部後面，與 FHD 在同一個水平面。. 肩鎖骨（acromio-clavicular）外上髁（lateral epicondyle of elbow）位於腕關節內外側的中心點。第三掌骨頭（head of third metacarpal）右側肩胛骨（right scapula）前上髂棘（anterior superior iliac spine）薦骨（sacral）股骨外髁（lateral epicondyle of femoral）股骨內髁（medial epicondyle of femoral）外踝（lateral malleolus）內踝（medial malleolus）第二蹠骨頭（head of second metatarsal）跟骨（calcaneus）. 備註：＊代表包含左右兩側.

(40) 31. 第三節實驗程序. 一、實驗流程圖實驗前先篩選適合的受試者. 受試者進入實驗事前，完成動態分析系統動態和靜態校正. 說明實驗目的與流程，並請受試者填寫基本資料及實驗同意書. 記錄受試者基本資料，測量身高體重. 認知任務前測. 黏貼反光球，收取運動學參數資料. 平衡次序（counterbalance）. 一般情境上下樓梯測試（無雙重任務）平衡次序（counterbalance）. 上下樓梯加上認知任務（雙重任務）平衡次序（counterbalance）. 認知任務後測. 資料分析處理.

(41) 32. 二、實驗步驟 (一) 通過篩選後之受試者來到本實驗說明實驗流程並填寫實驗同意書確認受試者對本實驗過程徹底瞭解，並同意參與本實驗。 (二) 測量身高體重可用來作為事後資料分析，受試者個別參數標準化之依據。 (三) 黏貼反光球將反光球黏貼於主要關節位置，並使用 3M 透氣膠帶給予固定，避免實驗過程中反光球脫落，而導致實驗誤差的產生。 (四) 認知任務基準值前測要求受試者採坐姿回答問題，實驗者會先隨機給予一個介於 40 到 99 之間的數字，為了避免有過多的思考時間，在實驗者給予數字的 5 秒後，便開始進行將數字連續減 7 的思考任務，給予 10 秒的回答時間，需將答案大聲朗誦出，並將答案紀錄之。 (五) 單一任務情境（無認知任務介入）之上下樓梯測試受試者被指示站立於樓梯前 3 公尺預備，試驗前讓受試者練習數次，以便熟悉人工打造的樓梯，聞”開始”口令後，要求受試者必須以最自然的動作及速度行走，盡量符合日常生活中的情況，進行分別進行上樓梯及下樓.

(42) 33. 梯試驗動作 5 次。 (六) 上下樓梯同時加上認知任務（雙重任務）之測試要求受試者在進行動作的同時，必須進行額外認知任務的思考，首先，實驗者會先隨機給予一個介於 40 到 99 之間的數字，為了避免有過多的思考時間，在實驗者給予數字的 5 秒後，便開始進行將數字連續減 7 的思考任務，需將答案大聲朗誦出，並同時進行上下樓梯之動作，回答範圍訂定為樓梯前 3 公尺至樓梯最後 1 階往後延伸 1.5 公尺，並記錄在這範圍內回答正確的次數。 (七) 認知任務基準值後測與前測施測方式相同，再進行一次。. 第四節資料處理. 一、步態週期 (一) 上樓梯 (stair ascent; SA) 上樓梯動作定義出兩個步態週期，分別是上樓期 (SA phase) 和上樓轉換期 (floor-to-stair transition phase)，上樓轉換期定義為從上樓梯前的最後 1 次腳跟著地開始，到同一隻腳在第 2 階的腳跟著地結束，上樓期定義為從樓梯第 2 階的腳跟著地 (heel strike) 開始，到同一隻腳在第 4 階的腳跟著地.

(43) 34. 結束 (Lee & Chou, 2007)。 (二) 下樓梯 (stair descent; SD) 下樓梯動作定義出兩個步態週期，分別是下樓期 (SD phase) 和下樓轉換期 (stair-to-floor transition phase)，下樓期定義為從樓梯第 4 階的腳尖離地 (foot-off) 開始，到同一隻腳在第 2 階的腳尖離地結束，下樓轉換期定義為從第 2 階的腳尖離地開始，到同一隻腳落到地板的第 1 次腳尖離地結束 (Lee & Chou, 2007)。 (三) 步態週期定義根據 Murray 等(1969) 的定義方式，將步態週期再行細分，分為站立初期 (early stance, ES)、站立中期 (mid-stance, MS)、站立晚期 (late stance, LS) 和擺盪期 (swing phase)，而下肢關節協調的參數，便依照此分期方式來進行討論。二、參數分析在一般情境和雙重任務情境，分別收取 5 筆成功資料作平均，把上樓梯和下樓梯動作分開處理，並以認知任務、時間空間參數、關節間協調性等部分來分析： (一) 認知任務回答次數 1、單一任務情境.

(44) 35. 將受試者坐姿 10 秒內回答正確的次數，乘以 6 便為認知任務回答次數的對照基準值 (baseline)。 2、雙重任務情境將受試者雙重任務情境中回答正確之次數，除以行走的時間，再乘以 60 將單位換算為（次數/分鐘），便為雙重任務情境下的認知任務回答次數 (Fok, Farrell, & McMeeken, 2010)。 (二)時間空間參數 1、步長 (stride length) 步態週期內所定義的單腳腳跟著地至同一腳跟下一次著地，其間距距離，並除以受試者身高作為標準化的方式 (Hernández, Silder, Heiderscheit, & Thelen, 2009)。 2、步寬 (step width) 步態週期內的左腳和右腳跟著地時，兩腳踝關節中心的間距距離。 3、步速 (gait velocity) 步態週期內 COM 向前的距離變化除以所經過的時間 (Lee & Chou, 2007)。 (三)運動學計算出整個步態週期內，矢狀面之下肢關節（髖、膝、踝）的角度變.

(45) 36. 化，再以 GCVSPL 並對其角度進行微分，而得到角速度 (Woltring, 1986)。 (四)下肢關節間協調性 1、均方根誤差值 (root-mean-square analysis, RMS) 均方根誤差值可用來比較，族群、情境或是肢段之間協調型態的失相振幅差異 (dephasing magnitude) (Haddad, Emmerik, Whittlesey, & Hamill, 2006)，因此，本研究主要探討年齡組別（老人和年輕人）在不同情境下的協調型態振幅差異。 2、交叉相關 (cross correlation) 交叉相關則用來探討，隨著時間序列變化的兩個協調型態之間的相關一致性 (Haddad et al., 2006)，因此，本研究主要探討年齡組別（老人和年輕人）在不同情境下的協調型態。 3、相對相角將運動學所得之矢狀面的下肢關節（髖、膝、踝）角度及角速度最大值、最小值標準化為+1 與-1，中間值為 0（原點），計算方式如公式：代表角度、代表角速度，而 i 代表步態週期內的某一點資料 (Kurza'b & Stergioub, 2002)。.

(46) 37. （公式一）. （公式二）將下肢各關節標準化過後的角度和角速度以下列之公式三計算出相角 (φ)，再以近端關節減去遠端關節相位角數值得到相對相角，分別為 φ 髖－膝和 φ 膝－踝。相角 (phase angle) = （公式三）. 圖 3-4 相角示意圖引用自 (Lu et al., 2008). 相對相角數值在 2. (0° 或 360°) 時為同相 (in phase)； (180°) 為反.

(47) 38. 相 (anti-phase) 。相對相角在 ±30° 內是可接受的範圍 (Bardy, Oullier, Bootsma, & Stoffregen, 2002)。相對相角為正值代表近端關節引導著遠端關節，相對相角為負值代表遠端關節引導著近端關節，引導的意思代表在矢狀面的動作上，引導的關節的角度變化幅度超越另一個關節 (Yen et al., 2009)。 4、偏差相角值 (deviation phase; DP) 為了量化關節間動作的穩定程度，將步態週期分成站立期及擺盪期，並分別計算出其週期內相對相角的標準差。較低的相位變異值，代表著下肢在動作過程中變異性較小，也就是有著比較穩定的下肢關節協調動作 (Stergiou, Jensen, Bates, Scholten, & Tzetzis, 2001)。P 表示整個步態週期的時間張數。. （公式四）.

(48) 39. 第五節統計考驗. 本研究以 SPSS for Windows 13.0 版之套裝軟體進行各項統計分析。利用混合設計二因子變異數分析 (Two-way Mixed Design ANOVA) 來比較不同年齡組別與不同任務情境 (2×2)，對下肢關節協調之影響。顯著水準設為 α =.05，若交互作用達顯著水準，則進行簡單主要效果 (simple main effect) 分析，並進行事後比較，自變項為不同年齡組別（年輕人與老年人）和不同任務情境 (單一任務與雙重任務)，依變項為時間空間參數和下肢關節協調等所欲分析的參數。再以重覆量數單因子變異數分析. (One-way ANOVA with. repeated measure)，分別針對不同年齡組別，比較不同情境下，對認知任務回答表現的影響，顯著水準設為 α = .05，若達顯著水準，再進行 LSD 事後比較，自變項為不同情境（單一任務（前、後測）、雙重任務），依變項為認知任務正確回答次數。.

(49) 40. 第肆章. 結果. 本章節將呈現實驗數據之結果，並分成上樓梯及下樓梯兩種動作來探討，依序為：第一節為受試者基本資料、第二節為認知任務表現、第三節為時間空間步態參數、第四節則是下肢關節協調差異性，最後，第五節為關節協調能力穩定性。. 第一節受試者基本資料. 本實驗共招募了 16 位（7 男 9 女）65 歲以上的健康老年人，以及 12 位（6 男 6 女）健康年輕人，受試者基本資料如下表：表 4-1 受試者基本資料 Elderly. Young. (n=16). (n=12). Age (year). 79.16 (6.97). 23 (1.21). Height (cm). 160.49 (7.27). 165.25 (4.11). Weight (kg). 62.16 (11.26). 60.25 (6.90). BMI (kg/m2). 24.01 (3.23). 22.02 (1.87). BBS. 54 (1.71). X. MMSE. 28.50 (1.26). X.

(50) 41. 第二節認知任務表現. 本小節將分別呈現老年人及年輕人，在坐姿時認知任務（單一任務；前測與後測），以及認知任務結合樓梯走路（雙重任務）之認知任務回答次數的表現，經重覆量數單因子變異數分析檢定後，得到以下結果。一、老年人老年人分別在前測、樓梯動作（上、下）及後測，三個不同時間點的認知任務表現平均值，達到顯著差異 (F = 3.271, p <.05) ，進行 LSD 事後比較發現，老年人上樓梯回答次數顯著多於前測及下樓梯時，而後測也顯著多於前測。. 圖 4-1 老年人的認知任務表現. 二、年輕人年輕人也分別在前測、樓梯動作（上、下）及後測，三個不同時間點的認知任務表現平均值，達到顯著差異 (F = 6.31, p < .05) ，進行 LSD 事.

(51) 42. 後比較發現，年輕人上樓梯和下樓梯回答次數顯著多於前測，而後測回答次數也顯著多於前測。. 圖 4-2 年輕人的認知任務表現. 表 4-2 不同年齡族群的認知任務表現 Response Pre-test. Ascent. Descent. Post-test. Elderly. 19.00 (5.31)b. 22.34 (6.85)a. 20.90 (6.82). 22.33 (6.26)a. Young. 32.76 (8.64)b. 37.93 (6.49) a. 41.02 (9.29) a. 40.44 (9.31) a. (times/min). 組內的事後比較：a 表示與前測、b 表示與後測達顯著差異水準 (p <. 05).

(52) 43. 第三節時間空間步態參數. 一、上樓梯上樓梯動作可分為轉換期（地面轉換到樓梯)和上樓期兩個階段，因此本小節所述之參數，都會依據這兩個時期來分開呈現，經 2（組別）× 2（情境）混合設計二因子變異數分析後呈現以下結果。 (一)步長轉換期階段的步長，組別 × 情境的交互作用未達顯著 (F = 2.566, p = .12)，不同年齡組別間 (F = 0.35, p = .56) 和不同情境間 (F = 0.007, p = .933) 的主要效果也都未達顯著，在上樓期階段，組別 × 情境的交互作用和不同組別間主要效果皆未達顯著 (F = 1.369, p = .25)，但在不同情境間的主要效果達顯著 (F = 6.562, p < .05)，在單一任務情境下的步長顯著大於雙重任務的情境，並分別對不同年齡組別，進行相依樣本 t 考驗，發現老年人 (t = 2.046, p = .06) 和年輕人 (t = 1.602, p = .14) 在不同情境間步長都未達顯著差異。.

(53) 44. 圖 4-3 上樓梯轉換期之步長（不同任務情境比較）. (二)步寬轉換期階段的步寬，組別 × 情境的交互作用 (F = 0.75 ,p = .39)、不同組別年齡間 (F = 0.109 ,p = .74) 和不同情境間 (F = 2.529, p = .12) 的主要效果都未達顯著。上樓期階段的步寬，在組別 × 情境的交互作用 (F = 2.657, p = .12)、不同年齡間 (F = 0.37, p = .55 ) 和不同情境間( F = 2.472, p = .13) 的主要效果也都未達顯著。.

(54) 45. (三)步速轉換期階段的步速，組別 × 情境的交互作用 (F = 0.101, p = 0.75 ) 未達顯著，進行主要效果分析，得知不同年齡組別間 (F = 11.812, p < .01) 達顯著差異，年輕人在轉換期步速顯著的比老年人還快，並分別對不同情境，進行獨立樣本 t 考驗，發現在單一任務 (t = -3.307, p < .01 ) 和雙重任務 (t = -3.405, p < .01) 都達顯著差異，無論在單一或雙重任務的情境下，年輕人在轉換期的步速都顯著比老年人還快。. 圖 4-4 上樓梯轉換期之行走步速（不同年齡組別比較）.

(55) 46. 另外，不同情境間主要效果也達顯著差異 (F = 11.308, p = < .01)，單一任務情境下的步速，明顯的比雙重任務情境還快，並分別對不同年齡族群，進行相依樣本 t 考驗，發現老年人 (t = 2.199, p < .05) 及年輕人 (t = 2.659, p < .05) 都達顯著差異，無論是在老年人或年輕人，單一任務在轉換期的步速，都顯著的比雙重任務情境還快。. 圖 4-5 上樓梯轉換期之行走步速（不同任務情境比較）.

(56) 47. 上樓期階段的步速，組別 × 情境的交互作用 (F = 0.138, p = .71) 未達顯著，進行主要效果檢定，得知不同年齡組別間達顯著差異 (F = 12.565, p = < .01)，年輕人上樓期步速顯著的比老年人還快，並分別對不同情境，進行獨立樣本 t 考驗，發現在單一任務 (t = -2.739, p < .05) 和雙重任務 (t = -3.84, p < .01 ) 都達顯著差異，無論是在單一或是雙重任務情境下，年輕人在上樓期的步速都顯著比老年人還快。. 圖 4-6 上樓梯上樓期之行走步速（不同年齡組別比較）.

(57) 48. 另外，不同情境間主要效果也達顯著差異 (F = 8.54, p = < .01)，上樓期單一任務情境下的步速，顯著的比雙重任務情境還快，並分別對不同年齡族群，進行相依樣本 t 考驗，發現老年人族群 (t = 2.645, p < .05) 達顯著差異，在上樓期單一任務情境下的步速，顯著的比雙重任務情境下還快，而年輕人 (t = 1.587, p = .14) 則未達顯著差異。. 圖 4-7 上樓梯上樓期之行走步速（不同任務情境比較）.

(58) 49. 表 4-3 上樓梯步態參數表現. Transition (floor-to-stair). Stair ascent (SA). Condition Stride length. Step width. Gait velocity. Stride length. Step width. Gait velocity. (BH%). (cm). (m/s). (BH%). (cm). (m/s). Elderly. 0.52 (0.06). 10.24 (1.81). 0.80 (0.20)ac. 0.43 (0.05). 9.83 (2.64). 0.49 (0.10)ac. Young. 0.54 (0.06). 10.75 (2.51). 1.01 (0.17)ad. 0.44 (0.04). 9.77 (2.60). 0.59 (0.08)a. Elderly. 0.53 (0.06). 10.92 (1.65). 0.72 (0.17)bc. 0.41 (0.03). 10.89 (2.48). 0.44 (0.08)bc. Young. 0.53 (0.06). 10.95 (3.01). 0.92 (0.13)bd. 0.43 (0.06). 9.76 (3.11). 0.55 (0.07)b. Single-task. Dual-task. 組間之比較：a 不同年齡組別間有顯著的主要效果，且年輕人和老年人之間在單一任務情境下達顯著水準 (p < .05) 組間之比較：b 不同年齡組別間有顯著的主要效果，且年輕人和老年人之間在雙重任務情境下達顯著水準 (p < .05) 組內之比較：c 不同任務情境間有顯著的主要效果，且老年人組別的單一和雙重任務之間達顯著水準 (p < .05) 組內之比較：d 不同任務情境間有顯著的主要效果，且年輕人組別的單一和雙重任務之間達顯著水準 (p < .05).