第壹章、緒論

第壹章、緒論

一、問題背景

人體各種動作係透過骨骼、肌肉、韌帶及關節彼此間複雜而又高度協 調的力的互動所達成，任何一個環節出問題均會減損動作功能。早在十七 世紀初 Giovanni Borelli (1608-1679) 首度以力學與幾何方法探討骨骼肌 肉系統於動作時之力學表現，提出許多假說與推論，並將成果發表於 De Motu Animalium (The Movements of Animals) 一書。雖然對人體內部受力 情形的探索起源甚早，然而截至目前為止，除了在極為特殊的情況下，例 如透過裝有量測裝置的人工關節進行局部力量量測外，人體之內力仍然無 法直接測得。因此，估算人體內力數值至今仍是生物力學家最大的挑戰。

由於人體骨骼肌肉系統係一贅餘系統，使我們擁有的肌肉數目遠多於 維持平衡之所需。因為所要求解之肌肉數目遠多於可用以求解之平衡方程 式，所以理論上內力計算問題具有無窮多組解。換言之，在動作中的任一 瞬間，我們的肌肉間有無窮多個組合可用以達成該動作。因此，要決定該 一瞬間我們的神經系統選擇了那一個組合並非易事(呂東武，2001)。

在運動實例上來說，跳躍和著地動作二者是很多運動項目的主要組成 動作元素之一，而且一直是很多研究者所關心注意的研究主題。一般來說，

研究跳躍主要是要了解這個活動的表現方面，也就是要研究身體如何產 生、利用力量和能量來把身體本身投射入空中；而著地動作的研究主要關

心的是撞擊和所產生加諸在下肢組織的負荷之間的力學關聯。撞擊力是由 於兩物體間的撞擊而產生的力。撞擊力不管是在著地或其他運動上都被認 為是發生傷害的主要因素之一。根據 Nigg & Liu（1999）的研究結果顯示，

運動員在跑步著地時可以有很多的方法影響外力和內力，例如著地速度、

肢段角度、肌肉勁度微調等等。

因此近幾年來，國內外有不少生物力學學者(如林政東，劉宇，林謙如，

2001；姬榮軍，劉宇，李宜芳，2001；劉錦璋，2001；盧英治，2001；Arampatzis, Schade, Walsh, Brüggemann，2001；Blickhan, 1989；Blickhan & Full, 1993；

Farley, Blickhan, Saito & Taylor, 1991；Farley, Glasheen & McMahon, 1993；

Farley & Gonzalez, 1996；Ferris & Farley, 1997；He, Kram & McMahon, 1991；McMahon & Cheng, 1990)相繼投入有關肌肉勁度的研究工作，並獲致 一些成果。其中有不少的學者認為，有腳的動物雖然使用不同的步態移動 位置，但他們步態的某些特徵卻是明顯類似的。例如，利用跑、跳、走等 方式移動身體的動物，他們沿著地面移動身體的方式就像是一顆跳動的彈 性球一樣。在彈跳步態時，身體許多的骨骼肌肉元件，包括肌肉、肌腱、

韌帶等的作用全部整合在一起，使得整個骨骼肌肉系統表現得類似一個單 一的彈簧一樣。於是，這些類型的步態可以用由一個線性的下肢彈簧(leg spring)和一個等同於身體質量的質點(mass)所組成的單一質量彈簧系統 (spring-mass system)加以模擬（Blickhan, 1989；Blickhan & Full, 1993；Farley,

Blickhan, Saito & Taylor, 1991；Farley, Glasheen & McMahon, 1993；Farley &

Gonzalez, 1996；Ferris & Farley, 1997；He, Kram & McMahon, 1991；

McMahon & Cheng, 1990），而且此種質量彈簧模式（spring-mass model）是 判斷和決定人類動作下肢勁度(leg stiffness)的有效作法（Farley & Gonzalez,

1996; McMahon, Valiant, & Frederick, 1987）。

下肢彈簧的勁度代表著地期整合在一起的下肢骨骼肌肉系統元件勁度 的全部平均值，所以稱為下肢勁度。彈跳步態時，在前半個著地期，下肢 彈簧被壓縮而變短，而在後半個著地期，下肢彈簧因彈性能被釋放而變長。

整個下肢勁度影響著與地面交互作用的力學和運動學參數，如著地期腳和 地面的接觸時間和重心的垂直位移等(Farley, Houdijk, Strien, & Louie，

1998)。Flitney & Hirst (1978)、Morgan, Proske, Warren(1978)在報告裡都提 到，人體活動的時候，在肌肉，肌腱和韌帶之間進行著能量交換的工作，

這樣的能量轉換對有效率的的動作來說是非常重要的一件事，而且他們認 為能量交換的效率受到肌肉勁度的影響。

在過去數個研究也發現(McMahon, Valiant, Frederick，1987；Dalleau,

Belli, Bourdin, Lacour，1998；Heise, Martin，1998)，跑步時，在下肢勁度和 氧消耗之間存在某種相關性。Farley 等人(1991)、Ferris & Farley(1997)、Farley

& Morgenroth(1999)認為，人體跳動的頻率增加會影響下肢勁度上升，造成 下肢勁度上升的主要原因是踝關節勁度的增加所造成的(Farley &

Morgenroth，1999)。Voigt 等人(1998)解釋，在短著地時間的跳動時，比目 魚肌的功率和活化程度隨著地時間減少而顯著增加了。Stefanshyn &

Nigg(1998)報告說，跑步和衝刺時的踝關節角勁度有差異存在，他們提出，

經由加大踝關節角勁度而產生較佳的運動表現是可能的。最近的研究結果 顯示，人體原地跳或向前跑時，下肢勁度也會調整以適應不同的著地表面 硬度(Ferris & Farley, 1997)。在其他的研究也提到，為了有效利用彈性能，

肌肉必須擁有較大的勁度；著地反彈跳時，增強式訓練（SSC）的疲勞引致 膝關節角勁度和起跳速度的改變（Avela, Komi，1998；Horita, Komi, Nicol,

Kyröläinen，1996）。

由這些結果來看，下肢勁度會受到動作本身外在條件的影響(例如高 度、頻率、材質等)而改變，而下肢勁度也的確會影響運動表現，那麼影響 下肢勁度的內在機轉又是什麼呢？以力學原理來看，在下肢彈簧系統(leg

spring system)中影響下肢勁度的內在因素不外乎下肢長度的改變，而下肢長 度的改變又受到下肢關節角度變化的影響，下肢關節角度主要受到關節角 勁度的影響。關節角勁度則可能受到相關之肌肉活化程度、伸展反射、關 節力矩、關節角度變化等因素之影響（Hoffer, Andreassen，1981；Sinkaer, Toft,

Andreassen, Hornemann，1988；Carter, Crago, Gorman，1993）。這也就是說，

下肢勁度可能受到好幾個不同因素的影響，而且在進行複雜動作時，勁度 是很難被掌控的。但是下肢勁度會受到跑步時的步頻（Farley & Gonzalez,

1996）、原地跳時跳動的頻率和高度（Farley 等人， 1991；Farley,

Morgenroth，1999；Ferris & Farley，1997）、著地反彈跳時著地時間的影響 (Arampatzis 等人，2001)。這些發現支持本研究對藉由控制著地時間達成控 制下肢勁度的構想。因此，我們可以總結來說，在許多競技性的活動裡，

下肢勁度的確影響著運動員的成績表現，而且會受到動作本身外在條件的 影響而改變，著地時間則是控制下肢勁度的有效途徑，雖然文獻中已初步 得知成年選手在跑、跳及衝刺時，踝關節角勁度可能是影響下肢肌肉勁度 的內在機轉，可是相關的研究在兒童這部分則完全付之闕如。

小學生天性活潑，整天蹦蹦跳跳的動個不停，並且是許多運動項目開始 訓練的最適當年紀。他們的室外活動絕大多數都須充分應用下肢來做為動力 的來源；而且由於地心引力的關係，所有的物體，包括人體，終究都會回到 地面上，所以著地形態的動作在小學生日常玩耍或體育課上課內容中均隨處 可見：如日常的上下樓梯、跳繩遊戲或體育課的跑步、跳箱、平衡木、單槓 等等體育課程，都包含著各種不同材質的著地動作。

下肢組織在著地時所承受的負荷一直被認為是在很多運動中運動傷害 發生的主因之一。基於預防傷害的緣故，過去數年有許多學者致力於有關著 地的研究。不過在之前的研究之中，受試者總是在簡化的實驗條件下完成單 純的著地動作並保持身體平衡的姿勢。雖然這樣的動作形式可以提供較大程 度的實驗控制，但是這種不連續、以著地為終點動作(endpoint)的實驗動作

設計跟實際的運動情形並不相符。大多數實際的運動情形是，伴隨在著地動 作之後緊接著運動員馬上就會有後續的其他動作產生，例如跳躍或移位等，

而這個著地後連接後續動作的時點也正是傷害發生最頻繁的關鍵時刻；且目 前國內外的有關著地動作的研究大多集中在以成年選手為研究樣本的範圍 之中（如李書維、黃長福，1995；張英智、黃長福、趙國斌，1994；Gray，

1991，1993；Dufek 等人，1990，1991），這樣的情況對運動教練或體育 教師在訓練兒童時，如何在安全的範圍之內掌握分寸，充分而有效地訓練兒 童並無太大的助益。所以實在非常有必要針對一般國小學童做一深入的探 究。

二、研究目的

所以本研究的目的在探索國小學童從 40 公分高度著地在不同軟硬地墊 時，下肢勁度調節的機轉，並比較不同軟硬表面著地時運動學、動力學和肌 電圖參數的變化情形。

主要的參數如下：

(一)運動學方面：

1. 著地瞬間下肢各關節的角度。

2. 身體重心最低時下肢各關節的角度。

3. 緩衝期中下肢各關節的角位移。

4. 緩衝期中的下肢各關節最大角速度及產生時間。

5. 緩衝期中下肢長度的變化量。

(二)動力學方面：

1. 地面垂直反作用力的第一峰值(PK1)和產生時間。

2. 地面垂直反作用力的第二峰值(PK2)和產生時間。

3. 50 毫秒內產生的被動衝量及緩衝期的全部衝量。

4. 緩衝期中下肢各關節的最大水平及垂直受力。

5. 緩衝期中下肢各關節的最大力矩。

6. 緩衝期中下肢各關節伸肌所作的總功。

(三)肌電圖方面：

測量下肢主要作用肌群：股直肌、股二頭肌、腓腸肌、脛骨前肌在著地緩

衝期積分肌電（IEMG）。

三、研究範圍

本研究以國民小學六年級男性學童為研究對象，利用高速攝影機、測 力板和肌電圖等儀器記錄受試者在不同軟硬度表面、以不同緩衝時間著地 時，運動學、動力學和肌電活動的變化情形，並進一步運用動力學逆過程的 方法解出下肢各關節的力學參數，以探索下肢勁度調節之機轉及其對著地力

學參數之影響。有關運動學的資料是分析右側矢狀面的著地動作，而動力學 的資料也只選擇水平和垂直方向的地面反作用力，配合自行撰寫的 C 語言 程式以獲得下肢各關節的水平及垂直受力、淨關節力矩和伸肌所作的總功加 以分析。

四、研究限制

本研究有三個限制：(1).假定著地時身體左右是對稱的，而且是二度空 間的活動。(2).肢段參數是使用 Jensen(1986)的研究結果。(3).不同軟硬著 地表面分別由體操墊、安全墊、測力板代表軟、中、硬三種著地表面。

五、名詞解釋

(一)國小學童：本研究是以國小六年級男童為受試者。

(二)不同軟硬著地表面：指國小學童常接觸的著地表面，在本研究中由體操 墊、安全墊、測力板分別代表軟、中、硬三種著地表面。它們的勁度分 別為 142kN/m、317kN/m、3500kN/m。

(三)下肢勁度：指著地後緩衝期之最大垂直地面反作用力與身體重心到達最 低點時下肢長度變化量的比值(

L F

∆

(四)關節勁度：指著地後緩衝期之淨關節力矩變化量與關節角位移量的比值

(

int int jo

Mjo

θ

∆

∆ )。

(五)下肢長度：髖關節和第五蹠趾關節之間的垂直距離。

(六)運動學：探討人體運動時，身體的位置、速度、加速度(線性和非線性) 的變化，不涉及作用力。

(七)動力學：探討人體運動時，力量對人體所產生的作用。

(八)著地瞬間：測力板開始收到反作用力訊號的瞬間。

(九)緩衝期：著地後到重心速度接近為零時的時間，此時是下肢骨骼肌肉系 統作功吸收衝擊負荷的時間。

(十)第一峰值：垂直地面反作用力的圖形所產生的第一個波峰值，在著地的 動作過程中，是腳尖著地的同時所產生的。

(十一)第二峰值：垂直地面反作用力的圖形所產生的第二個波峰值，在著地 的動作過程中，是腳跟著地的同時所產生的。

(十二)被動作用力(Passive Force)：身體接觸地面後 50 毫秒內所產生的垂 直地面反作用力。(Nigg，1985)

(十三)被動衝量(Passive Impulse)：身體接觸地面後的 50 毫秒內，被動作 用力對時間的積分值。

(十四)動力學逆過程(Inverse Dynamics)：結合人體肢段參數資料、運動學 的影片資料和測力板的動力學資料，透過解動力學方程的過程，求 得內力和力矩的方法。