運動器材 / 運動護具的評估 : 產學案例 中國醫藥大學 洪維憲
研究背景 前十字韌帶 (anterior cruiciate ligament, ACL) 傷害是運動參與者最常見的 美國每年約有 15 萬人 ACL 損傷 -- 女性的發生率比男性高, 比率約比男性運動員高 3~4 倍 (Mihata et al., 2006) >70% ACL 傷害為非接觸性 (non-contact) 之傷害 (Hewett, 2000) 其傷害的形成是經由膝關節扭曲伴隨內翻 外轉 或過度伸展所造成
2005 美國各類護具巿佔率 (Frost & Sullivan, 2006)t & Sullivan,06) 膝護具 踝護具 以及行走護具三樣產品, 佔了護具總巿產值的 68%
研究背景 根據 Feller 等研究 : 至少有 57%-59% 的醫師會在手術後給予膝護具的處方 (Feller et al., 2002) 膝護具主要功能 : 控制膝關節的內轉 外轉 和前後位移量, 達成關節穩定 (Shyu & Hsu, 2002) 67% 美國骨科運動醫學會醫師會建議 ACL 重建術後病人使用膝護具 然而, 市售護具多僅提供膝關節活動角度限制, 無法達到限制脛骨前移及增加膝關節穩定度之功能
功能型膝護具 功能型膝護具有四個主要結構 : -- 關節 (hinge joint) -- 骨架 (frame or shell) -- 綁帶系統 (strapping system) -- 襯墊 (pad) 結構中又以關節部分的設計最為重要 未能符合實際人體膝關節的動作模式 骨架關節 襯墊綁帶 1 -- 導致膝護具容易滑脫及移位 (migration) 膝護具的滑動問題, 對於受傷者來說也是一個重要的問題 2
下滑問題 (Migration) 綁帶是為了確保膝護具的位置, 盡量減少膝護具產生移位與滑動 -- 尤其是脛骨粗隆上的綁帶, 提供部分壓力對抗脛骨前移或外轉 襯墊的功能主要是吻合膝關節的外型與在不同位置上提供肢體的矯正 ( 訂製位移 18.6mm> 4.6 mm 制式 ) 襯墊無法服貼於膝關節, 除了造成膝不穩定外, 也可能是讓膝護具下滑的原因 如何使膝護具的襯墊能有效定位於 膝關節是設計上一重要課題
膝護具傷害風險機制 兩個潛在機制 : 增加能量消耗 (Albright et al., 1995) -- 加速疲勞產生, 進而導致受傷風險的增加 下滑 (migration) (Greene et al., 2000) -- 滑動會削弱膝護具的保護功能 下滑和硬質表面或不當的運動範圍 先前研究針對各種膝護具的下滑測試 -- 其中一種氣墊式護具 (Air Armor) 有較小的滑動 且不影響動作速度及敏捷度 (Greene et al., 2000) 這結果加深了解氣控定位在膝護具應用的可能性 Air Armor DonJoy Legend, Breg Tradition Air Armor
研究目的 研究目的 測試氣控式膝護具在不同動作下對膝關節的活動度 下滑度 及脛骨前移的影響 主要和一般型膝護具及未穿戴護具時的比較 本研究假設 : 1. 增加與膝關節的服胋度 : 增加接觸力 2. 減少護具的下滑度 (migration) 3. 膝關節穩定度 : 減少膝關節外翻和內 - 外轉的角度 4. 脛骨前移 : 膝關節前移剪力 (forward shear force)
受測者 研究方法 12 名正常健康的受測者 ( 共 3 男 7 女 ), 大腿圍在 43-45 cm 間 -- 過去 6 個月間無任何下肢神經肌肉和骨骼相關的傷害 -- 執行計畫前兩個月, 無下肢肌肉不適等症狀 篩選受測者 : (1) 雙腿站立與肩同寬, 腿稍微彎曲, 腿部肌肉緊繃 (2) 測量膝關節中心往上大約 15cm 處的大腿圍和往下 15cm 處的小腿圍 受測者個人資料 性別年齡 ( 歲 ) 身高 (cm) 體重 (kg) BMI (kg/m 2 ) 大腿圍 (cm) 3 男 7 女 20.5 0.6 164.8 7.7 52.8 5.2 19.4 1.3 44.0 1.0
研究方法 儀器設備 (A) 動作分析系統 Vicon 612 動作分析 : 6 架紅外線攝影機 ( 膝關節角度 ) -- 擷取頻率為 100Hz 測力板系統 : 二塊 AMTI 測力板 ( 地板反作用力 ) -- 擷取頻率為 1000Hz (1) 動作分析系統 (2) 測力板系統
反光球的位置 研究方法 依 Helen Hayes 貼法 :15 顆反光球 (markers): 2: 右 左髂骨前上棘 (ASIS) 3: 薦椎 (Sacrum) 4 5: 右 左大腿外側中點 (mid-thigh) 6 7: 右 左膝關節旋轉軸外側 (lateral knee) 8 9: 右 左小腿外側中點 (mid-calf) 10 11: 右 左踝節旋轉軸外側 (lateral malleolus) 12 13: 右 左腳尖 (2,3 metatarsal heads) 14 15: 右 左腳跟 (heel)
研究方法 儀器設備 (B) 接觸力 (contact force) 力量感測電阻元件 (Force Sensing Resistors,FSR): 用來量測膝關節和護具襯墊的接觸力 圖 3 為 FSR 的典型響應圖形 將 FSR 放置在襯墊的基底, 連接至動作系統提供的通道 (channels) 上 感測電阻元件以 5 V 範圍內的訊號傳遞至系統電腦顯示
實驗流程圖 (a) 依照 Helen Hayes 模式在受測者下肢貼上 15 顆反光球 (b) 接上感測元件在內外兩測襯墊上 (c) 以抽籤隨機方式選擇三種護具情況 ( 未穿戴護具 一般型護具 氣控式護具 ) 的順序進行實驗 (d) 動作包括 : 下蹲 (squat) 垂直跳躍 (vertical jump) 及步態分析 (gait analysis), 每個動作試驗三次 一般型膝護具 氣控式膝護具 (A) 下蹲動作 (B) 垂直跳躍 (C) 步態分析
資料分析 冠狀面 (A) 膝關節角度 定義人體關節運動的三個座標基準面 : -- 矢狀面 (sagittal plane)- 屈曲 / 伸展 (flexion/extension) 橫切面 -- 冠狀面 (coronal plane)- 內翻 / 外翻 (varus /valgus) -- 橫切面 (transverse plane)- 內轉 / 外轉 (internal/external) 矢狀面 採用尤拉角 (Euler angle) 來描述角運動 (Greenwood, 1988) (B) 動力學資料 地板作用力 (ground reaction force) (%BW) 膝關節前移剪力 (forward shear force) (N/kg) -- 利用逆動力學 (inverse dynamics) 求得
資料分析 (C) 接觸力 (contact force) 電路測量電壓與力量的關係 : 此測量是由不同物體先由電子秤量出重量後, 再將此物品擺放到力量感測電阻元件上測量所得到的電壓, 找出重量和電壓的關係式 -- 接觸力的電壓值轉換成重量, 以公克表示 -- 兩側對稱性 = ( 外側接觸力 / 內側接觸力 ) % (D) 舒適度評量 (comfort rating) 視覺等化量表 (VAS, visual analog scale) 來評估膝護具的舒適性 --VAS 為一條 100 mm 的直線, 最左邊 0 mm, 最右邊 100 mm --0mm 為極端不舒適,100 mm 為最舒適
下滑程度 (mm) 實驗結果 下滑程度 ( 單位 :mm) 18 16 一般型護具氣控式護具 66.7% 14 12 54.5% 10 8 6 4 2 9.0 4.0 11.0 5.0 0-2 下蹲動作 急停跳躍動作
膝關節屈曲 / 伸展角度 實驗結果 膝關節屈曲角度 膝關節 : -- 最大屈曲角度在三種護具間無顯著差異 垂直跳躍著地期 : -- 最大屈曲角度在三種護具間有顯著差異 (p<0.01) -- 氣墊式和一般型膝護具 > 未穿戴膝護具 一般型膝護具氣墊式膝護具未穿戴護具數列 3 140 預跳期 著地期 120 100 80 60 40 20 0 0 21 41 61 81 101-20 垂直跳躍週期 表三 不同動作過程中膝關節最大的屈曲角度 (flexion angle) 的比較 ( 單位 : 度 ) 一般型膝護具氣控式膝護具未穿戴護具 P 值 下蹲動作全期 102.1 7.5 104.8 7.0 101.0 11.3 NS 垂直跳躍動作 預跳期 101.5 6.1 105.5 5.2 107.0 13.7 NS 著地期 66.0 14.8 70.2 18.6 53.2 19.8 p<0.01** ac*,bc* 步態分析全期 50.0 12.7 52.7 9.2 57.7 12.7 NS NS: 統計上無顯著差異 ; **: p<0.01; ab: 一般型護具和氣墊式護具具比較 ; ac: 一般型護具和未穿 戴護具比較 ; bc: 氣墊式護具和未穿戴護具比較
膝關節 - 內 - 外翻和內 - 外轉 表四 不同動作過程中膝關節最大內 - 外翻 (varus and valgus) 和內 - 外轉角度 (internal and external rotation) 的比較 ( 單位 : 度 ) 下蹲動作 一般型 膝護具 氣控式 膝護具 未穿戴護具 P 值事後比較 最大內翻角度 9.1 4.5 7.5 3.5 7.8 6.8 NS 最大外翻角度 8.6 3.4 4.5 5.2 9.6 3.6 P<0.05* bc* 最大內轉角度 10.7 5.0 7.8 3.0 13.0 4.8 P<0.05* ab*, ac*, bc** 最大外轉角度 10.4 4.3 9.3 3.2 12.3 3.5 P<0.05* ac*,bc** 垂直跳躍動作 NS 最大內翻角度 9.4 5.0 7.5 4.8 8.7 5.0 NS 最大外翻角度 8.3 5.0 5.9 5.0 10.7 5.2 P<0.05* ac*,bc* 最大內轉角度 8.4 3.8 7.3 2.8 9.7 3.5 P<0.05* bc* 最大外轉角度 9.5 4.8 8.5 3.3 10.5 3.8 P<0.05* bc* 步態分析最大內翻角度 12.2 6.2 9.5 5.0 13.2 4.8 P<0.05* bc* 最大外翻角度 10.4 3.7 7.1 3.8 12.0 3.0 P<0.05* bc* 最大內轉角度 7.5 4.0 4.6 2.5 9.3 3.7 P<0.01** ab*,ac*,bc** 最大外轉角度 9.4 3.3 7.1 2.8 10.2 3.2 P<0.05* ab*,bc** NS: 無統計差異 ; **:p<0.01; *: p<0.05; ab: 一般型護具和氣墊式護具具比較 ; ac: 一般型護具和未 穿戴護具比較 ; bc: 氣墊式護具和未穿戴護具比較
地板反作用力和前移剪力 表五 不同動作過程中地板最大垂直反作用力的比較 ( 單位 :%BW) 一般型膝護具 氣控式膝護具 未穿戴護具 P 值 事後比較 下蹲動作 62.0 4.6 62.2 5.7 60.4 6.1 NS 垂直跳躍動作 146.2 30.0 118.3 15.0 131.8 21.0 P<0.01** ab**,bc* 步態分析 109.2 5.5 108.4 6.6 112.7 8.6 NS NS: 統計上無顯著差異 ; **:P<0.01; ab: 一般型護具和氣墊式護具具比較 ; ac: 一般型護具和未穿戴 護具比較 ; bc: 氣墊式護具和未穿戴護具比較 ; BW: body weight 表六 不同動作過程中膝關節前移剪力的比較 ( 單位 :N/kg) 一般型膝護具 氣控式膝護具 未穿戴護具 P 值 下蹲動作 3.5 0.9 3.5 0.8 3.3 1.2 NS 垂直跳躍動作 6.5 1.5 5.4 0.7 6.0 1.1 NS 步態分析 4.4 1.6 3.9 0.8 3.6 0.8 NS NS: 統計上無顯著差異
接觸力 表七 不同動作過程中關節和襯墊間接觸力比較 ( 單位 : 公克 ) 下蹲動作 垂直跳躍動作 步態分析 Side 一般型膝護具 氣控式膝護具 P 值 內側 430.0 321.2 385.6 268.0 NS 外側 92.2 112.5 284.4 205.6 P<0.05* 對稱性 (%) 12.8 26.6 67.4 36.6 P<0.05* 內側 638.4 320.8 540.2 253.8 NS 外側 46.2 62.7 210.5 123.6 P<0.05* 對稱性 (%) 10.1 17.0 43.2 20.8 P<0.05* 內側 328.4 166.8 346.2 138.5 NS 外側 48.2 55.4 196.0.5 72.2 P<0.05* 對稱性 (%) 14.7 32.2 56.8 52.4 P<0.05* NS: 統計上無顯著差異 ; **:p<0.01; *: p<0.05; 對稱性 = ( 外側接觸力 / 內側接觸力 ) %
舒適性 (VAS) 舒適性評量 VAS 值二者膝護具間沒有顯著差異 ( 一般型 :6.1 1.6; 氣墊式 :6.3 1.6) 10 位當中有 5 位受測者選擇一般型膝護具比氣墊式膝護具較舒適 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 受測者 一般型膝護具 氣控式膝護具 ( 分數愈高愈舒適 )
結論 氣墊式膝護具比一般型膝護具更減少 54.5~66.7% 的下滑程度, 但不影響膝關節屈曲角度 氣墊式膝護具降低了最大外翻角度 最大的內 外轉角度 -- 如在下蹲動作時減少 53.1%; 而垂直跳躍時減少 44.8% 膝護具無法有效地限制脛骨的前移 穿戴氣墊式膝護具增加外側的接觸力, 提供較佳內外側對稱性的支撐, 以達到更服貼的效果
運動器材的評估 (Global Industrial Analysis, IT IS, 2006)
全球健身器材產品比例 (Global Industrial Analysis, IT IS, 2006) (Global Industrial Analysis, IT IS, 2006)
跑步機 (treadmill) 與橢圓機 (Elliptical trainer) 對活動下肢生理負荷之影響 研究目的 : 測試廠適提供之跑步機及橢圓機兩種健身器材的評估, 探討兩種運動器材對下肢肌電圖 (EMG) 和關節角度的影響
研究方法 1. 受測者 10 位 ( 男性 ) 受測者, 年齡 :25.8±2.4 歲, 身高 :174.3 ±6.5 cm, 79.0±12.0 kg 2. 實驗設計一 Vicon 運動分析系統 +6 架紅外線攝影機一 Biopac 肌電圖系統 (MP150): 股直肌, 股二頭肌, 脛前肌, 腓腸肌 3. 受測者同時接受跑步機及橢圓機兩種器材的評估 跑步機 (Treadmill) (JPB-5100, Johnson Fitness, Inc.) 橢圓機 ( Elliptical trainer) (JPB-5100, Johnson Fitness, Inc.)
實驗結果 滑步機與跑步機之運動軌跡
橢圓機肌肉活動順序
跑步機肌肉活動順序
橢圓機的肌電圖 股直肌與股二頭肌於週期 75%~100% 發生共同收縮 (co-contraction) 脛前肌與腓腸肌於週期 80%~110% 發生共同收縮 (co-contraction)
跑步機的肌電圖 股直肌與股二頭肌於週期 75%~125% ( 擺動 足跟著地 ) 分別作用, 不會共同收縮 接觸跑步肌時 腓腸肌開始作用, 50% 週期足尖離地時 脛前肌開始作用
關節角度的變化 膝關節 橢圖機 踝關節 跑步機 踝關節 橢圖機 跑步機 橢圖機 : 週期 35% 有最大踝蹠曲角度 (plantar-flexion), 週期 75% 有最大踝背曲角度 (dorsiflexion) 跑步機 : 週期 40% 有最大踝蹠曲角度 (plantar-flexion), 週期 60 有最大踝背曲角度 (dorsiflexion)
結論及建議 根據過去部分消費者所提供的資料顯示, 長期使用橢圓機時下肢關與肌肉容易發生痠痛 使用跑步機比橢圓機之膝關節角度變化較複雜, 而踝關節角度的部分也因為受測者在運動習慣及適應調整, 分別呈現不同的結果 橢圓機為限制性運動, 使用時下肢肌群有明顯之拮抗作用產生, 相較之下, 使用跑步機時拮抗肌群間會有交互抑制的作用 肌肉在高頻率或持續長時間的拮抗作用下運動較容易造成肌肉的疲勞 可改變橢圓機的機構設計以避免拮抗現象之產生
運動器材 -- 動作模擬分析 運動器材在設計階段, 經常利用不同功能之軟體, 對產品設計模型進行模擬分析, 以找出設計上之缺陷或重要參數 市場上多種商業軟體 ( 如 Jack, CATIA 等 ): 提供電腦模擬方式進行分析與評估 需要相關的人體計測, 運動學資料, 但資料擷取設備之投資需要相當的成本 可藉由產學合作模式來取得動態計測資料
腳踏車的動態分析 Bicycle analysis Hip moment 1500N-mm Knee moment 2400N-mm Qudriceps 4500N, Biceps femoris 1500N Gluteus 3000N Tibialis anterior 2800N Gastroneminus 1600N
F (lb) V (in/sec) 200 180 Trunk Velocity Collision Head impact for Good 160 140 120 100 80 Landing 60 40 20 0 bike 1 bike 2 or Bad 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) 300 Force Exerted on Head Head impact 250 200 150 bike 1 bike 2 100 50 Landing Collision 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec)
健身腳踏車操作姿勢模擬分析 模擬軟體 :CATIA V5 模擬測試機台 : 國內某知名企業之健身腳踏車 CATIA V5 軟體 水平坐式健身腳踏車機
健身腳踏車操作模擬 (2/3) 人體模型之選定 : 測試人體比例最小最大 說明 5%ile 日本女性 95%ile 美國男性
健身腳踏車操作模擬 (3/3) 軟體操作步驟 : 01. 調整測試機台中欲分析模型的位置 02. 建置人體模型 (human builder) 03. 將人體模型移動至欲分析的位置 04. 進行人體細部結構的姿勢調整 05. 進行人體拘束條件的設定 06. 針對人體姿勢來分析評比
結論 許多開發設計或動作分析的工作, 皆可藉由電腦模擬提供設計上重要資訊 3D 動作分析需要應用複雜之人體動態計測資料 電腦模擬可於預測各種複雜情況, 提供有效的預防肌肉骨骼傷害