生物力學：臨床與研究的應用

推薦給生物力學領域的臨床工作者、研究者與學生們的參考書籍

　　近年來實證醫學的重要性益發受臨床醫師的重視，根據1992年Journal of American Medical Association上發表的實證醫學指引指出：

　　對致病機轉的了解並非指導臨床醫療行為的唯一準則。

　　臨床醫療行為必須接受系統性的監測檢視，並且具有穩定可重現的結果。

　　現今醫學的兩大問題在於，用來評估療效的指標是否具有足夠的再現性，以及這些指標是否足以代表實際的臨床狀況，在這樣的背景下，生物力學研究者必須嘗試回答下列問題：
　　．生物力學是否能提供更具敏感度的臨床評估方法？
　　．生物力學是否能評估並比較不同治療方式的效果？
　　．生物力學是否能為臨床工作提供立即、全面而直接的訊息？

　　本書囊括生物力學方法的基礎觀念與理論，以及蒐集、分析、解讀生物力學資訊所需的方法，包括：分析骨骼肌肉系統運作所需的數學與力學知識、生物力學量測原理的闡述、現有進行生物力學量測所需的方法、以及神經肌肉疾患保守治療的生物力學等。

　　本書亦從輔具師及足病治療師的觀點探討輔具的生物力學，同時探討常用臨床評估動作的生物力學，因此對於綜合健康領域的大學生與研究生而言，可幫助他們增進基礎與臨床實作方面的生物力學知識。

　　第一章講述基本數學與力學原理，作為理解人類身體複雜運作的基礎，將一個問題拆解成數個小部分，有助於後續進階的生物力學問題能更容易被理解與解決。

　　第二章將肌肉骨骼系統相關的數學與力學原理作更詳細的闡述，拓展到身體肢段特性的研究技巧，包括上下肢的關節運動、肌肉力量、以及關節反作用力等。

　　第三章將地面作用力視為一種功能性測量，並根據此發展出其他的測量法，包括身體晃動、行走與不同跑步姿勢所產生的地面作用力。

　　第四章是關於基本的步態研究方法，描述並討論走路時足部、腳踝、膝蓋、髖關節及骨盆腔的三維運動，包括患有疼痛或健康的個體。

　　第五章討論線性及旋轉的作功、能量與功率，這些數據要如何演算，以及說明如何用旋轉作功與功率來分析行進間的肌肉作用。

　　第六章講述逆動力學的概念，包含旋轉半徑與內力矩，同時舉例說明動態關節運動與作用力要如何得知，以及不考慮動態力量的情形。

　　第七章說明各種測量力與壓力的方法，以及臨床及研究中常用方法的鑑別。

　　第八章說明運動的測量，包括測量運動的各種方法、蒐集與分析運動資料的步驟，以及可能出現的誤差。

　　第九章說明運動分析時放置標記點的各種方式，包含下肢與足部的模式化，考量六自由度量測與相對應的誤差。

　　第十章說明常用來評估肌肉功能與能量消耗的方法，包括肌電圖的使用、等速與等距肌力測驗、以及其他生理測量數據，其他常見的方法亦有著墨，並比較其間異同。

　　第十一章說明下肢輔具的生物動力學，包括直接與間接輔具處置的理論機轉，以及使用輔具的臨床個案資料。

　　第十二章說明常見下肢功能評估動作的生物動力學，包括跨步與上下樓梯、座椅起身、座椅起身行走、步態起步、蹲下與半蹲。

作者簡介

Jim Richards

　　BEng, MSc, PhD, Professor of Biomechanics, Department of Allied Health Professions, Faculty of Health, University of Central Lancashire, UK

譯者簡介(依姓氏筆劃排序)

李恆儒

　　國立台灣師範大學體育學系 助理教授

徐瑋勵

　　國立台灣大學物理治療學系 助理教授

楊秉祥

　　國立交通大學機械工程學系 副教授

第1章 數學與力學 1
1.1 數學 1
1.1.1 三角學 1
1.1.2 向量 4
1.2機制 7
1.2.1 單位-SI國際通用單位 7
1.2.2 指數 8
1.2.3 力 8
1.2.4 牛頓運動定律 8
1.2.5 質量與重量 9
1.2.6 靜態平衡 10
1.2.7 自由體分析 10
1.2.8 力與力矩 12
1.2.9 壓力 13
1.2.10摩擦力 14
總結：數學與力學 16

第2章 力量、力矩與肌肉 17
2.1 質心 17
2.1.1 計算取得質心位置 17
2.1.2 實驗取得質心位置 18
2.1.3 在不同姿態下的質心位置與軀幹的穩定性 18
2.2 人體測量學 18
2.2.1 人體測量學的背景 18
2.2.2 一般的人體測量參數 19
2.2.3 人體測量學的計算 19
2.3 計算力矩，肌肉與關節力量 20
2.3.1 如何計算作用於骨骼肌肉系統上的力量與力矩 20
2.3.2 如何計算肌肉力量 21
2.3.3 如何計算關節力量 21
2.4 關節力矩－下肢之肌肉力量與關節力量 22
2.4.1 蹲伏運動期間的關節力矩 22
2.4.2 走路運動期間下肢的關節力矩 24
2.4.3 下肢的肌肉力量 25
2.4.4 下肢的關節力量 26
2.4.5 身體肢段之重量對於力矩計算上的影響 28
2.5 上肢力矩、肌肉與關節力量之計算 28
2.5.1 托著一品脫的啤酒時之力矩、肌肉與關節力量 28
2.5.2 計算肌肉力量 29
2.5.3 計算關節力量 30
2.5.4 托著20公斤砝碼時，手肘關節之力矩與力量 30
2.6 肌肉強度 32
2.6.1 因肢體重量而改變的力矩效果 32
2.6.2 應力的負載之位置與大小 32
2.6.3 肌肉附著點 32
2.6.4 肌肉拉動角度的影響 33
2.6.5 肌肉收縮的種類 33
2.6.6 收縮速率的影響 34
2.6.7 牛津分級系統和肌肉強度 34
總結：力量、力矩與肌肉 34

第3章 地面反作用力、衝量和動量 35
3.1 站立時的地面反作用力 35
3.2 在走路時的地面反作用力 36
3.2.1 垂直分力 36
3.2.2 前後分力 37
3.2.3 地面反作用力的內外分力 38
3.3 正常走路時的壓力中心與力向量 39
3.3.1 走路時的壓力中心 39
3.3.2 地面反作用力合力與Pedotti圖 39
3.3.3 Pedotti圖的建構方式 41
3.3.4 力向量與肌肉活動的關係 41
3.4 衝量與動量 41
3.4.1 衝量 41
3.4.2 動量 43
3.4.3 動量守恆 43
3.4.4 短跑起步過程的衝量與動量變化 43
3.4.5 減緩作用力與衝擊 44
3.5 積分與曲線下面積 44
3.5.1 積分 44
3.5.2 簡單圖形的積分 44
3.5.3 方格計數 45
3.5.4 面積邊界 45
3.5.5 矩形法則 45
3.5.6 梯形法則 45
3.6 跑步時的地面反作用力型態 46
3.6.1 跑步時的垂直分力 46
3.6.2 跑步時的前後分力 47
3.6.3 跑步時的內外分力 48
總結：地面反作用力、衝量和動量 49

第4章 人體動作和關節動作 51
4.1 臨床研究上的動作分析 51
4.1.1 早期的研究先驅 51
4.1.2 臨床的步態分析 51
4.2 步態週期 52
4.2.1 空間參數 54
4.2.2 時間參數 54
4.3 步態的正常動作形態 55
4.3.1 踝關節的蹠屈和背屈 55
4.3.2 踝關節、後足、中足和前足的動作 56
4.3.3 脛骨肢段的動作 59
4.3.4 膝關節的動作 60
4.3.5 髖關節的動作 62
4.3.6 骨盆的動作 64
4.3.7 角對角圖 64
4.3.8 角度對角速度圖(相位平面圖) 65
總結：人體動作和關節動作 66

第5章 功、能量和功率 67
5.1 線性運動中的功、能量和功率 67
5.1.1 線性功 67
5.1.2 線性能量 68
5.1.3 位能 68
5.1.4 動能 68
5.2 力量、衝量和功率之間的關係 68
5.2.1 垂直跳測驗 68
5.2.2 起跳和著地的最大值 68
5.2.3 跳躍的速度 68
5.2.4 利用測力板計算高度 69
5.2.5 利用測力板計算功率 69
5.3 旋轉的功、能量和功率 70
5.3.1 旋轉的功 70
5.3.2 角功率 71
5.4 正常的步態中，力矩、角速度和關節功率之間的關係 71
5.4.1 正常步態的關節力矩、速度和功率 71
5.4.2 步態中的踝關節力矩 71
5.4.3 步態中的膝關節力矩 71
5.4.4 步態中的髖關節力矩 71
5.4.5 步態中的關節角速度 71
5.4.6 踝關節的角速度 71
5.4.7 膝關節的角速度 72
5.4.8 髖關節的角速度 72
5.4.9 步態中的關節功率 72
5.4.10 踝關節功率 73
5.4.11 膝關節功率 73
5.4.12 髖關節功率 73
5.5 跑步的動作和功率 73
5.5.1 踝關節 73
5.5.2 膝關節 74
5.5.3 髖關節動作 74
5.6 垂直跳的關節功率 74
5.6.1 準備和推動 74
5.6.2 騰空期 75
5.6.3 著地 75
5.7 如何找到肢體移動時的能量 75
5.7.1 身體肢段能量 75
5.7.2 移動動能的計算 75
5.7.3 旋轉動能的計算 75
5.7.4 位能的計算 76
5.7.5 總能量的計算 76
5.7.6 身體總能量和總功率的計算 76
5.7.7 一般走路的身體肢段能量模式 76
總結：功、能量和功率 78

第6章 逆向動力學理論 79
6.1 逆向動力學的簡介 79
6.2 簡單的輪子實例 79
6.2.1 質量慣性矩 79
6.2.2 慣性扭力或力矩 80
6.3 身體肢段 81
6.3.1 依質心轉動 81
6.3.2 依端點轉動 81
6.3.3 總體的慣性扭力 82
6.3.4 慣性力與慣性力矩 82
6.3.5 身體肢段重量 82
6.3.6 向心力量 82
6.4 關節力量 83
6.4.1 專有名詞 83
6.4.2 腳板與腳踝上的力 83
6.4.3 小腿與膝蓋上的力 83
6.4.4 大腿與髖關節上的力 84
6.5 關節力矩 84
6.5.1 踝關節力矩 84
6.5.2 膝關節力矩 84
6.5.3 髖關節力矩 84
6.6 為何計算方式如此複雜？簡易與進階模型的比較 84
6.6.1 簡化的模型 84
6.6.2 進階的模型 84
6.7 步態中，簡易與進階模型對於計算出的力矩與能量有何影響？ 87
6.7.1 簡易與進階模型在力矩上的影響 87
6.7.2 簡易與進階模型在能量上的影響 87
總結：逆向動力學理論 88

第7章 力與壓力的量測 89
7.1 力的量測方式 89
7.2 力板的種類 89
7.2.1 背景頻率與力板 89
7.2.2 訊號彌留 90
7.2.3 力板的運作 90
7.3 力板的參數計算 90
7.4 利用壓電式力板計算力矩 91
7.4.1 利用壓電式力板計算力矩的範例 91
7.5 力板安裝與固定的考量 92
7.6 力板配置 93
7.6.1 力板配置1 93
7.6.2 力板配置2 93
7.6.3 力板配置3 94
7.6.4 力板配置4 94
7.7 典型的力板測量資料 94
7.7.1 結合動態影像與作用力向量 94
7.7.2 力板圖形資料概述 95
7.7.3 垂直向力測量 95
7.7.4 前後向作用力測量 95
7.7.5 內外向作用力測量 96
7.7.6 壓力中心測量 96
7.8 壓力的定量評估 97
7.8.1 為何壓力對足部而言很重要？ 97
7.8.2 壓力的單位 97
7.8.3 常用壓力單位與國際標準單位的轉換 98
7.8.4 平均壓力 98
7.8.5 尖端壓力 98
7.8.6 足底區域的負荷 98
7.8.7 尖端壓力與時間的關係曲線 98
7.8.8 常見壓力－時間積分單位的轉換 99
7.9 Methods of measuring pressure 99
7.9.1 壓力感測墊和片 99
7.9.2 足底壓力分析圖 99
7.9.3 壓力墊 100
7.9.4 鞋內壓力系統 100
7.9.5 力感應器 100
7.9.6 壓力感應器的校正 101
總結：量測力和壓力 101

第8章 動作分析的研究方法 103
8.1 早期動作分析工具的起源 103
8.2 量測步道系統 103
8.2.1 臨床評估的空間與時間參數 103
8.2.2 量測步道系統 104
8.3 電子量角器及加速規 105
8.3.1 量角器與電子量角器 105
8.3.2 電子量角器的發展 106
8.3.3 電子量角器與電壓計的準確性 106
8.3.4 加速規 106
8.4 動作分析系統 106
8.4.1 攝影機位置 107
8.4.2 攝影機拍攝速度、擷取頻率與快門速度 107
8.4.3 攝影機的同步性 108
8.4.4 影像空間的校正 108
8.4.5 資料擷取 110
8.4.6 數位化、資料轉換與濾波資料轉換 112
8.4.7 數位化形成的誤差 114
8.5 攝影機式動作擷取系統的配置 114
8.5.1 二維動作分析系統的配置 115
8.5.2 三維動作分析系統 115
總結：動作分析的方法 116

第9章 解剖模型與標記點設置 117
9.1 簡易式標記點設置 117
9.2 Vaughan標記點組 117
9.3 Helen Hayes標記點組 117
9.4 CAST標記點組 117
9.4.1 靜態“解剖校正”標記點 119
9.4.2 動態標記點追蹤 119
9.4.3 使用CAST技術相較其他標記點組的好處是什麼？ 120
9.4.4 我們所說的“6個自由度”是什麼？ 120
9.4.5 我們為何需要“6個自由度”？ 120
9.5 辨識解剖特徵點的方法 121
9.5.1 CAST標記點配置－以Davis動態指標架法為例 121
9.5.2 CAST標記點組的功能性關節中心辨識 121
9.5.3 使用不同的解剖標記點對步態資料的影響 121
9.6 足部模型 123
9.6.1 多肢段足部 123
9.6.2 多元件組成的足部模型 123
9.7 座標系統與關節角度 124
9.7.1 整體座標系統中的關節角度計算 125
9.7.2 整體與肢段座標系統間的誤差 125
9.7.3 卡登序列及其對步態資料的影響 125
9.7.4 螺旋角度 127
9.7.5 建議 128
總結：解剖模型與標記點配置 128

第10章 肌肉功能與生理耗能的量測 129
10.1 肌電圖 129
10.1.1 電與肌肉活動之間的關係？ 129
10.1.2 肌肉與纖維類別 129
10.1.3 肌電圖的頻率與大小 129
10.1.4 記錄肌電訊號的方法 130
10.1.5 肌電訊號的運算處理 135
10.1.6 肌電訊號呈現的意義 138
10.1.7 臨床肌電圖與生物回饋 140
10.2 肌力與爆發力量測 141
10.2.1 簡易臨床評估 141
10.2.2 等速與等長收縮量測機器 141
10.2.3 等長收縮量測 141
10.2.4 等速收縮的典型量測 143
10.2.5 等速運動的肌肉量測 144
10.3 行走的生理耗能 147
10.3.1 耗氧量與能量消耗 147
10.3.2 行走時的能量消耗 148
10.3.3 行走距離與能量消耗 149
10.3.4 心率與生理耗能 149
10.3.5 心率與行走速度 150
總結：肌肉功能與生理耗能的量測 151

第11章 直接與間接矯具配置的生物力學 153
11.1 矯具直接配置的力學 153
11.2 矯具對關節力矩的修正 153
11.3 踝足矯具的生物力學 153
11.3.1 固定式踝足矯具 153
11.3.2 固定式踝足矯具的效果 154
11.3.3 後葉式彈性踝足矯具 156
11.3.4 後葉式彈性踝足矯具的效果 156
11.3.5 鉸鍊式踝足矯具 158
11.3.6 鉸鍊式踝足矯具的效果 159
11.3.7 踝足矯具的細調 160
11.4 膝部矯具的生物力學 161
11.4.1 以膝部矯具修正力矩 161
11.4.2 個別肢段的考量 161
11.4.3 整體肢段的考量 162
11.4.4 膝外翻支架上作用力的分析 162
11.4.5 使用外翻支架有最大的可支撐角度嗎？ 164
11.4.6 內側退化性膝關節炎的外翻矯具 165
11.4.8 膝關節軟式支撐矯具的“力學” 170
11.5 膝踝足矯具的生物力學 171
11.5.1 膝踝足矯具的功用 171
11.5.2 膝踝足矯具常用的力量系統 171
11.5.3 使用膝踝足矯具的臨床個案 172
11.6 足部矯具 172
11.6.1 長短腳的評估 173
11.6.2 長短腳的治療 174
11.6.3 後足楔形或支撐矯具 175
11.6.4 控制施力線 176
總結：直接與間接矯具配置的生物力學 178

第12章 臨床常見的動作任務評估 181
12.1 動力鏈 181
12.2 行走階梯 181
12.2.1 上階梯 182
12.2.2 下階梯 182
12.2.3 下階梯時的下肢動作 184
12.3 座椅起身 185
12.3.1 前言 185
12.3.2 完成坐姿動作所需的屈膝角度 185
12.3.3 座椅起身的生物力學 186
12.4 座椅起身行走測試 187
12.5 步態啟動 187
12.6 蹲踞與傾角蹲踞 188
12.6.1 股四頭肌包覆 188
12.6.2 股四頭肌正中 189
12.6.3 屈膝蹲踞時膝關節的受力：改編自Escamilla (2001) 189
12.6.4 蹲踞動作的變化 189
12.6.5 傾斜蹲踞時的關節力矩與肌肉活化
情形 189
總結：臨床常見的運動任務評估 191

參考文獻 192
索引 199