研究成果發表與期刊投稿

呂東武教授國立台灣大學醫學工程學研究所

研究成果發表是科學研究過程中極為重要的一環。一個科學研究計畫通常包括形成構想(idea initiation)、執行(implementation)、解讀結果(interpretation)及成果發表(publication)等階段。好的計畫總要到發表且被瞭解才算完成，而發表的研究成果更是科學研究者被評量的主要標準。因此，科學研究者除了發揮創意、嚴謹研究外，還必須會撰寫論文，才能將自己的研究成果發表在會國際議及期刊等專業媒體，使自己心血的結晶發揮最大的影響力，對人類社會有所貢獻。除了國內期刊外，2005年SCI（Science Citation Index）收錄有關運動科學的期刊近40本，發表的論文近3000篇，其中前50%期刊的論文約2000篇，與生物力學相關之論文又更少。為了將自己研究成果發表在這些著名的期刊，除了創新研究外，瞭解如何撰寫一篇合適的科學論文將研究發現清楚表達是非常重要的。因此，筆者將根據個人有限的寫作經驗，參考Journal of Biomechanics的建議，提出能被一般科學期刊接受的寫作原則，並針對中國人撰寫論文時常犯的錯誤提出建議與討論。

科學論文寫作方式著重「清晰明瞭」，讓讀者很快清楚瞭解作者的研究理念、成果與結論，這也是科學論文寫作的重要特性。論文要達到「清晰明瞭」，需注意「前後文的邏輯性」（logical flow）與內容的「簡潔」。確保「前後文的邏輯性」之原則可包括：每一段僅陳述或討論一個主題，而每一段的第一句即要闡述主題，其他部分則用來解釋此主題。每一段的最後一句要能引出下一段，而第一句要能銜接上一段。所謂「簡潔」是指說明研究理念需簡要，重複的句子或內容要少，並且排除不重要的訊息以及使用合適的文法。

科學論文是一組織架構完整的文章。數百年來，為了有效交流研究成果，其架構己演化成高度格式化且具分隔明顯的組成部分。廣為採用的架構一般包括：前言(Introduction)、材料與方法(Material and Methods)、結果(Results)和討論(Discussion)，有的期刊還會包括結論(Conclusion)及致謝辭(Acknowledgement)等，其組成需根據不同期刊規定作調整。一般而言，前言約佔全文15%，材料與方法佔15-50%，結果佔15%，而討論約佔15~30%。各部份之平衡相當重要。此外，為求文章邏輯的合理性與內容的完整性，論文寫完後可由結論至前言，由後而前審視內容及前後文之邏輯性。所下結論必須於「討論」辨証過且應與「前言」所揭櫫的研究目的與假說相呼應。「討論」應以討論所得結果為主，輔以與相關文獻之比較，更應確保所得結果的確支持所下結論。沒討論到的結果不需於「結果」呈現，而所有陳述之結果均須於「材料與方法」說明其取得之方法。「討論」、「結果」與「材料與方法」所提到的內容，特別是「討論」，必要時應於「前言」埋下伏筆，「前言」所引述之相關文獻或研究理念旨在引出研究目的與假說，不需過度煩瑣。若能依循這樣的寫作原則與檢視方法，文章的內容將會符合清晰明瞭的原則，且更完整合理。玆就針對論文各部份之撰寫概要說明。

(一)   題目

為論文定題目是很重要的，因為也許只有少數人會讀完整篇論文，但是題目卻會被無數的人從原始期刊、資料庫或網際網路上閱讀。因此不適當的題目可能無法擁有預期的讀者。所謂好的題目係指能夠以有限數目之文字適當且明確描述論文內容。一般建議6-14個字。此外，論文的題目是一個標籤，不是句子，其結構應比句子簡單。因此，文字的順序及用詞變得更重要，題目的用字不但要強調論文的重要性，反應內容，還要容易被檢索到。

(二)   摘要

摘要是論文的縮影，亦為左右讀者是否繼續閱讀整篇論文的關鍵。故需針對論文的每一主要部分，包括前言、材料與方法、結果、討論與結論，做一簡要的概述。因係描述已完成的工作故摘要應以過去時態撰寫，且不宜包含任何本文未提及的資訊或結論，亦不需引用文獻。

(三)   前言

前言是論文的第一部份，旨在闡述研究動機，故需充分提供研究背景及作者之論點與假設。前言應清楚呈現擬探討問題的本質和範疇、回顧相關文獻、簡述進行研究的理由與研究方法。依論文描述之研究內容本質不同，其寫法亦應有所分別。

1. 具研究假說之論文(Hypothesis-based paper)

第一段先介紹並闡明本研究相關之議題，第二或第三段則引用過去主要文獻之結果、對此議題提出的解釋或遇到之困難，第三段或第四段則需針對本研究可驗證之結果提出明確預測或假設。這類型的文章之前言主要著重在概念或觀察之闡明，而非方法或過去的研究者。

2.  探討方法的論文(Methods-oriented paper)

此類文章第一段亦是概述有關此研究的議題，第二或第三段在於探討過去的研究及其限制，最後一段完整的呈述問題並簡述將提供的新方法與新資訊。

(四)   材料與方法

材料與方法主要在陳述實驗設計，提供足夠的細節，方便同領域的研究人員能夠重現此實驗，並驗證其實驗結果。“可重複性”亦是科學論文的特點，因此若該研究的方法不具重複性，這篇論文就不能代表好的科學。材料與方法一般包含：受試者資料、實驗原理與架構、實驗設備及材料、實驗步驟、資料分析及統計方法。

1.  具研究假說之論文(Hypothesis-based paper)

    此類論文需詳細說明實驗設計與方法，使其他研究人員可依照同樣的方式做相同的實驗。如果實驗方法係引用文獻，便不需仔細描述，只需引用參考文獻即可。如何在詳細與簡明間取得平衡通常是作者偏好的問題。

2. 探討方法的論文(Methods-oriented paper)

    此類論文需詳細描述重要的研究材料與方法。如果某些詳細的解說會打斷邏輯的呈述，可以將此部分的解說放至附錄。此外亦要針對統計方法提供完整的描述，統計方法的假設及顯著水準的選擇亦需驗證。由於實驗過程皆已完成，因此應以過去語態描述。

(五)   結果

實驗結果是實驗過程中所測得的資料和所觀察到的現象，為整篇論文的核心，因為從假設到結論皆需與實驗結果呼應。須忠實呈現與前言提出之問題或假設有關，且具代表性並能反映研究目的結果，避免一直重複資料結果。而呈述的順序應該依據結果的重要性。若是該研究含多種實驗方式及多項測量數據，可採用分段形式描述，每個段落敘述不同實驗方法所得的結果，並與材料與方法中的各段相呼應。此外，應利用清晰且易比較分析的圖表輔助說明之。

結果的撰寫必須簡潔、順暢、不要冗長，每一段需要包含反對或支持此方法之結果（methods-oriented paper）或回答問題或測試假設( hypothesis-based paper)的結果。結果陳述的內容應為此研究的數據，非以前文獻中的結果，且不要重複陳述圖表中已明顯提出之文字或數據。如果結果屬於量測數據，除了要求正確外，亦需進行統計分析並討論其顯著性，並說明其意義及限制。撰寫結果應以過去式時態描述。

(六)   討論

討論通常是撰寫論文中最困難的部分，因其必須將前言、方法與結果串連，並建立完整且具邏輯性的架構以闡述作者的觀點。討論主要是讓讀者對於作者的假設、方法與結果的合理性達到認同。典型的討論包括研究目的重述、重要結果概述、結果說明、推論或結論、研究方法或結果的限制、未來研究議題建議或研究結果的實際應用。

討論是作者彙整實驗結果、理論、前人研究及個人經驗所得之推理，因此必須符合邏輯，並與研究目的相呼應。其主軸要根據研究方法與結果，論點需以理論、原理或相關文獻為佐證。結果的差異應盡量解釋，同時討論與其他相關文獻之研究成果的一致性或差異性。此外，結果中沒陳述的資料不需討論。撰寫討論時，若作者認為其內容為不受時間影響且符合邏輯的事實，通常用現在式。如果作者強調句子內容為過去的事情則用過去式。

(七)   參考文獻

參考文獻主要在於佐證作者論點及提出科學的依據，且方便讀者查詢相關資料。一般只需列出最關鍵的文獻資料，且所列出的參考文獻應是作者親自閱讀過的文章。此外，參考文獻應依照期刊規定的格式。目前市面上有不少文獻管理軟體，可自動整理文獻資料，並可與資料庫及文字編輯軟體(如MS Word)連結，並且可讓使用者選擇文獻格式，大輻增加了撰寫論文的便利性。常見軟體有EndNote、Reference Management、Library Master等。

(八)   圖表的製作

圖表是科學論文不可或缺的部分，其目的是將雜瑣的資料結構化後重新呈現。好的圖表可以清楚表現論文所要傳遞的訊息。圖表應獨立顯現有意義的數據，亦即圖與表之間的內容不可重複敘述。無關緊要的資料可於內文中簡單帶過。此外，不同期刊對於圖表呈現方式與數量的規定皆不同，應依各期刊規定調整之。

(九)   論文投稿注意事項

論文撰寫完成後，投稿前，作者必須熟讀欲投稿期刊的投稿需知，仔細檢查，避免因為格式或內容不符被退回稿件，徒然浪費時間。一般而言，投稿時除了格式與論文份數的要求外，還需附上一封說明函（cover letter）主編，說明欲投稿的論文為何、新稿或修改的舊稿，並提供通訊作者之聯絡地址、電話、傳真及e-mail等。此外，筆者建議於投稿前可請以英文為母語的專家就論文做文字編輯修飾，可減少審稿者對論文的誤解，減少答辨的麻煩及退稿的機率。由於網際網路的發達，越來越多期刊接受網路線上投稿，以增加便利性，本演講亦會對此做說明與建議。

研究成果的發表與期刊投稿主要包含三個部分：選擇合適的期刊、研究成果的彙整與清晰明瞭的寫作，以及使用正確的撰寫格式。審查意見的答辨亦須謹慎。此外亦要瞭解投稿程序，這樣才能增加投稿成功的機率、減少文章往返修改的時間。本次演講僅就這些內容依據個人有限的經驗做介紹，並就一些本國人常犯的錯誤提出建議，有關實驗設計或統計方法等並未納入本次演講所討論的重點。論文的撰寫沒有捷徑，需要不斷的練習，多讀多看以累積經驗，相信依循正確的寫作方式及格式，將有更多國內的研究成果發表在國際著名的期刊上。



醫療輔具研究與臨床應用簡介

以生物力學之概念淺談腹部肌力訓練及相關器材

呂東武教授
國立台灣大學醫學工程學研究所

 

近年來，健康的議題已經逐漸被大眾所重視。現代人由於飲食習慣改變、運動時間相對減少，生活型態逐漸以坐式為主，造成中廣身材族群的人數逐年攀升，且隨著年齡增加、身體代謝能力下降，許多症狀也相應產生，醫界統稱此為「代謝症候群」，代謝症候群不是一項疾病，而是疾病發生之前的症狀，在國人的十大死因中，與代謝症候群相關者就占了五項：包括腦血管疾病、心臟病、糖尿病、腎病變、與高血壓性疾病，佔民國96年國人死因統計的41%，遠高於十大死因首位的惡性腫瘤(圖一)，且有日益增加的趨勢。2002年《美國醫學會期刊》的研究也指出，有代謝症候群的人死亡率是沒有代謝症候群者的2.5倍。因此，若能有效地預防或減少代謝症候群的發生，便能降低這些疾病的發生率。

圖一、民國96年國人十大死因比率

目前大部份的研究顯示，代謝症候群的形成主要和胰島素阻抗性增加有關，而這除了可能和基因與環境有關之外，另外兩個重要的原因就是肥胖以及缺乏運動。《天下雜誌》第408期中提到台灣與日本的企業界已經開始重視主管及員工的健康情形，每年的健康檢查除了血壓、血糖、與血脂外，腰圍也是其中一項檢查的重點項目。男性的腰圍標準為不超過90公分(約35.5吋)、女性則是不超過80公分(約31.5吋)。有研究發現腰圍每超過標準值1公分，罹患高血壓、心臟病、糖尿病的風險就比一般人增加2~6%，但若是能減掉腰圍、降低腹部脂肪，將有助於血壓、膽固醇、血糖等數值下降，更能降低罹患心血管及腦血管疾病的危險性。

事實上，除了脂肪囤積外，腹肌長期缺乏運動也是小腹形成的原因之一，因此除了控制飲食習慣外，平時的規律運動更能強化腹部肌肉、避免小腹產生。以近年來盛行的高爾夫球為例，高爾夫球運動員在揮杆擊球時，腹部需要產生很大的力量而使身體轉向並將球擊出，此時強而有力的腹肌不僅可以完成動作，亦能保護脊椎、避免受傷。

本文接下來將針對腹部肌力訓練進行介紹。首先會概述骨骼肌之解剖及其生物力學，並分析適用於阻力訓練之基本原則，進而介紹常見之腹肌訓練方式及相關運動訓練器材。

一、骨骼肌之解剖與生物力學

骨骼肌是人體中唯一的隨意肌，佔總體重的40-45%。雖然全身約有600多條成對出現的骨骼肌，但實際上僅由少於80對的肌肉產生人體大部分的動作。中樞神經系統將神經衝動經由周邊神經系統傳至肌肉，當動作電位超過一定的閾值時，單一運動單位(motor unit)就會按照「全有全無律」收縮，進而產生力量帶動骨頭繞著關節旋轉而產生動作。而一塊肌肉通常是由數個運動單位所組成，每個運動單位所支配之肌纖維數量不同，根據受刺激的運動單位數目多寡，可以決定肌肉收縮的力量。因此，同一條肌肉內收縮的肌纖維數目愈多，則產生的肌力愈大。

單一條肌肉本身收縮力量的大小會受到肌肉收縮形式、收縮速度(圖二)、肌肉長度、肌纖維種類、運動單位活化數目、及神經興奮速率等因素影響。而不同肌肉間收縮力量的比較則通常是依據肌肉的生理性橫斷面(physiological cross-sectional area，是由肌肉體積除以肌肉真正長度所得之)來決定，且肌肉生理性橫斷面愈大則肌肉收縮的力量愈大。其他影響肌肉收縮力量大小的因素還包括性別、年齡、運動習慣、營養、荷爾蒙與基因等。

圖二、力量-收縮速度關係圖

肌肉透過肌腱的連結而與骨頭有兩個以上的接觸點，當肌肉收縮產生拉力，力量經由肌腱傳到所附著的骨骼上，便可帶動骨頭沿關節中心旋轉產生運動，並在關節處產生骨頭和骨頭間的相對運動，進而達到肢段的平移運動。

二、阻力訓練的意義

肌肉表現(圖三)是指肌肉作功的能力，而肌肉表現可被肌肉形態、神經生理、代謝、心血管、呼吸、認知等因素所影響，其中影響肌肉表現的基本要素則可分為力量、爆發力、以及耐力。肌肉若是由於傷害、疾病、不動(immobilization)、少用(disuse)等情況而造成損傷，皆可能會導致肌肉無力或肌肉萎縮，此時阻力訓練就成為增加肌肉力量、爆發力、以及肌耐力的有效方式，除了可增加功能性動作的表現外，還可以減少傷害與再傷害的發生機率。

阻力訓練是指肌肉主動收縮的型態。當給予一外力時，肌肉會產生靜態或動態收縮來抵抗外力，藉由不同的訓練強度、訓練頻率、與訓練時間的調整，可以影響不同的肌肉表現。肌肉力量是指肌肉收縮產生力量的能力，一般將最大肌力定義為只能作用一回合的最大負荷重量，也就是說，在此最大負荷重量下肌肉僅能收縮一次，因此若是肌肉力量不足，嚴重時可能會影響到日常生活的功能活動；而爆發力是指每單位時間肌肉所能產生的功，也就是肌肉收縮速度與產生力量之間的關係，因此爆發力對短時間高強度的運動而言最為重要；耐力指的是肌肉反復收縮或持續用力的能力，一般是指長時間工作或運動的能力以及抵抗疲倦的能力。

圖三、肌肉表現與收縮型態

三、阻力訓練原則

人類的生理肌力在25~30歲之間發展到巔峰並趨向穩定，但隨著年齡增加，肌力開始出現退化，進而逐漸影響到日常生活的功能表現。因此，為了維持身體各部位的肌力、強化骨質、與增進身體的運動能力，阻力訓練對各年齡族群而言都非常重要。在進行阻力訓練時，應包含下列三項基本訓練原則：

特定性原則

在進行運動訓練時，應依照運動的特色給予不同的訓練項目，此乃因為在訓練肌力、爆發力或耐力時，身體代謝和生理功能會產生不同之適應特定性，也就是有氧或耐力的訓練並不會訓練到無氧系統，而無氧訓練亦不會訓練到有氧系統，即使同樣是有氧或耐力的運動訓練，其運動效果也不會互相影響。

可逆性原則

運動訓練的效果是短暫且可逆的，因此當一個人停止運動時，運動的效果就會逐漸消失。通常只要維持兩周不運動其運動能力就會明顯下降，所以一般需要足夠程度的運動頻率與時間來維持體能。對健康的人而言，每週應至少運動3次，每次維持30-45分鐘的運動時間為佳。

過度負擔原則

訓練肌肉耐力時，通常必須給予高於訓練閾(threshold)的負擔，方能藉以調整身體的反應與狀況而產生適應作用，且當肌肉超載時，其肌力的增進最為有效。而訓練閾必須依照個人的健康狀況、活動能力、年齡、以及性別做調整，若要引起體能較佳者的改變，其運動強度便需要越高，因此當產生適應時，其訓練強度就必須因應增加。

四、腹肌訓練與器材市場

腹肌主要由三層肌肉組成，由外至內分別為腹直肌、腹外斜肌與腹內斜肌、以及腹橫肌。腹直肌扁平而長，主要產生腹部屈曲的動作；腹外斜肌與腹內斜肌是覆蓋腹部兩側外層的肌肉，主要產生腹部旋轉的動作；腹橫肌則是扁平成三角形，主要產生腹部橫向收縮以增加腹內壓。訓練腹肌的常見動作包括仰臥起坐、轉體仰臥起坐、仰臥屈腿收腹、和垂直抬腿等，這些是一般不需要器材輔助的簡單腹肌訓練活動，但若需要更大強度或更特定的腹肌訓練時，常會必須輔以相關腹部健身器材的使用，包括抗力球、腹肌訓練仰臥板、AB身體革命運動器、腹肌訓練輪、騎馬機、和美腰健腹機等。根據估計，2004年全球健身器材市場為205億美元，其中以美國為最大的單一市場，佔全球市場的32%，預計至2010年，全球市場之年複合成長率為2.07%。

隨著科學技術的進步，許多應用性的研究皆指出，運動可預防疾病的產生以及促進健康，因此使得健身器材由過去健身房與重量訓綀室為主的應用，逐漸轉為以居家訓練為主，而且健身器材的種類、形態與功能也日趨多樣化。過去復健器材針對的是已罹患疾病時客戶所需要的被動性產業所設計，然而現今的運動器材則是以減少老化為主之更積極與健康的觀念出發，且一般大眾皆被列為銷售對象，這代表著運動器材已轉型成為主動積極的產業，因此必須增加這些產品的附加價值方能提高其競爭力。

以下將對目前市面常見的腹肌訓練器材進行簡單的介紹：

抗力球(圖四)

球類最早在1965年由瑞士的物理治療師應用於兒童治療，後來才改良成較大的球體並運用於健身和復健治療，因此抗力球逐漸成為臨床治療的工具，並被廣泛應用於健身與增進健康等範圍。使用抗力球運動的主要目的包括有增強肌力、增進柔軟度及活動度、及維持平衡與協調等，同時結合簡單且有趣的訓練動作，讓運動變成一項有趣的事情。研究結果發現，利用抗力球訓練腹肌，雖然在力量提高方面的效果和平地上相近，但是使用抗力球訓練更可增加身體的平衡能力與肌肉的靈活性，不過也由於抗力球訓練同時會挑戰到使用者身體的平衡能力，因此在訓練時必須注意安全，訓練的動作亦不能過於困難，且使用者需衡量自身的能力來進行訓練。

腹肌訓練仰臥板(圖五)

腹肌訓練仰臥板之主要特色為加強仰臥起坐之效果，並針對腹部的肌肉強化訓練。其仰臥板乃採取傾斜設計以取代平地的模式，並強調正確的仰臥起坐姿勢與更強大之腹肌訓練。訓練時需注意姿勢變化所引起的血壓與動脈氧壓的改變，亦應避免腹部肌力不足所造成之肌肉拉傷問題。

腹部運動器(圖六)

腹部運動器乃是使用水平用力的方式訓練腹肌，常見的訓練動作包括仰臥起坐、轉體仰臥起坐與仰臥屈腿收腹，並以上半身或下半身的體重作為訓練重量。這項運動器材與傳統平面之仰臥起坐不同，使用腹部運動器時，使用者可以做出雙向腹肌收縮的動作，也就是上半身與下半身同時向腹部靠攏，此時腹肌需同時承受雙向的體重，因此在進行此項運動時，使用者應先熱身以避免腹部肌力不足所導致的拉傷問題，且其訓練強度亦應視個人能力而定。

腹肌訓練輪(圖七)

腹肌訓練輪為主要針對腹直肌訓練所設計的健身器材。其主要是以腹直肌的離心收縮作為訓練主軸，並利用不同的訓練方式達到增進肌力的效果。因為腹肌訓練輪是屬於垂直用力的方式，不同於仰臥起坐的水平用力方式，因此在以腹肌訓練輪訓練時，其主動肌群包括腹直肌、闊背肌、以及大圓肌等，而穩定肌群則幾乎涵蓋全身。其訓練姿勢可分為跪姿與直膝，這兩種姿勢對腹肌影響的差異不大，但直膝訓練時會使用大量的背肌與手臂力量，因此會對下背部造成過大的壓力並容易造成下背部傷害。

騎馬機(圖八)

馬術治療是以馬作為一種治療工具，並利用馬的律動及設計過的治療計劃對病患進行治療，因此在美國將騎馬分為治療、教育、運動、以及休閒娛樂四種目的。騎馬是一項良好的運動，騎馬時上半身必須保持平衡，這可有助於伸展腹部和背部的肌內，而當騎馬奔跑時，全身肌肉就必須不斷地調整和平衡，因此騎馬運動需要高度的協調動作，方能對馬的節律動作做出相應的反應並從而獲取訓練效果。騎馬機乃是應用馬術治療的概念所設計出的室內運動器材，由於人體會跟隨身體動作的反應而運動，因此有節奏的騎馬動作會牽拉身體各部位的肌肉，如軀幹、骨盆、臀部、大腿內收肌等，不過肌肉的反應仍需取決於馬奔跑的速度或是騎馬機的律動速度。因此在使用時需注意從慢速熱身再逐漸加速，以避免肌肉拉傷。

吊繩系統(圖九)

吊繩系統是一項以下半身重量進行腹肌訓練的運動器材，可以達到提昇腹部肌群的肌力、雕塑身體曲線的效果。研究發現，在直立屈膝運動時，上、下腹直肌、腹內斜肌的肌肉活動度較於仰臥腹部訓練者來的高，其中又以腹外斜肌在直立屈膝運動時的肌肉活動度為最高，且於進行此項運動時腰椎旁肌群的肌肉活動都不高，因此直立屈膝運動為有效誘發腹部肌肉活動的運動。但以直立屈膝方式運動時，則需要注意上肢肌力是否足夠，且使用前可從慢速擺盪再逐漸增加擺高時的定位時間，以避免肌肉拉傷與上肢肌肉疲勞的現象。

五、結語

維持規律的運動習慣，對於疾病的預防與控制、健康促進的效益及生活品質的提升皆具有相當正面的意義。然而受限於現代的生活形態，越來越多人開始從事室內運動，因此許多健身器材亦因應現代人的需求而設計，以協助運動者在狹小的空間內能夠從事運動訓練。為避免久坐不動而相應產生的症狀，許多企業開始注意員工的健康情形，並提倡減重、減腰圍的健康活動，而適當的飲食與運動習慣不僅可以維持身體的功能，也能保持苗條的體態。早期運動器材之設計相對簡單，主要以強調肌肉力量與肌肉耐力訓練為主，但隨著居家健身的需求增加，許多新型的運動器材設計也因應產生，並由原本僅強調運動功能的目標，到近年開始兼顧運動效果與避免運動傷害的設計概念，並且也進而注意更多其他的功能。

一項好的腹部訓練器材設計，不僅可經由簡單的訓練動作而讓運動成為一件有趣的事情，且訓練器材亦必須整合人體生物力學原理做科學化的量測與機構設計，使運動不僅可以達到肌力訓練效果，還能具備保護脊椎、避免受傷等優點。因此好的腹部訓練器材應具備有趣味性、安全性、與實用性，讓使用者在狹小的空間內即能達到腹部訓練效果。從前述腹肌訓練器材的簡單介紹可知，一般仰臥起坐或仰臥屈腿收腹乃是使用水平用力的訓練方式，以上半身或下半身的體重作為訓練重量，但若需更有效地誘發腹部肌肉活動，則可以利用訓練器材來改變身體姿勢以加重上半身或下半身的體重，並可使用垂直用力的方式進行訓練，以達到強化腹肌訓練的效果，但如同多數其他運動器材訓練時皆應需注意的是避免肌肉疲勞的現象，方可達到安全且有效的腹肌訓練。

六、參考文獻

1.     Escamilla RF, Babb E, DeWitt R, Jew P, Kelleher P, Burnham T, Busch J, D'Anna K, Mowbray R, Imamura RT. Electromyographic analysis of traditional and nontraditional abdominal exercises: implications for rehabilitation and training. Phys Ther. 2006 May;86(5):656-71.

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7.     Carolyn Kisner, Lynn Allen Colby. Therapeutic Exercise: Foundations and Techniques. Edition: Fourth.

8.     吳英黛. 呼吸循環系統物理治療學. 第四版,金名出版社,2006.

足墊製作用足底取模方法之簡介

呂東武教授

國立台灣大學醫學工程學研究所

足部是人體中極為重要的肢段。在人類發明代步工具之前，人們只能靠著自己的雙腳跋山涉水。由於足部是最直接與地面接觸的肢段，因此足部從站立、走路到跳躍跑步的過程中不但要承載全身的重量，更要承受動作中所產生之巨大的地面反作用力(Ground Reaction Force, GRF)。而在承受外力的同時，足部亦必須面對各種不同地面情況的挑戰，或許有坑窪凹洞，或許有異物凸出路面，又或許落腳之處有各種不同方向的傾斜，這些都考驗著足部的適應性以及穩定性。現代人形步行機器人所面對的巨大挑戰之一，就是如何讓機器人的雙足能像人類的足部一樣同時兼顧適應性以及穩定性。由此可知，人的雙腳結構設計是如此的奧妙，若沒有雙足的帶領，人類或許就無法走出更寬闊的世界。

正因為足部所需要面對的情況是如此複雜，其功能的正常與否就變得極為重要。要有正常的功能，就必須確保足部結構是完整且正確的。功能結構不正確的足部會直接且明顯地反映在肉眼可見的人體姿態上，而人體姿態會進一步影響外界對於人體的力學，進而產生不正常的力量與力矩，並造成組織不正常的拉伸或擠壓。長時間影響下來就會產生包括表皮組織增生(雞眼、繭)、發炎疼痛(足底筋膜炎、足跟痛等)、骨骼變形等各種症狀。足部症狀雖然通常不會致命，但是其疼痛與不適都會對患者的生活品質以及行動力造成嚴重的負面影響。對於深受其害的病人而言，回復雙足的健康或是利用輔助器具使其雙足能如同正常雙足一般工作是他們最大的願望。

目前臨床醫護人員以及相關醫學工程學者都共同朝向非侵入式檢查及保守治療的方向努力，足部型態異常的治療方向亦不例外。醫生通常會建議先藉由支架或足墊等外部輔助器來進行矯正，在追蹤觀察數個月後若無明顯成效才會考慮開刀。因此，如何製作一個好的足部輔具是非常重要的，而如何取得正確的足底模更是直接影響足墊製作的關鍵，不僅影響足墊修改加工的複雜度與成本，亦會影響患者的治療的成效。因此國內從2000年便開始積極發展復健治療，一方面提升骨科治療後之復健效果，另一方面以物理治療方式降低因足部疾病及意外傷害所需的侵入式的手術治療。

依據市調機構Espicom與工研院IEK的統計，2006年全球醫療產品市場規模約有1,562億美元，預估至2010年將可突破2千億美元，其中以醫院用設備與器材為主，佔86％，其餘依次是醫用耗材與傢俱佔11％、輔具佔3％。ITIS估計台灣方面的預估產值為14億美元，其年平均成長率亦高達14.85%，可見保健性商品的潛在市場需求不僅龐大而且仍然在快速成長中。然而過去醫療院所或復健科在製作足墊輔具（orthopedic insoles）時，均以石膏取模的方式來取得患者足部模型，接著再依據治療需求修正石膏模型，並以熱塑性材料逐層加熱覆蓋、彈性繃帶纏繞緊縮、自然冷卻定形，同時透過生物力學觀念導入調整，最後得到一雙完整且量身訂做的矯形足墊。然而這整個製程不僅費時且費力，從取模、修整、成形與調整，患者常需2~3次門診並須要等待4~7天才能取得足墊輔具，且成本與收費極高，不僅帶給患者沉重的醫療負擔，相對的復健科醫師亦因為製作輔具時間過長而影響其他患者就醫品質與時間。其次，患者足部的正中位置(neutral position)通常是由復健師以手為患者固定，但取模的過程中，復健師的手必須離開方能進行取模，因此其足部的相對位置會失去正確性，如此亦會影響輔具的正確度與治療效果。

現今科技發展一日千里，各種量測取模的方法業已被發展出來，但皆具有各自的優缺點。若能集結各家優點並進而改善目前的足底取模方式，對於相關足部疾病的保守治療將會有極大的助益。本文將由足部生理解剖至足墊對足部姿態之影響著眼，討論目前較廣泛使用的足底取模方法及其優缺點。

一、    足部生理解剖與功能簡介

a.      骨骼系統[圖一、(a)]

人體全身共有206塊骨頭，然而單一足部即包含有七塊跗骨(Tarsus)、五塊蹠骨(Metatarsus)以及14塊趾骨(Phalanges)，共有26塊骨頭，因此兩腳就占了超過全身四分之一的骨頭。這26塊骨頭相互組成踝關節、跗骨間關節、跗蹠關節、蹠趾關節、趾間關節。

b.     肌肉韌帶系統[圖一、(b)]

足底肌：包含拇展肌、拇短屈肌、拇收肌。

足背肌：包含趾短伸肌、拇短伸肌。

外側群：包含小趾展肌、小趾短屈肌。

中間群：包含骨間蹠側肌、骨間背側肌、蚓狀肌、趾短屈肌、蹠方肌。

         

c.      正中位置(neutral position)

足部的正中位置就是指足部在背屈90度(小腿與足部的夾角)、內翻/外翻0度(此時由背側可看到阿基里斯腱與足跟呈共線)、以及內轉/外轉0度(足部第二趾到腳跟相對於腿部中軸)的足部姿態。

二、    異常足部對位(alignment)之簡介

足部在結構與對位上有許多巧妙的設計，其中足弓不但提供良好的支撐性，同時也兼顧吸收衝擊力的功能。足部姿態的異常會導致足弓結構的變化，進而影響到足部受力時的對位，因而對其他組織造成異常的負擔並引發各種症狀。本段將介紹常見的異常足部對位。

a.      結構性扁平足

此異常足部結構就是指舟狀骨向下移位造成內縱足弓的塌陷，因而內縱足弓在踏地時消失，同時後足部會呈現外翻的現象。扁平足會造成足底韌帶組織長時間頻繁地被拉伸，因此患者容易感到足部的疲累而無法久站。若長時間走路則會過度拉扯足底筋膜而導致足底筋膜發炎與產生疼痛，此即為足底筋膜炎。

b.     高弓足

高弓足的原因主要是先天性的遺傳或因肌肉無力、不平衡或攣縮及不正確的行走模式而導致的。患者初期大都不會覺得疼痛，甚至感覺行動很敏捷，但長久下來會因身體重量分佈不平均，使得腳底容易長繭與疼痛外，亦會因走路時前足容易外旋，致使腳底筋膜緊繃、足部穩定度不佳、關節較易產生角度過大的傷害，且患者之膝關節兩側壓力不平均而較易形成O型腿現象。

c.      外翻足

與扁平足極為相似，在足部對位上可以看到跟骨相對於小腿呈現外翻姿[圖二]。然此二者主要差異在於外翻足未承重時可以看到足弓，但是承重時足弓消失。外翻足患者鞋子的內側常常會磨耗特別嚴重，且通常會在足部內側以及第二、三蹠骨底部會長繭。此外，常見的症狀亦包括有足底筋膜炎、足弓痛、蹠骨頭痛、脛後肌肌腱炎。

d.     內翻足

內翻足在足部對位上可以看到阿基里斯腱與腳跟並非成一直線而呈現內翻。患者於承重時足弓變高，且易於第五蹠骨外部或底部長繭，其鞋子的外側亦常會磨耗特別嚴重。患者常見症狀尚有足弓痛、蹠骨頭痛、膝痛或背痛等。

三、    足部對位(alignment)對人體力學的影響

正常足於步行時，足底壓力中心(COP)的移動軌跡約在足底中線靠外側處。而扁平足以及外翻足的異常足部對位容易造成COP軌跡往足內側移動，使得地面反作用力對踝關節以及膝關節產生不正常的力矩。反之，內翻足則會使得足底壓力中心軌跡往外側移動[圖三]，亦會使得地面反作用力對踝關節以及膝關節造成不正常的力矩，長時間下來將會導致關節變形與產生不適感。

四、    足墊對人體的影響

正常人在六至七歲即可發展出成熟的步態(gait)。人體在正常行走的過程當中，地面反作用力大致會指向全身的質量中心(Center of Mass, COM)[圖四]，且同時約略通過下肢各關節中心位置。如此一來，便可減少地面反作用力相對於各個關節中心的力臂，進而避免關節承受過大的力矩，同時也避免能量的浪費。由此可知，人體在行走時下肢各肢段間的對位關係以及關節中心位置是很重要的。看似不起眼的差異皆可能會導致關節承受不正常的力學效應，嚴重者除了導致下肢骨骼變形，甚至進一步往上影響骨盆與脊椎而引發其他相關症狀。

足墊除了能有助於吸收來自地面的衝擊進而保護足部不為外力傷害之外，足墊的曲面在經過良好設計後，除可提供足部額外的支撐，另外容易為肉眼觀察到的就是可令足部保持在正中位置，因此具有矯正足部對位不正常的功能。過去在設計足墊時，往往把設計的重點放在足底壓力評估的結果，因此必須製造出成品並且經實際測試後才能知道該足墊對於矯正對位的效果。然而經研究證實，足部對位正常與否對於足底壓力乃至於全身的生物力學都有明顯的影響。因此在設計足墊時，若以足部對位為優先考量的依據，將可有助於縮減足墊研發的時間，同時亦能獲得更顯著的足部矯正效益。

五、    現行足底取模的方法及其優缺點

取模的方法繁多，主要以手工取模、塑性材料取模、光學影像取模幾種方式為主流。手工取模乃是量取足部各項參數，再據之製做鞋子及足墊。塑性材料取模是利用材料的可塑性，經由貼附足底表面的過程取得足底的曲面模型。光學影像則常搭配數位化的資料擷取設備，可以將取得的足底模型數位化，對於加工流程有很大的幫助。以下將介紹幾項常見的足底取模方法。

a.      手工取模

此為最傳統的取模方式，乃是利用手工量測足型的主要參數。一般來說，常需量測的數值有趾球關節圍度（ball circumference）、腰圍（waist circumference）、徑距圍度(span circumference)、足背圍度(instep circumference)與變形鎚狀趾的足趾高度，其後加上足墊厚度與鞋子之餘裕後，將所量得的數值與楦頭進行比對再製作鞋楦。由此可知，此方法準確度與花費時間大多視師傅的功力和經驗而定。好的師傅可以依據其手工量測的數據做出極為合腳且舒適的鞋子，然而此類鞋子的製作流程中大多並未針對矯正足部對位做嚴格的設計，因此通常不具備矯正功能，而且該取模技術常為獨門功夫，且研發製作時間很長而不易控制成本，因此難以利用此方式大量製作客製化足墊。

b.     石膏繃帶取模

此為利用石膏繃帶沾水纏繞足底，待約15~20分鐘的固化時間後取下再翻成石膏陽模。通常量測者會要求患者在等待石膏繃帶固化的這段時間維持在正中姿勢，但是這對足部有傷口以及不能久站的病患而言是難以做到的。再者，取得的陽模尚需再修改成正常姿勢的模型後方能進入足墊加工階段。而一連串的翻模、修模等動作都會使得患者必須等待更久的時間。

c.      泡棉(取模盒)取模

病患直接踩下取模盒，利用泡棉的可塑性取得腳底的形狀。然而一塊泡棉僅供一次量測使用。在病患踩入泡棉的過程中，施測者雖然會提醒受測者以足部維持正中位置的姿勢踩下，然而踩下後的足部通常已無法由受測者維持其姿勢，因此取得的足模常常並非維持在正中位置的足模。利用此法取模尚需將取得的泡棉模型再翻製成陽模，接著再修改此陽模至裡想形狀，因此修改的過程仍必須仰賴製作者的專業與經驗。

d.     STS取模

STS即Silicone Thermoplastic Splinting，主要利用PU材質的熱塑性，方法類似石膏取模，但硬化時間較為石膏短，僅約需5分鐘，因此使用上的受限程度也比石膏取模較小，精準度也較為石膏取模膏高。

e.      低溫熱塑型碳纖維取模

此為以碳纖維為取模的材料。首先請受測者踏在黏土或是裝有高密度矽的軟墊上，由於黏土跟矽會因受測者的重量踩踏出腳型，接著加熱碳纖維製的扁平足墊（足墊可因應足底不同壓力在局部加入些許不同熱塑型材料），使其可以變形，再放入先前受測者在黏土跟矽上所踩踏出的腳型中，稍微下壓對應，或請受測者再踩踏一次，等溫度慢慢下降，直到碳纖維完全回復硬度後再拿出碳纖維足墊，接著再因應受測者所穿的鞋子大小對足墊稍做修剪，若毋需再做額外的修改者亦可立即以此作為足墊使用。因此，此取模法強調的是低溫軟化以及上述幾種取模法所無法達成的反覆局部加熱調整，能夠反覆調整到舒適而理想的狀態。

f.      雷射掃描

以雷射技術掃瞄足部，並能以上萬的資料點產生三維足型，如此便可直接進行圖形比對，以便操作者作比對及修改。從量測至加工成形可一次完成，是極為快速且精準的方法。掃描的時間約略10秒鐘即可完成，掃描精準度約可至0.5mm，可適用於各種疾病患者。但是在掃瞄過程之中，足部的四周不可有阻擋物，因此醫生無法以雙手幫助患者維持在正確的正中姿勢，只能以口頭指示之。雖然從量測到製造的過程非常迅速，但是取得的足底模型並不是在正中位置下的足底模型[圖五]。，且掃描設備價格動輒數十萬美金，並不是每家醫院可以承擔，再加上後續加工製作足墊的系統、設備和材料通常都需搭配原廠規格，因此普及性低。

g.     CCD取模

是利用CCD攝影機擷取影像，再利用影像擷取模組擷取出足部影像，其後再進行影像解碼(Video decoder)、類比輸入處理、色差處理和明視度處理等影像處理程序。CCD掃描時間與雷射掃描時間大致相同，皆約為5~10秒。其精準度略低於雷射掃描，但是CCD掃描器設備的價格相對雷射掃描者較為低廉，且同樣可適用於各種疾病患者。然而在量測期間亦沒有針對足部的姿勢進行矯正，同時受測足是在完全沒有負重的情況下進行掃描[圖六]。因此，量測到的足底模型在轉為電腦數位資料後仍然必須要進行後處理，將量測得到的足底模型進行修改，接著再依據修改完的數據進行加工製造。而修改的適當與否亦須仰賴施測者的專業以及經驗。

取模方法	設備價格	取模時間	取模限制	取模次數	準確度	主要不足之處
手工取模	低	短	通常給正常足型使用	不限	極低	品直接取決於製作者的經驗及技術
石膏繃帶	６０－ １００元/套	１５－２０分鐘	傷口和無法久站病患	單次	低	誤差值高且無法直接量測正中位置的足型
泡棉	低	短	不限	單次	低	誤差值高且無法直接量測正中位置的足型
STS取模	６００元	約５分鐘	受限較小	單次	稍高	誤差值頗高且無法直接量測正中位置的足型
低溫熱塑碳纖維	數百元	不一定 視情況	約同於 STS取模	不限	稍高	誤差值頗高且無法直接量測正中位置的足型
雷射取模	相當昂貴	快 約１０秒	不限	不限	高	無法直接量測正中位置的足型
CCD取模	昂貴	最快	不限	不限	高	無法直接量測正中位置的足型

六、    未來展望

從上述內容不難發現，現行的足底取模技術都無法在製造時程、製造成本、以及量測準確度這三者之間取得良好的平衡。若依靠經驗以手工修改取得的模型，耗時費工且不精確。若以塑性材料包覆足部取得足底形狀，則取得的足模無法確定是否為正確對位，因此仍然需要進行修改，且取模完成到投入製造尚有一段距離。而光學方法則可以提供極為良好的精確度 ，同時可與電腦輔助系統整合，在很短的時間內產生足底模型的CAD圖形，並且投入CAM系統中進行製造。但是在量測的過程中足部周圍需要完全淨空，施測者僅能以口頭指示而無法以其雙手幫助患者維持在正確姿勢下進行量測，雖然從量測到製造的過程非常迅速，卻只能取得不正確的足底模型[表一]。此外，隨著精確度以及量測速度的提升，儀器設備的價格也跟著水漲船高，因此難以普及使用。

若以上述考量，未來理想的足底量測儀器應不僅能夠迅速且精確地量測到足底曲面的模型，同時要能夠讓施測者可在量測過程中幫助患者維持在正中位置，甚至可幫助施測者依據患者的狀況調整其姿勢。而整個量測系統最後亦應整合CAD/CAM系統，以加速從足模資料取得到實際成品完成的過程，更重要的是在量測過程中亦不能讓受測者產生任何不適。若能有一套系統以低成本實現上述各項優點，便可實現迅速且大量客製化足墊的供應，這對於患者乃至於整個醫療系統都將會是一大福音。

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