短时间步后足跟垫软组织学性质随时间恢之探讨

短時間步行後足跟墊軟組織力學性質隨時間恢復之探討TheTime-recoveryAbilityofMechanicalPropertiesofHeelPadafterShort-termWalking研究生：陳忠献(Chung-HseinChen)指導教授：楊世偉(Sai-WeiYang)國立陽明大學物理治療暨輔助科技學系碩士班碩士論文NationalYang-MingUniversityDepartmentofPhysicalTherapyandAssistiveTechnologyMasterThesis中華民國九十七年八月August2008i致謝首先誠摯的感謝指導教授楊世偉老師在研究方面給予的指導，兩年來有勞老師的諄諄教誨使我得以一窺復健工程領域的深奧，不時的討論並指點我正確的方向，使我在這些年中獲益匪淺。同時也對參與的口試委員們表達謝意，十分感謝相子元老師、柴惠敏老師及詹瑞棋老師在百忙之中撥空給予指導。兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的討論、言不及意的閒扯、充滿宵夜飲料的無數夜晚、趕作業的革命情感等等。感謝龍學長、依菁學姊、麗如學姊及依薇學姊在實驗及課業上的指導與幫助，不厭其煩的指出我研究中的缺失，且總能在我迷惘時為我解惑。也感謝朝謚、昭榕、元禹、嘉旭及家彥等同儕在生活與實驗上的討論與幫忙，一起在這兩年中相互砥礪、成長，一起征戰台灣地圖，一起喝咖啡看夜景。對於家緯、瑩蕙、靖傑、志豪、誌宇、志杰及翊凱等學弟妹們也是相當的感謝，不但給予了實驗上的協助與支援，也提供了生活上的無限歡笑與回憶。最後也感謝父母及家人對我的支持與照顧，讓我能無後顧之憂的順利完成碩士學業。僅以本論文獻給所有支持我、鼓勵我的家人與朋友，將此成果與他們共享。陳忠献謹誌九十七年八月於陽明大學物理治療暨輔助科技學系研究所復健工程實驗室ii中文摘要人體的足跟墊軟組織具有特殊的組織結構與黏彈性質，能減少和吸收足部與地面撞擊所產生之衝量，進而保護足部避免產生傷害。目前對於足跟墊軟組織的力學性質之研究大多在探討各疾病或個體因素對其力學性質的立即性影響，鮮有研究者探討足跟墊軟組織其力學性質隨時間變化的影響。本研究的目的即在探討步行後足跟墊軟組織其力學性質隨時間恢復的機制。本研究為年齡20歲至30歲的18位男性及13位女性，身體質量指數介於18.5至24.2之間，分為男性及女性兩組，收集受測者的基本資料及結合超音波與荷重元架構之實驗平台量測足跟墊軟組織之力學性質。依序給予受測者前測、赤腳步行30分鐘後、休息5、10、15及20分鐘六種狀況，收集足跟墊軟組織厚度、壓縮指數、勁度、彈性係數、能量耗散比率、彈性與黏滯係數比率及黏滯係數的變化。結果顯示足跟墊軟組織方面，男性的卸載厚度、末端線性區40%體重點的勁度、彈性係數以及黏滯係數等參數會較大。而受步行及休息時間因素影響方面，在步行30分鐘後會有厚度變薄、壓縮指數、彈性係數、能量耗散比率及黏滯係數減少、彈性與黏滯係數比率增加，休息10分鐘恢復至步行前50%的程度，休息20分鐘恢復至步行前的表現。微腔室的厚度較薄且變形量較少，所以壓縮指數比巨腔室高出許多。微腔室之勁度及彈性係數較高，而黏滯係數則相反，且微腔室尖端區的範圍較長，顯示微腔室其組織特性較偏向彈性體的表現，而巨腔室則偏向黏滯體的表現。在短時間步行後微腔室及巨腔室皆會表現出減少負載厚度、壓縮指數、彈性係數、能量耗散比率及黏滯係數、增加彈性與黏滯係數比率，不同的是微腔室在休息5分鐘時即恢復70%的程度，而巨腔室在休息10分鐘後才恢復50%的程度，不過這兩層若要恢復到步行前的狀況都需要休息20分鐘。本實驗證實男女間的足跟墊軟組織在整體、微腔室及巨腔室有許多力學性質的差異，及其在短時間步行後之變化及隨時間恢復的表現，特別是壓縮指數、彈性係數、能量耗散比率及黏滯係數等參數更能看出不同性別、分層及隨時間恢復的不同之處。建議在短時間步行30分鐘後至少休息10至20分鐘使足跟墊軟組織恢復。關鍵詞：足跟墊軟組織、超音波影像、力學性質、隨時間恢復iiiAbstractTheuniquearchitectureandviscoelasticpropertiesoftheheelpadprovidereductionandabsorptionoftheimpactforceactingontheheel.Thefindingsofpreviousresearchesonmechanicalpropertiesofheelpadwerefocusonthediseasesorindividualfactors.Therewerefewinvestigationsfocusedonthetime-recoveryability.Therefore,theresearchaimedatthetime-recoveryabilityofmechanicalpropertiesofheelpadaftershort-timewalking.18maleand13femalewithoutfootproblem,aged20to30years,BMI18.5to24.2,weredivideintomaleandfemalegroup.Allparticipantscollectedthebasicdataandmechanicalpropertiesofheelpadweremeasuredwithadeviceconsistingofa8-MHzlinear-arrayultrasoundtransducerwithaloadcell,andthevariableschangessuchasheelpadthickness,compressibilityindex(CI),stiffness,elasticmodulus(E),energydissipationratio(EDR),viscosityandratioofelasticmodulusandviscosity(λ)werecalculated.Anditwasmeasuredwithasequenceofsixconditions,pre-walking,post-30minwalking,5min,10min,15minand20minresting.Frommechanicalpropertiesofheelpad,youngmalehadsignificantlygreaterheelpadunloadthickness,stiffnessin40%bodyweightpoint,Eandviscosity.Heelpadthickness,CI,E,EDRandviscosityweredecreased,λwasincreasedafter30minwalking,recovered50%after10minresting,andrecoveredfullyafter20minresting.Frommechanicalpropertiesofmicrchamberandmacrochamber,microchamberhassignificantlythinnerthickness,greaterstiffnessin40%bodyweightpointandE,andlesserviscosity.Thickness,CI,E,EDRandviscosityofthesetwochambersweredecreased,λwasincreasedafter30minwalking,microchamberrecovered70%after5minresting,macrochamberrecovered50%after10minresting,butthesetwochambersrecoveredfullyafter20minresting.MechanicalpropertiessuchasCI,E,EDRandviscositywerebettervariablestoevaluatethedifferencebetweendifferentgendersandchambers,andtheywouldchangeaftershort-termwalkingandrecoveredbytime.Wecommandthatafter30minwalking,atleastresting10to20minforrecovery.Keywords：heelpad,ultrasonograph,mechanicalproperty,time-recoveryiv目錄致謝i中文摘要ii英文摘要iii目錄iv圖目錄vii表目錄xi第一章緒論11-1研究動機11-2文獻回顧21-2-1足跟墊軟組織的解剖構造21-2-2足跟墊軟組織的力學性質研究61-2-3總結111-3研究目的12第二章材料與方法132-1研究對象132-2研究設備與材料132-2-1儀器設備142-2-2實驗平台架構162-3研究流程與評估項目172-3-1足底掃描172-3-2足部圍度172-3-3問卷182-3-4理學評估182-3-5足跟墊軟組織力學性質分析實驗182-4統計方法24第三章結果253-1受測者基本資料253-2問卷評估253-3理學評估263-3-1足度相關圍度測量263-3-2足踝關節活動度263-4足跟墊軟組織整體之力學性質分析273-4-1足跟墊軟組織整體之厚度273-4-2足跟墊軟組織整體之壓縮指數293-4-3足跟墊軟組織整體之勁度313-4-4足跟墊軟組織整體之彈性係數37v3-4-5足跟墊軟組織整體之能量耗散比率403-4-6足跟墊軟組織整體之彈性與黏滯係數比率及黏滯係數423-5足跟墊軟組織微腔室之力學性質分析453-5-1足跟墊軟組織微腔室之厚度453-5-2足跟墊軟組織微腔室之壓縮指數473-5-3足跟墊軟組織微腔室之勁度493-5-4足跟墊軟組織微腔室之彈性係數523-5-5足跟墊軟組織微腔室之能量耗散比率563-5-6足跟墊軟組織微腔室之彈性與黏滯係數比率及黏滯係數583-6足跟墊軟組織巨腔室之力學性質分析613-6-1足跟墊軟組織巨腔室之厚度613-6-2足跟墊軟組織巨腔室之壓縮指數633-6-3足跟墊軟組織巨腔室之勁度653-6-4足跟墊軟組織巨腔室之彈性係數703-6-5足跟墊軟組織巨腔室之能量耗散比率733-6-6足跟墊軟組織巨腔室之彈性與黏滯係數比率及黏滯係數75第四章討論784-1基本資料、問卷、與相關測量結果之探討784-2步行時間對足跟墊軟組織整體之力學性質之探討814-2-1足跟墊軟組織整體之厚度814-2-2足跟墊軟組織整體之壓縮指數854-2-3足跟墊軟組織整體之勁度864-2-4足跟墊軟組織整體之彈性係數924-2-5足跟墊軟組織整體之能量耗散比率944-2-6足跟墊軟組織整體之彈性與黏滯係數比率及黏滯係數964-3步行時間對足跟墊軟組織微腔室之力學性質之探討974-3-1足跟墊軟組織微腔室之厚度974-3-2足跟墊軟組織微腔室之壓縮指數994-3-3足跟墊軟組織微腔室之勁度994-3-4足跟墊軟組織微腔室之彈性係數1014-3-5足跟墊軟組織微腔室之能量耗散比率1034-3-6足跟墊軟組織微腔室之整體彈性與黏滯係數比率及黏滯係數1034-4步行時間對足跟墊軟組織巨腔室之力學性質之探討1054-4-1足跟墊軟組織巨腔室之厚度1054-4-2足跟墊軟組織巨腔室之壓縮指數1064-4-3足跟墊軟組織巨腔室之勁度1074-4-4足跟墊軟組織巨腔室之彈性係數1104-4-5足跟墊軟組織巨腔室之能量耗散比率111vi4-3-6足跟墊軟組織巨腔室之整體彈性與黏滯係數比率及黏滯係數112第五章結論116參考文獻118附錄一問卷121vii圖目錄圖1-1足跟墊軟組織及週邊組織冠狀切面3圖1-2足跟墊軟組織之巨腔室及微腔室構造3圖1-3足跟墊軟組織於電子顯微鏡下之組織結構4圖1-