行政院體育委員會


文‧何維華、劉強、相子元
生物與力學系統的問題引起科學發展的重視，因此發展出一項專門的學科－生物力學。這是一門生物學和力學融合的科學，內容非常豐富，包括了所有生物體與力學相關的課題。運動生物力學為生物力學一個主要應用領域，是一門將力學應用於運動中有關的人體結構、動作及相關器材和環境的科學（相子元，2005）。現代科學的研究使得運動成就不斷提升，運動生物力學對於運動訓練與成效，扮演著重要的角色。採用聲、光、電、磁…等技術，驅使運動生物力學方法的不斷創新，測量技術水準的改善，並且不斷的開發新式的軟硬體及器材，以及投入大量的研究人才，進而促進運動技術水準和運動成績的提升。
運動生物力學在運動訓練的立場，一方面應用學理的基礎直接用於運動訓練的指導，另一方面應用科學研究的成果改善運動技術訓練的手段，是理論和實務密切配合發揮的學問，實驗的方法一般劃分為人體測量學（anthropometry）、靜力學（statics）、運動學（kinematics）、動力學（kinetics）。運動訓練借助許多科學儀器的使用，讓運動技術發展有重大的突破。應用影像分析、動力分析、肌電分析、器材分析和其他新科技等儀器設備，使得研究的深度、廣度都有了明顯的提升。運動生物力學的研究對象主要是人體，人體之間的個體差異，以及許多實驗不允許直接在人體上進行，所以研究方法上難度和複雜性極高。由於人體運動在自然界是透過物理量（如位移、功等等）及生物學參數（如轉動慣量、質量等等）來分析人體運動，需要採用實驗法的手段（如儀器設備）記錄和測試有關數據，而根據獲得數據的性質和來源的不同加以應用。因此，本文僅就現今生物力學的理論基礎和實驗方法如何應用在運動員的解剖結構測量、技術診斷、動力分析以及肌力提升等趨勢，期待能提供教練、選手以及運科人員在運動訓練和運動科學研究中的參考。 ■ 解剖結構測量　　運動生物力學的研究對象主要是人體；然而，人體內部具有各種不同組織、密度和結構（例如骨骼、肌肉、脂肪和內臟等），且不同年齡、性別、身高、體重及體型的個體差異，對各肢體資料影響極大，這對於透過物理量（如位移、功等等）及生物學參數（如轉動慣量、質量等等）分析人體運動的運動生物力學而言，正確的肢段資料是非常重要的；所以，建立台灣人體肢段參數資料庫，除是運動生物力學不可或缺的基本參數，亦可被應用在醫療科技、航太工業、工業設計、軍事武器以及運動器材設計等領域上。　　運動生物力學在人體測量上應用放射線影像的種類相當多，因其成像原理各不相同，能取得的資訊也不一樣。研究者因解析影像能力的不同，可從巨觀到微觀，從整個人體器官、組織；經常見到的X光造影、電腦斷層掃描（CT）、超音波、磁振造影（MRI）、正子放射斷層（PET）等醫學影像技術。其中，MRI是一種非侵入性診斷方式，可以幫助診斷、治療、追蹤內臟病變，它的優點是不論使用多少次，都不會像X光等傳統檢查方法一樣對病患造成輻射傷害，因而被廣泛地應用；MRI是利用磁場原理，把人體置於強大且均勻的靜磁場中，再利用特定的射頻無線電波脈衝，激發人體組織內的氫原子核，由於人體內的許多分子都含有氫原子核，這些氫原子核本身具有磁場特性，使儀器改變體內氫原子核的旋轉排列方向，原子核就會釋放吸收的能量，能量激發後放出電磁波信號，再經由電腦分析組合成MRI影像，如圖1所示。一、運動訓練　　有鑑於MRI不具侵入性與不產生游離輻射傷害之特性，國內外均有將MRI應用於運動員的例子。日本運動科學中心的研究人員，利用該中心內的MRI分析運動員四肢中，各主要肌群的肌肉橫斷面積的變化，以了解運動員對於訓練的適應情形，如圖2所示。目前體委會運科小組成員何維華博士，正針對黃金計畫中深具發展潛力的田徑選手梁澤敬同學，利用MRI技術以每一公分掃描一張該選手軸狀斷面影像，用以了解該選手各主要肌群和骨骼的發展情形，協助監控作用肌和擷抗肌、遠端肢段和近端肢段肌群等的均衡發展；並針對下肢各關節進行3D影像掃描，了解該選手的關節結構發展情形，以及建構該選手在健康時正常關節的影像，用以輔助日後運動傷害的診斷和復健；此計畫已於去年完成該選手15歲時的全身MRI影像的掃描，今年8月將進行第二年掃描，預計連續追蹤至25歲。未來期待能在經費允許下，將此模式擴及其他具有未來發展潛力的運動員。二、運動科學研究　　由上所述，建立台灣特有的人體肢段參數資料庫是人體科學研究的基本參數。何維華系列研究以最新的人體慣性參數的測量方法—MRI，將MRI所建立的影像進行數位化，即以影像分析軟體將脂肪、骨組織的邊界範圍座標數位化，然後在求出各組織截面積，進一步計算體積和質量之後，將上下張影像上的同組織視為去頭錐體（frustum）運算，再由文獻上的密度數據帶入求得質量，質心、轉動慣量，再採用平行軸定理（parallel axis theorem）轉換至質心位置，最後得到人體14個肢段的體積、質量、質心及轉動慣量等肢段參數（如圖3）；目前完成台灣成年男性（何維華等人，2004）、台灣男性運動員（何維華等人，2003）等肢段參數的資料庫。另外，自90年代後，MRI由靜態進入動態，由解剖進入功能，成像不斷加速化，內容不斷功能化，不僅可針對生理及物質的靜態解剖進行偵測，對於大腦作用等動態功能的研究，功能性磁振造影（functional MRI，fMRI）應用認知醫學的領域，例如以MRI 進行人類大腦辨識符號的研究，給予受測者不同的光亮等動、靜態的刺激，再以MRI掃描觀察在不同刺激時，腦部各區域反應的差別，以研究腦部區域各控制著哪些功能。結合核磁共振分析光譜與MRI成像的光譜MRI（spectroscopic MRI），也大幅提升MRI的功能面，在人體上直接觀察到特定組織的生化反應及異常組織的範圍。
圖1 受試者進入一個強大且均勻的靜磁場，經由電腦分析組合成MRI影像。
圖2 日本運動科學中心MRI的應用。
圖3 MRI法所建立的人體肢段參數。
■ 技術診斷　　運動員的技術優劣分析與攝影技術的結合已有多年歷史，透過將人體運動過程的拍攝記錄，搭配運動分析軟體，得以進行科學化且客觀的人體動作分析。影像分析是一種非接觸的定量測量方法，在不影響訓練和比賽情況下，透過對運動員的技術動作進行拍攝及對影片的分析，以計算人體關節中心的座標，獲得人體各關節的重心和人體重心的座標；運動的位移、速度、加速度；人體各關節的角度、角位移、角速度、角加速度；運動器械的各種運動學參數；以及計算出力、功、能、動量、動量矩、轉動慣量等。並且可繪製出運動員的動作連續棒狀圖；運動軌跡、位移、速度、加速度曲線圖和其他運動參數的曲線圖。藉由科學化的數據加以比較探討，分析運動員動作過程的優缺點，進而找出最佳的運動模式以提升運動表現。　　影像技術發展為20世紀最偉大的運動生物力學的利器，早在70年前影像技術系統主要是以單向傳輸訊號為依據，距今20年前隨著電子技術的進步，家用攝影機逐步的小型化且價格日降，加上紀錄信號技術的進步，現在的攝影機器材主要可分為「類比」和「數位」兩類。類比攝影機發展已趨成熟，但畫質難以再提高，而且類比視訊處理設備的價格相當昂貴。隨著數位技術興起的數位攝影機（簡稱為DV），影像品質較高且易與電腦介面結合，影像處理靈活，能夠在動作分析軟體上獲得高解析度的影像。利用攝影機作為運動分析的工具時，必須依此運動項目或動作特性設定攝影機的取樣頻率（frame rate），所要拍攝的動作越快，取樣頻率就必須設定的越高。市面上一般DV的取樣頻率大多為30Hz，當所要拍攝的動作需要更高的取樣頻率時，就必須運用高速攝影機，現在高速攝影機的取樣頻率可達100000Hz以上，可滿足極細微的動作分析掌握（如圖4）。
圖4 運用高速攝影機觀察射箭瞬間動作。	圖5 訓練時動作立即回饋系統。
一、運動訓練　　現在較常使用的動作分析系統為SiliconCoach、Dartfish、APAS、Kwon3D及SIMI等等。目前左營國家訓練中心在執行運科支援時，廣泛應用SiliconCoach的立即回饋系統和動作分析系統；例如，備戰2008年奧運參賽權和2006年杜哈亞運的女壘代表隊投手教練，曾在指導投手投球過程的下蹲角度適宜性和出手時機合適性時，請運科人員於實際訓練場上架設立即回饋系統，該系統是以一般DV拍攝投手投球影像，由1394界面將影像傳輸至內裝有SiliconCoach立即影像回放控制軟體的筆記型電腦中，運科人員在設定好可配合教練訓練的延遲播放秒數後，將影像直接連接至場邊的大型電視上（如圖5所示），如此教練和選手可直接在投完球後，立即在大型電視上觀看到剛才的動作，有助於教練在動作缺失的講解以及選手可由視覺回饋建構自身的正確動作，進而達到改進動作之目的；此立即回饋系統亦用於備戰2006年杜哈亞運的其他培訓隊上，如著重動作一致性的空手道—型以及整體套路流暢性的武術。另外，低階且操作容易的SiliconCoach動作分析系統，亦被運科人員應用在協助培訓隊的訓練。例如，2004年雅典奧運射擊選手訓練時運槍動作分析以及第一發射擊至第一發射擊的角度差異分析等、亞奧運舉重選手訓練時抓挺舉動作定量分析、黃金計畫田徑選手接力過程影像拍攝、以及女壘投手比賽時投球動作的定性分析（如圖6所示）等等。
圖6 比賽時動作拍攝及定性分析。
圖7 運用動作分析系統分析舉重的抓舉動作。
二、運動科學研究　　在研究上，為更精準的分析欲觀察的動作，在拍攝前必須在受試者身上，或是欲拍攝的物體上貼上標記（Marker），以利動作分析系統在分析時能有較明確的觀察點；此可配合多台攝影機由不同角度同步地拍攝單一動作，進行優秀選手動作的定量分析、成功與失敗動作的差異、不同技術的差異分析等等。如圖7所示，Ho et al（1997）曾針對當時世界女子無限量級紀錄保持人陳淑枝選手，以PEAK動作分析系統進行破世界紀錄時抓舉動作的3D分析，並呈現三度空間的連續棒狀圖。　　現今生物力學研究設備中，最高階的動作分析系統如：Motion Analysis System或 Vicon System，均具有自動追蹤的功能，它能追蹤在影片中的反光標記點，所以操作者不需分別自行點選標記點，減少分析上的人為誤差，大幅提高準確度。Fleisig et al（1995）曾以Motion Analysis System針對26個健康的投手投球動作進行運動傷害原因探討，發現手肘在投球過程中受到的剪力達300±60 N，最大內翻力矩達64±12 Nm，在Arm Cocking 階段手肘會產生外翻的動作，且為了避免過度外翻手肘同時會產生內翻力矩，此時尺側副旣帶大約提供約54％的內翻力矩，以幫助手肘內側的穩定。而國內目前也正利用此類系統進行運動傷害和3D動作分析等研究（如圖8）。
圖8 3D動作分析系統應用在棒球打擊動作分析與姿勢調整。
■ 動力分析　　運動的過程可透過力量曲線來瞭解動力的涵義，並且可由基本的力學觀念來得知動力學的一些基本參數。以爆發力而言，從力學觀點得知爆發力亦指在最短時間內達到最大的力量，根據物理意義可以定義為，爆發力＝力量×速度，藉由力量曲線，可以瞭解人體動作中力量作用的過程。一般可藉由力量的起點到最大力量點與時間的斜率來代表爆發力的指標。以衝量而言，是指在單位時間內力量的變化，而將力量與時間積分的結果即為衝量的物理值。當人體運動時，維持作用力與反作用力呼應的恆久現象，所以經常使用測力板作為測量力量的工具，測力板可以接受來自人體前後、左右以及上下三個方向的力量資料，藉由測力板可以快速記錄、分析及顯示地面反作用力的資料，包含三個方向的力量曲線、反應時間和作用時間，同時測力板的資料經過數學運算，可以得知爆發力、衝量、力矩、摩擦力等等參數，並且也能測得平衡、重心位移之參數。一、運動訓練　　最常應用於運動員下肢肌力爆發力評估以及訓練效果檢驗的測力板，莫過於是義大利學者Dr. Bosco與Kistler公司共同研發的Quattro jump forceplate；此測力板雖僅能測得垂直方向的力，但其內建六種評估模式。國訓中心常用評估肌力爆發力的半蹲跳（squat jump）和反向跳（counter-movement jump）以及評估肌耐力的一分鐘連續跳等進行檢測，並以跳躍高度、下肢爆發力、瞬發力量（Instantaneous Force，Fi）、最大爆發力（Peak Power，Ppk）、預牽張效益（benefit of prestretch），以及疲勞指數（fatigue index）等參數回饋給教練和選手；圖9即運科人員針對集訓初期和中期的女壘隊選手進行上述檢測，並將每位選手經3個月的訓練後，對下肢肌力爆發力的變化幅度呈現給教練和選手，以提供量化數據說明訓練成效；未來會在此階段末期再進行相同檢測。　　另一種常被用來測量力量的張力計（Load Cell），其基礎原理為應變規（Starin Gauge）。因為每一物體在外力的作用下都會產生應變，此時應變是指受力後所產生的變形，當物體受到外力作用而變形時，應變規也會隨之變形，根據變形的過程應變規的電阻值會產生變化，透過測量變化的電阻值而得知物體的受力情形。一般可應用於張（拉）力與壓力的測量，如運用在拔河或西式划船等選手測量拉繩或測功儀划漿的拉力（如圖10所示），也能裝於訓練器上收集地面反作用力（如圖11所示）。
圖9 單軸側力板評估下肢肌力和爆發力及其他面反作用力曲線。	圖10 測功儀上張力計的應用。圖11 張力計裝於PRI訓練器。

二、運動科學研究　　除上述測量人體的外力，人體運動所作用的內力亦是動力分析的重要問題，一般採用逆動力分析的方法，而動力學的逆過程連結了運動學與動力學的要素。逆動力學的思考架構是以動力學為基礎，藉由正動力學的反推來得知逆動力學，而逆動力學公式的基礎理論是來自牛頓第二運動定律（F＝ma），藉由動力學、運動學以及人體肢段參數的資料來取得。外力的資料可藉由測力板的地面反作用力獲得，人體運動的資料可使用影像分析得知位移和速度以及加速度，人體肢段參數包括肢段質量（Mass）、肢段質心位置百分比（CM％）以及轉動慣量（moment of inertia）。在臨床和工程的領域，早期採用解剖植入的方法，將應變規植入人體內部，直接測量人體動作過程的內力。但是此種手段不易實施於健康的運動員身上，所以無法直接得知作用肌群或關節的受力與力矩，因此只能藉由逆動力推算的方式，得知作用肌群與關節的受力與力矩。在大多數的逆動力學研究中，探討人體動作過程的內力與運動傷害的關係，藉由關節的受力情形推估運動傷害可能發生的情形或機轉等，由此觀之，逆動力學的分析方法顯得非常重要。 ■ 肌力提升　　國際體壇競爭激烈的今天，肌力是締造佳績最重要也不可或缺的條件。在競技運動裡，由於動作經常被要求在極短暫的時間內完成，故最快的肌肉收縮能力成為競技勝負的關鍵，這種速度與力量的結合即是爆發力的表現；換言之，擁有較高水準的肌力與爆發力，即意味著有較優異的能力去促進身體外在表現。一般而言，肌力訓練主要是利用肌肉不同的收縮形式如等長、向心及離心等作為訓練方式；然而，這些傳統肌力訓練方法已無法滿足高強度的現代競技運動的要求，因此如何結合神經肌肉生理學和運動生物力學的特性，以最具效率阻力形式（types of resistant）進行肌力訓練，是運動生物力學最重要的研究課題之一。一、運動訓練　　現今肌力訓練的趨勢主要是利用外在驅動方式如馬達，使運動員的肌群被動化的刺激，達到較佳的訓練效果，如圖12所示。一種稱之為被動反覆等速肌力訓練（Passive Repetitive Isokinetic training，PRI訓練），是以伸展縮短週期（stretch shortening cycle，SSC）理論為基礎，利用馬達驅動平台，使平台以被動的方法讓肌肉反覆且快速地伸展與收縮，由於運動員的肌肉須持續的等速收縮而達到有較佳的訓練效果（陳全壽等人，2004）；此PRI訓練曾應用在我國田徑、跆拳道、棒球、籃球、輕艇、足球、女壘、西式划船等國家代表隊選手。另一種是在肌腹或肌腱上給予震動刺激造成此肌肉不自主性收縮，誘發張力性震動反射（tonic vibration reflex，TVR）的震動訓練（vibration training）；這種全身性震動訓練（whole body vibration training）經研究發現具有較佳的訓練效果（e.g. Delecluse et al，2003），因此未來全身性震動訓練應會被廣泛地使用。
圖12 現今肌力訓練趨勢：PRI訓練與全身性震動訓練	圖13.雅典奧運射箭選手射箭過程的肌電分析。
二、運動科學研究　　運動員執行動作技術均有賴於骨骼肌收縮，使肢體產生動作而完成所欲執行的技術；然而，骨骼肌的收縮起因於神經系統上傳遞的動作電位所誘發。我們可利用肌電圖（electromyogram，EMG）檢測動作電位水準以及運動單位活化等肌肉收縮的神經支配特性（Winter，1990），並可了解各肌群參與執行動作的貢獻度，以及運動過程中肌肉放電的大小和順序；如此可以幫助了解運動過程中不正確的用力方式，用以改正選手的動作技能，也能幫助教練和選手清楚地了解所應加強的特定肌群為何。同時，將EMG經過適當的訊號處理後，可以表現肌肉施力的大小與疲勞的程度，然而量化為施力大小與疲勞程度的因子，主要分析肌電訊號的強度（amplitude）及肌電訊號的頻率分佈（spectrum），由頻率域中的MF（median frequency）及MPF（mean power frequency）等參數分析肌肉疲勞。由上述已知的觀念，運科人員針對代表我國參加2004雅典奧運會的射箭選手，進行射箭過程的肌電分析用以了解射箭過程中的相關肌群為何及其用力模式、比較快速與慢速放箭之肌肉用力模式差異、以及監控肌肉疲勞程度用以了解先疲勞的肌群為何；從分析中發現射箭選手的主要作用肌為斜方肌，協同肌為三角肌，放箭時作用肌為伸指肌等，進而有針對性地個別加強較為不足的肌群（相子元等人，2004），如圖13所示。
圖14 協助跆拳道選手反應時間的評估、下肢動力的訓練。圖15 協助桌球選手蒐集對手發球瞬間動作、前三板戰術。
■ 結語　　高爾夫球選手的揮桿動作為何如此完美？足球選手舉腳射門時，又是如何準確的掌握力道和角度？世界頂尖的選手，跑得比別人快、跳的比別人高的秘訣在哪裡？究竟是天生，還是訓練出來的？科學的進步與運動員的成績究竟有何種令人意想不到的聯結？從科學的角度深入解析這些選手其成功之道，包括運動生物力學的致勝關鍵。在今日競爭激烈的體壇上，職業運動員為了要出奇制勝而絞盡腦汁，甚至轉向科學界求助，藉由新科技、新訓練法，結合各項因素才能成為冠軍。塑造世界頂尖運動員背後的科學力量，是現今運動員登峰造極的重要關鍵。　　射箭、跆拳道和桌球等運動項目，未來皆可能為台灣爭取奧運獎牌的運動項目，此時運動生物力學的角色佔有舉足輕重的地位。以往運動生物力學協助射箭選手分析射箭過程重心偏移、張弓肌群的EMG效率；協助跆拳道選手反應時間的評估、下肢動力的訓練（如圖14所示）；協助桌球選手蒐集對手發球瞬間動作、前三板戰術等等（如圖15所示）。借助許多科學儀器的使用，讓運動員技術發展有所提升，讓比賽的實力超乎預期的水準，充分的發揮運動生物力學實務的功效。（何維華為台北市立體育學院運器所副教授、劉強為台北市立體育學院球類系助理教授、相子元為台北市立體育學院運器所所長）參考文獻》何維華、李超群、相子元（2003）：應用核磁共振法研究運動員之人體肢段參數（I），國科會專題研究計畫成果報告（NSC-91-2413-H-320-002）。》何維華、李超群、相子元（2004）：以MRI法建立台灣青年男子人體肢段參數之研究，中華生物醫學工程期刊，第24卷，第一期，1-6頁。》相子元（2005）：基礎運動生物力學。台北市：台灣運動生物力學會出版。》相子元、洪聰敏、湯文慈、張嘉澤（2004）：2004年雅典奧運射箭項目精英教練及選手培訓計畫---射箭之運動科學。台北市：台灣運動生物力學會出版。》陳全壽、張木山、張雅如（2004）：被動反覆衝擊式肌力訓練法之研究-被動反覆衝擊式肌力訓練效果與神經肌肉特性之探討（I）。行政院國家科學委員會成果報告書。》Delecluse, C., Roelants, M. & Verschueren, S.（2003）. Strength increase after whole-body vibration compared with resistance training. Med Sci Sports Exerc. 35（6）, 1033-41. 》Ho, W. H., Huang, C. H., Chen, C. S., Tasi, W. Y. & Chen, S. C.（1997）. 3-D analysis of World Record of Elite Female Weightlifter in Taiwan. World Conference on Teaching, Proceedings of 1997 AIESEP Would Congress, Dec/4~6, Nanyang Technical University, Singapore. 》Fleisig, G. S., Andrews, J. R., Dillman, C. J. & Escamilla, R. F.（1995）. Kinetics of baseball pitching with implications about injury mechanism. Am J Sports Med, 23（2）, 233-239. 》Winter, D. A.,（1990）. Biomechanics and motor control of human movement（2nd ed）. Canada：John Wiley & Sons, Inc.