中風病患在發病後因中樞神經系統障礙衍生下肢肌力不足、腳底感覺缺失、姿勢控制不良、肌肉誘發異常等現象，易造成步態異常、肌耐力強度減弱及跌倒風險提高。另外，由於中風病患日常生活中活動量降低，也會導致身體代謝功能與心肺能力下降。研究指出利用跑步機提供病患任務導向型訓練 (task-oriented approach) 可對中樞型態產生器 (central pattern generator CPG) 產生刺激，使得病人步態參數 ( 如 : 步長、步頻 ) 得以改善。爰此，本研究係整合市售跑步機與生理訊號量測、步態姿勢監控、安全懸吊支撐、視 / 聽覺回饋、氧氣濃度補償及運動強度控制等功能為一體，開發『氧氣濃度補償與運動強度控制步行訓練系統』，並進行功能測試與應用驗證。

研究方法共分為三部份，第一部份係進行開發系統之硬體模組設計與組裝，第二部份研究工作為系統軟體開發與測試，第三部份係進行系統軟硬體整合後氧氣濃度補償與運動強度控制應用驗證。

氧氣濃度補償與運動強度控制步行訓練系統開發 Development of am oxygen compensation and exercise intensity controlled ambulatory training system

指導教授： 李明義 教授 研究生：張華洋

研究背景、動機與目的

研究方法與進行步驟

硬體模組設計與組裝

系統軟體開發與測試

本研究系統之硬體模組設計與組裝，其細項工作包括跑步機改裝測試、人體感測模組設計開發、氧氣補償模組設計製作等。首先，本研究係針對市售跑步機之控制法則進行設計修改，增加心率回饋調控跑帶速度功能；接著，人體感測模組設計開發則進行三個感測單元 ( 關節角度、足底壓力及心跳率等感測單元 ) 之設計與製作；關節角度單元係使用 SolidWorks 繪圖軟體工具進行設計，同時也對已設計之結構單元進行動態模擬分析，檢視動作時有無干涉現象；足底壓力單元係使用薄膜式壓力感測元件、足底鞋墊、透明膠帶、 6PIN 電腦線材等元件進行製作；心跳率感測單元則是使用市售無線式生理訊號遙測單元進行擷取介面整合；氧氣補償模組則係整合市售氧氣瓶、流量表、凸插芯、比例式電動閥、鼻導管等元件。前述硬體模組開發完成後，也整合本團隊已開發之懸吊式體重支撐機構，給予病患安全環境進行復健訓練。

氧氣濃度補償與運動強度控制應用驗證 本研究之第三部份係進行系統軟硬體整合後氧氣濃度補償與運動強度控制應用驗證；首先，本研究徵召 13位正常年輕人為受測者，利用實驗判定受測者無氧閾值運動強度 ( 包含跑步機履帶速度及運動時間 ) ；接著，依照受測者無氧閾值運動強度條件評估不同攝氧濃度 (20% 、 28% 、 36% 、 44%) 下，達到自覺疲勞係數 (Rating of Perceived Exertion Scale,RPE)13 之運動時間。實驗數據證實攝氧濃度為 44% 時，運動持續時間最長。隨即，進行受測者在有 / 無氧氣補償條件下，受測者執行無氧閾值運動強度訓練時疲勞產生與運動停止後疲勞恢復之實驗。實驗時係設定攝氧濃度 44% ，並依每位受測者之無氧閾值運動強度在跑步機上慢跑；實驗規劃係採用拉丁方格設計 (Latin Square Design) 實驗流程，分成三組實驗條件，由每位受測者執行三次不同組別之實驗；實驗過程係利用市售乳酸檢測儀在運動前、運動停止、恢復期間 10 分鐘、 20 分鐘、 30 分鐘等五個時點進行量測。最後，對於實驗數據以無母數之 Wilcoxon 檢定分析。實驗結果顯示受測者在運動過程中增加氧氣補償相較無氧氣補償，其乳酸值 (疲勞程度 ) 較低 ( 減少 2.65( 乳酸值 / 時間 )) 。另外，在運動後之恢復期實驗數據顯示，接受氧氣補償之運動條件會比無氧氣補償運動條件疲勞恢復地更快 ( 減少0.47( 乳酸值 / 時間 )) 。

研究架構圖

本研究完成之硬體模組設計與組裝工作圖

系統軟硬體整合運作測試圖

實驗設計流程圖

達 RPE13 時平均花費時間圖 運動前與恢復期 30 分鐘之總累積乳酸值圖

結論 本研究已開發完成一套「氧氣濃度補償與運動強度控制步行訓練系統」；此系統不但可提供臨床上運動強度控制之步行復健訓練外，也可進行氧氣補償條件之疲勞評估。依據實驗證明不同氧氣濃度補償條件下，疲勞產生和恢復會有顯著差異，未來將可延伸應用於亞健康、老年族群之健康老化運動疲勞評估研究。

實驗 A 、實驗 B 、實驗 C 於 5 個時間點之乳酸值平均圖

本研究係開發一套「氧氣濃度補償與運動強度控制步行訓練系統」，在硬體模組設計與組裝完成後，接著進行系統軟體開發與測試之階段，軟體撰寫內容包括人機介面顯示功能、資料庫建立功能、運動強度控制功能、氧氣濃度補償功能等項目，最後進行系統軟硬體整合運作測試。