108 年 國立臺灣大學物理治療系碩士班《肌動及生物力學》

此題主要在探討前鋸肌（Serratus Anterior）無力對肩胛骨生物力學的影響，以及由此產生的代償性肌肉活動與適應性反應。

核心觀念：
前鋸肌是肩胛骨穩定與運動的重要肌肉，尤其在肩胛骨的向上旋轉（upward rotation）和前 protraction 中扮演關鍵角色。當前鋸肌無力時，會影響肩胛骨的正常運動軌跡，進而影響上肢的整體功能。

詳解：

1. 前鋸肌的功能與重要性：

   • 肩胛骨的向上旋轉 (Upward Rotation)： 前鋸肌與斜方肌（Trapezius）協同作用，將肩胛骨向上旋轉，使關節盂（glenoid fossa）朝向上方，這是手臂抬舉（如舉高手）時的必要動作。
   • 肩胛骨的前移與外展 (Protraction and Abduction)： 前鋸肌能將肩胛骨向前、向外拉，這對於手臂向前伸展（如推門）或進行向外展的動作非常重要。
   • 穩定肩胛骨： 前鋸肌能夠將肩胛骨緊貼胸壁，防止其向內側（medially）或向後上方（superomedially）脫離，這對於肩關節的穩定性至關重要。

2. 前鋸肌無力時的影響 (Serratus Anterior Palsy/Weakness)：

   • 肩胛骨翼狀突出 (Scapular Winging)： 這是前鋸肌無力最典型的表現。由於前鋸肌無法有效地將肩胛骨固定在胸壁上，肩胛骨內側緣會向後突出，看起來像翅膀一樣。這種情況在手臂向前推或向上舉時尤其明顯。
   • 肩胛骨向上旋轉受限： 當手臂抬高時，前鋸肌無力導致肩胛骨無法順暢地向上旋轉，這會限制肩關節的活動度，尤其是在外展（abduction）和屈曲（flexion）到較高角度時。
   • 肩胛骨穩定性下降： 肩胛骨無法被穩定地固定在胸壁上，導致肩關節的穩定性降低，增加受傷的風險。

此題要求說明人體正常步態的階段劃分，並繪製圖表與文字說明。步態分析是生物力學的重要應用，了解其階段有助於評估行走功能及潛在問題。

核心觀念：
人體的行走是一個複雜的動力學過程，可以分為兩個主要階段：站立期（Stance Phase）和擺盪期（Swing Phase）。這兩個階段又可進一步細分，以更精確地描述每一步的運動學和動力學特徵。

詳解：
人體正常步態週期 (Gait Cycle) 指的是從一隻腳的腳跟著地到同一隻腳的腳跟再次著地之間所經歷的全部過程。一個完整的步態週期包含站立期和擺盪期。

一、 站立期 (Stance Phase)
佔步態週期的約 60-65%，是腳與地面接觸的時期。其主要目的是支撐身體重量、吸收衝擊並推動身體前進。站立期又可細分為以下幾個小階段：

1. Initial Contact (Heel Strike / Foot Strike)

   • 說明： 步態週期的開始，一隻腳的腳跟首次接觸地面。此時，膝關節微彎以吸收衝擊，踝關節處於背屈（dorsiflexion）狀態。
   • 主要功能： 開始支撐體重，吸收地面反作用力。

2. Loading Response (Foot Flat / Pronation)

   • 說明： 腳掌完全著地，身體重心從腳跟轉移到整個腳掌。膝關節彎曲角度增加，踝關節從背屈轉為蹠屈（plantarflexion），足弓（arch）會適度塌陷（pronation）以適應不平整的地面並吸收衝擊。
   • 主要功能： 承受並分散身體重量，吸收衝擊力。

3. Mid-Stance

   • 說明： 身體重心通過支撐腳的上方。此時，踝關節處於中立位或輕微蹠屈，膝關節伸直（或接近伸直），是單腳支撐的最高峰。
   • 主要功能： 身體重心穩定通過支撐腳，提供穩定的支撐。

4. Terminal Stance (Heel Off / Supination)

   • 說明： 腳跟離開地面，身體重心前移，支撐腳的腳尖成為支撐點。踝關節開始蹠屈，足部外翻（supination）以提供剛性，有利於推蹬。
   • 主要功能： 身體重心前移，為擺盪做準備。

5. Pre-Swing (Toe Off)

   • 說明： 腳趾離開地面，擺盪腿開始準備向前擺動。踝關節處於最大的蹠屈狀態，膝關節開始彎曲。
   • 主要功能： 身體重心完全移至對側腳，支撐腳準備離開地面。

二、 擺盪期 (Swing Phase)
佔步態週期的約 35-40%，是腳不與地面接觸的時期。其主要目的是讓腿向前移動，為下一次的站立期做準備。擺盪期又可細分為以下幾個小階段：

1. Initial Swing (Acceleration)

   • 說明： 腳趾離地後，腿開始向前加速擺動。膝關節彎曲，髖關節屈曲。
   • 主要功能： 腿部開始向前移動。

2. Mid-Swing

   • 說明： 擺盪腿向前擺動，到達支撐腿的下方。此時，擺盪腿的腳不接觸地面，膝關節彎曲以縮短腿長，便於越過支撐腿。
   • 主要功能： 擺盪腿向前移動至支撐腿下方。

3. Terminal Swing (Deceleration)

   • 說明： 擺盪腿繼續向前擺動，直到準備好下一次的腳跟著地。膝關節開始伸直，為腳跟著地做準備，同時足部也準備好進行背屈。
   • 主要功能： 減速並準備下一次的站立期。

製表與繪圖說明：

此題要求繪製韌帶的應力-應變曲線，標示關鍵區域與點，並說明楊氏模數的計算方式。

核心觀念：
應力-應變曲線是描述材料在受力後變形行為的圖形，對於理解生物組織（如韌帶）的力學特性至關重要。楊氏模數則是衡量材料剛性的重要指標。

詳解：
Part 1: Stress-Strain Curve of a Ligament

繪製韌帶在單軸拉伸試驗下的應力-應變曲線。

• 縱軸 (Y-axis)： 應力 (Stress, $\sigma$)，單位通常為 MPa (MegaPascals) 或 N/mm²。應力是單位面積所承受的力 (Force/Area)。
• 橫軸 (X-axis)： 應變 (Strain, $\epsilon$)，單位為無因次量 (dimensionless)，通常表示為小數或百分比。應變是長度變化與原始長度之比 ($\Delta L / L_0$)。

曲線的關鍵區域與點：

1. Toe Region (趾部區域 / 初始區域)：

   • 特徵： 在應力很小時，應變會快速增加。這是因為韌帶中的膠原纖維在初始階段會逐漸伸直、對齊，移除曲線中的鬆弛部分。在這個階段，材料表現出較低的剛性。
   • 圖示： 曲線的起始部分，斜率較小且彎曲。

2. Elastic Region (彈性區域 / 直線區域)：

   • 特徵： 當纖維伸直並對齊後，應力增加會導致應變線性增加。在這個區域，材料受到的力移除後，會恢復到原始形狀，表現出彈性行為。
   • 圖示： 曲線中段，接近直線的部分。

3. Yield Point (降伏點)：

   • 特徵： 材料從彈性變形過渡到塑性變形（永久變形）的點。在韌帶等生物組織中，這個點可能不像金屬那樣明確，但通常表示纖維開始發生更顯著的結構損傷或滑動。超過此點，即使移除應力，材料也無法完全恢復原狀。
   • 圖示： 彈性區域結束，曲線開始變得彎曲且斜率下降的點。

4. Ultimate Point (極限點 / 最大強度點)：

   • 特徵： 材料能夠承受的最大應力。達到此點後，即使應力略有下降，韌帶的變形（應變）仍會持續增加，直到最終斷裂。
   • 圖示： 曲線的最高點。

5. Fracture Point (斷裂點)：

   • 特徵： 材料完全斷裂的點。此時的應力通常低於極限點的應力。

繪製草圖：

此題要求繪製韌帶在循環拉伸試驗下的載荷-位移圖。

核心觀念：
循環拉伸試驗用於評估材料在重複加載和卸載過程中的力學行為，特別是其彈性恢復、能量耗損和疲勞特性。對於生物組織，這能反映其承受反覆應力的能力。

詳解：
載荷-位移圖 (Load-Displacement Diagram) of a Ligament under Cyclic Tensile Test

在循環拉伸試驗中，韌帶會經歷一系列的加載（增加載荷/力）和卸載（減少載荷/力）過程。載荷-位移圖的縱軸為載荷（Force, $F$），橫軸為位移（Displacement, $\Delta L$）。

圖形特徵：

1. 遲滯迴線 (Hysteresis Loop)：

   • 說明： 載荷-位移圖會呈現一個閉合的迴線，這表示在加載和卸載過程中，載荷與位移的關係路徑不同。這就是遲滯現象。
   • 原因： 這是由於生物組織（如韌帶）的黏彈性 (viscoelasticity) 特性。在加載時，組織內的分子結構（如膠原纖維、基質）需要時間來重新排列和滑動，導致需要較大的力來產生相同的位移。而在卸載時，這些結構會嘗試恢復，但由於能量耗損（如分子間摩擦、水分遷移），恢復的位移會比加載時小，或需要較小的力來達到相同的位移。
   • 圖示： 迴線的上半部分代表加載過程，下半部分代表卸載過程。

2. 初始階段 (Toe Region)：

   • 說明： 在試驗的初始循環中，低載荷下的位移會比較大，因為纖維在伸直和對齊。這對應於應力-應變曲線中的趾部區域。
   • 圖示： 迴線的底部起始部分，呈現較大的位移變化對應較小的載荷變化。

3. 線性區域 (Linear Region)：

   • 說明： 在較高的載荷範圍內，加載和卸載曲線可能近似於直線，這代表了組織的彈性行為。
   • 圖示： 迴線的較高部分，加載與卸載路徑接近平行。

此題要求定義五個運動學/生物力學術語，並為每個術語提供兩個清晰的例子。

核心觀念：
此題涵蓋了肌肉收縮、肢體運動模式、穩定肌功能、組織應力行為及運動軌跡等多個重要生物力學概念。

詳解：

1. Eccentric Contraction (離心收縮)

• 定義： 肌肉在受力狀態下，其長度增加的收縮方式。當肌肉產生的張力小於外部負荷時，肌肉會被拉長，但仍能控制運動的速度。
• 生物力學意義： 離心收縮能有效吸收能量，減緩運動速度，並在運動中提供穩定性。它在許多日常活動和運動技能中都扮演著重要角色。
• 例子：
  1. 走下坡時： 股四頭肌 (Quadriceps) 在走下坡時，抵抗地心引力，使膝關節緩慢伸展，肌肉被拉長。
  2. 放下重物時： 當你緩慢地將手中的重物放下，負責支撐重物的手臂肌肉（如肱二頭肌）在受力情況下被拉長，以控制重物下降的速度。

2. Open-Chained Motion (開放鏈運動)

• 定義： 肢體末端（如手或腳）自由活動，而肢體近端（如軀幹或肩/髖關節）相對固定或自由度較大的運動模式。在開放鏈運動中，肢體的運動不會引起身體其他部分的特定連動。
• 生物力學意義： 適合進行精細動作、遠距離移動或提高肢體末端的活動範圍。
• 例子：
  1. 坐姿腿彎舉 (Seated Leg Curl)： 腳踝被固定在器械上，而膝關節彎曲，將小腿向後移動。腳踝和腳是自由的。
  2. 舉啞鈴 (Dumbbell Curl)： 手握啞鈴，進行手臂彎舉動作。手部和啞鈴是自由移動的，而肩關節和軀幹相對穩定。

3. Neutralizer (中和肌 / 輔助肌)

• 定義： 在運動中，當主要運動肌（動肌）的收縮會產生不希望的次要運動時，中和肌會收縮以抵銷（中和）該次要運動，從而確保運動沿著期望的方向進行。它們通常作用於主要運動肌的拮抗肌群，但作用是穩定或修正動作。
• 生物力學意義： 確保運動的精確性和效率，防止不必要的關節運動。
• 例子：
  1. 肩關節屈曲時的肩胛骨穩定： 當肱二頭肌（Biceps Brachii）收縮使肘關節屈曲時，肩關節也可能同時發生一定程度的屈曲。