112 年 國立臺灣大學物理治療系碩士班《肌動及生物力學》

本題主要考查踝關節與距下關節在行走過程中，於步態週期（gait cycle）中的運動學變化。行走是一個複雜的動作，涉及多個關節的協調運動，其中踝關節複合體（talocrural joint and subtalar joint）的運動對於支撐體重、推進以及適應地面起伏至關重要。

核心觀念：
步態週期（Gait Cycle）是指從一隻腳的腳跟接觸地面開始，到同一隻腳的腳跟再次接觸地面為止的完整過程。它包含支撐期（Stance Phase）和擺盪期（Swing Phase）。

• 支撐期 (Stance Phase)：腳與地面接觸的階段，佔步態週期的約 60%。

  • Initial Contact (Heel Strike)：腳跟接觸地面，踝關節處於輕度背屈（dorsiflexion）。
  • Loading Response (Foot Flat)：全腳掌著地，踝關節從背屈逐漸轉為跖屈（plantarflexion），同時吸收衝擊力。
  • Mid-stance：身體重心越過支撐腳，踝關節在此階段達到最大的跖屈角度，以適應脛骨前移。
  • Terminal Stance (Heel Off)：腳跟離地，腳趾仍接觸地面，踝關節從跖屈回到背屈。
  • Pre-swing (Toe Off)：準備抬腳，腳趾最後離地，踝關節處於最大跖屈角度。

• 擺盪期 (Swing Phase)：腳離開地面，向前擺動的階段，佔步態週期的約 40%。

  • Initial Swing (Foot Clears)：腳從地面抬起，踝關節快速背屈，以便腳在擺盪過程中不碰到地面。
  • Mid-swing：腳在身體前方擺盪，踝關節維持背屈。
  • Terminal Swing：腳接近地面準備再次接觸，踝關節開始從背屈轉為跖屈，為下一次的 Initial Contact 做準備。

踝關節 (Talocrural Joint) 與距下關節 (Subtalar Joint) 在步態週期中的變化：

1. 踝關節 (Talocrural Joint)：主要負責腳踝的背屈與跖屈。
   • 支撐期：

本題旨在釐清骨間運動（Osteokinematics）與骨面運動（Arthrokinematics）這兩個生物力學中的基本概念，並要求以肩部相關的兩個關節為例進行說明。

核心觀念：

• 骨間運動 (Osteokinematic Motion)：指的是關節兩塊骨頭的相對直線或角度運動，也就是我們日常觀察到的肢體運動，通常以術語（如屈曲、伸展、外展、內收、旋轉等）來描述。這些運動發生在關節的「外」圍，是可見的、宏觀的運動。
• 骨面運動 (Arthrokinematic Motion)：指的是關節內，關節面之間發生的微觀運動，包括滾動（rolling）、滑動（gliding/sliding）和旋轉（spinning）。這些運動是骨間運動得以順暢進行的基礎，它們確保了關節面的正確接觸，並允許關節在較大的運動範圍內保持穩定。

異同比較：

本題考查的是人體在承受地面反作用力（Ground Reaction Force, GRF）時，如何透過關節結構和運動學的設計來達到減震（shock absorption）的效果，以保護關節免受過大的衝擊。

核心觀念：
當身體與地面接觸時，地面會對身體施加一個大小相等、方向相反的反作用力。在行走、跑步等活動中，這個反作用力會傳遞到下肢的承重關節（如踝關節、膝關節、髖關節）。為了避免關節因承受過大的衝擊力而受損，人體發展出了一系列被動和主動的減震機制。

減震系統設計舉例：

1. 足部結構與足弓 (Foot Structure and Arches)

   • 說明： 足部擁有複雜的骨骼結構和韌帶，形成了幾個足弓，最主要的是內側縱弓（medial longitudinal arch）、外側縱弓（lateral longitudinal arch）和橫弓（transverse arch）。
   • 減震機制：
     • 彈性緩衝： 足弓在承受地面反作用力時，會像彈簧一樣發生適度的塌陷，吸收一部分衝擊能量。這個過程是足部結構被動的減震能力。
     • 靈活性： 足弓的結構使得足部在支撐期初期（如腳跟著地）具有較大的靈活性，能適應不平坦的地面，分散壓力，並在後期（如腳趾離地）變硬，提供穩定的推進平台。
     • 肌肉協同： 足部的小肌肉群（intrinsic foot muscles）和下腿後側的肌肉（如脛後肌 tibialis posterior）在維持足弓、控制足部變形方面起著主動作用，參與減震。

2. 膝關節的動態減震 (Dynamic Shock Absorption in the Knee Joint)

   • 說明： 膝關節在承重時，其結構和運動方式本身就具有減震功能。
   • 減震機制：
     • 關節面形態： 股骨髕骨面（patellofemoral joint）和股骨髁（femoral condyles）與脛骨平台（tibial plateau）的曲率，以及半月板（menisci）的存在，使得股骨髁在脛骨平台上能夠進行滾動和滑動。這種滾動-滑動的組合運動，將衝擊力分散到更大的關節面區域，並產生了一定的滑動來緩衝。
     • 肌肉緩衝（主動減震）： 膝關節周圍的肌肉，特別是股四頭肌（quadriceps）和膕繩肌（hamstrings），在支撐期通過適度的收縮，能有效地吸收和耗散衝擊能量。