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2017年11月19日 星期日

伸肌悖論其實是錯的


就讀東華時,課餘時間我便會閱讀運動科學的書籍。畢業後,我進入了師大體研就讀,選擇運動生物力學領域,以人體力學的角度分析運動技術,數理方面的能力必須要很強,尤其各物理公式的轉換與微積分的應用,所幸在商學院學習微積分頗有心得。從嚴謹的實驗之中來看,姿勢跑法將步態的分期講得比較簡略,或許是為了方便推廣的緣故,但從學術上來說確實有值得修正的地方,尤其是鮮少提到的肌肉電位訊號方面,我會這麼說是因為:讀了博士所公開發表在學術期刊的論文與實際出版的書籍、親身做過實驗分析、在學術研討會進行海報發表與口頭發表後得到教授們的回饋。

學術研討會口頭發表:

校內口頭發表 20171005 國立臺灣師範大學體育研究所例行學術研討會於本部體001教室報告《不同跑步型態的下肢肌電訊號分析》  
附註:當日出席例行研討會之研究生總人數為185人,資料來自系上會議簽到退系統統計。

20171005於師大本部發表/前一天徹夜沒睡之神情憔悴 (圖片由A-TU拍攝)


校外口頭發表 20171119 臺灣運動生物力學年度學術研討會於國立屏東大學國際演藝廳報告《不同跑步型態的下肢肌電訊號分析》  
附註:校內原始報告內容加入運動學參數後投稿至2017臺灣運動生物力學年會(2017年度由屏東大學體育學系主辦),並接受相關領域教授所組成的審查委員團審理稿件,審理通過後再刊登為年度研討會論文,且收錄在2017年度研討會論文集裡。不過自認內容還能夠加完善,這部分就要靠期刊投稿來呈現了。因為這次研討會的截稿日是10/18,實在有些匆促,所幸能收到順利刊登的消息。

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(圖片/柚子)


姿勢跑法最常提及的1990年伸肌悖論(Extensor Paradox)來說,股四頭肌在站立中期(mid-stance phase)結束後的20毫秒(ms)並未被啟動,以該實驗的動作劃分來說,那20毫秒屬於推進期,進而以此研究發現表示:推進期時下肢的主要伸肌-股四頭肌並未被啟動,但這不代表足底壓力中心(center of pressure)軌跡已經移到掌趾,換句話說就是站立終期(terminal stance phase)的經典pattern尚未出現,也就是還沒進入真正的推進階段。我能確定的是姿勢跑法是一套具有教學架構的方法,認證考試裡頭包含一些基礎的運動力學與物理概念,但在細節中並不完全正確,而且我也沒有完全相信這套方法。


這本書就是1990年收錄伸肌悖論的書,是我透過一些朋友關係借到的,作者Peter R.Cavanagh 是我們師大一位留美教授的指導教授,師大亦有幾位教授在國際研討會遇過Cavanagh教授,不過我拿著伸肌悖論的研究與師大教授深入討論,教授表示這個實驗設計有瑕疵,結論也不正確。
(圖片/小智)

我看完伸肌悖論之後,自己產生幾個疑問:
1.實驗結果是1990年發表的,當時的EMG技術不如現代成熟。實驗的採樣頻率只有500Hz(每秒五百筆資料),而依據奈奎斯特採樣定理(Nyquist Theorem),實際有效的頻率是採樣頻率的一半,也就是當你想要在每秒鐘收取500筆的有效資料,採樣頻率應該要設定為每秒鐘1000筆 ,而高通濾波75Hz的設計有些奇怪,正常步態的實驗濾波並不會把高通濾波設在75Hz,這樣的設計會不會因此而掩蓋掉一些真正重要的訊號?

2.實驗結果並沒有特別指出並定義各動作分期,而是以一張單腳著地的步態圖以及膝關節的伸展(knee extension)與屈曲(knee flexion)來搭配解釋EMG訊號。

3.實驗結果將站立中期(mid-stance phase)之後的20毫秒(milliseconds)稱作推進期,並說明這20毫秒之內股四頭肌並未啟動。我認為20毫秒可能才剛進入站立末期(terminal stance phase),也就是腳跟才剛離開地面(Heel-off),但有沒有推蹬並不曉得,畢竟實驗並沒有同時收取腓腸肌的肌電訊號。不過研究結果並不能將股四頭肌沒有啟動而解釋為沒有推蹬,也或許是肌電訊號處理時的擷取頻率設定有問題。

翻攝自biomechanics of distance running。80毫秒處是站立中期,而實驗表示100毫秒是推進期,但是典型的推進期比較像從120毫秒的明顯腳跟離地heel-off,到大約200毫秒的掌趾即將離地時 toe-off。典型說的推蹬,是160~200之間。由此可知再怎麼樣第100毫秒不太可能進入推進期。由於實驗並沒有特別說明動作分期,而是直接用膝關節角度來定義,這樣來說的科學實驗並不嚴謹。
(圖片/小智)
翻攝自biomechanics of distance running。最大的膝關節角度在第80毫秒(站立中期),但是第100毫秒時,股四頭肌並沒有明顯活化,這並不代表完全沒有作工。以小智自己找姿勢跑法跑者來做實驗,推進期的股四頭肌仍有活化,只是比一般普遍跑者還小,並不代表完全沒有。因為膝蓋要有良好的彎曲角度,一定需要股四頭肌的活化。
(圖片/小智)


4.姿勢跑法的推蹬是指髖膝踝在矢狀面呈一直線,但沒有詳細解釋運動學中的最大膝關節角度為多少,因為不可能180度打直。圖中的 ∠ABC是生物力學矢狀面常見的角度,以大轉子、髕骨外側、腳踝外側為三點計算之。

姿勢跑法跑者在站立末期 (圖片/小智)
5.我請一位姿勢跑法跑者以15kph(km per hour)的速度在跑步上面跑,發現從mid-stance到toe-off前一刻(同如上圖)需要30毫秒,所以實驗中以 4m/s (14.4kph) 的設計,不太可能在20毫秒就出現推蹬。


我的想法:
根據作用力與反作用力原理,二物體接觸時會產生大小相等、方向相反的力。在地球上之所以能夠自由行走、奔跑,是因為我們有適當的摩擦力讓我們能接觸地面,並且在離開地面前施予地面一個向後向下的力,而我們就能向前向上移動。再加上前傾角度與重力的緣故,我們能有一個自然向前的慣性以及前傾角度所帶來的轉動慣量,所以才能每一步都紮實踏在地面上。有支撐才會有移動,兩個太空人在宇宙之中能夠靠著雙手向彼此施力而各自往施力的反方向移動,應該就是這個道理。所以我認為,單純靠慣性前傾而不施力,則會直接跌倒在地上,就我對姿勢跑法的深入理解,它希望跑者在跑步時不要有太大的身體質心震幅(垂直方向),所以提倡不要主動推蹬,但不可能不給予地面力量而主動前進。

小智的實驗資料處理:肌肉電位訊號分析 (圖片/小智)

總之,這些並不是我自己一個人空口說白話的,我以一個碩士生的實力將這個概念寫成研討會論文,並得到學術文章的刊登。記得當初在姿勢跑法培訓時,已經很清楚大多數的與會教練並不懂運動學與動力學,徐老師在即席口譯時也沒法將博士口中的Kinetics與 Kinematic直接翻譯中文,我覺得相當可惜。



附上認證證書以免有心人說我是來亂的/我是讀了理論之後在跑界也實際教學/再透過運動生物力學實驗來驗證

我自認為相當幸運,當實務界出現新的流派或理論時,能夠靠著嚴謹的實驗設計與優良的運科儀器去驗證真偽,所以在教學時能釐清學生們在背景知識不足之下的迷思。我總是在潛伏中等待機會,並不是我被動,而是想將自己準備得充實一點再出發,能走得穩健且長遠。

文末再重申一次:我能確定的是姿勢跑法是一套具有教學架構的方法,認證考試裡頭包含一些基礎的運動力學與物理概念,但在細節中並不完全正確,而且我也沒有完全相信這套方法。