自行車運動過程中有限元素分析結果

透過動態 X 光系統及影像比對技術(Lu et al., 2008)得到自行車運動過程中膝關 節相對運動學資訊，利用有限元素進行位法分析膝關節功能正常受試者在自行車 運動過程中，膝關節各韌帶在不同曲柄角度(Crank angle)(圖 4-10)下相對膝關節彎 曲過程(圖 4-11、圖 4-12、圖 4-13)的受力情況及應力分布，並研究阻力高低對 韌帶力學資訊的影響。其中，曲柄角度最高點定義為 0 度、最低點為 180 度、最前 端為 90 度，最後端為 270 度；而高阻力定義為以磁電控制相對於低阻力多施加 2 公斤米(2 kgm)的扭力值，並皆在每分鐘三十圈(30 rpm)的速度下踩踏，輸出功率大 約為 60 瓦特(60 W)。

圖 4-10、曲柄角度定義最高點為 0 度、前端為 90 度、最低點為 180 度而後端為 270 度。

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  圖 4-11、第一位受試者(S01)在不同阻力下曲柄與膝關節角度對照。

圖 4-12、第二位受試者(S06)在不 同阻力下曲柄與膝關節角度對照。

圖 4-13、第三位受試者(S12)在不 同阻力下曲柄與膝關節角度對照。

自行車運動過程中膝關節各韌帶受力情形

三位受試者在阻力高低下韌帶受力的平均值，包含總共韌帶相對於股骨 (Femur)的作用力(Resultant Force)(圖 4-14)、前十字韌帶(ACL)相對於股骨的作用 力(圖 4-15)、後十字韌帶(PCL)相對於股骨的作用力(圖 4-16)、內側副韌帶(MCL) 相對於股骨的作用力(圖 4-17)和外側副韌帶(LCL)相對於股骨的作用力(圖 4-18)。

三位受試者在自行車運動過程中，最大受力及其發生位置如表 4-3，而四條韌帶 中，PCL 的受力都大於其餘的三條韌帶(圖 4-19、表 4-4)。

圖 4-14、三位受試者在高低阻力下四條韌帶對股骨作用力的平均值。

表 4-3、三位受試者在踩踏過程中最大受力(N)及發生位置。

受試者編號 阻力種類 最大受力值 膝關節角度 曲柄角度 S01 低阻力 1033 45 º 91 º

高阻力 715 46 º 76 º

S06 低阻力 220 55 º 228 º 高阻力 241 55 º 227 º S12 低阻力 1895 95 º 332 º 高阻力 2276 96 º 332 º

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  圖 4-15、三位受試者在高低阻力下ACL 對股骨作用力的平均值。

圖 4-16、三位受試者在高低阻力下PCL 對股骨作用力的平均值。

圖 4-17、三位受試者在高低阻力下MCL 對股骨作用力的平均值。

圖 4-18、三位受試者在高低阻力下LCL 對股骨作用力的平均值。

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表 4-4、三位受試者在踩踏過程中各韌帶最大受力值(N)。

阻力種類 前十字韌帶 後十字韌帶 內側副韌帶 外側副韌帶 第一位正常年輕人(S01)

低阻力 9.85 1002 15.27 5.82

高阻力 18.03 670 21.97 5.34

第二位正常年輕人(S06)

低阻力 27.72 175 8.44 8.71

高阻力 30.15 184 20.75 5.87

第三位正常年輕人(S12)

低阻力 10.52 1865 13.6 6.2

高阻力 14.06 2231 24.33 6.52

圖 4-19、第二位受試者在不同阻力下各韌帶受力。

自行車運動過程中膝關節各韌帶最大應力值及應力分布

將三位年輕膝關節正常受試者在高低阻力下自行車運動過程中之韌帶最大主 應力(Maximum Principal Stress)分布進行整理，根據整個動態過程的分析，擷取踩 踏至最高點(曲柄角度 0 度)、最前端(90 度)、最低點(180 度)及最後端(270 度)下 韌帶應力分布，並以第二位受試者(S06)之應力分布圖(圖 4-21、圖 4-21)做為代 表。先從整體來看，可以發現PCL 不分高低阻力下所受到應力明顯大於其餘三條 韌帶，這跟 PCL 在踩踏過程中受力最大的結果吻合。接著分別看前十字韌帶(圖 4-23、圖 4-23)、後十字韌帶(圖 4-25、圖 4-25)、內側副韌帶(圖 4-27、圖 4-27) 及外側副韌帶(圖 4-29、圖 4-29)的應力分布，而在輸出最大應力值時，韌帶於股 骨及脛骨附著處常有應力集中(Stress Concentration)的現象是可想而知的，因此選 取除了附著於骨頭端之韌帶將會更有意義。

圖 4-20、第二位受試者在低阻力下韌帶應力分布圖。

圖 4-21、第二位受試者在高阻力下韌帶應力分布圖。

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  圖 4-22、第二位受試者在低阻力下前十字韌帶應力分布圖。

  圖 4-23、第二位受試者在高阻力下前十字韌帶應力分布圖。

  圖 4-24、第二位受試者在低阻力下後十字韌帶應力分布圖。

  圖 4-25、第二位受試者在高阻力下後十字韌帶應力分布圖。

  圖 4-26、第二位受試者在低阻力下內側副韌帶應力分布圖。

圖 4-27、第二位受試者在高阻力下內側副韌帶應力分布圖。

圖 4-28、第二位受試者在低阻力下外側副韌帶應力分布圖。

圖 4-29、第二位受試者高在阻力下外側副韌帶應力分布圖。

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