自行車座椅位置對下肢關節力學與運動表現之影響

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(1)國立臺灣師範大學運動與休閒學院體育學系博士學位論文. 自行車座椅位置對下肢關節力學與運動表現之影響. 研究生：陳家祥指導教授：相子元. 中華民國 103 年 6 月中華民國臺北市.

(2) 自行車座椅位置對下肢關節力學與運動表現之影響 2014 年 6 月研究生：陳家祥指導教授：相子元. 中文摘要正確的騎乘姿勢不但可以減少運動傷害，更可以提升運動表現，但在何種姿勢調整下，可以提供較好的運動表現或騎乘舒適性，仍缺乏實證性的科學證據。因此設計三個實驗進行探討。目的：實驗一：探討自行車不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響；實驗二：探討疲勞介入後對不同坐墊位置騎乘姿勢的影響；實驗三：探討自行車不同坐墊位置騎乘姿勢調整前、後的運動表現。方法：本研究三個實驗之受試者(平均身高：176.5±5.5公分；平均體重：75.4±8.4 公斤；平均年齡：25.6±3.8 歲)均相同。實驗一與實驗二：為室內實驗，透過動作分析系統、測力計、肌電儀分別觀察自行車不同坐墊位置(前後、上下)對運動學、動力學及肌肉活化的影響及探討疲勞介入後對不同坐墊位置自行車騎乘姿勢的影響。實驗三：為戶外實驗，透過SRM 功率計計算實際騎乘之功率、時間與心跳。所有的統計結果均採用重複量數變異數分析，顯著水準訂為α=.05。結果：最有效率的騎乘位置為：髖關節角度為85度，膝關節角度為145 度 (35度)，踝關節角度為90度 (下死點膝關節角度在30度，並向前移動5公分)。當坐墊位置向前移動，會有較大的平均髖、膝、踝關節及最大的踝關節關節力矩、股四頭肌及腓腸肌的肌肉活化，不同坐墊位置會使用不同的關節策略(5號使用髖關節策略與6號使用踝關節)，增加固定騎乘下的時間及減少20公里的戶外騎乘的時間。當坐墊位置向前移動，可提高騎乘之運動表現及舒適性。結論：過去研究發現在最佳自行車踩踏位置為下死點膝關節角度在30度，然而本研究發現下死點膝關節角度在30度並向前移動5公分為最有效率得騎乘位置，當坐墊位置向前移動可透過踝關節產生較有效率的踩踏提升運動表現。. 關鍵字：自行車姿勢調整、座椅高度、座椅前後、運動生物力學. i.

(3) Effects of saddle position on lower limb joint biomechanics and performance in cycling 2010, June Student：Chia-Hsiang CHEN, Advisor：Tzyy-Yuang SHIANG,. Abstract Proper riding posture can reduce injuries and enhance performance. However, still lack of empirical scientific evidencehas to determine the porper riding posture for better performance and riding comfort. Therefore, the purposes of this study were to investigate the most porper riding posture by processing three experimental designs. The first experiment was to determine the effects of different saddle positions on kinematics, kinetics and muscle activation during cycling. The second experiment was to exame the fatigue factors in different saddle postitions by using EMG analysis. The third experiment was to prove the effects of new saddle position on cycling performance in road riding. Methods: Fifteen participants (average height: 176.5 ± 5.5 cm; average weight: 75.4 ± 8.4 kilograms; average age: 25.6 ± 3.8 years) were recurited in this study. The first and second experiments were laboratory tests, we observed different bike seat positions (forword to backword, bottom to top) on the kinematics, kinetics and muscle activation, as well as fatigue intervention through motion analysis system, dynamometer. Third experiment was outdoor experiments, which calculate the actual riding power, time and heart rate using SRM power meter. Repeated measures analysis of variance was used for all statistical tests, the significance level was set at α = .05. Results: The most efficient riding position was at 85 degrees in the hip joint angle, the knee angle was 145 degrees (35 degrees), the ankle joint angle was 90 degrees (bottom dead point with the knee angle at 30 degrees, and move 5 cm forward). There were greater average hip, knee, ankle joint moment and maximal ankle joint moment, quadriceps and gastrocnemius muscle activation when the seat position was moved to forward. Different seat positions caused different joint strategies, ii.

(4) hip strategy was used for the 5th position and ankle strategy was used for the 6th position. The posture in 6th saddle position could increase 24% in riding time during exhaustion test and reduce 7% on 20 km outdoor riding time. When the seat position was moved to forward, the performance and ride comfort was improved. Conclusions: Previous studies found that the best position for the knee angle was 30 degrees in bottom dead point, however, this study found that the most efficient riding position was 30 degrees in knee angle of bottom dead point and move 5 cm forward. The posture of seat position moved forward could produce more efficient pedaling and enhance performance through the ankle joint.. Key words: bike fitting, seat height, seat forward, sports biomechanics. iii.

(5) 謝. 誌. 離家背景的第十年，經過一萬小時的淬鍊，終於完成我的夢想。在接獲主持人的成績單，我紅了眼眶。這是一個非常奇妙且充滿驚喜的旅程，在這期間充滿了酸、甜、苦、辣。感謝在家祥遇困難時，給予關懷的每一個人，因為有妳，家祥才有今天的成果。在這特別的時刻，首先，我要感謝我的指導教授-相子元博士，在老師身上看到真實偉大的樸實無華，一直是我學習的榜樣，感謝老師在就學期間不但替我”傳道、授業、解惑”，更帶領我環遊世界增廣見聞，讓我有機會離開井底，欣賞多彩多姿的世界。此提攜之恩，永生難忘。再者，感謝啟蒙老師-涂瑞洪博士，在老師的鼓勵下，讓家祥勇於挑戰博士學位這項”不可能的任務”，並給予家祥在碩、博士的論文精闢的指導。另外，我要感謝我的口試委員呂東武博士、劉強博士、許維君博士，於撰寫論文期間給予寶貴的建議，使論文倍增完善。在實驗的過程中，感謝欣芳、伊蘋、尹鑫、育銘、柏潔、一涵、振芳、冠樺、佑全、雅淇、書瑜、彥竹、啟賓、婉鈴、贊仰、之顏，有你們的協助與幫忙家祥才能在這過程順利找到”自行車的最佳騎乘座椅位置”。感謝妳們陪伴家祥一同學習，一起成長，分享我的哀與樂。然而，要感謝的人實在太多了，無法一一提及，在此一併至上家祥最真誠的感謝。謝謝妳! 最後，感謝一直以來默默支持我的父親陳昭忠、母親黃麗姿、姑丈游建鵬、姑姑陳秀英、哥哥陳家昇、姊姊陳宛如、弟弟陳志恆感謝這幾十年來妳們陪伴，在我最忙碌的日子，給我最大的精神支助，讓我能夠克服重重關卡。在未來的日子裡仍然有各種不同的挑戰，我會帶著一顆努力不懈的心繼續前進，起許自己也可以找到”人生的最佳位置”，並朝著目標前進-真實偉大的樸實無華。家祥于國立臺灣師範大學創新運動科技實驗室 2013.06. iv.

(6) 目. 次. 中文摘要 ..................................................................................................................................... i 英文摘要 .................................................................................................................................... ii. 謝. 誌 ....................................................................................................................................... iv. 目. 次 ........................................................................................................................................ v. 表. 次 ...................................................................................................................................... vii. 圖. 次 ..................................................................................................................................... viii. 第一章緒論 ............................................................................................................................ 1 第一節前言 ........................................................................................................................ 1 第二節問題背景 ................................................................................................................ 2 第三節研究目的 ................................................................................................................ 3 第四節研究假設 ................................................................................................................ 3 第五節研究範圍與限制 .................................................................................................... 4 第六節操作性名詞定義解釋 ............................................................................................ 5 第二章文獻探討 .................................................................................................................... 7 第一節不同坐墊位置之設定 ............................................................................................ 7 第二節不同坐墊位置對運動表現之影響 ........................................................................ 8 第三節不同坐墊位置對運動傷害之影響 ........................................................................ 9 第四節自行車下肢疲勞相關之研究 .............................................................................. 18 第五節自行車踩踏效益相關之研究 .............................................................................. 20 第三章研究方法 .................................................................................................................. 31 實驗一：自行車不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響 .......................... 31 實驗一受試者 .................................................................................................................... 31 實驗一儀器設備 ................................................................................................................ 31 實驗一流程 ........................................................................................................................ 34 實驗一資料處理與統計分析 ............................................................................................ 36 v.

(7) 實驗一統計方法 ................................................................................................................ 37 實驗二：探討自行車疲勞介入對騎乘對姿勢的影響 ...................................................... 38 實驗二受試者 .................................................................................................................... 38 實驗二儀器設備 ................................................................................................................ 38 實驗二流程 ........................................................................................................................ 39 實驗二資料處理 ................................................................................................................ 41 實驗二統計方法 ................................................................................................................ 41 實驗三：探討自行車騎乘姿勢調整後的運動表現 .......................................................... 42 實驗三受試者 .................................................................................................................... 42 實驗三儀器設備 ................................................................................................................ 42 實驗三流程 ........................................................................................................................ 42 實驗三資料處理 ................................................................................................................ 44 實驗三統計方法 ................................................................................................................ 44 第四章結果 .......................................................................................................................... 45 實驗一：自行車不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響 .......................... 45 實驗二：探討自行車疲勞介入對騎乘對姿勢的影響 .................................................... 102 實驗三：探討自行車騎乘姿勢調整後的運動表現 ........................................................ 123 第五章討論 .......................................................................................................................... 126 實驗一：自行車不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響 ........................ 126 實驗二：探討自行車疲勞介入對騎乘對姿勢的影響 .................................................... 130 實驗三：探討自行車騎乘姿勢調整後的運動表現 ........................................................ 134 第六章結論 .......................................................................................................................... 137 引用文獻 ................................................................................................................................ 139. vi.

(8) 表. 次. 表 2-1 不同坐墊高度之實證性研究整理 ...................................................................... 12 表 2-2 不同坐墊高度之回顧性文獻整理 ...................................................................... 16 表 2-3 自行車踩踏效益之相關研究 .............................................................................. 25. vii.

(9) 圖. 次. 圖 1-1 標準座墊位置之設定 ............................................................................................ 5 圖 1-2 踩踏分期示意圖 .................................................................................................... 6 圖 2-1 踩踏效益的指標 .................................................................................................. 21 圖 3-1 Plug-in-Gait 反光球標記名稱及位置 .................................................................. 33 圖 3-2 自行車之坐墊位置 .............................................................................................. 34 圖 3-3 不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響之研究架構圖 ............... 35 圖 3-4 視覺類比量表 ...................................................................................................... 37 圖 3-5 疲勞測試之研究架構圖 ...................................................................................... 40 圖 3-6. 驗證 Bike fitting 之研究架構圖 ........................................................................ 43. 圖 4-1-1 髖關節活動角度 ............................................................................................... 46 圖 4-1-2 髖關節最大角度 ................................................................................................ 47 圖 4-1-3 髖關節最小角度 ................................................................................................ 47 圖 4-1-4 髖關節平均角度 ................................................................................................ 48 圖 4-1-5 髖關節第一期平均角度 .................................................................................... 49 圖 4-1-6 髖關節第二期平均角度 .................................................................................... 49 圖 4-1-7 髖關節第三期平均角度 .................................................................................... 50 圖 4-1-8 髖關節第四期平均角度 .................................................................................... 51 圖 4-1-9 膝關節活動角度 ................................................................................................ 52 圖 4-1-10 膝關節最大角度 .............................................................................................. 53 圖 4-1-11 膝關節最小角度 .............................................................................................. 54 圖 4-1-12 膝關節平均角度 .............................................................................................. 54 圖 4-1-13 膝關節第一期平均角度 .................................................................................. 55 圖 4-1-14 膝關節第二期平均角度 .................................................................................. 56 圖 4-1-15 膝關節第三期平均角度 .................................................................................. 57 圖 4-1-16 膝關節第四期平均角度 .................................................................................. 57 圖 4-1-17 踝關節活動角度 .............................................................................................. 59 圖 4-1-18 踝關節最大角度 .............................................................................................. 60 viii.

(10) 圖 4-1-19 踝關節最小角度 .............................................................................................. 61 圖 4-1-20 踝關節平均角度 .............................................................................................. 62 圖 4-1-21 踝關節第一期平均角度 .................................................................................. 63 圖 4-1-22 踝關節第二期平均角度 .................................................................................. 63 圖 4-1-23 踝關節第三期平均角度 .................................................................................. 64 圖 4-1-24 踝關節第四期平均角度 .................................................................................. 65 圖 4-1-25 髖關節第一期平均關節力矩 .......................................................................... 66 圖 4-1-26 髖關節第二期平均關節力矩 .......................................................................... 67 圖 4-1-27 髖關節第三期平均關節力矩 .......................................................................... 68 圖 4-1-28 髖關節第四期平均關節力矩 .......................................................................... 69 圖 4-1-29 膝關節第一期平均關節力矩 .......................................................................... 70 圖 4-1-30 膝關節第二期平均關節力矩 .......................................................................... 71 圖 4-1-31 膝關節第三期平均關節力矩 .......................................................................... 72 圖 4-1-32 膝關節第四期平均關節力矩 .......................................................................... 72 圖 4-1-33 踝關節第一期平均關節力矩 .......................................................................... 74 圖 4-1-34 踝關節第二期平均關節力矩 .......................................................................... 74 圖 4-1-35 踝關節第三期平均關節力矩 .......................................................................... 75 圖 4-1-36 踝關節第四期平均關節力矩 .......................................................................... 76 圖 4-1-37 第一期垂直平均力量 ...................................................................................... 77 圖 4-1-38 第二期垂直平均力量 ...................................................................................... 77 圖 4-1-39 第三期垂直平均力量 ...................................................................................... 78 圖 4-1-40 第四期垂直平均力量 ...................................................................................... 78 圖 4-1-41 第一期水平平均力量 ...................................................................................... 79 圖 4-1-42 第二期水平平均力量 ...................................................................................... 80 圖 4-1-43 第三期水平平均力量 ...................................................................................... 80 圖 4-1-44 第四期水平平均力量 ...................................................................................... 81 圖 4-1-45 第一期合力平均力量 ...................................................................................... 82 圖 4-1-46 第二期合力平均力量 ...................................................................................... 83 ix.

(11) 圖 4-1-47 第三期合力平均力量 ...................................................................................... 83 圖 4-1-48 第四期合力平均力量 ...................................................................................... 84 圖 4-1-49 股外側肌第一期肌肉活化情形 ...................................................................... 85 圖 4-1-50 股外側肌第二期肌肉活化情形 ...................................................................... 85 圖 4-1-51 股外側肌第三期肌肉活化情形 ...................................................................... 86 圖 4-1-52 股外側肌第四期肌肉活化情形 ...................................................................... 86 圖 4-1-53 股直肌第一期肌肉活化情形 .......................................................................... 87 圖 4-1-54 股直肌第二期肌肉活化情形 .......................................................................... 87 圖 4-1-55 股直肌第三期肌肉活化情形 .......................................................................... 88 圖 4-1-56 股直肌第四期肌肉活化情形 .......................................................................... 88 圖 4-1-57 股內側肌第一期肌肉活化情形 ...................................................................... 89 圖 4-1-58 股內側肌第二期肌肉活化情形 ...................................................................... 90 圖 4-1-59 股內側肌第三期肌肉活化情形 ...................................................................... 90 圖 4-1-60 股內側肌第四期肌肉活化情形 ...................................................................... 91 圖 4-1-61 股二頭肌第一期肌肉活化情形 ...................................................................... 92 圖 4-1-62 股二頭肌第二期肌肉活化情形 ...................................................................... 92 圖 4-1-63 股二頭肌第三期肌肉活化情形 ...................................................................... 93 圖 4-1-64 股二頭肌第四期肌肉活化情形 ...................................................................... 93 圖 4-1-65 脛前肌第一期肌肉活化情形 .......................................................................... 94 圖 4-1-66 脛前肌第二期肌肉活化情形 .......................................................................... 95 圖 4-1-67 脛前肌第三期肌肉活化情形 .......................................................................... 95 圖 4-1-68 脛前肌第四期肌肉活化情形 .......................................................................... 96 圖 4-1-69 腓腸肌第一期肌肉活化情形 .......................................................................... 97 圖 4-1-70 腓腸肌第二期肌肉活化情形 .......................................................................... 97 圖 4-1-71 腓腸肌第三期肌肉活化情形 .......................................................................... 98 圖 4-1-72 腓腸肌第四期肌肉活化情形 .......................................................................... 98 圖 4-1-73 臀大肌第一期肌肉活化情形 .......................................................................... 99 圖 4-1-74 臀大肌第二期肌肉活化情形 ........................................................................ 100 x.

(12) 圖 4-1-75 臀大肌第三期肌肉活化情形 ........................................................................ 100 圖 4-1-76 臀大肌第四期肌肉活化情形 ........................................................................ 101 圖 4-2-1 不同坐墊位置與不同時間下髖關節活動角度 .............................................. 104 圖 4-2-2 不同坐墊位置與不同時間下髖關節平均角度 .............................................. 104 圖 4-2-3 不同坐墊位置與不同時間下膝關節活動角度 .............................................. 107 圖 4-2-4 不同坐墊位置與不同時間下膝關節平均角度 .............................................. 108 圖 4-2-5 不同坐墊位置與不同時間下踝關節活動角度 .............................................. 110 圖 4-2-6 不同坐墊位置與不同時間下踝關節平均角度 .............................................. 111 圖 4-2-7 不同坐墊位置與不同時間下髖關節最大力矩 .............................................. 113 圖 4-2-8 不同坐墊位置與不同時間下髖關節平均力矩 .............................................. 113 圖 4-2-9 不同坐墊位置與不同時間下膝關節最大力矩 .............................................. 114 圖 4-2-10 不同坐墊位置與不同時間下膝關節平均力矩 ............................................ 115 圖 4-2-11 不同坐墊位置與不同時間下踝關節最大力矩 ............................................ 116 圖 4-2-12 不同坐墊位置與不同時間下踝關節平均力矩 ............................................ 116 圖 4-2-13 不同坐墊位置與不同時間下股內側肌肌肉活化情形 ................................ 117 圖 4-2-14 不同坐墊位置與不同時間下股直肌肌肉活化情形 .................................... 118 圖 4-2-15 不同坐墊位置與不同時間下股外側肌肌肉活化情形 ................................ 119 圖 4-2-16 不同坐墊位置與不同時間下股二頭肌肌肉活化情形 ................................ 119 圖 4-2-17 不同坐墊位置與不同時間下脛前肌肌肉活化情形 .................................... 120 圖 4-2-18 不同坐墊位置與不同時間下腓腸肌肌肉活化情形 .................................... 121 圖 4-2-19 不同坐墊位置與不同時間下臀大肌肌肉活化情形 .................................... 122 圖 4-3-1 不同坐墊位置與不同分段距離下騎乘時間的變化 ...................................... 123 圖 4-3-2 不同坐墊位置與不同分段距離下功率輸出的變化 ...................................... 124 圖 4-3-3 不同坐墊位置與不同分段距離下心跳率的變化 .......................................... 124 圖 4-3-4 不同坐墊位置與不同分段距離下踩踏頻率的變化 ...................................... 125 圖 5-1-1 不同坐墊位置之舒適量表 .............................................................................. 129 圖 5-1-2 最有效率騎乘位置之運動學參數 .................................................................. 129 圖 5-2-1 不同坐墊位置疲勞測試的總時間 .................................................................. 130 xi.

(13) 圖 5-2-2 疲勞下不同坐墊位置舒適性 .......................................................................... 132 圖 5-2-3 不同坐墊位置與不同時間下肢肌肉平均功率頻率的變化 .......................... 133 圖 5-3-1 不同坐墊位置實際騎乘的總時間 .................................................................. 135 圖 5-3-2 不同坐墊位置實際騎乘的舒適性 .................................................................. 136. xii.

(14) 1. 第一章. 緒論. 第一節前言正確的騎乘姿勢不但可以減少運動傷害，更可以提升運動表現(de Vey Mestdagh, 1998; Silberman, Webner, Collina, & Shiple, 2005)，但是，目前針對自行車姿勢調整 (bike fitting) 的研究僅提供測量學的相關資料，而教練在指導選手或運動愛好者，僅能以自身的經驗進行姿勢調整，故，在何種姿勢調整下，可以提供較好的運動表現或騎乘舒適性仍缺乏實證性的科學證據。自行車運動越來越受歡迎，其優點為從事自行車運動不用承受體重的負擔，可產生較小的外在衝擊力量，且各關節的活動是非常流暢，故可以使騎乘者進行較長時間的運動，但騎乘姿勢的不良，往往造成更多的運動傷害。然而，自行車運動產生的傷害可歸納以下幾點：姿勢不佳、設備不當、技術不足及錯誤訓練，其中以姿勢不佳為最主要因素(Asplund & St Pierre, 2004)，造成騎乘姿勢的不正確的原因包括：坐墊位置、握把位置、坐墊到握把的距離及角度、坐墊到踏板軸承的距離，立管長度及角度，車架大小，曲柄長度等均會影響人體騎乘時的姿勢，但大部分的自行車騎乘者，往往忽略的這些細節，而在不正確的關節活動角度及範圍下進行踩踏，使肌肉會過度的被拉長，並且較容易造成肌肉過度使用，進而導致髕骨疼痛症 (patellofemoral pain) (Cook, Khan, Maffulli, Purdam, & Phty, 2000) 及髂脛束肌傷害 (iliotibial band syndrome) (Kirk, Kuklo, & Klemme, 2000)。影響姿勢不良的主要原因為坐墊位置的不正確，目前自行車設計的坐墊立管都會有傾斜角度，故在自行車的坐墊調整時，會同時改變踏板到坐墊的距離、握把到坐墊的距離及身體軀幹的角度。以運動生物力學的觀點分析：坐墊太高：會產生膝關節過度伸膝，刺激髂脛束肌 ( iliotibial band) (Asplund & St Pierre, 2004; Silberman et al., 2005)、股二頭肌產生更多的壓力、髕骨附載、髖關節位移、膝關節後側疼痛(Asplund & St Pierre, 2004)；坐墊太低：會對髕骨和股四頭肌產生的應力增加；坐墊太前：在踩踏推進期，膝關節前 1.

(15) 的位置較容易產生疼痛(Asplund & St Pierre, 2004; Silberman et al., 2005)；坐墊太後：踏板過度向前導致髂脛束肌 ( iliotibial band) 過度伸展、股二頭肌產生更多的壓力(Asplund & St Pierre, 2004)。因此，坐墊位置的調整扮演發常重要的角色。. 第二節問題背景目前自行車姿勢調整 (bike fitting) 均採用靜態姿勢下的人體肢段參數測量後，在對車架的相關參數進行調整 (Belluye & Cid, 2001; de Vey Mestdagh, 1998)，然而，相關研究指出在靜態姿勢下的關節角度與動態運動時差異甚大，無法代表真正騎乘時的動作型態 (Ferrer-Roca, Roig, Galilea, & García-López, 2011)。但，目前相關研究尚未對動態或靜態動作下的自行車姿勢調整 (bike fitting) 建構其資料庫，另一方面，自行車的相關研究檢測也尚未有系統性的定義，而在檢測工具的使用上也不盡相同，包括：力量感測計 (Farrell, Reisinger, & Tillman, 2003)、攝影系統 (Farrell et al., 2003; Rouffet & Hautier, 2008)、表面肌電儀 (Chapman, Vicenzino, Blanch, Knox, & Hodges, 2010; Rouffet & Hautier, 2008) 及侵入性肌電儀 (Chapman et al., 2010)，但，目前仍然尚未指出哪些指標可以容易且清楚的定義 Bike fitting 的重要參數。根據調查，長時間自行車運動者，65% 有膝關節疼痛的困擾 (Dannenberg, Needle, Mullady, & Kolodner, 1996)，並有 42% 的自行車愛好者，常常發生肌肉過度使用的現象 (Wilber, Holland, Madison, & Loy, 1995)，85% 的自行車愛好者有過度使用的傷害，其中 30% 需要治療 (Holmes, Pruitt, & Whalen, 1994)。然而，疲勞造成會產生人體動作上的改變，進而產生運動傷害。故，透過運動科學的檢測，進一步了解長時間自行車騎乘下，對姿勢的影響，找出在騎乘疲勞下影響的運動學參數，提供在長時間騎乘下姿勢的調整的科學理論依據。然而，人體經過姿勢的改變會不會有適應上的問題？在固定式自行車上的姿勢調整結果是否可用於實際騎乘的情境下？故本研究使用第一階段(不同姿勢的調整對運動表現的影響)的實驗結果，再進行戶外騎乘的驗證，分別是姿勢調整前、姿勢調整後的騎乘 2.

(16) 表現，觀察是否透過本研究的姿勢調整可以提供自行車愛好者一個更有效率及舒適的騎乘姿勢。總而言之，本研究為了改善從事自行車運動之運動傷害的發生及提高運動表現，欲透過運動生物力學的分析，找出自行車運動的最佳騎乘姿勢；在進行長時間騎乘下對騎乘姿勢的改變，找出動作疲勞時影響騎乘姿勢的重要因子；最後，以實際騎乘觀察騎乘姿勢調整後的運動表現(生態效度)。. 第三節研究目的故本研究的目的有：一、探討自行車不同坐墊位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響二、探討疲勞介入後對不同坐墊位置自行車騎乘姿勢的影響三、探討自行車不同坐墊位置騎乘姿勢調整前、後的運動表現. 第四節研究假設根據本研究第一個研究目的：探討自行車不同坐墊及握把位置對運動學、動力學及肌肉活化的影響設定之研究假設如下：一、不同坐墊位置 (上下、前後) 會改變下肢運動學參數(髖、膝、踝關節角度)。二、不同坐墊位置 (上下、前後) 會改變下肢動力學參數(踩踏力量及關節受力)。三、不同坐墊位置 (上下、前後) 會改變下肢肌肉活化參數(臀大肌、股內側肌、股外側肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、腓腸肌)。. 根據本研究第二個研究目的：探討自行車騎乘姿勢調整後疲勞介入對騎乘對姿勢的影響設定之研究假設如下：一、不同騎乘姿勢及不同時間下(0%、10%、40%、70%、90%及 100%)會改變運動學參數(頸、肩、肘、腕、髖、膝、踝關節角度)。 3.

(17) 二、不同騎乘姿勢及不同時間下(0%、10%、40%、70%、90%及 100%)會改變動力學參數(踩踏力量、力矩及關節受力)。三、不同騎乘姿勢及不同時間下(0%、10%、40%、70%、90%及 100%)會改變肌肉活化(臀大肌、股內側肌、股外側肌、股直肌、股二頭肌、脛前肌、腓腸肌)。根據本研究第三個研究目的：探討自行車騎乘姿勢調整前、後的運動表現之研究假設如下：一、不同騎乘姿勢及不同分段距離下 (0-5 公里、5-10 公里、10-15 公里、15-20 公里) 會改變騎乘時間。二、不同騎乘姿勢及不同分段距離下 (0-5 公里、5-10 公里、10-15 公里、15-20 公里)會改變踩踏模式 (踩踏頻率、踩踏功率輸出)。三、不同騎乘姿勢及不同分段距離下 (0-5 公里、5-10 公里、10-15 公里、15-20 公里) 會改變心跳率 (最大心跳率、平均心跳率)。. 第五節研究範圍與限制本研究為探討下肢肌力表現，避免因受試者運動習慣或病變之因素影響，因此本研究選定樣本的範圍和限制設定包括：一、六個月內無任何肌肉、骨骼及神經傷害或疾病者。二、年齡：18 ~ 25歲有運動習慣之大學生。三、運動狀態：平常無從事下肢訓練一年以上，但有基礎肌力者。四、研究執行之過程中肌電儀及反光點黏貼位置，為要求一致性以減少實驗誤差，皆由同一人執行。五、假設人體左右兩側的動作形態皆為相同，故均採用受試者右側的肌肉為資料收集之依據。. 4.

(18) 第六節操作性名詞定義解釋一、標準座墊位置坐上去時，臀部尾椎與座墊後端切齊 (de Vey Mestdagh, 1998)，足部以蹠趾關節踩於踏板轉軸。當曲柄 90 度時，膝關節髕骨表面向下延伸之鉛錘線通過踏板轉軸 (Silberman et al., 2005)；曲柄 180 度時，膝關節屈曲角度接近 30 度(Bini, Hume, & Croft, 2011; Peveler, Bishop, Smith, Richardson, & Whitehorn, 2005)。二、車把位置車把高度與標準座墊位置齊高，雙手抓握在車把橫桿部分，由上肩峰到握拳指節的距離 (de Vey Mestdagh, 1998)、手肘微彎、軀幹與水平線約 45 度 (Silberman et al., 2005)、上臂與軀幹約 90 度去定義座墊-車把距離，車把位置確定後即不再改變。. 45 度. 30 度. 圖 1-1 標準座墊位置之設定三、阻力使人體運動之動作速度降低、肌肉收縮增加的抵抗力。本研究的阻力由自行車模擬台產生之踩踏功率量化，單位瓦特 (Watt, W)。四、舒適度本研究採用視覺量表去量化舒適度，整體主觀感受去評分，分數越高，代表主觀感受越舒適。 5.

(19) 五、踩踏動作分期 (一)上死點：踩踏週期中右腳踏板的最高點，且曲柄垂直地面。 (二)下死點：踩踏週期中右腳踏板的最低點，且曲柄垂直地面。 (三)第一期：曲柄 0 至 89 度為下踩前期，即由上死點開始的前 1/4 圈。 (四)第二期：曲柄 90 至 179 度為下踩後期，即由前 1/4 圈開始到下死點。 (五)第三期：曲柄 180 至 269 度為回復前期，即由下死點開始的後 3/4 圈。 (六)第四期：曲柄 270 至 359 度為回復後期，即由後 3/4 圈開始到上死點。. 第四期. 第一期. 第三期. 第二期圖 1-2 踩踏分期示意圖. 6.

(20) 第二章. 文獻探討. 第一節不同坐墊位置之設定自行車可調整的參數包含有：坐墊到握把的距離、坐墊至曲柄軸心、坐墊至握把高度、坐墊至踏板高度及曲柄長 (de Vey Mestdagh, 1998)，但是其中最重要的參數為坐墊的位置 (Astorino et al., 2005; de Vey Mestdagh, 1998; Peveler, 2008; Price & Donne, 1997; Sanderson & Amoroso, 2009)。不正確的騎乘姿勢，會使肌肉骨骼系統產生更多的負荷，同時也提高肌肉過度使用的風險 (Gregor, Broker, & Ryan, 1991)。以運動生物力學的觀點分析：坐墊太高：會產生膝關節過度伸膝，刺激髂脛束肌 ( iliotibial band) (Asplund & St Pierre, 2004; Silberman et al., 2005)、股二頭肌產生更多的壓力、髕骨附載、髖關節位移、膝關節後側疼痛(Asplund & St Pierre, 2004)；坐墊太低：會對髕骨和股四頭肌產生的應力增加；坐墊太前：在踩踏推進期，膝關節前的位置較容易產生疼痛(Asplund & St Pierre, 2004; Silberman et al., 2005)；坐墊太後：踏板過度向前導致髂脛束肌 ( iliotibial band) 過度伸展、股二頭肌產生更多的壓力(Asplund & St Pierre, 2004)。目前針對坐墊設定的方法分為以下幾種：(i) Hamley and Thomas 測量方法：下襠高度的 109% (Hamley & Thomas, 1967)； (ii) 大轉子高度到地面 (Trochanteric length) (Nordeen-Snyder, 1977)； (iii) 坐骨到地面的高度的 113% (length from ischial tuberosity to floor) (Shennum & DeVries, 1976)； (iv) Greg LeMond 測量方法：坐墊到五通(bottom bracket)的高度為下襠高度 88.3% (Burke, 2002) and (v) 足跟測量法 (the heel method) 當踏板位置為下死點時 (bottom dead center, BDC) 膝關節完全伸直(Burke & Pruitt, 2003)， (vi) Holmes 測量方法又稱為膝關節角度測量方法 (knee angle methods)：利用膝關節屈曲角度 (flexion) 作為坐墊高度的設定 (Bini et al., 2011; Burke, 2002; Holmes et al., 1994)。先前研究指出，目前大多的研究仍期望透過自行車姿勢的調整來改變騎乘姿勢，進而提高運動表現及減少運動傷害。最佳姿勢調整在實證性研究中常以測量關節角度與肢 7.

(21) 段參數來代表(Hamley & Thomas, 1967; Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976) 或教練選手本身的經驗。故，截至目前為止尚未有一個很明確的量化指標來評估最佳的坐墊位置。. 第二節不同坐墊位置對運動表現之影響自行車的高度設定從 Hamley and Thomas 測量方法開始越來越受到大家的關注，在此章節研究指出自行車的高度設定會影響騎乘時間(在固定負荷下騎乘)，其他研究也陸續指出自行車的高度設定會影響騎乘表現(騎乘時間、能量消耗、功率輸出及踩踏效益)。在先前研究指出 109 % 的胯下長，在相同功率的輸出下會有較佳的騎乘時間 (Hamley & Thomas, 1967)，延長騎乘的時間，表示在騎乘過程中可以產生較好的自行車踩踏效益。再者，從能量消耗的觀點來看，自行車的高度設定範圍似乎可以找到一個較佳的位置，但是，不同的研究卻出現不同結果(Hamley & Thomas, 1967; Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976)。有研究指出當高度降低 5%，能量消耗會增加 5% (Shennum & DeVries, 1976)。在穩定的騎乘下，100~103% 的腿長 (Shennum & DeVries, 1976) 或在 100% 的大轉子的高度(107%的胯下長) 設定下 (Nordeen-Snyder, 1977) 有較少的能量消耗。但是，另一個研究卻出現不一樣的結論，在長時間 (45 分鐘) 穩定騎乘下，選擇高度設定在 96%的大轉子的高度會有最小的能量消耗 (Borysewicz & Pavelka, 1985)。然而，在另一項研究中卻發現當踩踏位於下死點膝關節角度為 25 度時，其能量消耗較下死點膝關節角度為 35 度及 109 %的胯下長兩種設定低。同樣的，在無氧動力的測試過程中發現，自行車的高度設定也影響力量的輸出，進而改變騎乘時的運動表現 (Peveler, Pounders, & Bishop, 2007)，增加自行車的高度會有較好無氧動力的表現 (Price & Donne, 1997)。然而，在功率輸出的相關研究卻較少，但功率輸出乃是評估自行車騎乘不可忽視的重要指標之一 (Hamley & Thomas, 1967; Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976)。評估運動表現的另一項指標為經濟性 (Economy)，在觀察自行車的經濟性可使用功 8.

(22) 率輸出與能量消耗的比值作為指標 (Lucia, Hoyos, Perez, Santalla, & Chicharro, 2002)。評估自行車騎乘經濟性主要的測驗方式為在穩定騎乘下固定功率輸出，再觀察能量消耗的多寡 (Hamley & Thomas, 1967; Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976)。在比較不同坐墊高度下的經濟性研究中，發現在膝關節 25 度下的高度設定會有較佳的自行車騎乘經濟性 (Peveler & Green, 2011; Peveler, 2008)。另一項研究發現，在固定的輸出功率下 (200 watt)，96% 的大轉子的高度的坐墊設定，其經濟性高於 100% 及 104% 的大轉子的高度的坐墊設定 (Price & Donne, 1997)。使用力量感測器可以直接測量在不同坐墊高度下所產生的最佳表現 (Price & Donne, 1997)，改變坐墊高度會直接影響踝關節角度的變化 (Diefenthaeler et al., 2006; Nordeen-Snyder, 1977; Peveler et al., 2007; Rankin & Neptune, 2008)，髖關節、膝關節及曲柄長度也會影響力量的改變 (Bini, Diefenthaeler, & Mota, 2010; Mornieux, Guenette, Sheel, & Sanderson, 2007)。相反的，有研究指出不同坐墊高度的調整不會影響踩踏的推進力 (Ericson & Nisell, 1988)。另外，在接受專業訓練的自行車選手比一般自行車愛好者對不同坐墊高度設定的踩踏技巧產生較敏銳的感受 (Diefenthaeler et al., 2006; Ericson & Nisell, 1988)。綜合上述的結果發現，當坐墊高度設定於 96~100%的大轉子長度 (Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976)或當踩踏於下死點膝關節彎曲 25 度 (Peveler, 2008)，會減少耗氧量的消耗及增加踩踏的經濟性。當坐墊高度設定為 109%胯下長下 (大約為 102%的大轉子的高度)，有最佳的長時間騎乘的表現(Ericson & Nisell, 1988; Hamley & Thomas, 1967)。另一方面，沒有實質的研究發現在不同坐墊高度的設定下會改變踩踏力量表現 (Ericson & Nisell, 1988)。. 第三節不同坐墊位置對運動傷害之影響膝關節的受力及運動學參數可以用來評估自行車選手的運動傷害 (Bressel, 2001)。然而影響膝關節傷害的最主要原因為坐墊的高低 (下肢關節運動學、動力學和肌肉收縮)。大多數自行車的研究都聚焦於矢狀面的運動學分析 (Nordeen-Snyder, 1977; 9.

(23) Sanderson & Amoroso, 2009; Shennum & DeVries, 1976) 在矢狀面上典型的髖關節關節活動範圍約為 45 度 (大腿與水平面的夾角)、膝關節關節活動範圍約為 75 度(25-100 度)、踝關節關節活動範圍約為 20 度 (自然姿勢的±10 度) (Faria, Cavanagh, & Vandervelde, 1978)。座墊高度調整會影響踝關節 (de Vey Mestdagh, 1998; Diefenthaeler et al., 2006; Nordeen-Snyder, 1977; Rankin & Neptune, 2008)、膝關節(Gregor et al., 1991; Price & Donne, 1997) 或同時影響膝關節及踝關節的運學參數。以不同的方式收集 (2D and 3D 影像) 下肢關節運動學參數會造成髖關節及踝關節的改變。調整坐墊高度也會影響額狀面的運動學 (Ruby, Hull, & Hawkins, 1992)。調整坐墊高度 4-5% 會改變膝關節關節活動角度 25% (Sanderson & Amoroso, 2009)，減少踩踏於下死點關節角度 40% (Faria et al., 1978) 改變最大踝關節角度 25% (Price & Donne, 1997) ~51% (Sanderson & Amoroso, 2009)、改變關節活動角度下，同時也會改變肌肉長度 (Sanderson & Amoroso, 2009) 和力臂 (Rugg & Gregor, 1987)，進而影響肌肉的活化及力量的產生。在固定自行車的研究中發現，在踩踏過程中髕骨承受 800N (阻力負荷 75 W、70 revolutions per minute (RPM) )到 1500N 的力量(阻力負荷 157W，80 RPM) (Bressel, 2001; Neptune & Kautz, 2000; Tamborindeguy & Rico Bini, 2011)，並且假定髕骨與股骨接觸面積為 0.026 m2(Wolchok, Hull, & Howell, 1998)，髕骨會產生 1500N 的最大受力 (Bressel, 2001)，並且在軟骨會產生 30MPa 的壓力 (Cohen et al., 2001)。先前研究指出，騎乘自行車會使髕骨產生較大的壓力 (Bressel, 2001; Ericson & Nisell, 1987; Neptune & Kautz, 2000)。先前研究利用動力學模型去預估自行車不同高度 (102%, 113%, 120% 坐骨到地板的高度) 踩踏時髕骨的壓力變化，發現高度越高，髕骨的壓力越小 (Ericson & Nisell, 1987)。另外，有研究指出，當踏板向後的踩踏，會使膝關節產生更多的彎曲，並增加髕骨的壓力 (Bressel, 2001)。另一個研究也發現，逆時鐘的踩踏有助於復健效果 (Neptune & Kautz, 2000)。先前研究指出，當踩踏過程產生較大的力量峰值，會使膝關節彎曲角度變大，而增加髕骨的壓力 (Bressel, 2001)。依據上述研究發現，其關節的壓力與關節運動學參數有極大關聯。利用骨骼肌肉模型所模擬出來的結果 (Neptune & Kautz, 2000) 與實證性研究結果相同 (Bressel, 2001)，當進行向後的踩踏動作，會增加髕骨壓力。但是 10.

(24) 在相似的阻力負荷下 (~150 W) 的研究中發現對髕骨造成的影響非常有限 (比較低) (Neptune & Kautz, 2000)。透過動力系統模型模擬自行車膝關節受力時必須考慮膝關節周圍肌肉的共同收縮特性，膝關節周圍肌肉的共同收縮會減少膝關節彎曲伸直的壓力 (van Ingen Schenau, Boots, De Groot, Snackers, & Van Woensel, 1992)。脛骨的力量會伴隨著半月板的壓力及前後十字韌帶的作用下產生剪力造成膝關節的傷害 (Neptune & Kautz, 2000)。在先前研究的結果顯示，坐墊高度與脛骨壓力及關節前後方向的剪力成反比關係 (6 名受試者，6 名受試者在固定的強度負荷下) (Ericson & Nisell, 1986)。另外，也有研究結果顯示，坐墊高度不會對脛骨壓力有影響 (10 男生，200W 80 RPM) (McCoy & Gregor, 1989)。先前研究指出利用膝關節 3D 模型計算自行車騎乘時的脛骨壓力及關節前後方向的剪力 (Ruby et al., 1992)，發現在自行車踩踏過程膝關節會有內旋及外旋的動作，並且會相對脛骨的長軸產生旋轉，其結果可作為自行車的分析的動作。然而，目前沒有研究針對調整坐墊高度對 3D 的力矩或膝關節動作進行描述。. 11.

(25) 表 2-1 不同坐墊高度之實證性研究整理作者. 高度設定方法. 測量參數. Hamley and Thomas (1967). 褲襠長的百分比. 以相同阻力的 100 位. 在相同阻力下 109% 褲襠長的高度有最長的踩. 踩踏評估騎乘的時間. 踏時間，但文中沒有比較不同高度造成的影響。. 褲襠長的百分比. Desiprés (1974). Shennum (1976). and. DeVries 褲襠長的百分比. Rugg and Gregor (1987). 褲襠長的百分比. 受試者. 肌肉活化和運 3 位青少年自行股四頭肌和股二頭肌在坐墊高度改變下 (95% 動學車選手和 105% 褲襠長的百分比) 沒有顯著差異；當坐墊高度上升會影響踝關節的運動學參數最大耗氧量. 5 位 16~18 歲. 坐墊高度為 100~ 103% 褲襠長的百分比會有較小的耗氧量；坐墊高度為 103~ 104% 褲襠長的百分比會有較小的力量輸出。. 肌肉長度，收縮五位男性自行車 102% 的大轉子長度(坐墊高度)當雙關節肌的速度，下肢肌肉選手的力臂長度。. Peveler et al. (2005). 主要發現. 股二頭肌沒有受到影響，但會增加股內側肌的收縮。. Hamley 與下死點 (Bottom 14 位男性及 5 位 Hamley 與 Thommas 方法和 LeMond 方法 Thommas 方法 dead centre) 膝女性自行車選手沒有差異。此兩種方法在下死點膝關節角度均和 LeMond 方法關節角度為 25~30 度間。. 12.

(26) 作者. 高度設定方法. 測量參數. Peveler et al. (2007). 膝關節角度，褲襠無氧動力長的百分比. 受試者. 主要發現. 9 位男性自行車下死點膝關節角度為 25 度時比 109% 褲襠長選手，3 位男性及的百分比有較好的踩踏動力。 15 位女性非自行車選手. Peveler (2008). 膝關節角度，褲襠長的百分比. 最大耗氧量. Nordeen-Snyder (1977). 大轉子長度. 最大耗氧量，關 10 位女性非自行 100%大轉子長度比 95%及 105%的大轉子長度節運動學車選手(18~31 歲) 有較低的耗氧量。當調整坐墊高度膝跟踝關節會產生適應效果. Price and Donne (1997). 大轉子長度. 最大耗氧量，關 14 位公路賽選手 104% 的大轉子長度(坐墊高度)比 100%及 95%. Jorge and Hull (1986). 大轉子長度. 5 位男性自行車下死點膝關節角度為 25 度時比 25 及 109%褲選手，2 位男性及襠長的百分比有較低的最大耗氧量 8 位女性非自行車選手. 節運動學. (22.9 ± 4.1 歲). 肌肉活化. 6 位不同訓練程 95%的大轉子長度(坐墊高度)比 100%有更多的度的自行車選手股四頭肌及股二頭肌的肌肉活化。. 13. 的大轉子長度有較低的踩踏效益。最大耗氧量下的最佳高度為 100%及 95%的大轉子長度.

(27) 作者 Sanderson (2009). 高度設定方法 and. Amoroso 大轉子長度. 測量參數. 受試者. 主要發現. 肌肉活化，肌肉 13 位女性自行車 107%的大轉子長度(坐墊高度)比 102% (自我感長度，關節運動選手 (25.6 ± 5.9 覺的位置)及 92%的大轉子長度有較多的腓腸學歲) 肌肌電活化。在不同坐墊高度下小腿肌肉長度的改變是相同的。坐墊高度(自我感覺的位置)增加 5%下，會改變比目魚肌的長度及收縮速度大於腓腸肌。膝及踝關節的關節活動會影響腓腸肌內側的肌肉活化。. Gonzalez and Hull (1989). 大轉子長度. 髖及膝關節絕 3 位男性自行車選 97%的大轉子長度(坐墊高度)有最小的髖及膝對力矩手關節絕對力矩. McCoy and Gregor (1989). 大轉子長度. 壓縮力及脛骨 10 位男性非自行在 200 瓦特(Watt)的功率輸出及 80 RPM 的踩前後方向的力車選手(29 歲) 踏頻率下，不同坐墊高度(94%、100%及 106% 量的大轉子長度)不會影響脛骨的壓力。. Ericson, Nisell, Arborelius, 坐骨到地面的百肌肉活化分比 and Ekholm (1984). 6 位女性非自行車 120% 坐骨到地面的百分比(坐墊高度)比 102 選手(20~31 歲) 及 113%的坐骨到地面長度有較多的臀中肌、半腱半膜肌、比目魚肌、腓腸肌肌電活化。. 14.

(28) 作者. 高度設定方法. 測量參數. 受試者. 主要發現. Ericson and Nisell (1988). 坐骨到地面的百踩踏效益分比. Diefenthaeler et al. (2006). 自選高度及上下踏板力量、肌肉 3 位男性優秀自行坐墊高度會改變踩踏的技巧及肌肉活化情形，相聚 1 公分活化及關節運車選手(23~30 歲) 最佳的位置為自選的高度。動學. Rankin and Neptune (2008). 坐墊位置隨著五功率輸出通(Bottom bracket). 6 位女性非自行車坐墊高度(102%、113%及 120%坐骨到地面的百選手(20~31 歲) 分比)不會影響踩踏效益. 電腦模擬. 改變高度 1 公分會改變功率輸出，坐墊高度的改變會影響踝關節的變化. 位置改變 Houtz and Fischer (1959). 受試者個別最低肌肉活化的位置(人體之段參數). 6 位女性非自行車較高的坐墊高度會減少肌肉活化及有較低的自選手覺量表分數。. 15.

(29) 表 2-2 不同坐墊高度之回顧性文獻整理作者. 高度設定方法. 測量參數. 受試者. Burke and Pruitt (2003). 足跟、褲襠長、最佳化輸出功書籍. 膝關節度為 25~30 度。. LeMond 方法及膝率和減少傷害關節角度的發生. 沒有特別推薦任何一種方法。. Silberman et al. (2005). Hamley 與 Thommas 方法和 LeMond 方法. 最佳化輸出功回顧性文章率和減少傷害的發生. Hamley 與 Thommas 方法和 LeMond 方法可作為坐墊調整的方法. Mellion (1991). 褲襠長的百分比. 觀察過度使用回顧性文章問題及自行車的傷害. 109% 褲襠長的高度最佳的高度設定。 96%的大腿加上小腿的長度為調整坐墊高度的依據。前後的調整為膝關節不超過踏板軸承。. Wanich, Hodgkins, Columbier, Muraski, and Kennedy (2007). 褲襠長的百分比. 觀察過度使用回顧性文章問題及自行車的傷害. 109% 褲襠長的高度最佳的高度設定. Holmes et al. (1994). 膝關節角度. 臨床上常見的回顧性文章過度使用問題. 膝關節度活動範圍為 25~30 度，會有較小的膝關節受力。. 及自行車傷害 16. 主要發現.

(30) 作者. 高度設定方法. Borysewicz (1985). and. Pavelka 大轉子長度. and. 受試者. 主要發現. 最大耗氧量. 書籍. 96%的大轉子長度(坐墊高度)有最小耗氧量。. 大轉子長或褲襠最佳化輸出功回顧性文章長的百分比率和減少傷害的發生. 100%的大轉子長度或 107%褲襠長的百分比為最佳坐墊高度的設定(Nordeen-Snyder, 1977). Kirkendall 大轉子長或褲襠自行車相關生回顧性文章長的百分比物力學之參數. 坐墊高度會影響膝關節受力、肌肉活化及長度和關節運動學參數. de Vey Mestdagh (1998). Garrett (2000). 測量參數. 17.

(31) 第四節自行車下肢疲勞相關之研究當疲勞產生時，不能維持穩定的力量輸出，導致運動表現下降 (Asmussen, 1979)。在進行穩定的功率輸出下，疲勞會造成肌肉表現衰退，並且影響最大力量 (輸出量減少)，導致無法維持穩定的輸出 (Gandevia, 2001)，或是當誘發肌肉、力量或能量的衰退並無法維持其目標設定的運動能力 (Bigland‐Ritchie & Woods, 1984)。在測試過程中，快速或慢速的疲勞介入，都會影響疲勞所造成之表現，這種的變化可以透過 EMG 來檢測 (Hug & Dorel, 2009)。常見的疲勞測試為使用等長的方式進行，維持固定的力量輸出，直到耗竭並無法維持目標的力量輸出 (Edwards & Lippold, 1956)。當疲勞產生時，肌肉間會產生代償作用，會造成 EMG 活化增加，但肌肉收縮的力量會逐漸減小 (Edwards & Lippold, 1956)。增加 EMG的活化，也會造成肌肉收縮頻率增加或改變肌肉招募的同步性 (Gandevia, 2001) 或是慢縮肌纖維的電位傳導速度的改變所導致的 (Lindstrom, Magnusson, & Petersen, 1970)。另外，在固定的負荷的踩踏下進行疲勞測試，當誘發疲勞效果產生時，股四頭肌的肌電活化會增加 (Housh et al., 2000; Petrofsky, 1979; Sarre & Lepers, 2005; Saunders et al., 2000)。在實際騎乘過程中發現，進行 4公里的計時賽，當接近終點前會減少功率輸出和增加股外側肌及股二頭肌的肌電活化，其研究指出此一疲勞現象稱作為周邊疲勞。但是，此一研究記錄每一個 200公尺的肌電活化，但卻沒有詳細描述其肌電的圖形。這樣無法清楚其肌電活化增加在哪一個區段 (Hettinga, De Koning, Broersen, Van Geffen, & Foster, 2006)。如同上述，在一穩定的負荷下，當肌電活化增加，會招募更多的運動單位即為疲勞的產生。然而，疲勞的產生也可能造成下肢肌肉協調的改變。因此，目前還無法直接證實疲勞會先影響神經肌肉的誘發或改變下肢肌肉的協調型態。先前研究指出，當股外側肌產生疲勞時，拮抗肌的股二頭肌的肌電活化也會隨之上升 (Psek & Cafarelli, 1993)。相反的，周邊疲勞會使拮抗肌了力量減小，減低共同收縮，導致踩踏表現下降 (Hautier et al., 2000)。另一項研究也指出，進行一小時的 65% 最大功率固定的踩踏下也會產生一樣的結果 (Sarre & Lepers, 2005)。 18.

(32) 然而，肌肉的協調可以讓踩踏更有效益，在固定負荷強度下踩踏，為了瞭解神經肌肉的疲勞，可以觀察肌肉間的協調改變，也可以直接對神經 (M Wave, voluntary activation, RMS) 和肌肉的收縮特性進行測量。在5小時的固定踩踏下 (最大輸出功率的55% )，測量股外側肌及股內側肌的肌肉活化，當連續騎乘1小時後肌肉的收縮特性開始改變，在第五小時後肌肉的活化產生變化(Lepers, Maffiuletti, Rochette, Brugniaux, & Millet, 2002)。影響肌肉疲勞的另一個可能的策略為改變肌肉的活化時間順序，影響踩踏表現。肌肉疲勞會增加延遲性肌肉收縮的現象 (Pääsuke, Ereline, & Gapeyeva, 1999)。在不同的研究上，肌肉活化的時序皆不盡相同 (Billaut, Basset, & Falgairette, 2005; Knaflitz & Molinari, 2003; Sarre & Lepers, 2005)。下肢疲勞對踩踏協調的影響，目前仍未清楚的被定義。肌肉疲勞會減少肌肉收縮的頻率 (De Luca, 1983)，透過頻譜分析可觀察肌肉纖維的收縮速度 (De Luca, 1983) 改變肌肉的運動單位的招募 (Solomonow et al., 1990) 同時也可觀察肌肉疲勞的現象 (Merletti, Knaflitz, & De Luca, 1990; Merletti & Lo Conte, 1997)，或利用小波分析進行評估 (Karlsson, Yu, & Akay, 2000)。評估非平穩訊號中最常使用小波分析 (Farina, Macaluso, Ferguson, & De Vito, 2004a; Farina, Merletti, & Enoka, 2004b)，利用小波分析可以觀察在疲勞前後運動單位的招募 (von Tscharner, 2002)。使用肌電儀進行自行車踩踏的疲勞測試，疲勞後股直肌與股外側肌收縮速度會減少 (Farina et al., 2004a)。然而，另一項研究指出使用頻率域的分析觀察自行車動態踩踏疲勞前後的改變，結果發現小波分析無法表達真正的神經肌肉的招募方式及肌肉的傳導速度 (Farina, 2006)，因此，透過頻率域分析踩踏時的變化是不被建議的。肌電訊號可用來觀察肌肉疲勞前後的收縮變化 (De Luca, 1983)。在固定的負荷下疲勞後肌後的活化會增加 (De Luca, 1983; Krogh-Lund & Jørgensen, 1991; Moritani, Muro, & Nagata, 1986)。利用肌肉的收縮頻率可以觀察肌肉的疲勞程度 (De Luca, 1983) 在疲勞時，對產生較低的收縮頻率，並且向低頻率的方向移動 (De Luca, 1983; Hagg, 1992; Ng, Richardson, Kippers, Parnianpour, & Bui, 1996)。這一項指標已被用來評估疲勞的證據 (De Luca, 1993; De Luca, 1983)。自行車的疲勞會使踩踏力量下降(Bentley, Smith, Davie, & Zhou, 2000)。在高強度高踏頻及長時間作用下產生疲勞，會使神經傳導和肌肉縮效益降 19.

(33) 低導致力量產生下降 (Paavolainen, Nummela, Rusko, & Häkkinen, 1999)。在動態的情境下，肌肉的改變不只是由單一神經的作用下，更是整個神經網絡系統的交互影響 (van Dieën, van der Burg, Raaijmakers, & Toussaint, 1998)。當肌肉產生疲勞時會減少力量的輸出，透過神經系統調節神經元的控制，誘發其他肌肉協助疲勞的肌肉作工，此現象稱為肌肉代償。因此，在騎乘自行車產生疲勞時，會改變肌肉招募的型態。然而，目前大多數關於自行車疲勞監測的研究中，大多是使用力量輸出的下降指標作為疲勞現象的產生。但也有研究使用小波分析評估肌肉疲勞的現象，發現當疲勞產生時所擷取到的肌肉頻率會有不同 (von Tscharner, 2002)。會向低頻率的方向移動。因此，透過頻譜的觀察可判讀運動單位招募的改變，可以精確的判讀在自行車騎乘下肌肉是否達到疲勞的現象。. 第五節自行車踩踏效益相關之研究踩踏效益也是用來檢視自行車踩踏技術的黃金標準之一 (Dorel, Couturier, & Hug, 2009a; Dorel, Drouet, Couturier, Champoux, & Hug, 2009b; Rossato, Bini, Carpes, Diefenthaeler, & Moro, 2008)。然而，也有研究指出踩踏效益的評估無法解釋踩踏技巧的表現，踩踏是一項複雜的技術，無法使用單一的踩踏效益來解釋(Bini & Diefenthaeler, 2010)。透過踩踏效益的改變，可以改善力量的功率輸出，但是，力量的功率輸出的大小無法用來評估踩踏技巧的優劣(Bini & Diefenthaeler, 2010)。相似的踩踏技巧，可透過較大的功率輸出改變，但是，改變的技術會產生更多的活動。當施於踏板的力量可以與踏板方向垂直 (100% 的效益獲得)，功率輸出的表現可以獲得較好的改變，使自行車選手有較佳的踩踏表現。但是目前對於踩踏力量效益與運動表現間的關係，仍各有支持的論點。大多數的研究指出，可以用踩踏的力量效益來評估踩踏的最佳化，經濟性/效益 (機械作工與生理能量的比值) (Korff, Romer, Mayhew, & Martin, 2007; Mornieux, Stapelfeldt, Gollhofer, & Belli, 2008)。並利用此方法評估優秀自行車選手，發現優秀自行車選手有較高的踩踏效益 20.

(34) (Böhm, Siebert, & Walsh, 2008; Hansen & Waldeland, 2008; Holderbaum, Guimarães, & Petersen, 2007)，但是，另外有研究指出其踩踏效益的比值，無法用來代表踩踏技巧。(Bini & Diefenthaeler, 2010; Korff et al., 2007; Mornieux et al., 2008)。其原因為，當在回復期時，產生較多踩踏力量輸出，並非能代表其真正的踩踏效益增加，反而是阻力(Bini & Diefenthaeler, 2010)。自行車踩踏力量的效益被定義為垂直曲柄方向的力量和踏板上所產生作用的合力間的比值。其比值也可以用曲柄垂直方向的衝量和踏板上所產生作用的合力的衝量 (Lafortune & Cavanagh, 1983)。. 圖 2-1 踩踏效益的指標. ……公式一效益的指標 (Index of effectiveness ,IE) 被定義為垂直曲柄方向的力量的衝量 (effective force, EF) 和踏板上所產生作用的合力的衝量 ( resultant force, RF) 之間的比值 (Lafortune & Cavanagh, 1983)。踩踏力量的效益可經由不同形式的自行車踏板被計算得知 (Sanderson, 1991)。當踩踏力量的效益的比值接近 1 時表示有較好的踩踏效益。相反的，當踩踏力量的效益的比值接近 -1 時，表示對側腳產生較大的阻力。然而，踩踏力量的效益只代表複合性肌肉及非肌肉的輸出總功 (Leirdal & Ettema, 2011) 但是他不能 21.

(35) 代表踩踏的技術 (Bini & Diefenthaeler, 2010)。因此，透過踏板分析踩踏效益是需要的，它更能符合生態效度且效度較高的計算方式。踩踏力量的效益會隨著踩踏負荷 (Kautz, Feltner, Coyle, & Baylor, 1991; Zameziati, Mornieux, Rouffet, & Belli, 2006)、踩踏頻率 (Candotti et al., 2007; Patterson & Moreno, 1990) 坐墊位置. (Bini, Carpes, & Diefenthaeler, 2009; Diefenthaeler et al., 2006;. Diefenthaeler et al., 2008; Dorel et al., 2009a) 疲勞效應 (Diefenthaeler, Bini, Carpes, & Vaz, 2007; Dorel et al., 2009b) 踩踏經驗及技巧 (Candotti et al., 2007; Sanderson, 1991)有所改變。目前針對自行車踩踏的效益或經濟性的研究大多數都是採用有氧能力進行評估。然而，在最大無氧之75%，90% 及 100%的負荷下測試，在較高的負荷下，在推進期有較大的踩踏效益(~20%)，在恢復期，有較低的效益(~110%)，踏板上合力及垂直力量增加，使得踩踏力量的效益也增加。(Bini, Diefenthaler, Carpes, & Mota, 2007)。有研究指出，在不同負荷下進行比較 (從 60 ~ 98% 的無氧動力)，在較高的負荷下會有較佳的踩踏效益 (Black, Sanderson, & Hennig, 1994; Zameziati et al., 2006)，另一項研究指出，不同的負荷下 (最大無氧動力75~100% 的功率輸出)，在踩踏效益不會有太多的差異 (Bini & Diefenthaeler, 2010)。這可能因為在增加負荷下，同時也增加肌肉的活化，但是此一現象也造成能量消耗的增加，使踩踏較無效益且缺乏經濟性 (Korff et al., 2007; Mornieux et al., 2008)。因此，較有效率的踩踏為在維持相同負荷作用下，會產生較低的攝氧量消耗，這樣的動作形態下也會有較低的肌肉活化 (Korff et al., 2007; Mornieux et al., 2008)。然而，在60% 的負荷對長期訓練的運動員來說這是非常低的負荷阻力。踩踏頻率對踩踏效益的影響，目前仍然未明確被證實 (Korff et al., 2007; Mornieux et al., 2008)。在實驗室中，使用固定自行車在90 RPM 的騎乘下，可產生最小的合力 (Candotti et al., 2007; Neptune & Herzog, 1999)。但大多數的研究指出，相較自己所選擇的踩踏頻率下，較低的踩踏頻率 (60 RPM) 會有較佳的踩踏效益 (Candotti et al., 2007; Ericson & Nisell, 1988)。較低的踩踏頻率，會產生較少的肌肉活化 (Macintosh, Neptune, & Horton, 2000)，較低的下肢關節力矩 (Marsh, Martin, & Sanderson, 2000; Takaishi, 22.

(36) Yamamoto, Ono, Ito, & Moritani, 1998) 及減少拮抗肌與作用肌的共同收縮 (Candotti et al., 2009; Neptune & Herzog, 1999)，以提高踩踏效益。相反的，也有相關研究指出，提高自己所選擇的踩踏頻率20% 不會對踩踏效益造成影響，在較高的踩踏頻率下 (~100 RPM)，可減少股外側肌及臀大肌肌肉產生的活化 (Lucia et al., 2004)，下肢關節合力矩 (Marsh et al., 2000)，增加踩踏效益 (Ansley & Cangley, 2009)。優秀運動員在高頻率的踩踏下會有較好的踩踏效益產生(Candotti et al., 2007; Rossato et al., 2008)。在不同高度的坐墊位置會影響膝關節的活動角度 (Nordeen-Snyder, 1977; Sanderson & Amoroso, 2009) 、肌肉活化 (Ericson et al., 1984; Jorge & Hull, 1986), 肌肉長度 (Sanderson & Amoroso, 2009)、最大攝氧量(Nordeen-Snyder, 1977; Shennum & DeVries, 1976)，在優秀運動員，改變 3% 的坐墊高度會增加 7% 的踩踏效益(Bini, Hume, & Kilding, 2012)。改變坐墊高度 (8%的的腿長) 不會改變踩踏效益，這可能是因為優秀運動員自己就有習慣的坐墊高度及踩踏位置 (Ericson & Nisell, 1988)，因此，本身對姿勢的改變較為敏感，當位置一改變就會造成較大的差異，尤其在實驗過程中都是觀察立即效果的表現。除了坐墊高度會影響踩踏效益外，另外，位置的前後也會改變踝關節的運動學 (Ericson & Nisell, 1988) 及肌肉活化 (Ricard, Hills-Meyer, Miller, & Michael, 2006).，然而，另一方面也有研究指出，改變 3% 的坐墊位置不會改變踩踏的效益 (Bini, Hume, Lanferdini, & Vaz, 2012)。軀幹角度也會影響踩踏效益的指標之一 (Dorel et al., 2009a)。當軀幹角度減少，可降增加 9.5% 的踩踏效益 (Dorel et al., 2009a)。當自行車握把採用握下把時，大腿與軀幹的夾角變小，可使髖關節的伸肌有效的被利用，以少肌活化的情形，增加恢復期的拉力，同時也改善髖關節的功率輸出，漸少膝關節的關節受力(Dorel et al., 2009a)。相反的論點，也有研究發現在自行車手把位置上，不論是握上把或握下把都不會改變其踩踏效益 (Emanuele, Horn, & Denoth, 2011)。故目前針對軀幹角度對髖關節、膝關節、下肢肌肉的活化及踩踏效益尚未有明確的證據。對於不同騎乘經驗的受試者是否會造成不同的踩踏效益，目前也尚未有明確的答案。從矢狀面觀察運動員與非運動員 (Mornieux et al., 2008) 或是自行車選手與鐵人三項選 23.

(37) 手 (Candotti et al., 2007) 的運動學比較，發現兩族群間是有差異存在的，但是，在職業選手與業餘選手上則沒有差異 (Sanderson, 1991)。在優秀運動員間發現，作用踏板上的合力與踩踏效益間有密切的關連性，並且透過踩踏效益的可以評估騎乘時的運動表現。然而，有研究指出較好的騎乘表現下，有較低的踩踏效益，但是有較大的垂直方向的作用力(Coyle et al., 1991)。近期的研究也指出，在固定阻力下的騎乘時，使用踏板上所計算的踩踏效益，無法代表騎乘時的效益 (Korff et al., 2007; Mornieux et al., 2008)。但是，有較好的踩踏效益的確可以增加騎乘時的效益及經濟性 (Cavanagh & Sanderson, 1986)。在此以論點下，眾說紛紜故本研究以踩踏時的踩踏效益，並結合下肢肌肉的肌肉活化表現進行自行車騎乘時的踩踏效益評估。. 24.

(38) 表 2-3 自行車踩踏效益之相關研究作者. 測量系統. 測量參數. 受試者. Ericson and Nisell (1988). 一個三軸(垂直(Fz)、前後負荷功率、踩踏頻率、坐 6 位非自行車運動員，年不同踩踏頻率及坐墊高 (Fx)、左右(Fy)方向)壓電墊高度式的踏板式測力計。搭配攝影系通觀察曲柄與踏板的角度。. Patterson. and. (1990). Kautz et al. (1991). 齡 20~31 歲. 主要發現度不會影響踩踏效益。. Moreno 兩個兩軸(垂直(Fz)、前後踩踏頻率 (Fx)方向)應變式測力計. 11 位業餘自行車運動員， 200 watt 較 100 watt 的功. 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直負荷功率 (Fz)、前後(Fx)方向)應變式測力計. 14 位男性公路賽選手(23 當踩踏功率負荷從 ± 3 歲) 60~90% 的最大攝氧量在踩踏期(42%)及回復期 (-3%)會隨著負荷增加改變踩踏效益. 年齡 21~44 歲. 25. 率負荷產生較大(66%) 的踩踏效益當踩踏頻率從 50~110 RPM 踩踏效益減少 1.5 倍。.

(39) 作者. 測量系統. 測量參數. 受試者. Coyle et al. (1991). 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直不同族群受試者 (Fz)、前後(Fx)方向)應變. 14 位男性公路賽選手(23 較優秀的自行車選手比 ± 3 歲) 一般自行車選手有較高. 式測力計 Sanderson (1991). 主要發現. 的踩踏效益(8%). 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直踩踏頻率及不同族群受 7 位男性公路賽選手(30 當踩踏頻率從 60~100 (Fz)、前後(Fx)方向)應變試者 ± 11 歲) 和 38 位男性 RPM 會減少踩踏效益式測力計公路賽選手(26 ± 7 歲) 44% ；當踩踏頻率從 80~100 RPM 會減少踩踏效益 16%；當功率負荷從 100 ~235 watt 會增加踩踏效益 56%. Black et al. (1994). 一個三軸(垂直(Fz)、前後負荷功率. 7 位公路賽選手. 當功率負荷從開始到結束會增加踩踏效益. (Fx)、左右(Fy)方向和三個方向的力矩 Mx, My, Mz)壓電式的踏板式測力計。搭配角度計觀察曲柄的角度。. 100%. 26.

(40) 作者. 測量系統. 測量參數. Amoroso, Sanderson, and 一個三軸(垂直(Fz)、前後疲勞測試 (Fx)、左右(Fy)方向和三 Hennig (1993) 個方向的力矩 Mx, My,. 受試者. 主要發現. 11 位公路賽選手. 疲勞前後不會影響踩踏效益。. Mz)壓電式的踏板式測力計。搭配角度計觀察曲柄的角度。 Sanderson (2003). and. Black 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直疲勞測試 (Fz)、前後(Fx)方向) 壓. 12 位男性公路賽選手(28 疲勞前後不會影響踩踏 ± 6 歲) 效益。. 電式測力計 Zameziati et al. (2006). 兩個三軸(垂直(Fz)、前後負荷功率 (Fx)、左右(Fy)方向和三個方向的力矩 Mx, My, Mz)的踏板式測力計。. 10 位非自行車運動員，踩踏效益與騎乘效益或 (26 ± 1 歲) 經濟性有正相關 (r=0.79) 踩踏效益回復期與騎乘效益或經濟性有正相關(r=0.66). 27.

(41) 作者. 測量系統. 測量參數. 受試者. Diefenthaeler et al. (2006). 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直坐墊高度與水平位置 (Fz)、前後(Fx)方向)應變式測力計. 主要發現. 3 位男性自行車運動員，當坐墊向前移動從會減 (26 ± 4 歲) 少踩踏效益 5~7% 當坐墊向上或向下移動從會減少踩踏效益 2~7%. Diefenthaeler et al. (2007). 兩個兩軸(垂直(Fz)、前後疲勞測試 (Fx)方向)應變式測力計. 8 位男性自行車運動員，疲勞前後不會影響踩踏 (31 ± 6 歲) 效益。. Candotti et al. (2007). 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直踩踏頻率及不同族群受 9 位男性公路賽選手(25 當踩踏頻率從 60~105 (Fz)、前後(Fx)方向)應變試者 ± 8 歲) 和 8 位男性鐵人 RPM 會減少踩踏效益式測力計三項選手(27 ± 9 歲) 30%；公路賽選手比鐵人三項選手有較高的踩踏效益(22%)；當踩踏頻率為 90 及 105 RPM 公路賽選手與鐵人三項選手的踩踏效益沒有差異。. 28.

(42) 作者. 測量系統. 測量參數. Korff et al. (2007). 一個三軸(垂直(Fz)、前後踩踏技巧 (Fx)、左右(Fy)方向)壓電式的踏板式測力計。搭配. 受試者. 主要發現. 8 位男性自行車運動員，當踩踏技巧自我選定及 (35 ± 6 歲) 刻意增加回拉動作都會增加踩踏效益。. 攝影系通觀察曲柄與踏板的角度。 Rossato et al. (2008). 一個 ( 右邊 ) 兩軸 ( 垂直負荷功率及踩踏頻率、 (Fz)、前後(Fx)方向)應變式測力計. 8 位男性自行車運動員，當功率負荷從 80 ~60 % (24 ± 3 歲) 的最大輸出功率會增加踩踏效益 13% 當踩踏頻率在自我選定、增加或減少 20%不過改變踩踏效益。. Mornieux et al. (2008). 兩個自製兩軸(垂直(Fz)、踩踏技巧前後(Fx)方向)測力計. 8 位自行車運動員和 7 位恢復期增加 20%的踩踏非自行車運動效益. Bini et al. (2009). 兩個兩軸(垂直(Fz)、前後膝關節的相對位置 (Fx)方向)應變式測力計. 3 位男性公路賽選手和 3 改變膝關節角度不會影位男性鐵人三項選手(29 響踩踏效益 ± 9 歲). 29.