悟理治療部落

探討Knee生物力學之運動觀首先必須了解exercise modes (CKC VS OKC).

I. Open Kinetic Chain 與 Closed Kinetic Chain之比較:

定義上:

Open kinetic chain (OKC) 定義為關節末端(terminal segment)能自由移動 i.e. 踢腿.

Closed kinetic chain (CKC) 定義為關節末端(terminal segment)是固定的 i.e.蹲

生物力學上:

其實OKC and CKC exercises 之差異不在於關節兩端運動的安排方式而在於兩種運動模式針對膝關節產生的最終loads.(如圖)

1.  
   1.  OKC exercises: 膝關節 (TK)主要承受的load主要來自地心引力作用在tibia之重量(W_LG)
   2. CKC exercises: the ground reaction force (FG) 傳到腳踝(TA)小腿而到膝關節；而身體之重量(BW)則會藉由髖關節(TH)與大腿傳到膝關節(TK).

II. 而影響Knee joint exercise之組織主要有1. Muscles and 2. Ligaments

 III. 膝關節之運動觀:

• 臨床的研究與應用上發現 CKC運動較 functional,且建議 CKC運動應為膝關節復健的主要方式.
•  以CKC之慨念, Mann et al. (1980).指出: 跑步時swing phase佔 70%, stance phase 30%. 而快速短跑(sprinting)時 Swing phase佔80%, stance phase 20%. 如此快速連續性的OKC-CKC gait concept, 轉化成臨床上plyometric training.
• 接下來, 讓我們討論一下knee joint的CKC運動

 一些常見knee joint運動之效果比較 :

1.  
   1.  Hamstring peak activity: Squat ascend(蹲起) from 88-102 degrees>leg press >seated knee extension. (Wilk)
   2. lateral step up運動時 : Quad to Hamstring ratio為 2.6 to 1 . Brask (1984).
   3. 針對Quad recruitment之效果: lateral step > stairclimber.   Cook (1992).

 Leg Press

 Lateral Step Up

  Stairclimber

•  Wilk 指出在不同的運動型態下Anterior/posterior tibiofemoral shear forces(剪力)於OKC或CKC時,對ACL與PCL之影響情形:

1.  

   1. 膝伸展knee extension(OKC): 100-45 degrees時, PCL 會受力; 而 40-0 degrees時變成 ACL受力

   2.  膝彎曲 knee flexion(OKC): 0-40 degrees ACL 受力

   3.  Squat and leg press (CKC): 最大的 PCL 受力在knee flexion 90 degrees時, 而ACL反而沒有受力 

       

•  Li G, et al (1999), Sakane M, et al (1997) 等人,  針對蹲squat (CKC)之研究, 指出ACL和 PCL 之受力在較高度數的knee flexion時會消失. 最大的ACL受力發生在15~30 degrees of flexion,而在60 degrees後急速下降, 而在較高度數基本上則不受力. PCL受力在超過30 degrees of knee flexion時會逐步增加,最大值發生在90 degrees, 隨後明顯下降. Markolf et al. (1996)更指出超過120 degrees of knee flexion時, PCL 受力是非常小的. 一般來說, 一個健康年輕人的PCL受力預估可達4,000 N 遠低於蹲90 degrees of knee flexion之最大posterior shear(後移剪力)約2,700 N (Escamilla, (2001))
• Escamilla 於1995比較不同足部位置時 Squat 和leg press之變化,發現

1.  
   1. Squat和 leg press會增加40-65% 的knee joint (含tibiofemoral和patellofemoral joits) compression. 對膝關節而言最大的compressive forces發生在90o to 100o of knee flexion 之後約略維持穩定. 安全的squat訓練可在knee flexion range of 0o to 50o,因為50-80o of flexion時, knee joint compression增加的很明顯.
   2. Leg press時, low feet position會使quadriceps出力多20%, 而PCL 之受力多10-15%, 而且low feet position對關節的compression force較high feet position少20%.
   3.  兩腳靠近時, leg press會增加5-10% PCL之 shear force(剪力), squat會增加5-20%的gastroc/quadriceps recruitment
   4. 兩腳打開時, squat會增加10-30%的 Hamstring/ gluteus maximus recruitment

IV. 復健運動的設計需考量我們要針對的標的組織target tissue和該組織之生物力學的變化而加以設計, 而非一昧的執行所謂的CKC運動而已。

• CKC 運動會促進關節穩定度然而也會產生較大的壓迫(如 meniscal repairs, chondral defect repairs後太早執行CKC運動).
• 若PCL受損,則leg press可能會引起PCL之過多而不良之loading；但對ACL缺損而言, leg press反而是一個重要的復健運動。
• 針對Patellofemoral syndrome要增加VMO to Vastus lateralis recruitment ratio的病人而言，Leg press之效果> squat。以不同運動產生的Patellofemoral compression 最大值來看: Terminal Knee Extension 發生於40-0 degrees, 所以安全的運動範圍為90-40 degrees；Squat發生於70-90 degrees, 安全的運動範圍為 0-50 degrees
• 此外VMO EMG study (Simoneank)顯示各種運動對VMO/VL recruitment ratio之效果發現quadriceps setting>lateral step up>leg press>Terminal knee Extension  >squat.
•  ACL reconstruction之患者於 0-30 degrees作 leg press 時可誘發quadriceps and hamstring 之co-contraction而達到最好之效果.

祝大家能有一個happy knee

 Terminal Knee Extension