針對跑步過程中膝關節的動作敘述，下列何者正確？

本題觀念：

本題考查的是**跑步步態週期（Running Gait Cycle）**中膝關節的生物力學角度變化。跑步步態與行走步態（Walking Gait）的主要差異在於跑步有騰空期（Float phase），且為了吸收更大的地面反作用力並減少擺盪腿的轉動慣量，膝關節的活動角度範圍（ROM）通常比行走時更大。

選項分析

• A. 觸地初期（initial contact）著地時角度接近 0 度

  • 錯誤。
  • 在跑步的觸地瞬間（Initial Contact, IC），為了吸收地面反作用力（Shock absorption），膝關節通常會保持微彎曲的狀態，角度約為 10~20 度（視著地方式而定，如後跟著地或前掌著地）。
  • 若著地時膝關節為 0 度（完全伸直），會導致巨大的衝擊力直接傳遞至關節與骨骼，增加受傷風險，這在生物力學上是不正常的。行走時的著地角度才比較接近伸直（約 0~5 度）。

• B. 站立期（stance phase）間的最大彎曲角度不大於 25 度

  • 錯誤。
  • 跑步時，在承重反應期（Loading Response）到站立中期（Mid-stance），膝關節會進一步彎曲以緩衝體重與衝擊。一般而言，跑步時站立期的最大膝關節彎曲角度約為 40~45 度。
  • "不大於 25 度" 是行走的數據（行走站立期膝屈約 15~20 度）。跑步時若只有 25 度，代表腿部過於僵硬（Stiff knee），緩衝能力不足。

• C. 擺盪期（swing phase）間的最大彎曲角度約為 60 度

  • 錯誤。
  • 60 度是「行走」步態擺盪期的最大膝屈角度（為了足部離地廓清）。
  • 在跑步中，為了縮短力臂、減少轉動慣量以便快速向前擺動大腿，小腿會更大幅度地向後摺疊（即後踢動作）。因此，跑步擺盪期的膝關節最大彎曲角度通常顯著大於行走，一般介於 90~105 度（慢跑）甚至可達 130 度以上（衝刺）。60 度對於跑步來說嚴重不足，會導致腳尖拖地或擺盪效率低落。

• D. 最大彎曲角度發生在擺盪期（swing phase）

  • 正確。
  • 比較跑步週期中的兩個峰值：
    1. 站立期最大彎曲（吸收衝擊）：約 40~45 度。
    2. 擺盪期最大彎曲（縮短擺動半徑）：約 90~130 度（視速度而定）。
  • 顯然，擺盪期的彎曲角度遠大於站立期。這符合跑步生物力學的特徵，即在擺盪期透過大幅屈膝來提高步頻與擺動效率。

答案解析

正確答案為 (D)。

跑步步態中，膝關節活動度最大時刻發生在擺盪中期（Mid-swing），此時腳跟最接近臀部，膝屈角度可達 90 度以上。相比之下，站立期的膝屈角度主要用於緩衝，角度較小（約 40-45 度）。其他選項之數值多為描述「行走」步態或數值過小，不符合跑步之生物力學特徵。

核心知識點

1. 跑步 vs. 行走膝關節角度差異：
   • 著地（IC）：行走 ~0-5°；跑步 ~15-20°（跑步需更多緩衝）。
   • 站立期最大屈曲：行走 ~20°；跑步 ~40-45°。
   • 擺盪期最大屈曲：行走 ~60°；跑步 >90°（隨速度增加而增加）。
2. 跑步步態週期功能：
   • 站立期屈膝：主要功能為吸震（Shock Absorption）。
   • 擺盪期屈膝：主要功能為縮短力臂（Moment arm），減少轉動慣量，利於加速擺動。

參考資料

1. Novacheck, T. F. (1998). The biomechanics of running. Gait & Posture, 7(1), 77-95. (跑步生物力學經典回顧，詳述了各階段角度)
2. Dugan, S. A., & Bhat, K. P. (2005). Biomechanics and analysis of running gait. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics, 16(3), 603-621.
3. Souza, R. B. (2016). An Evidence-Based Videotaped Running Biomechanics Analysis. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. (提及站立期膝屈角度正常值約 45 度)