不同性別青少年非預期性單腿落地上的生物力學與能量吸收差異

青少年非預期單腿落地跳中的性別差異生物力學和能量吸收：對膝關節損傷力學的影響

Sex-specific landing biomechanics and energy absorption during unanticipated single-leg drop-jumps in adolescents: implications for knee injury mechanics

介紹：

前十字韌帶是最常見的韌帶損傷，其傷害發生率約在0.17-0.23每千小時運動訓練 (per 1000 athlete exposures)。其傷害發生率在過去十年有逐漸提高的趨勢。然而前十字韌帶傷害的發生率在男女之間是存在差異的，相較男性，女性有更高的前十字韌帶受傷發生率，現今理論也指出女性運動員的生物力學模式會讓膝韌帶產生較大的張力。

過去的研究指出女性在落地的姿勢中，會保持較為直挺的上半身，並且會減少膝關節與髖關節的屈曲 (flexion)，而這樣的機制被認為與前十字韌帶受傷有所關聯。

在落地撞擊地面時，地面反作用力會加速下肢關節屈曲，而撞擊力量傳遞會從撞擊點開始快速衰退，如果此時離心機群作用，可以吸收撞擊能量減少地面反作用力加速關節屈曲。

雖然過去實驗室內執行規範性的落地動作是有研究價值的，但是前十字韌帶的傷害大多發生非預期的落地機制，因此了解非預期性落地的生物力學參數是極具價值的。在本篇研究是為了瞭解男女性在非預期落地動作上生物力學參數的差異，還有了解等長肌力與落地能量吸收的相關性。

結果

運動學參數如下圖所示，可以看到男性受試者與女性受試者相比在落地時有較少的骨盆前傾、較大的軀幹屈曲，並且在執行落地動作時會有較小的髖關節內收 (hip adduction)，還有較大的踝關節內翻 (ankle eversion)。

以能量吸收的結果來看，男性受試者比女性受試者相比更依靠他們的髖關節來吸收落地的衝擊力，並且踝關節吸收較小比例的落地衝擊。而在峰值關節功率，男性受試者比女性受試者有更小的峰值功率在膝關節與踝關節上。

關節功率的標準化時序如下圖所示，可以看到女性在髖關節與踝關節出現峰值功率的時序都慢於男性受試者。

討論

男性受試者與女性受試者相比，展現出更大的軀幹向前屈曲，但是比較少的骨盆前傾。在本篇研究中也在 injury screening tool(DVJ) 發現在等長髖伸屈肌力與髖關節的力量吸收有中等相關性。

在男性受試者在執行落地動作時有較少的髖關節內收與較大的踝關節內翻，在本研究作者的解釋是在執行單腳落地時，如果有較大髖內收，可能會移動骨盆跟軀幹質量中心到落地腳上，還有幫助對側腳離開地面。

而女性受試者的落地策略出現骨盆向前塌陷 (collapse)，並且會保持較為直立的軀幹/胸部姿勢。本篇作者認為這可能是女性受試者較為薄弱的等長髖關節伸屈力量，如果髖關節伸肌無法幫忙作用，就會讓控制落下力量加速骨盆質量中心，造成落地時的骨盆塌陷，再來是為了避免軀幹的質量中心偏移身體的支撐中心 (base of support)，身體會減少身體向前屈曲作為代償。

過去研究也指出如果增加軀幹向前屈曲，可以提供機制上的優勢來增加腿後肌的使用，並且讓軀幹質量中心接近膝關節，進而減少股四頭肌的使用。

更高的負關節功率，也代表需要更大的離心收縮作用來消散撞擊能量。在關節功率峰值的時序上可以看出，男性受試者可以更好的將能量從遠端關節傳到近端關節。

過去研究也說明如果高度依賴踝關節庶屈 (plantar flexors) 來做能量吸收，可能對前十字韌帶傷害是有害的，會造成更大的腓腸肌收縮並孤立或共收縮腿後肌，因此造成更大的前十字韌帶壓力。

結論

未來再觀察運動員落地動作時，除了最大落地的衝擊，還需要注意的是使用下肢動作的時序，還有個下肢肌肉的肌力強度。

生物力學中的截止頻率與殘差分析 (Cutoff Frequency and Residual Analysis in Biomechanics)

生物力學中的截止頻率與殘差分析 (Cutoff Frequency and Residual Analysis in Biomechanics)

在運動生物力學的分析裡面，經常會使用到資料平滑處理(Data Smoothing)的技術，無論是在處理肌肉表面電位(sEMG)或是運動學資料，這邊要討論的是在選擇數位濾波器(Digital Filtering)的時候，該如何決定截止頻率(Cutoff frequency)與使用殘差分析作資料的判讀。

在Research method in biomechanics 4ed中對截止頻率的定義為頻率強度(frequency's power)下降一半的位點，或是等同於振幅(amplitude)降低$\frac{ \sqrt{2}}{2}$，或是降低到-3分貝(decibels)，或是等同於振幅降低到原始振幅的0.707。

下圖為腳趾光球點經過低通濾波器後的資料。

Figure from: Biomechanics and motor control of human movement (2009)

以下是Biomechanics and motor control of human movement (2009)中提到殘差分析(Residual analysis)的公式，最終就是希望利用殘差公式找到該參數的截止頻率。

$R(f_c) = \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i = 1}^{N}{(X_i - \hat{X_i})^2}}$

$f_c$: 是濾波器的截止頻率

$X_i$: 在i點的原始資料

$\hat{X_i}$: 在i點的被濾波完的資料

Figure from: Biomechanics and motor control of human movement (2009)

運動生物力學最常使用的濾波器為Butterworth filter，雖然他的transtion band比較平緩，但是因為他的頻率通帶是平坦的，所以較不會影響訊號品質。但是在使用數位濾波器的時候還有一樣東西需要考慮，就是不同濾波器的Group delay或是稱作Phase delay，在FIR filter他的group delap是線性的，因此較好做後續的處理，但是Butterworth filter是屬於IIR filter，他的Group delay是非線性。

對於Group delay的相關問題，建議閱讀以下資料

Matlab: Practical Introduction to Digital Filtering

https://www.mathworks.com/help/signal/ug/practical-introduction-to-digital-filtering.html

因此現行的解決方法為將訊號進行兩次IIR濾波，一次forword、一次reverse，就能剛好將Group delay抵銷，但是這又出現一個新的問題，進行兩次濾波與一次濾波的transtion band是不同的，兩次濾波有較為陡峭的Transition band，如下圖所示。

Figure from: Biomechanics and motor control of human movement (2009)

因此這就需要做係數的校正，避免因為兩次濾波，而將本來要保留的訊號消除，在Biomechanics and motor control of human movement (2009)所使用的係數校正公式如下

$C = (2^\frac{1}{n} - 1)^{0.25}$

n為通過次數，所以對於dual pass，C = 0.802

而對於Critically damped filter的校正係數如下

$C = (2^\frac{1}{2n} - 1)^{0.5}$

References

1. Robertson, D. G. E., Caldwell, G. E., Hamill, J., Kamen, G., & Whittlesey, S. (2013). Research methods in biomechanics. Human kinetics.

2. Winter, D. A. (2009). Biomechanics and motor control of human movement. John Wiley & Sons.

3. https://www.codeproject.com/Articles/1267916/Multi-pass-Filter-Cutoff-Correction

4. https://nbviewer.org/github/BMClab/BMC/blob/master/notebooks/ResidualAnalysis.ipynb