運動生理週訊(第369期)
跑步時膝關節的共同收縮 (co-contraction) (June.11.2018)
王順正、林玉瓊
膝關節的共同收縮 (co-contraction)，通常是針對膝關節伸展 (股直肌) 與收縮 (股二頭肌) 進行表面積分肌電 (iEMG) 分析，再透過最大自主等長收縮 (maximal voluntary isometric contraction, MVIC) 之肌電振幅進行標準化，標準化後的股直肌活化訊號除以股二頭肌的活化訊號之比值做為共同收縮比率 (羅瑭勻等，2017)。
Co-contraction ratio (CCR) 或co-contraction index (CCI) 常見於肌肉共同收縮的相關研究文獻中。Mohr等 (2018) 針對有否膝關節傷害病史 (各10人) 受試者，走路時的CCI評量結果的再測信度研究中，依據走路的三個分期: 腳跟著地前期 (pre-heel strike, 150 ms window before heel strike)、著地前期 (early stance, heel strike to peak knee flexion)、著地中期 (mid stance, peak knee flexion to peak knee extension)，進行膝關節股外側肌 (Vastus Lateralis, VL) 與股二頭肌 (Biceps Femoris, BF) 的表面肌電圖紀錄，並且採用MVC測驗進行標準化之後，進而獲得CCI的評量結果 (請參考下圖)。CCI的演算方法是透過
進行。研究結果發現，在同一天中進行CCI評量的再測信度良好 (ICC > 0.9)，但是在不同的日子進行CCI評量的再測信度差。
股外側肌 (Vastus Lateralis, 上) 與股二頭肌 (Biceps Femoris, 中) 計算共同收縮指數 (下) 的實例 (Mohr等，2018)
Besier等 (2009) 的研究則分析髕骨股骨疼痛 (patellofemoral pain, PFP) 者 (27人) 與沒有疼痛者 (16人)，在走路與跑步著地期間的膝關節共同收縮 (co-contraction of quadriceps and hamstrings) 差異。研究發現髕骨股骨疼痛者，在走路著地時具備較大的共同收縮指數 (co-contraction index) (0.14 vs 0.09, p=0.025)，在跑步著地期的前面60%期間，也有髕骨股骨疼痛者共同收縮指數較大的現象 (右圖)。
Moore等 (2014) 針對11名女性休閒跑者，分別在三種速度 (9.1、11、12 km/h) 下跑6分鐘，紀錄跑步代謝成本 (metabolic cost) 與每個速度最後兩分鐘的肌肉 (股直肌RF、股外側肌VL、股二頭肌BF、脛前肌TA、腓腸外側肌GL) 共同收縮狀況。研究發現三個速度跑步時，下肢肌肉共同收縮與代謝成本呈現顯著的正相關，代表腿部肌肉共同收縮增加時代謝成本也會提高，跑步經濟性較差。而且當跑步速度增加時，屈肌的肌肉活動會降低，降低肌肉的共同收縮。
Tam等 (2017) 針對14名一萬公尺成績28.7±0.4分鐘的優秀肯亞跑者，在12、20 km/h兩種速度下的攝氧量與下肢肌電圖，肌群包含臀中肌 (gluteus medius, GM)、股直肌 (rectus femoris, RF)、股二頭肌 (biceps femoris, BF)、腓骨長肌 (peroneus longus, PL)、脛前肌 (tibialis anterior, TA)、以及腓腸肌外側 (gastrocnemius lateralis, LG)，並且依據作用肌與拮抗肌在預活化 (preactivation) 與地面接觸 (ground contact) 期間的肌電圖，進行著地前 (pre-activation) 與著地期間 (ground contact) 的能量成本 (energy cost) 、膝關節硬度 (knee stiffness) 與肌肉共同收縮 (muscle co-activation) 分析。研究發現，能量成本與高速度下著地前的RF：BF共同收縮顯著相關 (右圖)；不同速度跑步著地前的RF：BF的共同收縮相似，但是高速度跑步著地期間的RF：BF的共同收縮會明顯下降 (下圖)；在兩種速度下著地前與著地期間，膝關節硬度與RF：BF共同收縮都具備顯著相關。研究結果顯示，下肢肌肉骨骼神經系統的調節也是提升跑步表現與避免傷害的重要因素，而且在著地前的調節也是相當重要。
12、20 km/h兩種速度的肌肉共同收縮狀況 (Tam等，2017)
跑者在相同速度下跑步時，膝關節的共同收縮越低，代表拮抗肌用力的強度下降，有利於跑步的運動表現。過去的研究發現，膝關節受傷者的膝關節共同收縮會顯著增加：膝關節共同收縮可能與代謝成本或能量成本成正比，代表共同收縮越高能量成本越大、跑步經濟性越差。未來有必要標準化膝關節共同收縮的操作定義，建構完善的共同收縮評量指標，並且進一步釐清膝關節共同收縮與跑步技術指標與生理指標的關係。
引用文獻
羅瑭勻、駱燕萍、詹明昇、張家豪 (2017)。不同墊步模式對女子籃球選手非軸心腳膝關節負荷之差異。大專體育學刊，19(4)，361-373。
Besier, T. F., Fredericson, M., Gold, G. E., Beaupré, G. S., & Delp, S. L. (2009). Knee muscle forces during walking and running in patellofemoral pain patients and pain-free controls. Journal of Biomechanics, 42(7), 898-905.
Frost, G., Bar-Or, O., Dowling, J., & Dyson, K. (2002). Explaining differences in the metabolic cost and efficiency of treadmill locomotion in children. Journal of Sports Science, 20(6), 451-461.
Mohr, M., Lorenzen, K., Palacios-Derflingher, L., Emery, C., & Nigg, B. M. (2018). Reliability of the knee muscle co-contraction index during gait in young adults with and without knee injury history. Journal of Electromyography and Kinesiology, 38, 17-27.
Moore, I. S., Jones, A. M., & Dixon, S. J. (2014). Relationship between metabolic cost and muscular coactivation across running speeds. Journal of science and medicine in sport, 17(6), 671-676.
Tam, N., Santos-Concejero, J., Coetzee, D. R., Noakes, T. D., & Tucker, R. (2017). Muscle co-activation and its influence on running performance and risk of injury in elite Kenyan runners. Journal of Sports Sciences, 35(2), 175-181.
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