太極拳摟膝拗步動作的下肢動態穩度、關節運動及肌電活動規律特征分析

毛敏 馬剛 權琳琳 王疆娜 曹傳寶 張藤 宋祺鵬 張翠 孫威

摘要：目的：運用生物力學方法，對比太極拳練習者摟膝拗步與正常行走動作的動態穩度、運動學及肌電學指標，探析太極拳典型動作內在的神經肌肉控制特征，以期揭示太極拳預防跌倒功效的機制性原因。方法：以25名10年以上太極拳專業運動經歷練習者為研究對象，應用Vicon紅外運動捕捉系統和MegaWin表面肌電測試系統同步記錄受試者摟膝拗步和正常走動作運動學、肌電學數據;應用動態穩度、下肢關節運動幅度、肌肉激活指標對動態穩度、關節活動及肌電活動規律特征進行量化評定。結果：與正常行走相比，摟膝拗步動作動態穩度在前后方向上顯著較大（P<0.05），左右方向上顯著較大（P<0.05）;髖關節屈伸（P<0.05）、膝關節屈伸（P<0.05）和踝關節內外翻（P<0.05）運動幅度顯著較大;股直肌（P<0.05）和脛骨前肌（P<0.05）的積分肌電值有顯著性差異;正常行走與摟膝拗步肌肉激活順序相同，激活時間和收縮持續時間不同，但并未見顯著性差異（P>0.05）。摟膝拗步動作中股二頭肌在右單支撐和第一雙支撐（右腳著地到左腳離地）階段中貢獻率顯著較大（P<0.05），股直肌在左單支撐和第二雙支撐（左腳著地到右腳再次離地）階段中貢獻率較大，但差異不具有顯著性（P>0.05）。結論：與正常行走相比，太極拳經典上步動作摟膝拗步的動態穩度、下肢關節運動幅度、股直肌與脛骨前肌的肌肉積分肌電值較大。太極拳摟膝拗步動作中練習者通過在非穩定狀態下的練習，更大程度地激活了下肢肌肉，改善了下肢肌肉尤其是股直肌與脛骨前肌的力量，優化了下肢肌肉用力協調性。增加關節運動幅度的策略，可能有利于改善神經肌肉控制能力，提高姿勢控制能力，起到預防跌倒的效果。

關鍵詞：動態穩度;關節運動幅度;積分肌電;肌肉積分肌電貢獻率;太極拳

中圖分類號：G804.6;G852.11文獻標識碼：A文章編號：1006-2076（2021）03-0024-07

Characteristic analysis of the margin of stability，joint motion and electromyographic activity of the lower limbs in Tai Chi's brush knee and twist step movement

MAO Min1， MA Gang2， QUAN Linlin3， WANG Jiangna4， CAO Chuanbao4， ZHANG Teng4， SONG Qipeng4， ZHANG Cui5， SUN Wei4

1. Division of Physical Therapy， Dept. of Allied Health， University of North Carolina at Chapel Hill， Chapel Hill， NC，27599，USA，; 2. Logistics University of Chinese People’s Armed Police Forces， Tianjin 300309， China; 3. Weihai Vocational College， Weihai 264200， China; 4. School of Sports and Health， Shandong Sport University， Jinan 250100， Shandong， China; 5. Shandong Institute of Sports Science， Jinan 250102， Shandong China

Abstract：Objective： The margin of stability， kinematics and electromyography of Brush Knee and Twist Step and normal walking movements of Tai Chi practitioners were compared by biomechanical methods. The intrinsic neuromuscular control characteristics of typical movements of Tai Chi were analyzed to reveal the mechanism of the preventive effect of Tai Chi on falls. Methods： Taking 25 Tai Chi practitioners who have more than 10 years' professional sports experience as the research object， Vicon Infrared Motion Capture System and MegaWin Surface EMG Test System were used to synchronously record the kinematic and EMG data of Brush Knee and Twist Step and normal walking. The margin of stability， range of motion of lower extremity joints and muscle activation index were used to quantify the characteristics of margin of stability， joint movement and EMG activity. Results： In the margin of stability of Brush Knee and Twist Step movement in the anterior and posterior directions （P < 0.05）， medical and lateral directions （P < 0.05）， in the range of hip joint flexion and extension （P < 0.05）， knee joint flexion and extension （P < 0.05）， ankle varus and valgus （P < 0.05），in the integral EMG values of rectus femoris （P < 0.05） and tibialis anterior muscle （P < 0.05） were significantly larger， compared with normal walking. The activation order of the muscles in normal walking and Brush Knee and Twist Step was the same， and the activation time and contraction duration were different， but there was no significant difference （P > 0.05）. In the contribution rate of the biceps femoris between the right single support and the first double support （from right foot landing to left foot landing） in the Brush Knee and Twist Step movement （P < 0.05） were significantly larger. The rectus femoris contributed to the left single support and the second double support （from left foot landing to right foot landing again）were larger， but the difference was not significant （P > 0.05）. Conclusion： The MoS， range of motion of lower extremity joints， the muscle integrated EMG value of the rectus femoris and the tibialis anterior muscle of the classic Brush Knee and Twist Step movement of Tai Chi are larger， compared with normal walking. Practitioners of Tai Chi Brush Knee and Twist Step movement in an unstable state can activate lower limb muscles to a greater extent， improve the strength of lower extremity muscles， especially the rectus femoris and tibial anterior muscles， and optimize the coordination of lower limb muscles. The strategy of increasing the range of joint motion may help improve neuromuscular control and posture control and having the effect of preventing falls.

Key words：margin of stability; range of joint motion; integrated electromyogram; IEMG contribution;TAI CHI

流行病學調查顯示，超過三分之一的老年人每年至少發生一次跌倒[1]，大約30的跌倒發生在樓梯行走[2]及跨越障礙物[3]的單腿支撐邁步過程中。老齡化導致姿勢控制能力和肌肉力量下降，由此引起的生物力學步態參數異常和變異性增加是導致跌倒的直接原因[4-5]。研究發現，隨著年齡的增加，老年人跨越障礙時足間隙距離減小，質心晃動幅度增加，步速變異性增大[5];上樓梯行走水平地面反作用力的峰值、髖膝踝關節力矩減小[6];下樓梯過程中老年人的下肢關節力矩顯著增高，這就要求有足夠的下肢肌肉力量以維持身體的穩定性[7]。傳統的靜態穩定性理論[8]認為，人體質心或重心在水平面的投影落在支撐面內，人體處于穩定狀態。已有多項研究表明，足底壓力中心（Center of pressure， 簡稱：COP）的晃動速度、幅度及質心與壓心的距離可以評估身體穩定性[9-11]。但對于處于運動狀態的人體，應綜合考慮質心的位置和速度對身體穩定性產生的影響[12]。Hof等人將外推質心位置（Extrapolated centre of mass position， 簡稱：CM）定義為質心在水平面的投影加上速度與因子ω0的比值，動態穩度（Margin of stability，簡稱：MoS）則為CM到最遠前邊界的最小距離[13]。MoS越小代表CM與COP的距離越小，身體穩定性越好。

眾多研究表明，太極拳鍛煉能夠有效地改善老年人神經肌肉控制特征，降低跌倒的風險，是預防跌倒的重要手段。縱向研究發現，長期的太極拳練習可以有效地提高老年人的身體穩定性，改善老年人的下肢肌肉力量[14]、本體感覺[15]、協調性[16]、柔韌性[17]等能力。橫向研究發現，長期太極拳鍛煉者在跨越障礙物時采取減小步速及質心晃動幅度，并增加足間隙的“保守的策略”[18]，可能在一定程度上降低了跌倒的風險。

盡管太極拳預防跌倒的效果已得到較好的驗證，然而對太極拳單一動作的深入剖析研究較少，缺乏跌倒背后的神經肌肉控制機制分析。摟膝拗步作為典型太極拳動作，與正常行走、跨越障礙物動作具有相似性，包括支撐腿單腿支撐與擺動腿向前邁步動作[5]，對下肢肌肉力量、姿勢控制能力以及肌肉協調控制要求較高。這種特殊的動作中，人體采用怎樣的神經肌肉控制策略維持身體平衡國內外尚無法揭示，對其內在機制，還需要進一步的分析，進而從動作結構上探析太極拳提高人體姿勢控制、預防跌倒的原因。

1研究方法

1.1受試者

應用Gpower軟件計算研究所需樣本量。根據前人的研究[19]，設置power為0.8，α為0.05，效應量為0.68，計算出所需樣本量為19人，本研究選取樣本量為25人。

2019年5月，通過健身宣講的方式在山東省濟南市隨機招募了25名65歲以上、太極拳鍛煉年限在10年以上，且近一年內無跌倒史老年健康女性為受試者（年齡67.4±2.3歲、身高160.6±5.4 cm、體重72.5±8.3 kg、鍛煉年限13.4±3.1年）。所有受試者均了解測試過程，并簽署知情同意書。受試者優勢側均為右側。

1.2測試動作的選取

本研究選取太極拳典型動作“摟膝拗步”進行測試分析，選取正常行走作為對比動作。步態周期的確定為右腳腳跟著地至右腳腳跟再次著地。步態周期劃分為四個階段：第一雙支撐階段（右腳著地到左腳離地階段）、右單支撐階段（左腳離地至左腳著地階段）、第二雙支撐階段（左腳著地到右腳再次離地階段）、左單支撐階段（右腳離地至右腳著地階段）。

1.3測試設置及流程

1.3.1測試設置

應用運動學和肌電測試儀器對受試者正常行走和摟膝拗步動作進行同步數據采集。

運動學數據采集：采用8個紅外攝像頭的Vicon紅外運動捕捉系統（Vicon Motion System，英國）進行運動學數據的采集，采集頻率為100 Hz，將41個直徑14 mm的紅外反光Mark球按照Visual 3D模型分別粘貼于受試者頭部、左右上臂、左右前臂、軀干、骨盆、左右大腿、左右小腿以及左右足的骨性標志點上，具體粘貼位置如圖1所示[20]。

肌電數據采集：采用MegaWin ME6000無線表面肌電測試系統采集優勢側下肢股直肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌在運動中的肌電活動信號，采集頻率為1 000 Hz。受試者自然站立，對皮膚進行剃毛、清潔、打磨處理。在優勢側下肢四塊肌肉的肌腹最隆起處沿肌肉走向粘貼電極片，并用彈性繃帶固定EMG傳感器。

1.3.2測試流程

實驗開始前，受試者進行身體形態學指標的測量，然后工作人員講解熟悉實驗流程及熱身。受試者按照工作人員的指令分別進行正常行走和摟膝拗步動作的測試，每個動作進行5次測試，兩次間隔休息1 min。如若測試過程中有停頓、Mark點或EMG傳感器掉落等狀況，則需要重新測試。

1.4數據處理

運用Vicon Nexus軟件對運動學數據采集的Mark點進行命名、截取和刪補，運用Visual 3D分析軟件（C-Motion，美國）進行建模、截止頻率分別為6 Hz和50 Hz的巴特沃斯低通濾波、標準化等處理和計算[20]。將肌電信號與視頻信號同步，根據視頻時間點對肌電數據進行截取[21]。運用MegaWin軟件對采集的肌肉肌電信號做帶通濾波（10～400 Hz）處理、全波整流、肌電圖曲線整形及面積積分處理。為保證數據的可靠性，每個受試者每個任務選取3次有效的數據取平均值。

1.5測試指標

測試指標包括：評價身體姿勢控制能力的前后、左右方向動態穩度（MoSap、MoSml）[22-23]、評價關節活動能力的髖、膝、踝三關節的運動幅度[24-25]以及評價下肢肌電活動規律的肌肉積分肌電值[26]、激活和持續時間[27]、肌肉積分肌電貢獻率[28]。

（1）動態穩度

有研究表明，由單腳支撐到雙腳支撐的轉換時刻為人體最不穩定的時刻[13， 29]。動態穩度由下面的計算方式得出[13]：

ω0=g/l（1）

CM=CoM+CoM·/ω0（2）

MoS=Bmax-CM（3）

其中，ω0為人體倒鐘擺模型的固有頻率，g為重力加速度，l為質心到地面的垂直距離，CoM和CoM·分別為某一時刻質心的位移和速度，Bmax為支撐面某一方向上邊界的最大值，本研究通過優勢側腳跟著地時刻腳跟Mark點位置表示。

（2）關節角度運動幅度

受試者在正常行走和摟膝拗步動作的一個動作周期過程中下肢髖、膝、踝三關節角度在矢狀面、額狀面和水平面分別進行屈伸、內收外展和內外旋轉的運動范圍。

（3）肌電活動規律

利用MegaWin肌電數據處理軟件對肌電數據進行處理。

積分肌電值（IEMG），由以下公式計算得出：

IEMG=∫N1N2X（t）·dt（4）

其中，N1和N2為積分的起點和終點;

在確定肌肉激活時間時，定義第一塊被激活的肌肉為0.00 s。將肌電信號值超過基線均值兩倍標準差且持續時間在50 ms以上定義為肌肉活動起止時刻[30]，符合定義標準的時間相加即為激活持續時間。由于不同受試者完成動作的時間不同，為便于比較，激活持續時間用每個動作的完成時間進行標準化。

肌肉積分肌電貢獻率：完成某動作時，動作周期中某塊肌肉的積分肌電與所測所有肌肉的積分肌電的比值可以反映某塊肌肉在此動作周期中的貢獻，即肌肉積分肌電貢獻率[28]。

1.6統計分析

應用SPSS19.0統計軟件對數據進行統計分析，數據以平均值±標準差（X±SD）表示。通過 Shapiro-Wilk檢驗數據的正態分布性;應用配對樣本T檢驗（Paired t test）對摟膝拗步和正常行走動作的運動學和肌電指標進行統計分析;應用一維重復性方差分析（One-way repeated ANOVA）對下肢肌肉在不同階段積分肌電貢獻率進行統計分析。顯著性差異水平設置為0.05。

2結果與分析

2.1正常行走和摟膝拗步的動態穩度（MoS）結果

由表1和表2可見，在優勢側（右側）腳跟著地時刻，相比于正常行走，摟膝拗步動作中人體質心前后方向上的位移無顯著性差異（P=0.073），左右方向上的位移顯著較小（P=0.000）;質心前后方向的速度顯著較小（P=0.000），左右方向的速度顯著較大（P=0.017）;推算的質心位置在前后、左右方向上均顯著較小（P=0.035，P=0.002）;支撐面的最遠邊界前后和左右方向無顯著性差異（P=0.247，P=0.074）;前后方向的動態穩度顯著較大（P=0.028），左右方向的動態穩度顯著較大（P=0.001）。

2.2正常行走和摟膝拗關節運動幅度結果

由表3可見，相比正常行走，摟膝拗步動作髖關節屈伸運動幅度顯著較大（P=0.003），內收外展（P=0.262）和內旋外旋幅度（P=0.196）略大，差異不具有顯著性;膝關節屈伸運動幅度顯著較大（P=0.041），內翻外翻（P=0.083）和內旋外旋（P=0.107）幅度差異不具有顯著性;踝關節內翻外翻幅度顯著較大（P=0.025），背屈跖屈（P=0.636）和內旋外旋（P=0.697）幅度差異不具有顯著性。

2.3正常行走和摟膝拗步肌電活動結果

由表4可見，與相比正常行走，摟膝拗步動作股直肌的積分肌電值顯著較大（P=0.027），脛骨前肌的積分肌電值顯著較大（P=0.032），股二頭肌和腓腸肌的積分肌電值較大，但差異不明顯（P=0.187，P=0.294）。

由表5可見，正常行走和摟膝拗步動作4塊肌肉的激活順序相同，均為脛骨前肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌，但各肌肉的激活時間和收縮持續時間不同。實驗結果中正常行走和摟膝拗步激活時間、持續時間并未見顯著性差異。

由圖2可見，在進行摟膝拗步動作時，在右單支撐階段和第一雙支撐（右腳著地到左腳離地階段）階段，與股直肌和腓腸肌相比，股二頭肌的肌肉積分肌電貢獻率均顯著較大;股二頭肌與脛骨前肌差異不明顯。股直肌在左單支撐階段和第二雙支撐（左腳著地到右腳再次離地階段）階段的肌肉積分肌電貢獻率較大，但各肌肉之間的差異不具有顯著性。

3討論

3.1太極拳摟膝拗步動作動態穩度

判斷靜態身體穩定性的方法是評價人體質心在水平面的投影與其支撐面的關系。然而在步態研究中，就不得不考慮質心的位置和速度對人體穩定性的影響。質心的位置和速度是影響人體動態穩定性的關鍵因素[12]。MoS是綜合考慮質心位置、質心速度以及支撐面三個因素的科學指標。由表1可以得出，在右腳著地瞬時時刻，外推質心的位置超出支撐面的最遠前邊界，導致MoS出現負值，與Stefanie Bierbaum等人[31]的研究結果相同：在正常行走過程中，由于人體不斷地調整支撐面獲取平衡，導致外推質心的位置一直處于支撐面邊界之外。本研究發現，太極拳摟膝拗步動作的動態穩度在前后和左右方向均較大，說明摟膝拗步動作的穩定性較差。研究證明，太極拳鍛煉能夠有效地提高老年人的身體平衡能力[16-17]，這可能是由于太極拳運動是在不穩定的狀態下進行適應性的鍛煉，這種適應性的鍛煉可以提高前饋控制[32]和反饋控制[33]的效能，使得神經系統能夠更迅速地通過采取減小步速及質心晃動幅度、增加足間隙等一些“保護性的策略”調整太極拳練習者的身體姿勢。太極拳動作特有的不穩定動作特征可能是改善神經肌肉控制能力、起到預防跌倒效果的原因[33]。另外，Hof等人[13]所采用的支撐面最遠前邊界是由足底壓力中心表示，但由于本實驗并未使用測力臺，因此采用右腳著地瞬時時刻腳后跟坐標確定[34]。

3.2太極拳摟膝拗步動作下肢關節活動幅度

衰老導致下肢關節僵硬、運動幅度明顯變小[35]。長期的太極拳練習能夠顯著增加下肢關節的靈活性和關節運動幅度[36]，并能提高單腿支撐時人體對身體姿勢的控制能力[37]。本研究發現，與正常行走相比，摟膝拗步單腿支撐階段階段擺動腿膝關節運動幅度顯著較大，可能有利于增大鍛煉者跨越障礙時抬腿高度，進而降低被障礙物絆倒的風險。本研究結果顯示，摟膝拗步動作的下肢關節活動范圍大于正常行走。前人研究發現，下肢關節在較大范圍內活動，可以改善骨骼肌的力量和柔韌性，并有效地提高單腿支撐能力，提高身體穩定性，降低跌倒的風險[38-39]。太極拳特有的緩慢、較大運動幅度的下肢動作特征可能對發展下肢肌肉力量具有積極的作用[39]，進而提高人體的姿勢控制能力。Han等人[40]的研究顯示，太極拳運動能顯著地改善下肢關節尤其是踝關節的關節運動幅度。而在本研究中，兩種動作的踝關節背屈跖屈和內旋外旋運動幅度沒有顯著性差異，可能與所選取的太極拳動作不同有關。

3.3太極拳摟膝拗步動作下肢肌電活動規律

下肢肌力下降是導致的跌倒的重要原因之一[41-42]。驅動關節不僅需要足夠的肌肉力量和耐力，同時也需要一定的肌肉收縮時間以保證身體的動態平衡[43]。在本研究中，摟膝拗步動作的四塊肌肉的積分肌電值均大于正常行走的肌肉積分肌電值，說明相對于正常行走，摟膝拗步動作對下肢肌肉有較好的鍛煉作用。其中，股直肌和脛骨前肌較正常行走有顯著性差異，說明摟膝拗步動作對于下肢前側肌肉鍛煉效果好，這與游永豪等人[44]的研究一致。由表5可知，摟膝拗步動作的四塊肌肉激活持續時間均大于正常行走， Xiaolin Ren [27]得出了相似的研究結果：中老年人習慣的緩慢運動速度對腿部肌肉激活持續時間有著重要的影響，緩慢的運動速度對下肢肌肉起到了較好的鍛煉效果。 太極拳鍛煉需要不同數量的下肢肌肉進行向心收縮和離心收縮以保證身體的平衡[45]，從而使維持身體穩定性的肌肉得到更好的鍛煉。

眾多研究表明，太極拳運動能夠有效地鍛煉下肢肌肉，提高下肢肌肉力量[38-39]。由圖2可知，在摟膝拗步動作中，股二頭肌在右單支撐和第一雙支撐階段中貢獻率顯著較大，股直肌在左單支撐和第二雙支撐階段中貢獻率較大，說明股直肌和股二頭肌運動單位激活的數量多，在完成摟膝拗步動作中起到了重要作用，因此，摟膝拗步動作對股直肌和股二頭肌具有較好的鍛煉效果。有研究表明，當人體有跌倒的趨勢時，股直肌對控制身體平衡有著重要的作用[46]。本研究結果驗證了李旭鴻[47]等人的推測：太極拳運動中經常使股四頭肌處于離心等張收縮狀態，進而在不斷地鍛煉中增加股四頭肌、腓腸肌的力量。太極拳運動通過刺激下肢的股直肌和股二頭肌從而有效地提高身體穩定性，降低跌倒的風險。

4結論

與正常行走相比，太極拳經典上步動作摟膝拗步的MoS、下肢關節運動幅度、股直肌與脛骨前肌的肌肉積分肌電值較大，非同步的肌肉收縮及持續收縮時間也明顯不同于正常行走。太極拳運動特有的非穩定的動作特征可能更大程度地刺激下肢肌肉，改善下肢肌肉尤其是股直肌與脛骨前肌的力量，優化肌肉用力協調性，增加下肢關節運動幅度的策略可能有利于改善神經肌肉控制能力，增強下肢調節身體穩定性的能力，起到預防跌倒的效果。

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