太极拳搂膝拗步动作的下肢动态稳度、关节运动及肌电活动规律特征分析

毛敏 马刚 权琳琳 王疆娜 曹传宝 张藤 宋祺鹏 张翠 孙威

摘要：目的：運用生物力学方法，对比太极拳练习者搂膝拗步与正常行走动作的动态稳度、运动学及肌电学指标，探析太极拳典型动作内在的神经肌肉控制特征，以期揭示太极拳预防跌倒功效的机制性原因。方法：以25名10年以上太极拳专业运动经历练习者为研究对象，应用Vicon红外运动捕捉系统和MegaWin表面肌电测试系统同步记录受试者搂膝拗步和正常走动作运动学、肌电学数据;应用动态稳度、下肢关节运动幅度、肌肉激活指标对动态稳度、关节活动及肌电活动规律特征进行量化评定。结果：与正常行走相比，搂膝拗步动作动态稳度在前后方向上显著较大（P<0.05），左右方向上显著较大（P<0.05）;髋关节屈伸（P<0.05）、膝关节屈伸（P<0.05）和踝关节内外翻（P<0.05）运动幅度显著较大;股直肌（P<0.05）和胫骨前肌（P<0.05）的积分肌电值有显著性差异;正常行走与搂膝拗步肌肉激活顺序相同，激活时间和收缩持续时间不同，但并未见显著性差异（P>0.05）。搂膝拗步动作中股二头肌在右单支撑和第一双支撑（右脚着地到左脚离地）阶段中贡献率显著较大（P<0.05），股直肌在左单支撑和第二双支撑（左脚着地到右脚再次离地）阶段中贡献率较大，但差异不具有显著性（P>0.05）。结论：与正常行走相比，太极拳经典上步动作搂膝拗步的动态稳度、下肢关节运动幅度、股直肌与胫骨前肌的肌肉积分肌电值较大。太极拳搂膝拗步动作中练习者通过在非稳定状态下的练习，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与胫骨前肌的力量，优化了下肢肌肉用力协调性。增加关节运动幅度的策略，可能有利于改善神经肌肉控制能力，提高姿势控制能力，起到预防跌倒的效果。

关键词：动态稳度;关节运动幅度;积分肌电;肌肉积分肌电贡献率;太极拳

中图分类号：G804.6;G852.11文献标识码：A文章编号：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

流行病学调查显示，超过三分之一的老年人每年至少发生一次跌倒[1]，大约30的跌倒发生在楼梯行走[2]及跨越障碍物[3]的单腿支撑迈步过程中。老龄化导致姿势控制能力和肌肉力量下降，由此引起的生物力学步态参数异常和变异性增加是导致跌倒的直接原因[4-5]。研究发现，随着年龄的增加，老年人跨越障碍时足间隙距离减小，质心晃动幅度增加，步速变异性增大[5];上楼梯行走水平地面反作用力的峰值、髋膝踝关节力矩减小[6];下楼梯过程中老年人的下肢关节力矩显著增高，这就要求有足够的下肢肌肉力量以维持身体的稳定性[7]。传统的静态稳定性理论[8]认为，人体质心或重心在水平面的投影落在支撑面内，人体处于稳定状态。已有多项研究表明，足底压力中心（Center of pressure， 简称：COP）的晃动速度、幅度及质心与压心的距离可以评估身体稳定性[9-11]。但对于处于运动状态的人体，应综合考虑质心的位置和速度对身体稳定性产生的影响[12]。Hof等人将外推质心位置（Extrapolated centre of mass position， 简称：CM）定义为质心在水平面的投影加上速度与因子ω0的比值，动态稳度（Margin of stability，简称：MoS）则为CM到最远前边界的最小距离[13]。MoS越小代表CM与COP的距离越小，身体稳定性越好。

众多研究表明，太极拳锻炼能够有效地改善老年人神经肌肉控制特征，降低跌倒的风险，是预防跌倒的重要手段。纵向研究发现，长期的太极拳练习可以有效地提高老年人的身体稳定性，改善老年人的下肢肌肉力量[14]、本体感觉[15]、协调性[16]、柔韧性[17]等能力。横向研究发现，长期太极拳锻炼者在跨越障碍物时采取减小步速及质心晃动幅度，并增加足间隙的“保守的策略”[18]，可能在一定程度上降低了跌倒的风险。

尽管太极拳预防跌倒的效果已得到较好的验证，然而对太极拳单一动作的深入剖析研究较少，缺乏跌倒背后的神经肌肉控制机制分析。搂膝拗步作为典型太极拳动作，与正常行走、跨越障碍物动作具有相似性，包括支撑腿单腿支撑与摆动腿向前迈步动作[5]，对下肢肌肉力量、姿势控制能力以及肌肉协调控制要求较高。这种特殊的动作中，人体采用怎样的神经肌肉控制策略维持身体平衡国内外尚无法揭示，对其内在机制，还需要进一步的分析，进而从动作结构上探析太极拳提高人体姿势控制、预防跌倒的原因。

1研究方法

1.1受试者

应用Gpower软件计算研究所需样本量。根据前人的研究[19]，设置power为0.8，α为0.05，效应量为0.68，计算出所需样本量为19人，本研究选取样本量为25人。

2019年5月，通过健身宣讲的方式在山东省济南市随机招募了25名65岁以上、太极拳锻炼年限在10年以上，且近一年内无跌倒史老年健康女性为受试者（年龄67.4±2.3岁、身高160.6±5.4 cm、体重72.5±8.3 kg、锻炼年限13.4±3.1年）。所有受试者均了解测试过程，并签署知情同意书。受试者优势侧均为右侧。

1.2测试动作的选取

本研究选取太极拳典型动作“搂膝拗步”进行测试分析，选取正常行走作为对比动作。步态周期的确定为右脚脚跟着地至右脚脚跟再次着地。步态周期划分为四个阶段：第一双支撑阶段（右脚着地到左脚离地阶段）、右单支撑阶段（左脚离地至左脚着地阶段）、第二双支撑阶段（左脚着地到右脚再次离地阶段）、左单支撑阶段（右脚离地至右脚着地阶段）。

1.3测试设置及流程

1.3.1测试设置

应用运动學和肌电测试仪器对受试者正常行走和搂膝拗步动作进行同步数据采集。

运动学数据采集：采用8个红外摄像头的Vicon红外运动捕捉系统（Vicon Motion System，英国）进行运动学数据的采集，采集频率为100 Hz，将41个直径14 mm的红外反光Mark球按照Visual 3D模型分别粘贴于受试者头部、左右上臂、左右前臂、躯干、骨盆、左右大腿、左右小腿以及左右足的骨性标志点上，具体粘贴位置如图1所示[20]。

肌电数据采集：采用MegaWin ME6000无线表面肌电测试系统采集优势侧下肢股直肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌在运动中的肌电活动信号，采集频率为1 000 Hz。受试者自然站立，对皮肤进行剃毛、清洁、打磨处理。在优势侧下肢四块肌肉的肌腹最隆起处沿肌肉走向粘贴电极片，并用弹性绷带固定EMG传感器。

1.3.2测试流程

实验开始前，受试者进行身体形态学指标的测量，然后工作人员讲解熟悉实验流程及热身。受试者按照工作人员的指令分别进行正常行走和搂膝拗步动作的测试，每个动作进行5次测试，两次间隔休息1 min。如若测试过程中有停顿、Mark点或EMG传感器掉落等状况，则需要重新测试。

1.4数据处理

运用Vicon Nexus软件对运动学数据采集的Mark点进行命名、截取和删补，运用Visual 3D分析软件（C-Motion，美国）进行建模、截止频率分别为6 Hz和50 Hz的巴特沃斯低通滤波、标准化等处理和计算[20]。将肌电信号与视频信号同步，根据视频时间点对肌电数据进行截取[21]。运用MegaWin软件对采集的肌肉肌电信号做带通滤波（10～400 Hz）处理、全波整流、肌电图曲线整形及面积积分处理。为保证数据的可靠性，每个受试者每个任务选取3次有效的数据取平均值。

1.5测试指标

测试指标包括：评价身体姿势控制能力的前后、左右方向动态稳度（MoSap、MoSml）[22-23]、评价关节活动能力的髋、膝、踝三关节的运动幅度[24-25]以及评价下肢肌电活动规律的肌肉积分肌电值[26]、激活和持续时间[27]、肌肉积分肌电贡献率[28]。

（1）动态稳度

有研究表明，由单脚支撑到双脚支撑的转换时刻为人体最不稳定的时刻[13， 29]。动态稳度由下面的计算方式得出[13]：

ω0=g/l（1）

CM=CoM+CoM·/ω0（2）

MoS=Bmax-CM（3）

其中，ω0为人体倒钟摆模型的固有频率，g为重力加速度，l为质心到地面的垂直距离，CoM和CoM·分别为某一时刻质心的位移和速度，Bmax为支撑面某一方向上边界的最大值，本研究通过优势侧脚跟着地时刻脚跟Mark点位置表示。

（2）关节角度运动幅度

受试者在正常行走和搂膝拗步动作的一个动作周期过程中下肢髋、膝、踝三关节角度在矢状面、额状面和水平面分别进行屈伸、内收外展和内外旋转的运动范围。

（3）肌电活动规律

利用MegaWin肌电数据处理软件对肌电数据进行处理。

积分肌电值（IEMG），由以下公式计算得出：

IEMG=∫N1N2X（t）·dt（4）

其中，N1和N2为积分的起点和终点;

在确定肌肉激活时间时，定义第一块被激活的肌肉为0.00 s。将肌电信号值超过基线均值两倍标准差且持续时间在50 ms以上定义为肌肉活动起止时刻[30]，符合定义标准的时间相加即为激活持续时间。由于不同受试者完成动作的时间不同，为便于比较，激活持续时间用每个动作的完成时间进行标准化。

肌肉积分肌电贡献率：完成某动作时，动作周期中某块肌肉的积分肌电与所测所有肌肉的积分肌电的比值可以反映某块肌肉在此动作周期中的贡献，即肌肉积分肌电贡献率[28]。

1.6统计分析

应用SPSS19.0统计软件对数据进行统计分析，数据以平均值±标准差（X±SD）表示。通过 Shapiro-Wilk检验数据的正态分布性;应用配对样本T检验（Paired t test）对搂膝拗步和正常行走动作的运动学和肌电指标进行统计分析;应用一维重复性方差分析（One-way repeated ANOVA）对下肢肌肉在不同阶段积分肌电贡献率进行统计分析。显著性差异水平设置为0.05。

2结果与分析

2.1正常行走和搂膝拗步的动态稳度（MoS）结果

由表1和表2可见，在优势侧（右侧）脚跟着地时刻，相比于正常行走，搂膝拗步动作中人体质心前后方向上的位移无显著性差异（P=0.073），左右方向上的位移显著较小（P=0.000）;质心前后方向的速度显著较小（P=0.000），左右方向的速度显著较大（P=0.017）;推算的质心位置在前后、左右方向上均显著较小（P=0.035，P=0.002）;支撑面的最远边界前后和左右方向無显著性差异（P=0.247，P=0.074）;前后方向的动态稳度显著较大（P=0.028），左右方向的动态稳度显著较大（P=0.001）。

2.2正常行走和搂膝拗关节运动幅度结果

由表3可见，相比正常行走，搂膝拗步动作髋关节屈伸运动幅度显著较大（P=0.003），内收外展（P=0.262）和内旋外旋幅度（P=0.196）略大，差异不具有显著性;膝关节屈伸运动幅度显著较大（P=0.041），内翻外翻（P=0.083）和内旋外旋（P=0.107）幅度差异不具有显著性;踝关节内翻外翻幅度显著较大（P=0.025），背屈跖屈（P=0.636）和内旋外旋（P=0.697）幅度差异不具有显著性。

2.3正常行走和搂膝拗步肌电活动结果

由表4可见，与相比正常行走，搂膝拗步动作股直肌的积分肌电值显著较大（P=0.027），胫骨前肌的积分肌电值显著较大（P=0.032），股二头肌和腓肠肌的积分肌电值较大，但差异不明显（P=0.187，P=0.294）。

由表5可见，正常行走和搂膝拗步动作4块肌肉的激活顺序相同，均为胫骨前肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌，但各肌肉的激活时间和收缩持续时间不同。实验结果中正常行走和搂膝拗步激活时间、持续时间并未见显著性差异。

由图2可见，在进行搂膝拗步动作时，在右单支撑阶段和第一双支撑（右脚着地到左脚离地阶段）阶段，与股直肌和腓肠肌相比，股二头肌的肌肉积分肌电贡献率均显著较大;股二头肌与胫骨前肌差异不明显。股直肌在左单支撑阶段和第二双支撑（左脚着地到右脚再次离地阶段）阶段的肌肉积分肌电贡献率较大，但各肌肉之间的差异不具有显著性。

3讨论

3.1太极拳搂膝拗步动作动态稳度

判断静态身体稳定性的方法是评价人体质心在水平面的投影与其支撑面的关系。然而在步态研究中，就不得不考虑质心的位置和速度对人体稳定性的影响。质心的位置和速度是影响人体动态稳定性的关键因素[12]。MoS是综合考虑质心位置、质心速度以及支撑面三个因素的科学指标。由表1可以得出，在右脚着地瞬时时刻，外推质心的位置超出支撑面的最远前边界，导致MoS出现负值，与Stefanie Bierbaum等人[31]的研究结果相同：在正常行走过程中，由于人体不断地调整支撑面获取平衡，导致外推质心的位置一直处于支撑面边界之外。本研究发现，太极拳搂膝拗步动作的动态稳度在前后和左右方向均较大，说明搂膝拗步动作的稳定性较差。研究证明，太极拳锻炼能够有效地提高老年人的身体平衡能力[16-17]，这可能是由于太极拳运动是在不稳定的状态下进行适应性的锻炼，这种适应性的锻炼可以提高前馈控制[32]和反馈控制[33]的效能，使得神经系统能够更迅速地通过采取减小步速及质心晃动幅度、增加足间隙等一些“保护性的策略”调整太极拳练习者的身体姿势。太极拳动作特有的不稳定动作特征可能是改善神经肌肉控制能力、起到预防跌倒效果的原因[33]。另外，Hof等人[13]所采用的支撑面最远前边界是由足底压力中心表示，但由于本实验并未使用测力台，因此采用右脚着地瞬时时刻脚后跟坐标确定[34]。

3.2太極拳搂膝拗步动作下肢关节活动幅度

衰老导致下肢关节僵硬、运动幅度明显变小[35]。长期的太极拳练习能够显著增加下肢关节的灵活性和关节运动幅度[36]，并能提高单腿支撑时人体对身体姿势的控制能力[37]。本研究发现，与正常行走相比，搂膝拗步单腿支撑阶段阶段摆动腿膝关节运动幅度显著较大，可能有利于增大锻炼者跨越障碍时抬腿高度，进而降低被障碍物绊倒的风险。本研究结果显示，搂膝拗步动作的下肢关节活动范围大于正常行走。前人研究发现，下肢关节在较大范围内活动，可以改善骨骼肌的力量和柔韧性，并有效地提高单腿支撑能力，提高身体稳定性，降低跌倒的风险[38-39]。太极拳特有的缓慢、较大运动幅度的下肢动作特征可能对发展下肢肌肉力量具有积极的作用[39]，进而提高人体的姿势控制能力。Han等人[40]的研究显示，太极拳运动能显著地改善下肢关节尤其是踝关节的关节运动幅度。而在本研究中，两种动作的踝关节背屈跖屈和内旋外旋运动幅度没有显著性差异，可能与所选取的太极拳动作不同有关。

3.3太极拳搂膝拗步动作下肢肌电活动规律

下肢肌力下降是导致的跌倒的重要原因之一[41-42]。驱动关节不仅需要足够的肌肉力量和耐力，同时也需要一定的肌肉收缩时间以保证身体的动态平衡[43]。在本研究中，搂膝拗步动作的四块肌肉的积分肌电值均大于正常行走的肌肉积分肌电值，说明相对于正常行走，搂膝拗步动作对下肢肌肉有较好的锻炼作用。其中，股直肌和胫骨前肌较正常行走有显著性差异，说明搂膝拗步动作对于下肢前侧肌肉锻炼效果好，这与游永豪等人[44]的研究一致。由表5可知，搂膝拗步动作的四块肌肉激活持续时间均大于正常行走， Xiaolin Ren [27]得出了相似的研究结果：中老年人习惯的缓慢运动速度对腿部肌肉激活持续时间有着重要的影响，缓慢的运动速度对下肢肌肉起到了较好的锻炼效果。 太极拳锻炼需要不同数量的下肢肌肉进行向心收缩和离心收缩以保证身体的平衡[45]，从而使维持身体稳定性的肌肉得到更好的锻炼。

众多研究表明，太极拳运动能够有效地锻炼下肢肌肉，提高下肢肌肉力量[38-39]。由图2可知，在搂膝拗步动作中，股二头肌在右单支撑和第一双支撑阶段中贡献率显著较大，股直肌在左单支撑和第二双支撑阶段中贡献率较大，说明股直肌和股二头肌运动单位激活的数量多，在完成搂膝拗步动作中起到了重要作用，因此，搂膝拗步动作对股直肌和股二头肌具有较好的锻炼效果。有研究表明，当人体有跌倒的趋势时，股直肌对控制身体平衡有着重要的作用[46]。本研究结果验证了李旭鸿[47]等人的推测：太极拳运动中经常使股四头肌处于离心等张收缩状态，进而在不断地锻炼中增加股四头肌、腓肠肌的力量。太极拳运动通过刺激下肢的股直肌和股二头肌从而有效地提高身体稳定性，降低跌倒的风险。

4结论

与正常行走相比，太极拳经典上步动作搂膝拗步的MoS、下肢关节运动幅度、股直肌与胫骨前肌的肌肉积分肌电值较大，非同步的肌肉收缩及持续收缩时间也明显不同于正常行走。太极拳运动特有的非稳定的动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与胫骨前肌的力量，优化肌肉用力协调性，增加下肢关节运动幅度的策略可能有利于改善神经肌肉控制能力，增强下肢调节身体稳定性的能力，起到预防跌倒的效果。

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