太极拳基础动作“野马分鬃”膝关节运动学、关节负荷及肌肉活动的特征比较

陶 萍，于 璐

太极拳基础动作“野马分鬃”膝关节运动学、关节负荷及肌肉活动的特征比较

陶 萍，于 璐

目的：运用生物力学原理，通过对太极拳“野马分鬃”下肢的正确动作与错误动作的分析，了解其膝关节的运动学、关节负荷及肌肉活动的特征，并对可能造成太极拳膝关节损伤的原因进行探讨，为太极拳健身及如何有效预防练习过程中的膝关节损伤提供理论参考。方法：受试者为武英级女性一名，习武41年。动作选择为“野马分鬃”的正确动作与错误动作。采用Vicon运动捕捉系统、Kistler三维测力台和Delsys表面肌电采集系统分别对正确和错误动作的膝关节运动学、地面反作用力和股四头肌(股内肌、股外肌)及股后肌群(半腱肌和股二头肌)的肌电图(均方根振幅)进行同步测量，并采用SPSS 15统计软件，对不同动作的关节角度、关节力矩和肌肉活动等生物力学指标进行独立样本t检验。结果与结论：“野马分鬃”的错误动作各阶段用时、动作周期总用时显著高于正确动作，且错误动作右膝具有更大幅度的外展与外旋；“野马分鬃”动作的整个过程中，右膝关节处的伸肌力矩起主要作用，同时错误动作的膝外展和外旋力矩更大；错误动作在转脚时右腿股内肌、股外肌的活动显著更大，在一定程度上提示，错误的太极动作会对右膝产生更大的负荷，而长期这样训练很可能会造成运动员膝关节的损伤。

太极拳“野马分鬃”；膝关节运动学；关节力矩；肌电图

1 前言

太极拳作为某些慢性疾病(如帕金森氏症、骨关节炎、纤维性肌肉痛等)的干预方案已越来越引起国际社会的关注。美国老年医学学会(American Geriatric Society,2011) 和英国老年医学学会(British Geriatrics Society,2011) 先后将太极拳作为预防与治疗慢性疾病的一种有效方法进行推广并出版了相关指南。近两年全球著名的《NewEnglandJournalofMedicine》杂志先后刊登的两项新研究发现：练习太极拳不仅能够有效的缓解纤维性肌肉痛(Fibromyalgia)[13]，而且对帕金森氏症具有显著地预防与康复作用[9,8]。太极拳作为中国传统武术的一部分、中国国粹，其价值与作用更需我们中国学者利用现代科学的理论与方法深入挖掘。

太极拳作为一种有氧健身方法，其刚柔相济、动静结合的运动特点，以及呼吸方式增加全身血氧含量，能够有效地改善老年人的心脑血管慢性病，且已用于预防与治疗中[12]。美国华盛顿大学医学院的研究专家发现，太极拳练习可以加强老年人下肢的稳定能力，降低因为摔倒而受伤的可能性。长期坚持太极拳锻炼，可有效地延缓老年人身体机能衰退，并且对改善老年人整体身体素质有着积极的作用[16,17]。太极拳重在养心，在“致虚极，守笃静”的意念下，调心、调息、调身，对不同年龄段的练习者的心理素质能产生良好的影响[18]。

但是，随着练习太极拳的普及，练习后，练习者腿部特别是膝关节出现疼痛症状的人越来越多[1]。有研究认为，出现这种疼痛症状，可能是因为练习者在练习过程中方法不科学，动作不够规范所致[2]。例如太极拳中的“野马分鬃”，它是太极拳中的基础动作，每个门派的太极拳都有这个招式，大部分初学者只是通过观察传授者的演练形态而粗略地模仿，而无法掌握其中的要领，导致太极拳的健身作用不能完全体现，严重时会引起膝关节疼痛症状。

以往的研究大多以现状调查为主，对造成膝关节疼痛的可能原因进行讨论，对太极拳练习过程中，下肢关节负荷特征的量化分析比较少见。本研究利用运动生物力学的方法，对太极拳“野马分鬃”下肢的正确动作与错误动作进行比较分析，了解其膝关节的运动学、关节负荷及肌肉活动的特征，并对可能造成太极拳膝关节损伤的原因进行探讨，为太极拳健身及如何有效预防练习过程中的膝关节损伤提供理论参考。

2 研究方法

2.1 研究对象

受试者为女性1名，习武41年，47周岁，身高158 cm，体重62 kg，武英级，现任某大学体育学院副教授，近6个月内无下肢损伤史。

2.2 研究方法

2.2.1 实验仪器与设备

1.三维运动学捕捉系统。英国Vicon Motion System公司生产的红外高速运动捕捉系统。包括16个T40型号的摄像头，130万像素；直径14mm的Marker球若干。本实验采样频率设置为100 Hz。

2.三维测力台。瑞士奇石乐公司生产的 Kistler 三维测力台 2 块(长×宽×高：90×60×10 cm)，型号为9287B，内置信号放大器，可以完成人体动、静态下的三维力量测试。本研究使用采样频率为1 000 Hz。

3.表面肌电(EMG)信号采集与分析系统。美国Delsys 表面肌电采集系统，包括16个传感器，每个传感器里边有封装电极、放大器，包括一个肌电通道，3个加速度计通道，传感器尺寸为37 mm×26 mm×15 mm。EMG信号的宽度为20～450 Hz，基线噪声<750 nV(RMS)，通带波动<2%；信号传输延迟时间<500 μs，传输范围为>20 m；共模抑制比(CMRR)>80 dB；EMG信号分辨率为16 bit，采样频率为4 000 Hz。Delsys 表面肌电采集系统与分析系统的配套软件为EMGworks 4，它包括数据采集及数据分析模块两大部分，可分别完成肌电信号的采集与处理工作。

4.运动学和动力学信号采集软件。运动学数据，地面反作用力的采集主要通过英国Vicon公司开发的Nexus v1.7信号采集和处理软件。该系统可同步采集人体三维运动学和地面反作用力的原始信号，并在采集结束后完成体表marker点的命名、去除噪讯(ghost marker)、删补轨迹等前期处理工作。

5.其他实验用品。包括为受试者准备的服装，实验用的剪刀，剃须刀，胶带，医用绷带，酒精，脱脂棉等。

2.2.2 测试方法与步骤

1.前期准备。在正式实验开始前，打开vicon、测力台、Delsys 表面肌电采集系统等实验仪器、设备，进行预热、标定等工作。测量受试者身高，体重，年龄，伤病等基本信息；更换实验服装后，进行慢跑10 min与一些静态的拉伸动作。待热身完成后，实验人员告知实验流程与注意事项。受试者练习、熟悉实验动作。

2.安置Marker球。Marker点的安置，依据Vicon 动作捕捉系统操作手册提供的全身标志点固定方案，全身共有39个点(图1)。

图 1 本研究实验选取Marker点示意图

3.粘贴EMG传感器。本研究的测试肌群为：双侧下肢大腿前侧的股内斜肌，股外肌，后侧的半腱肌和股二头肌。在将EMG传感器贴于皮肤之前，首先要用剃须刀去除传感器安置处皮肤的毛发，随后用医用酒精清洁、移除干燥的皮肤油分。然后再将EMG传感器定位于测试肌肉的皮肤上。传感器顶部带有一个箭头，这个箭头应放置在与肌肉纤维平行的传感器下方。传感器也应放在肌腹中心远离肌腱和肌肉边缘。

4.测试动作。左野马分鬃正确动作：右脚尖里扣踏实，上体微右转，重心移至右腿上，同时右掌收于胸前手心向下；左手经体前向右划弧于腹前，手心向上，两手心相对成抱球状；左脚收回成丁步，目视右手。上体微左转，左脚脚跟着地，逐渐左转成左弓步(错误动作时，脚尖外展，膝关节超过脚尖)；同时两掌左上右下分开，左掌中指尖对鼻，右掌按于右胯旁，目视左掌。左脚蹬地，右腿松膝，身体后坐，左脚上翘，两掌微内合，目视左掌。身体左转，右脚蹬地，两掌合抱成抱球状，同时右脚收成丁步，目视左手。右野马分鬃同左侧动作相同，方向相反。

2.2.3 数据采集与处理

2.2.3.1 实验动作阶段的划分

第一阶段：前移阶段(右脚触地至前移结束)右脚脚跟触地为开始时刻，着地后身体重心开始向右前方移动至最大幅度，下肢运动为左腿伸展同时右腿屈曲。

第二阶段：后坐阶段(前移结束至后坐结束)前移结束后身体重心开始向左后方移动至最大幅度，下肢运动为右腿伸展同时左腿屈曲。

第三阶段：转脚阶段(后坐结束至转脚结束)后坐结束后身体前移同时右脚外旋至最大幅度。

图 2 本研究动作阶段划分特征时刻示意图[5]

2.2.3.2 运动学和相应动力学数据处理和所选指标

通过Visual3D 软件(美国C-MOTION公司)完成下肢双侧髋、膝、踝三关节的角度和角速度以及关节力矩的计算，其中关节力矩计算的主要理论依据是逆向动力学，即根据所采集的运动学及地面反作用力数据，反推出下肢各关节的肌力矩。

2.2.4 EMG数据

用Delays肌电数据处理软件进行肌电数据处理，分析指标为各阶段均方根振幅(RMS，root mean square)。t0为阶段开始时间，t1为阶段结束时间。计算公式如下：

其中t为EMG信号开始时间，t+T为信号结束时间[14]。

2.2.5 统计学处理

3 实验结果与讨论

3.1 运动学结果

对正确、错误动作各阶段平均用时进行配对样本t检验。统计结果表明错误动作各阶段用时、动作周期总用时显著高于正确动作。正确动作阶段1、阶段2占总用时百分比均大于错误动作。正确动作前两个阶段用时之和占总用时百分比为72%，错误动作为66%，两组相差6%。表明错误动作在前移、后坐阶段用时较少，转脚用时较多。

表 1 本研究受试者动作平均用时对比一览表

左腿为后支撑腿，两种动作左膝运动学数据没有显著性差异(图3)，所以，本研究重点对右膝关节运动学数据的差别进行讨论。

对比右膝屈伸角发现，除在阶段3小部分时间内，错误动作与正确动作角度相当，在动作周期的其它时间错误动作均小于正确动作(图4a)。在前移阶段，膝关节在矢状面屈曲。在开始时刻，即右脚落地瞬间，正确动作膝关节有略微屈曲(-4.7°±6.6°)，错误动作则完全伸膝。随身体前移幅度增大，两组动作膝关节屈角差值有变大的趋势。结束时刻，正确动作膝关节屈曲角度较大(-44.7°±4.4°)，错误动作屈曲角度较小(-29.3°±2.5°)。

图 3 本研究受试者左膝关节角度对比

图 4 本研究受试者右膝关节角度对比

表 2 本研究受试者右膝特征时刻角度对比一览表

自然站立时膝关节不会产生内收，但在屈曲位时可产生一定角度的内收外展。在前移过程中，膝关节矢状面内完成屈曲，所以在冠状面内可以产生一定角度的内收与外展。在整个动作周期内，正确动作的内收角度均大于错误动作。前移开始后膝关节内收角度增大，正确动作内收幅度大于错误动作(图4b)。膝关节绕垂直轴外旋。前移时，错误动作膝关节外旋角度更大(图4c)。前移同时过度外旋易增大膝关节内侧韧带的受力，增大损伤机率。

阶段2为后坐，运动员开始伸膝，此阶段两组动作屈伸角差值为三个阶段最大(图4a)。当后坐结束时，正确动作屈伸角为0°左右，在膝关节正常活动范围内，关节周围肌肉韧带受力较小。错误动作有14°左右的伸角，有一定程度过伸。这对膝关节两侧韧带和大腿后侧肌肉都会产生较大压力，易造成损伤。在冠状面膝开始外展。在后坐结束时刻，正确动作内收外展角为0°左右，而错误动作会有7°左右外展角度，这会对膝关节内侧韧带产生较大的拉力。内外旋角，两组动作没有显著差异。

阶段3为转脚。两组动作的内外旋角差异明显。错误动作外旋角度更大，这与肌电分析结果相一致(表4)。肌电分析结果表明在转脚阶段，错误动作的右腿前侧肌肉活动度显著大于正确动作。当转脚结束时，身体为远固定，过大的外旋角度会对膝关节产生较大压力。此时，如果身体失去平衡，膝关节极易发生扭伤。由于太极拳要求下肢松胯、屈膝下蹲、动作轻稳，因此膝关节在运动过程中始终是处于屈曲位，多绕额状轴运动，只有在动作开始、结束时，膝关节从直立位下蹲到屈曲位或从屈曲位伸直到直立位[12]。

3.2 动力学结果

图 5 本研究受试者右膝关节力矩对比

图5显示，在野马分鬃动作的整个过程中，右膝关节处伸肌力矩起了主要作用。在第一、二阶段，正确动作的伸膝力矩略大于错误动作，而在第三阶段则相反。伸膝力矩峰值出现在第一和第二阶段的过渡位置。错误动作的外展力矩明显大于正确动作。错误动作的三个阶段当中，

右膝关节处内收外展方向上，一直表现出较大的外展力矩。而正确动作的第一、二阶段，右膝关节处的内收外展力矩较小，只在第三阶段表现出了一定的外展力矩，且小于错误动作。右膝关节处旋内旋外方向上，一直是外旋力矩在起主要作用，错误动作的力矩明显大于正确动作。值得注意的是在第一和第二阶段的过渡位置出现了外旋力矩的局部峰值[3]。

图6显示，野马分鬃动作的整个过程中，左膝关节处屈伸方向上主要是伸力矩在起作用，内收外展方向上主要是外展力矩起作用，旋内旋外方向上主要是旋内力矩起作用。各方向上力矩值，错误动作屈力矩略大于正确动作，但两者差异不明显。

表 3 本研究受试者正确与错误动作右膝关节各阶段峰值力矩对比一览表

由表3可知，野马分鬃动作的各阶段中，右膝关节的最大伸肌力矩均大于错误动作，但两者无统计学上的差异。第一、二阶段的最大屈力矩，错误动作分别为1.99±1.91、13.74±2.53大于正确动作0.54±1.22、8.51±2.61，两者具有显著性差异(P<0.01)。三个阶段当中，错误动作的最大外展力矩分别为15.10±2.59、14.22±2.87、27.87±3.63，均大于正确动作4.00±1.36、1.21±1.80、16.87±4.53，两者具有显著性差异(P<0.01)。而第二、三阶段正确动作的最大内收力矩则大于错误动作(P<0.01)。三个阶段中，错误动作的最大外旋力矩分别为14.12±2.97、14.51±2.60、22.48±3.74，均明显大于正确动作6.58±2.55、7.69±4.22、14.93±3.78，两者具有高度的显著性差异(P<0.01)；而最大内旋力矩错误动作分别为0.15±0.21、0.47±0.36、0.14±0.33，均明显小于正确动作0.99±0.63、1.87±1.13、1.15±0.75，两者具有高度的显著性差异(P<0.01)。老年人肌肉功能的衰退很快，所以，应该重视老年人的下肢肌肉力量的增强和保持[6]。侧副韧带的主要作用是使膝关节不能左右晃动，伸膝时侧副韧带较紧张，膝关节无侧向运动。但是，屈膝时侧副韧带较松弛，膝关节有轻微的内收、外展活动，导致膝关节不稳定[4]。

3.3 表面肌电结果

股二头肌位于大腿后侧，股内侧肌、股外侧肌位于大腿前侧。对两组动作高位时下肢肌肉各阶段均方根振幅进行配对样本t检验，分析结果表明，以上指标均有显著性差异。在阶段1，正确动作左腿股二头肌均方根振幅大于错误动作，两种动作平均值相差40.8×10-6V。正确动作右腿股二头肌均方根振幅小于错误动作，两种动作平均值相差16.5×10-6V。表明运动员完成错误动作时，左腿股二头肌活动度较小，而右腿股二头肌活动度较大。比较两种动作两腿股二头肌均方根振幅差值发现，受试者完成正确动作时，左右腿股二头肌发力相差较大，左腿发力远大于右腿，两腿均方根振幅平均值相差77.1×10-6V，说明正确动作左腿主要发力完成前移动作。而错误动作左右腿差值较小，左腿股二头肌发力略大于右腿，两腿均方根振幅相差19.8×10-6V。肌电数据结果表明，运动员完成正确动作时主要靠左腿股二头肌发力完成身体前移，而完成错误动作时则为两条腿配合发力完成。在阶段3，两种动作右腿前侧股内侧肌、股外侧肌正确动作均方根振幅均小于错误动作，右腿股内侧肌两种动作均方根振幅均值相差22.7×10-6V，股外侧肌相差29.6×10-6V。表明错误动作在完成转脚时右腿前侧肌肉发力较大。这与错误动作更大角度转脚有关(图4C)。

在阶段1后期、阶段3中期，正确动作的右脚力矩均值小于错误动作。表明在前移末期、转脚中期，错误动作右脚力矩更大，这与前移结束时刻、转脚期间，错误动作在膝关节、踝关节有更大的外旋角度有关(图4C)。在整个动作周期，正确动作左脚力矩显著大于错误动作。力矩结果与肌电测试结果一致(表4)。肌电数据表明，运动员在完成前移动作时，正确动作的左腿主要发力。错误动作两腿发力相差不大。从力矩曲线可以看出，正确动作的左脚力矩明显大于右脚，错误动作左右脚力矩相当(图7)。这表明，正确动作为后支撑腿主要发力，起到很好的支撑作用，同时，提供身体重心前后移动所需的动力，为前腿完成转脚等动作提供保障。前腿则更专注地完成技术动作。错误动作后支撑腿发力较小，不能为前腿完成技术动作提供保障。

表 4 本研究受试者肌电结果一览表

图 7 本研究受试者双脚绕COP垂直轴力矩对比

3.4 综合讨论

已有研究表明，长期规律太极锻炼可以改善肌肉力量与耐力，同时，改善其神经肌肉控制能力和膝关节的本体感觉[17、18、10、11]。相对于步行、慢跑等运动，太极运动有着其自身独特的优势， 太极是一种低冲击力，柔和缓慢的有氧运动，可以训练练习者的神经肌肉控制能力[16、15]。然而，由于运动方式错误也可使膝关节产生不适甚至损伤。本研究的运动学分析结果表明，运动员在完成错误动作时，在动作周期的不同阶段，右侧膝关节会产生更大幅度的外展和外旋力矩。这说明，错误动作会在膝关节产生更大的拉伸与扭转负荷。因此，长期以错误的太极动作进行锻炼，会增大膝关节肌肉及韧带损伤机率。动力学分析结果表明错误动作的右侧膝关节有更大的外展与外旋力矩。完成正确动作时，左脚在水平面绕压力中心的扭矩要远大于右脚。而完成错误动作时，两脚这一指标的差异不大。相比错误动作，正确动作中左脚的扭矩要更大一些，而右脚的扭矩则更小一些。说明运动员在完成正确动作时，左侧腿主要提供了身体扭转所需力矩，而右腿在完成转脚等动作时足底扭矩较小，有利于动作更加顺畅地完成。在做错误动作时，左脚力矩较小，需右脚增大力矩提供转体动作所需扭矩。在足底力矩较大的情况下完成转脚等动作会对右侧膝关节产生更大的扭转力。长期如此，可能会对运动员膝关节造成损伤。

肌电分析发现在前移阶段，正确动作双腿的股二头肌均方根振幅差异较大，而错误动作的差值较小。左腿的错误动作的股二头肌均方根振幅要小于正确动作，右腿的情况刚好相反。这与动力学分析结果一致，说明完成正确动作时，运动员左腿发力较大，脚在地面力上的扭矩较大，而右腿发力较小，扭矩也相对较小；错误动作左右腿发力情况与正确动作相反。在转脚阶段，错误动作下的右腿股内侧肌与股外侧肌均方根振幅均要大于正确动作。说明错误动作在完成转脚动作时右腿发力更大，这与右脚地面力矩较大相吻合。

综上所述，虽然太极运动在某些慢性疾病的预防上有着其独特的优势，但是，如果动作错误或不规范，在运动学、动力学以及肌肉活动特征上与规范动作有着显著性差异，是造成运动损伤的潜在危险因素。

4 结论与建议

4.1 结论

1.“野马分鬃”的错误动作各阶段用时、动作周期总用时显著长于正确动作，且错误动作右膝具有更大幅度的外展与外旋。

2.“野马分鬃”动作的整个过程中，右膝关节处的伸肌力矩起主要作用，同时错误动作的膝外展和外旋力矩更大。

3.错误动作在转脚时右腿股内侧肌、股外侧肌的活动显著更大，在一定程度上提示为了抵抗由于错误的太极动作，而对右膝产生更大的负荷，而长期这样训练很可能会造成运动员膝关节的损伤。

4.2 建议

太极拳运动的整个过程基本属于静力支撑性活动，其对下肢关节的冲击负荷小于步行与慢跑等运动[16,15]，但扭转负荷则较大，所以，在太极拳练习过程中要正确掌握动作要领，特别是旋转与扭转动作，在练习中应避免过度外旋与外翻，膝关节在形成弓步时不能超过脚尖，动作应舒缓柔和，以减少对膝关节的不必要负荷。此外，适当地增强下肢力量的训练，不仅能够减少关节的损伤，更增强太极拳健身效果。

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TheComparisonofKneeJointKinematics,JointLoadandMuscleActivityCharacteristicsforTaiChiBasicAction“theWildHorse’sManeonBothSide”

TAO Ping,YU Lu

Objective:The aim of this study was to compare the biomechanical characteristics of lower extremity in conducting the “part the wild horse’s mane on both side” of Tai Chi maneuver in a correct and a wrong form.In order to find the possible cause of the knee injure of Tai Chi and prevent such kind of injure effectively,the kinematics,joint loading,and muscle activity of the knee joint was therefore explored.Methods:the subject was a top-level female athlete (41 years of practicing Tai Chi).The test movement was a Tai Chi maneuver called “part the wild horse’s mane on both side” (in a correct and a wrong form).A Vicon system,two Kistler forceplates,and a Delsys surface EMG system were synchronously used to collect the kinematics,ground reaction forces,and EMG activity from the quadriceps and the hamstring muscles of the knee joint.Paired T-test was applied to compare the differences (joint angle,joint torque,and muscle activity) between the two forms.Results & Conclusion:The time of each stage and the movement circle was significantly higher in wrong form of Tai Chi compared with the correct form.Meanwhile,a significant larger angle in knee joint abduction and internal rotation was showed in the wrong from.During the whole procedure of the movement,a dominated torque was showed in the extensor of the right knee joint.However,a significant larger torque in the abduction and external rotation of the knee joint was also observed.During the foot switch,the vastus medialis and vastus lateralis muscle activity were significantly greater in the wrong form,which showed a resistance to the great loading on the knee caused by the wrong movement.The above results implied that the knee injury would be induced due to the wrong form during a long-term Tai Chi exercise.

“partthewildhorse’smaneonbothside”ofTaiChi;kneejointkinematics;jointtorque;electromyography

1000-677X(2014)09-0049-07

2014-04-16；

：2014-08-12

国家科技支撑计划项目(2009BAK62B00)。

陶萍(1966-)，女，满族，辽宁人，副教授，硕士，硕士研究生导师，研究方向为武术教学训练理论与实践、民族传统体育养生理论与实践、民族传统体育的发掘整理与创新，E-mail：taop207@nenu.edu.cn；于璐(1987-)，女，吉林长春人，在读硕士研究生，研究方向为养生与太极拳的开发与应用，E-mail：yul142@nenu.edu.cn。

东北师范大学 体育学院，吉林 长春 130024 Northeast Normal University，Changchun 130024，China.

G804.6

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