长期练习24式太极拳对中年人身体机能的影响
2017-01-04权黎明
权黎明
长期练习24式太极拳对中年人身体机能的影响
权黎明
目的：以多指标综合观察长期练习24式太极拳运动对中年人身体机能的影响。方法：选取22名中年人为研究对象，其中11名为技术熟练者(SG)，11名为初学者(NG)。测量受试者的心率、呼吸率、头皮脑电、表面肌电以及体适能。结果：数据表明，SG组受试者纵跳相对值(P<0.05)、闭目单脚站立时间(P<0.05)、坐位体前屈(P<0.01)以及仰卧起坐(P<0.05)显著优于NG组受试者。NG组受试者完成24式太极拳运动时的运动强度似乎要小于SG组受试者。运动后静息状态时，SG组受试者表现出更高的心率(P<0.05)、更低的呼吸频率(P<0.05)、闭眼状态表现为更高的标准化α波段能量(P<0.05)。SG组受试者大脑中央区的α%显著高于NG组受试者(P<0.05)，同时，SG组受试者大脑中央区的α%也显著高于枕区(P<0.05)。下肢肌肉表面肌电数据表明，SG组受试者表现出更强的耐疲劳性和更好的神经肌肉控制能力。结论：长期练习24式太极拳运动可以从多方面提高中年人的生理机能，尤其在改善脑功能和神经对肌肉的控制能力方面。
24式太极拳；体适能；呼吸频率；脑电；表面肌电；神经肌肉控制
随着年龄的增长，人体的各项身体机能会出现下降趋势，而体育运动不仅可以提升人体的体能,还可以改善其精神状态。太极拳运动是中国传统的养生运动项目，有着良好的群众基础，其中，24式太极拳集合了其他太极拳的益处，在中国是最具代表性的一种太极拳运动种类。到目前为止，已经有众多关于太极拳运动对人体生理功效方面的研究，例如：心脏功能[4]、体能[11,22]、免疫机能[6]以及治疗高血压和心脏病[5]。另外，还有学者报道了太极拳运动可以使人放松精神、降低紧张和焦虑感[14，23]。Yeung等[23]人认为，太极拳运动能有效地促进心理健康，但是，其研究主要采用问卷调查法评价受试者的主观感觉。到目前为此，使用客观先进的方法来评价太极拳运动对练习者大脑功能的益处的有关研究鲜有报道。例如：脑电技术，即使有些学者观察了练习太极拳运动对练习者脑功能的影响，但是，也只是简单地探讨了安静状态下脑波的变化。很少有学者观察练习者在太极拳练习过程中大脑的状态以及神经对肌肉的控制过程。
本研究在查阅文献时发现，有关太极拳运动对人体身体机能影响的研究主要是观察太极拳的短期效应，这并不足以揭示长期练习太极拳运动的生物功效。本研究将研究对象分为长期练习太极拳运动的熟练者与刚刚练习太极拳运动的初学者，将相关指标进行比较以便深入揭示24式太极拳对中年人生理机能的影响，而且，本研究采用多指标综合评价太极拳的生理和心理学效应。通过心率、运动强度、呼吸率以及体适能测试揭示太极拳对生理功能和体能的影响；通过脑电指标揭示对心理生理机能的影响；通过肌电描述大脑神经对肌肉控制能力的影响。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象
本研究以22名中年男、女为研究对象，其中，11名为太极拳技术熟练组(skilled group,SG；男6人，女5人)，11名为太极拳初学者组(novice group,NG；男5人，女6人)。实验前清楚告知受试者实验过程，且每一名受试者均为自愿参与本实验的研究。受试者的自然情况如表1所示。
表 1 本研究受试者自然情况
注：**表示与NG组相比，P<0.01，下同。
1.2 研究方法
1.2.1 实验设计
在受试者进行太极拳练习前，先对两组受试者进行体适能及体脂成分测试。为了评价太极拳运动对中年人的运动强度，在正式试验前使用功率自行车和气体分析仪评价受试者的峰值摄氧量。
试验前准备工作做完后，开始正式试验，两组受试者分别进行整套的24式太极拳练习。在练习过程中，测试受试者的心率、呼吸频率、脑电(EEG)、表面肌电(sEMG)。另外，在运动前、后的安静休息状态时，继续测量受试者的心率、呼吸频率以及EEG。
1.2.2 实验器材与材料
体成分分析仪、32通道的Neuroscan无线脑电测量仪、表面肌电仪、全民体质监测系统。
1.2.3 数据采集与分析
1.身高、体重、体脂百分比测试：利用身体成分分析仪通过生物阻抗法测量受试者的体重及体脂百分比。
2.体适能测试：使用国民体脂测试系统测试受试者的体适能指标，主要包括：握力、纵跳、闭目单脚站立、坐位体前屈、仰卧起坐。为了消除影响因素，将握力和纵跳相对于体重进行标准化处理，即单位体重产生的力(N/kg)和克服单位体重的纵跳高度(cm/kg)。
3.心率、呼吸频率、EEG以及sEMG数据采集：本研究要求所有受试者在开始24式太极拳运动前以及运动后恢复期时分别静坐休息3 min。整套24式太极拳运动大约持续6 min。将运动前静坐休息的3 min分为两个时相：2 min的闭眼时相和1 min的睁眼时相。将运动后静坐休息的3 min也分为两个时相：1 min的闭眼时相和2 min的睁眼时相。
心率通过实时记录受试者安静以及运动过程中的原始心电信号进行计算获得，采用双极导联法采集心电，正极置于右侧锁骨正中线下1 cm，负极置于胸骨剑突下2 cm，参考电极置于左侧锁骨正中线下1 cm。首先，对心电信号进行30 Hz的低通滤波，以便去除运动过程中肌电干扰，然后，通过Matlab软件根据R波出现的间期进行心率计算，每隔30 s计算一个心率平均值，单位为(次/min)。
呼吸频率(RR)以及EMG采用ME6000无线表面肌电仪记录。其中，呼吸频率通过长度形变传感器测量，由呼吸波个数确定单位时间内的呼吸次数，即呼吸频率。每隔30 s计算一个呼吸频率值，单位为(次/min)。
表面肌电选取股直肌、臀大肌、胫骨前肌以及腓肠肌内侧头，采用双极导联，两个记录电极置于肌肉最大肌腹中心线上，两个记录电极的距离为2 cm，参考电极与两个记录电极成等边三角形。对于肌电信号来说，取积分肌电(iEMG)作为肌电的评价指标，时间窗口设置为0.1 s。另外，本研究取肌电信号的中值频率(MF)观察肌肉疲劳程度，时间窗口为30 s，即每隔30 s取一段肌电信号通过傅里叶转换求出MF值。同时，为了减少个体差异对肌电iEMG 和MF的影响，将其进行标准化处理。对于iEMG标准化来说，将每一个时间点的iEMG值除以在这段时间内总的iEMG值，表示为总积分肌电的百分比。对于MF标准化来说，将每一个MF表示成为初始MF的百分比，即初始MF表示为100%。
脑电采用Neuroscan脑电采集系统进行记录，脑电电极主要选取覆盖中央区的C3、C4以及覆盖枕区的O1、O2。采用单极导联法，参考电极设置为右侧颞骨乳突。接地电极置于前额区Fz与Fpz之间。对于脑电来说，选取标准化的α%和β%作为观察指标。这种标准化处理的目的是为了消除不同个体自身脑电差异的影响。人体在正常情况下的脑波主要由δ波(0～3 Hz)、θ波(4～7 Hz)、α波(8～13 Hz)、β波(14～30 Hz)、γ波(30～50 Hz)组成。根据不同波形的生理意义，在本研究中主要观察α波和β波的标准化功率百分比。计算方法如下：
α%=α/(δ+θ+α+β+γ)×100%
β%=β/(δ+θ+α+β+γ)×100%
每隔30 s计算一次α%和β%的平均值。
1.2.4 统计分析
本研究使用社会学统计软件SPSS 16.0进行统计学分析。本研究中两组受试者之间的比较使用独立样本t检验，而同一指标前后比较使用配对样本t检验。显著性标准为0.05，所有数据使用平均值±标准差表示。
另外，本研究对效应量(Effect Size,ES)进行了标记。效应量指标与显著性检验不同，它不受样本容量影响，但可以反映处理效应的程度。它在平均数检验中表示的是两组样本分布总体的非重叠程度；ES值越大，重叠程度越小，效应明显；ES值越小则相反，说明效应不明显。ES值更能说明在实践中人们所关心的受试群体之间的差异，而不仅是数据上的差异显著问题。通常将ES<0.2视为小效应，将0.2
2 结果
2.1 体适能指标
表2是两组受试者体适能指标。尽管两组受试者在握力相对值上没有显著性差异，但是，技术熟练组(SG组)受试者在纵跳相对值、闭目单脚站立时间(P<0.05)、坐位体前屈(P<0.05)以及仰卧起坐方面要显著优于初学者组(NG组)。同时这几项指标的效应量值显示，长期练习太极拳对练习者坐位体前屈指标的影响最大。
表 2 受试者体适能指标
注：* 表示与NG组相比，P<0.05，下同。
2.2 心率、呼吸频率以及运动强度
图1所示为两组受试者平均心率和平均呼吸频率周期的变化。SG组受试者呼吸频率要显著低于NG组，从数据来看，SG组受试者的呼吸频率在运动前、运动中、运动后分别为15.3±2.2次/min，22.4±2.4次/min和14.1±2.5次/min，而NG组分别为17.1±2.2次/min，24.7±2.7次/min和19.5±2.2次/min。尽管在运动前两组受试者在呼吸频率上并没有显现出统计学差异，但是，SG组受试者的呼吸频率在运动前普遍低于NG组受试者，并且ES组值在0.2～0.3之间。SG组受试者的呼吸频率在运动开始后的前1 min(P<0.05)及运动后的前2 min(P<0.05)显著低于NG组。尽管两组受试者在运动期间呼吸频率都明显上升，但是，NG组受试者的上升幅度要比SG组更明显。反之，SG组受试者在运动过程中和运动后表现出更高的心率值(P<0.05)。SG组受试者在运动过程中平均心率值为137.8±6.4次/min(98～142次/min)，NG组受试者平均心率值为117.7±6.5次/min(92～126次/min)。
2.3 脑电波
图2所示为两组受试者运动前、运动中、运动后在睁眼和闭眼状态下的α波和β波标准化功率百分比。从图中可以看出，在太极拳练习过程中两组受试者的α%相近，但是，SG组受试者在运动之前的安静和运动后恢复期的闭眼状态下，α%显著高于NG组受试者(P<0.05)。另外，对于β波功率来说，本研究并未发现两组受试者之间存在显著地统计学差异，但是，在运动过程中SG组受试者的β%要略高于NG组受试者。
图 1 太极拳技术熟练组和初学者组受试者心率和呼吸频率折线图
图 2 太极拳技术熟练组和初学者组受试者α波和β波的标准化功率折线图
图3所示为运动前安静、运动中以及运动后安静恢复期α%在中央区和枕区的变化情况。在运动前安静状态下，SG组受试者大脑中央区的α%显著高于NG组受试者(P<0.05)。在运动状态下，NG组受试者枕区的α%显著高于中央区(P<0.05)，而SG组受试者枕区和中央区没有显著差异。在太极拳运动练习结束后的休息状态下，SG组受试者大脑中央区的α%显著高于枕区(P<0.05)。
图 3 太极拳技术熟练组和初学者组受试者不同脑区的α波标准化功率柱状图
2.4 表面肌电
图4所示为两组中各1名受试者做同一动作时的一段时间内下肢股直肌和臀大肌标准化的iEMG。如图所示，SG组受试者的肌电活动相对来说更加平滑，而NG组受试者的肌电活动相对杂乱或不稳定，尤其是臀大肌的这种差异表现得更为明显。且此种差异也可以在其他受试者身上发现，因此，可以认为这是一种共性的规律。
图5所示为两组受试者下肢股直肌经过标准化处理后的MF(%)随时间变化特点。从图中可以看出，NG组受试者下肢股直肌表面肌电信号的MF(%)与太极拳的练习时间呈显著负相关下降(r=-0.82，r2=0.68,P=0.000 9，ES=0.5)，整个运动过程中与初始值比较下降了-11%，而SG组受试者的MF(%)尽管也有所下降(r=-0.60,r2=0.37,P=0.04,ES=0.2)，但与初始值相比仅下降了5%，且其效应量小于SG组受试者。
图 4 太极拳技术熟练组和初学者组中各1名受试者下肢股直肌和臀大肌标准化的iEMG(%)示意图
图 5 太极拳技术熟练组和初学者组受试者下肢股直肌sEMG的标准化MF(%)变化示意图
3 分析
3.1 体适能
本研究发现，SG组受试者在纵跳相对值、闭目单脚站立时间、坐位体前屈以及仰卧起坐方面要优于NG组受试者。这与前人的研究结果基本一致[11,17]，研究发现，太极拳练习能够使练习者下肢和腰部肌肉的伸肌/屈肌力量提高15%左右。太极拳运动以腰作为移动中心，在一种半弯身式支撑状态下移动身体。这种移动特点本质上对下肢施加了一个中等负荷，有利于提高下肢或腰腹部的肌肉力量。另外，有研究表明，长期练习太极拳运动可以提高人体平衡能力[2,11]，这也是SG组受试者在闭目单脚站立方面表现得更优秀的原因。而坐位体前屈除了与肌肉量有关外，也与太极拳运动中的牵拉动作练习有关。Lan等[10]人发现，太极拳练习者与长期坐位者相比，躯干的伸展性更好。本研究成果再次证明，太极拳运动有利于发展中年练习者机体的灵敏性，柔韧性和肌肉力量。在本研究中上肢握力没有显著性差异的主要原因可能与太极拳运动主要依靠腰部和下肢运动为主有关，较少利用到抓握动作，因此两组受试者在握力方面没有差异。
3.2 心率、呼吸频率以及运动强度
SG组受试者在完成相同的24式整套太极拳运动时，其运动强度要大于NG组。这可能与SG组受试者进行运动时的动作特征有关。视频录像发现，SG组受试者在整套动作中注重身体始终处于一种低重稳定的姿势，而NG组受试者身体姿势不稳定。而且，从表面肌电iEMG的特征也能说明，初学者还没有很好地掌握动作要领，他们通常表现出忽高忽低地肌电幅值。而技术熟练组的受试者已经掌握了动作要领，动作轻松、连贯，他们能熟练地控制下肢肌肉缓慢地进行向心或离心收缩，同时保持躯干直立。
本研究发现，SG组受试者呼吸频率在运动前普遍低于NG组受试者，尽管没有统计学差异，但是ES值在0.2～0.3之间，说明，长期进行太极拳运动对练习者呼吸有中等效应影响。另外，SG组受试者在练习过程中呼吸频率低于NG组受试者，由于SG组受试者已经能够自如地控制运动，其将呼吸节律(腹式)与动作相协调，这称为“太极拳式呼吸(shadow-boxing-breath)”。“太极拳式呼吸”的典型动作是屈体或收四肢时吸气，而当牵拉或向前移动四肢时呼气。腹式呼吸通常用于运动员比赛时放松紧张情绪的训练，或者用于建立身心合一的一种训练方法。鉴于太极拳运动过程中特有的腹式呼吸，长期练习太极拳运动可能会对情绪调节起到积极作用。
3.3 脑功能
EEG作为一个心理生理学变量，可以反映太极拳运动对身心放松和注意力调节起到的积极效果，本研究两组受试者在运动过程中β%都有所上升。本研究结果显示，运动后α%显著上升，这与其他有关运动对大脑α/β波影响的研究结果一致[20]。但是，24式太极拳运动作为一种武术健身运动，在运动过程中要求练习者对肢体运动高度集中注意力，这会导致α波抑制，最终使β波比例增加。
太极拳运动与其他东方传统身体锻炼方法有所类似，像气功的最终目标是要达到一个特殊的精神境界，好比把自己融入到宇宙中。在本研究中，安静睁眼状态下两组受试者基本表现出相同的α%变化模式，但在安静休息和运动后恢复期时，SG组闭眼α%显著高于NG组(P<0.05)，其部分原因可能是由于SG组受试者通常能够在运动中深深陷入到沉思当中或者能对自己的动作高度集中，一般而言，这也是判断一名高水平太极拳练习者的标准之一。在这种长年的高认知状态下，太极拳运动影响了练习者的EEG表现，从数据可见，长期的太极拳练习使SG组受试者达到了高效/快速的心理放松效果。而且，已经有人将太极拳运动用于临床脑功能损伤的治疗中[12]，并取得了一定疗效，而本研究的数据可能作为太极拳运动疗法的理论基础。
EEG的频率成分通常被看作脑激活水平和生理状态差异的一个指标，低频的EEG成分与大脑抑制和疲劳有关，而高频成分与兴奋有关，由于SG组受试者长年练习太极拳运动，无论从情感还是躯体上都产生了依赖。这种情感变化间接表明，24式太极拳能使长期练习者产生强烈的兴趣。本研究认为，SG组太极拳练习者产生更高的β%意味着他们可能处于一种更高的生理兴奋状态，即使在他们处于安静状态时。Cheng等[3]人研究发现，与普通人相比从事体育运动的人会产生更多的β波活动。
一般来说，当人体处于一种正常的生理状态时，其枕区α波占优势。Kawano[7]和Sinakawa等[21]的研究分别发现，当某领域专家集中注意力在自己的领域时，α波会从枕区扩散到前额区或者与枕区同时出现。本研究也发现了一些特殊现象，即初学者α波主要出现在枕区，而长期练习者α波主要出现在中央区，由于在平时训练中练习者对自己的动作要高度集中。SG组受试者的α波趋近于由大脑枕区向大脑中央区或前额区移动，有学者认为，大脑α波的移动可能作为一种有效的评价注意力集中程度的因子[7,21]。本研究结果表明，24式太极拳运动可以作为一种注意力集中训练法来提高个体的注意力。
3.4 神经肌肉控制功能
本研究选取分析了两组受试者中具有代表性的股直肌和臀大肌的标准化iEMG(%)，从股直肌的肌电图可以明显地看出，SG组受试者的肌电平滑流畅，而NG组受试者表现为相对尖峰状。SG组受试者的臀大肌肌电活动表现得更加平稳，而NG组受试者表现为突放式。这说明，技术熟练的太极拳练习者在完成动作时神经对肌肉的控制更加程序化，已经形成了一种技术动作动力定型。
另外，本研究还观察了两组受试者在整套24式太极拳练习过程中的下肢肌肉耐疲劳能力。数据表明，NG组受试者下肢股直肌肌电信号标准化的MF显著下降，尽管SG组受试者标准化的MF也显著下降，但是，NG组受试者的下降程度更为明显，且效应量值也更大。在肌电信号分析中MF可以反映机体局部肌肉的疲劳程度，MF下降说明肌电的低频成分增加，机体出现疲劳[4]。目前认为，MF下降主要是因为肌肉收缩时产生的血乳酸解离出来的H+使肌细胞膜上的动作电位传导速度下降导致的[13]。本研究显示，长期练习太极拳的SG组受试者MF变化程度小，说明其肌肉收缩的耐疲劳能力强，其原因可能是因为受试者在长年练习太极拳运动过程中使下肢肌肉的慢肌纤维成分选择性增加。慢肌纤维具有持续收缩时间长、强度小以及抗疲劳能力强的特点，而太极拳运动恰好符合这种运动强度。所以，SG组受试者在整套24式太极拳运动过程中主要募集的是慢肌纤维，而慢肌纤维收缩又主要以有氧代谢方式供能，其代谢产物不产生血乳酸，相对较少地动员快肌纤维就可以完成任务，因此，MF降低程度小。而NG组受试者在整套太极拳练习过程中初始动员的慢肌纤维疲劳后开始大量动员快肌纤维，而快肌纤维收缩时会产生乳酸，所以其MF值显著下降。
4 结论
24式太极拳运动能提高或保持中年人身体的平衡能力、柔韧性、肌肉力量以及肌肉抗疲劳能力，它作为一种中等强度的有氧锻炼对练习者的身体会产生良好的效果，而且长期练习24式太极拳能使练习者的脑功能得到更好地改善。
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Study on Physiological and Psychological Effects of Long term 24-style Tai Chi Chuan Exercise on Middle-aged People
QUAN Li-ming
Objective:To observe physiological and psychological effects of 24-style Tai Chi Chuan exercise on the middle-aged people.Methods:22 healthy middle-aged people participated in this study,which were divided into skilled group (SG,n=11) and novice group (NG,n=11).The heart rate,respiratory rate,exercise intensity,scalp electroencephalography (EEG),surface electromyography (sEMG),and physical quality test were combined to evaluate the physiological and psychological effects of 24-style TCC on the middle-aged people.Results:the results indicated that subjects in the SG had higher value in relative vertical jump (P<0.05),stand on one leg with closed eyes (P<0.05),sit-and reach (P<0.01),sit-ups (P<0.05) than those in the NG.And the exercise intensity of 24-style Tai Chi Chuan seemed to be higher for subjects in the SG than those in the NG.Subjects in the SG showed higher value in heart rate(P<0.05),lower RR intervals (P<0.05),higher normalized α-band power (P<0.05) during eye-closed period after exercise.The subjects in the SG presented higher α% power in the central areas of brain during pre-exercise rest (P<0.05).And α% power in the central areas of brain for the subjects in the SG was higher than occipital areas of brain.The sEMG data of lower limb muscle demonstrated that subjects had stronger resistant-fatigue during TCC exercise in the SG.Conclusion:the data indicates that the 24-style TCC could improve the physiological benefits in middle-age people,especially in brain function and capacity of neuromuscular control.
24-styleTaiChiChuan(TCC);physicalfitness;respiratoryrate;electroencephalography(EEG);surfaceelectromyography(sEMG);neuromuscularcontrol
1002-9826(2016)05-0068-07
10.16470/j.csst.201605010
2015-10-01；
2016-05-29
权黎明(1974-)，男，山西新绛人，副教授，硕士，主要研究方向为武术理论与方法,Tel：(0357)3016075,E-mail:quanliming197401@163.com。
山西师范大学 体育学院，山西 临汾 041000 Shanxi Normal University,Linfen 041000,China.
G852.11
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