第1章 绪论

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　　【题目】太极拳对脊柱康复的生物力学机制研究（←点击返回查看其余5篇临床医学硕士论文）
　　【第一章】太极拳运动的生物力学研究现状
　　【2.1】太极拳运动者脊柱情况研究方法
　　【2.2】太极拳对脊柱及周围肌肉动力学参数影响分析
　　【第三章】脊柱锻炼中太极拳的作用讨论
　　【第四章-参考文献】太极拳对脊柱生物力学的作用研究结论与参考文献

　　1.1、太极拳运动的概况

　　弘扬传统健身运动，促进全民健身是我国建设“健康中国”的重要支撑，更是一项不可或缺的国家战略。作为我国传统健身运动的代表一一太极拳是一种集强身健体、颐养性情、内外兼修等多种功能于一体的传统健身运动，迄今为止已经有1200余年的历史。太极拳的动作如行云流水，圆活自然，舒畅飘逸，且具有运动强度适中、动作灵活性强的特点，是一项老少咸宜的健身运动。据报道，太极拳现己传播到150多个国家和地区，全球练习人数达3亿多。

　　美国老年学会、英国老年学会分别于2010年将太极拳列为推荐预防跌倒的运动处方“OARSI(国际骨关节研究学会)也将太极拳作为一种推荐的保守治疗方式列入膝关节骨性关节炎的治疗指南，这些权威机构的举动也标志着全球范围内对太极拳康复与治疗效果的认可。太极拳运动受时间、场地、环境等客观因素的限制较小，对于大多行动不便或者患有慢性骨骼及肌肉疾病的中老年人来说是一种既能维持锻炼有效性，又具备一定安全性的康复保健运动，因此十分适合于人群间广泛推广。

　　太极拳运动已被证实对人体多种系统具有保健及康复作用。目前，己有多项研究证实太极拳运动能够增强中老年人的平衡能力，提高本体感觉，并有助于多种慢性疾病的康复，特别是骨科疾病，如骨性关节炎、腰颈椎疾病等。

　　然而太极拳对上述骨科疾病的康复作用机制尚不清晰，现有研究多是从生物力学角度分析太极拳运动中不同动作的力学特征以证实其康复机制。同时，太极拳运动具有增强下肢关节灵活性的作用，这对于减少老年人意外跌倒的发生概率有着显着的效果。由于太极拳与正常行走或慢跑相比较，练习者运动大部分时间需要处于半蹲状态，且运动节奏缓慢，通过不同的肢体动作以实现躯体重心在三维空间范围内的移动。这种运动学特点对于下肢肌肉力量的增强以及关节稳定性的增加有明显的促进效果。同时，经研究证明，太极拳运动的干预对于患有社区轻度认知障碍(MCI)老年人的总体认知功能、执行功能和记忆力有着积极地影响。新英格兰杂志也曾先后报道过太极拳具有缓解纤维性肌肉痛及预防帕金森症的作用等，的研究证明了太极拳运功对患者的心肺功能有着显着的改善作用，可明显提高慢性病患者的生活质量，成栋‘s1等的研究结果则表明太极拳运动可以兴奋大脑皮质区域，促进康复。姚吸深度，提升肺通气功能，并有助于血液流动等。除生理方面外，增加练习者呼有研究证实相较于传统的功能锻炼，太极拳运动不仅可以改善练习者躯体的病理性疼痛，更能一定程度缓解其焦虑情绪，实现真正的放松身心。

　　1.2、太极拳运动的生物力学研究现状

　　目前，国内外对太极拳运动学特征的研究主要集中在生物力学研究方面，即通过生物力学的角度探究太极拳运动中躯体各部分骨骼与肌肉的生物力学特征，分析其对应的医学意义，进而探讨太极拳运动的具体康复及致损作用机制。

　　太极拳运动中，地面是人与外部环境的直接接触面。因此，人体足底压力的分布及GRF可以直接反映足底及相关肌肉、骨骼的力学特征与变化。目前，太极拳足底压力的生物力学研究常采集的指标包括足底压力峰值、压力中心、压强等。

　　杨春荣的研究利用Pedar-X足底鞋垫压力测试系统量化了太极拳动作中5个基础动作的足底压力重心分布情况。经统计分析后的结果表明:在太极拳运动过程中，足底的压力负荷主要集中在掌内侧，且压力中心位移在足底内外侧方向和前后方向较大。同时，与正常步态对比，太极拳运动时踩关节在矢状位的运动幅度增大，这种运动幅度的变化有助于提升下肢肌肉力量，是太极拳提高平衡能力的重要因素之一。李立等则将足底划分为10个区域:第1趾骨、第2-5趾骨、第1趾骨、第2趾骨、第3趾骨、第4趾骨、第5趾骨、足弓、足跟内侧、足跟外侧。他利用Footscan足底压力测试系统测量了太极拳运动时这10个区域的峰力值、达峰力值时间、负荷率、冲量等指标。结果表明:

　　太极拳运动时足底多区域峰力值、负荷率、冲量均显着高于普通组，且各区域峰力值集中在足跟、前脚掌内侧、第1趾骨。同时，通过单足睁眼站立时间和单足闭眼站立时间来评价平衡能力，发现太极拳组与普通组具有显着差异，进一步证明了太极拳运动对平衡能力的影响。

　　Nurse 等的研究已经证明人体主要通过第1趾骨和第1拓骨部位的触觉感受平衡器来维持躯体平衡，且前脚掌内侧的压力值可以给予人体维持平衡的正反馈:既压力值越高，触觉感受器越敏感，肢体则做出相应调整以维持平衡。

　　结合杨春荣与李立的研究结果，可总结:太极拳运动中足底压力的变化特征表明太极拳运动可以有效地强化第1趾骨及第1拓骨的触觉感受平衡器。练习者为适应变化需不断地对平衡进行调整，进而达到增强下肢力量，提升练习者对肢体的控制与平衡能力。这种对下肢肌肉力量的增强锻炼将有助于下肢力量欠佳的患者进行康复，可作为康复治疗中平衡训练运动的一项。

　　除传统太极运动外，Chang "'，等针对太极推手的足底压力特征进行研究，发现在太极推手运动过程中，如果不受其他外力，运动者双足的GRF的合力几乎等同于其体重，且足底的压力负荷集中于脚趾区。Leung "5，等则利用测力平台对坐式太极的GRF, COP, COM进行跟踪，结果表明:与传统立式太极相比，坐式太极COP位移相对较小，在前后及内外两个方向上的数值分别为受试者身高的0. 796和0. 196，受试者的COM在垂直方向上的移动较为缓慢。COP与COM的变化可以反映机体的在运动中对平衡的调整与控制过程。因此坐式太极更适合有站立困难的老年人进行平衡能力的康复。

　　2.2、太极拳运动的关节受力与活动度研究

　　太极拳运动是一项由全身关节与肌肉参与的康复性运动，对其关节的生物力学研究将有助于探索具体的康复或致损作用机制。而在生物力学研究中，通过采集人与环境间的交互数据，推算肢体主要关节的受力、力矩、载荷、活动度等力学指标，进而分析运动的生物力学机制并探讨其临床意义是目前最常用的研究思路。

　　Mohammadi等研究表明下肢关节与肌肉的受力情况是影响平衡能力的重要因素，而太极拳运动中的基础动作，如弓步、马步等均是以下肢力量为核心完成的。因此，众多学者以靛关节、膝关节、躁关节等下肢关节作为生物力学研究对象，分析太极拳的运动机制。Wu等“，，的研究依据逆向动力学原理计算出了跨节段的关节应力及关节力矩。结果表明:在太极拳运动的步态中，膝关节和骸关节的峰值力矩与正常步态相比更大，且膝关节所受的剪切力位于内外侧方向。近年来，利用运动数据模型研究力学规律，并逆向分析躯体的运动特点，获取肌肉力学参数‘I87成为生物力学研究新的热点。张彦龙‘I9，等的研究利用Motion Capture高速运动捕捉系统，结合三维测力平台获取了太极拳的运动参数，通过ADAMS/LifeMOD多刚体系统动力学分析软件建立了太极拳运动仿真模型。在对仿真模型的力学分析中发现，太极拳运动时膝关节在矢状面内峰值力矩最小，而在额状面内绕矢状轴内收、外展的峰值力矩较大。这表明太极拳运动时膝关节的内收肌和外展肌收缩增强，长期锻炼将有助于提升膝关节的稳定性，进而增强下肢平衡能力。

　　有研究表明，太极拳可以增强脊柱系统的稳定性，缓解胸腰椎疾病所引的疼痛等症状，提高患者的生活质量。因此，有些研究也着眼于太极拳运动中脊柱的活动度与受力情况，以分析太极拳运动对脊柱的作用机制。伶泊烯I2t’等最早利用X线对太极拳站桩动作与脊柱生理弯曲的关系进行生物力学分析。研究发现:太极拳运动中的站桩动作与正常站立相比，受试者腰椎椎体间角度减小，椎体前缘间距减小而后缘间距加大，这种弯曲度的变化也有利于发挥脊椎作为躯体转动中轴的作用。武冬等的研究则利用重力性角度传感测量技术，通过工diag Spinal Mouse对太极拳云手动作中脊柱曲度的变化进行分析研究。

　　结果表明:与静止站立相比，太极拳云手动作时脊柱的生理弯曲有所减小，由“S”型转变成为“C”型。他认为这种曲度的改变将使脊柱椎间盘的受力更加均匀，同时引起周围肌肉的收缩状态发生改变，进而起到缓解和治疗胸腰椎疾病症状的作用。张土‘231等的研究认为太极拳动作中脊柱形态的变化一定程度可改变呼吸模式，与此同时这种形态变化也将增强腹内压，间接加强脊柱的稳定性。因此，太极拳运动中脊柱活动度的变化很可能是其治疗脊椎、椎间盘、椎旁肌等结构病理状态的重要机制。

　　太极拳运动虽然具有一定的康复保健功能，但有些报道表示太极拳同样可导致膝关节、跺关节及腰部的损伤。国内外许多学者也针对太极拳运动的致损机制进行了相关的生物力学研究。陶萍等的研究利用三维运动学捕捉系统分别对规范与不规范地完成太极拳基础动作—“野马分鬃”时膝关节的生物力学特征进行研究。结果表明:与规范动作相比，在完成不规范的动作时练习者右膝关节会产生更大幅度的外展与外旋力矩，进而形成更大的拉伸和扭转负荷。根据这一结果得出结论:不规范的太极拳运动是导致膝关节损伤的重要力学原因。除生物力学实验外，吕浩源(261等通过调查的方式发现:不规范的太极拳练习者与规范的练习者相比，其躯体运动损伤的部位更多、损伤程度也更为严重。同时也大胆地提出了膝关节不同部位损伤的传递规律的假设:胫骨平台关节一胫骨骸间棘一骸骨后上角一骸骨后下角。

　　综合众多对太极拳运动中关节受力特征与活动度等的研究，可得出结论:

　　在太极拳运动中，躯体的一些主要关节的在不同方向上的受力情况、关节力矩、负荷大小以及脊柱活动度等特点是太极拳具有显着增强相关肌肉力量与协调性，提升肌肉对肢体的控制能力，提高练习者平衡控制力的重要因素。与此同时，这其中的一些关节生物力学特征也验证了太极拳运动对膝关节等部位的具体损伤机制，证明过度或不规范的练习太极拳可能会过度增大关节力矩与关节负荷，进而导致膝关节骨性关节炎、骸股疼痛综合征等太极拳运动损伤的产生。

　　2.3、太极拳运动的肌肉活动研究

　　太极拳是一项由全身肌肉参与的全身性运动，因此现有的一些生物力学研究也常以肌肉作为切入点，通过对太极拳运动中躯体不同肌肉的活动强度、参与顺序以及相互间的协调关系等生物力学指标的采集，分析太极拳运动中肌肉的力学规律与特点。

　　EMG是一种通过直接测量肌肉活动强度，直观地反映运动过程中肌肉变化与协调欢喜的研究方法。研究应用EMG测量了太极步态中膝关节周围的主要肌肉:股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、排肠肌等的EMG信号。结果显示:这些肌肉的归一化EMG信号均方根峰值较正常步态明显提高，说明太极拳运动对膝关节肌肉的利用率更高，肌肉的协同收缩性也更好。同时，EMG在生物力学研究中常应用于运动仿真建模与实际肌肉受力情况一致性的验证。

　　等速肌力测试仪可以直接测量膝关节屈伸肌的最大向心力量及耐力，研究就是利用该设备发现:在经过16周太极拳运动锻炼后，练习者的肌肉力鹰将显着提高，肌肉力量的增长幅度约19. 9%。田小培‘m等的研究利用BiodexII型多关节等速测试仪对50名中老年人练习太极拳前、后的脊柱两侧肌肉力量进行测量。结果表明:经太极拳锻炼后，练习者脊柱旁肌肉力量与练习前相比有所增强，且数据具有显着性差异。并得出结论:太极拳运动对脊柱稳定性提升的作用机制主要是源于其对椎旁肌肌力的增强作用。

　　除对肌肉活动强度的直接测量外，通过测量相关动力学参数，运用逆行推算的方法分析某种运动的生物力学特征也是常用的力学研究手段。AnybodyTMSystem是一种可以对人体静止或运动状态进行建模与仿真，并获得运动时人体各个关节与肌肉的生物力学特征的力学分析系统。纪仲秋等的研究就是通汇三维测力台获取太极拳弓步与马步动作的不同力学数据，再通过Anybody仿真建模系统对躯体动作仿真建模，并针对支撑腿部的主要肌肉、膝关节受力特征及支撑稳定性等指标进行分析研究。结果表明:马步动作时，人体左右腿的支撑力较为均衡，且不随动作幅度变化而变化。弓步动作时，躯体则更多地依靠前腿支撑体重，且动作幅度越大，承重量越大，支撑稳定性越低。在肌肉受力方面，马步动作时下肢的主要发力肌肉为股直肌与股内侧肌，而弓步动作时，除股直肌与股内侧肌外，下肢的比目鱼肌和股二头肌的肌肉活度也明显增加，该研究具体地分析了太极拳运动时下肢肌肉的生物力学特征，解析了其对增强下肢力量作用的锻炼机制。

　　综合以上肌肉活动度相关的生物力学研究，可发现太极拳运动与其它运动相比，虽然动作相对缓慢、柔和，但却能通过某些动作的生物力学特性增强特定肌肉活动度，提升肌肉力量，起到与其他较为激烈的运动相似的康复锻炼作用。这也间接说明了太极拳运动是一项适合老年人及不宜激烈运动的患者参与的高效性康复运动。

　　2.4、太极拳运动生物力学研究的现有问题

　　现有的太极拳相关生物力学研究是从力学的角度出发，应用生物力学研究手段，在获取太极拳运动过程中的力学数据与变化的同时结合基础医学与临床医学知识，探索太极拳运动中躯体骨骼与肌肉的生物力学特征及其意义，剖析太极拳的保健、康复以及相关致损作用的机制，己取得一定进展。但目前的研究仍旧存在许多的局限与不足:

　　1)生物力学研究对象的局限性

　　太极拳是作为一项全身性的保健运动，运动过程需要躯体的大部分肌肉与骨骼参与其中。但现有的太极拳生物力学研究对象多集中于:下肢、膝关节、足底等部位，对头颈部、上肢、脊柱等躯体其他部位的研究相对缺乏，且当前的研究对象多集中于单一部位，缺少对不同部位之间的生物力学特征关联性的研究。这些问题与目前生物力学研究的设备条件以及研究的难度有关。刘书鹏I31’等的研究虽然将三维测力台的足底压力数据应用于Anybody系统的仿真建模中，但未对太极拳运动中下肢生物力学特征与足底压力变化间的相关性进行分析讨论。与此同时，目前的太极拳生物力学研究多是针对单一的太极拳动作进行研究，即对静态动作进行生物力学分析，对太极拳运动的不同动作中骨骼与肌肉的动态变化分析相对较少。因此，对不同的太极拳动作中肢体头颈部、上肢、脊柱等其它部位的生物力学动态研究，以及对各部位间生物力学关联性以及动态变化的探索将是太极拳生物力学研究的一大突破口。

　　2)研究对照运动相对单一

　　现有的太极拳生物力学研究中，对照运动一般以步行或站立为主。虽然这种对照者具备一定的参考性，但如果想探讨太极拳运动与其它运动相比，其作为康复治疗或保健运动的优势性，则需更多地与其它康复运动的生物力学特征进行比照。未来的研究如果能通过生物力学方法分析出太极拳与其它康复动作或运动相比的优劣性，并针对太极拳运动中现有的问题进行改良，甚至根据不同人群设计不同的个性化太极拳运动方案，将有助于太极拳作为康复治疗手段及保健运动的推广与应用。

　　3)缺少与太极拳对其它系统作用研究的融合

　　有研究表明，太极拳除对骨骼和肌肉系统的具有一定康复作用外，其对机体其它系统也均具有一定的治疗、康复及保健作用。姚成栋‘32’等的研究证明了太极拳运功对慢性心力衰竭患者的心肺功能具有显着改善作用，能够明显提高慢性心力衰竭患者的生活质量，促进其康复。然而，目前有关太极拳运动队其它系统作用的研究多以META分析或调查研究为主，而生物力学研究方面也较丝与这些研究相融合分析。因此，如果能在生物力学实验中加入对其它系统生理指标的测定，如脑电、心电、机体代谢指标等，寻找太极拳运动过程中对不同系统作用间的相关性，可以为太极拳的生物力学研究提供新的思路。

　　1.3、研究目的

　　太极拳作为我国一项传统的健身运动，其康复作用己逐渐得到国内、国际范围的认可，针对太极拳运动具体作用机制的相关生物力学研究也成为太极拳研究领域的热点。然而，目前研究多集中在单一关节或部位进行力学分析，缺乏对人体骨骼和肌肉的宏观力学研究。同时，太极拳运动讲究“练气入脊”，脊柱作为支撑躯体的骨性支柱，在太极拳运动过程中必然起到至关重要的作用。因此，本研究将以脊柱椎体、椎体间关节及脊柱周围肌肉作为太极拳生物力学研究的切入点，重点关注太极拳运动中脊柱骨性结构及椎旁肌肉的生物力学特点，对太极拳运动的动态过程中脊柱的生物力学变化进行研究，分析太极拳运动对脊柱及周围结构锻炼或康复作用的具体力学机制。本研究结果不单对探索太极拳运动的康复锻炼及保健作用机制具有深远意义，更一定程度上为其他康复运动的生物力学研究提供新的思路。

　　太极拳运动在具有良好康复功能的同时也具有一定运动损伤风险。现有研究己证实，太极拳运动的不规范或过度动作可导致下肢膝关节的负荷增大，造成损伤。本研究将对太极拳运动时脊柱的生物力学特征进行分析，试图找出太极拳动作中对脊柱及周围肌肉具有潜在致损作用的力学因素。研究结果将有助于对太极拳“不良”动作的改良、优化，甚至未来可并针对不同的康复人群制定出规范的太极拳运动指南，明确不同太极拳动作的适应症、禁忌症，为不同人群或患者提供个性化的太极拳动作或套路，这也将有助于太极拳运动更加规范、合理、广泛地应用于康复治疗与保健运动之中。

　　1.4、研究思路

　　本研究将基于作者前期对太极拳运动的调研与研究基础上开展，研究运动选取陈氏太极拳(共78式)。首将陈式太极拳的整套动作进行划分，根据各招式的基础动作将其划分为不同的动素单元，初步分析各动素单元内人体的运动特征，并重点关注和选取脊柱活动较大的动素单元。随后设计出具体的生物力学实验方案，确定数据采集的方法与运动学指标，采集方法包括:动作捕获、足底压力信号采集等。本研究中生物力学实验的实施于中国航天员科研训练中心的人因工程科技重点实验室完成。研究人员在实验方案的基础上利用生物力学研究设备搭建太极拳运动学实验平台，并进行预实验，检验各仪器与设备间的同步性及有效性。在预实验完成后通过实验平台采集整套陈式太极拳动作相关的运动学数据。采集后先依据足底压力数据分析太极拳运动中足底压力分布与变化的特征，之后在动作捕获和足底压力数据的基础上利用Anybody人体建模仿真系统对陈氏太极拳运动过程进行建模。通过建立的仿真模型推导出整个太极拳运动过程中脊柱及周围肌肉的生物力学特征，分析指标包括:肌肉激活度、脊柱关节间应力、脊柱关节力矩、脊柱关节间角度等。在这些生物力学数据的基础上对提前划分好的动素单元进行数据选择，分析每个动素单元内的运动学指标及对应的生物力学特征。最后在得出的太极拳运动过程中脊柱生物力学的数据基础上，结合临床医学专业知识，进一步探讨太极拳运动的康复作用机制中脊柱相关系统的力学机制与相应的临床意义。

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