第2章 研究内容

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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

　　2.1、研究对象和方法

　　2.1.1、实验对象与测试动作

　　本研究招募了一名女性陈氏太极拳练习者作为生物力学实验受试者。受试者年龄40岁，体重43公斤，身高1. 53米，有近十年的陈氏太极拳练习经验，可熟练、规范地完成测试的整套太极拳动作。

　　测量动作为陈氏太极拳，陈式太极拳是由陈王廷集蒋发所授的三丰太极拳与陈式炮捶融合改编而成的太极拳法。根据其行拳时弧形绕转的圈的范围大小可分为大架与小架。陈氏太极拳〔小架)整套动作共78式，包含有:静止站立、单足站立、行走、弓步、马步、踢腿等太极拳基础动作及一些特殊动作。

　　2. 1. 2、实验设备与仪器

　　1) Xsens MVN system全身惯性动作捕捉系统

　　Xsens MVN是一款便携式全身惯性动作捕捉系统，配有惯性传感器，可以安装在全身莱卡捕捉服上，也可以安装在捕捉带上使用。Xsens MVN因不采用摄像头捕捉，因此不会对受试者行动造成任何限制，同时适用于室内和室外工作环境，是一套具有极强灵活性的便携式动作捕捉系统。该产品避免了信号阻挡或者标记物混淆的问题，节省了捕捉数据清理工作花费的时间。MVN简单易用，校准迅速，可以用巧分钟安装完毕并马上投入使用。

图2-1 Xsens MVN全身惯性动作捕捉系统

　　该系统通过Xsens公司的Awinda模块实现数据同步采集(如图2-2所示)Awinda提供四个同步接口(BNC接口，输入和输出接口分别为2个)。通过输入接口可以接收同步信号(( 3. 3v高电平或Ov电平)，通过输出接口可以发送同步信号(由软件产生发送指标，信号为3. 3v高电平或Ov电平)。电脑安装的运动学数据采集软件(Xsens MVN Pro)根据信号自动执行启动数据采集或停止数据采集等操作。控制方式有两种:

　　主控方式:预先在数据同步采集与处理模块设定通过哪些操作触发发送同步指令(如点击开始采集或点击停止采集)。当执行设定的操作时，软件向同步模块发送同步指令，同步模块接收到同步指令后向其它同步采集系统发送同步信号(高电平或低电平)。

　　被控方式:预先在数据同步采集与处理模块设定同步指令对应的操作(如开始采集数据或结束采集数据)。同步模块接收到其它同步采集系统发送的同步信号(高电平或低电平)后，将其转换为同步指令发送给数据同步采集与处理模块并触发相应的操作。

图2-2 运动学数据同步采集

　　2) F-Scan足底压力分析系统

　　该系统由美国TecScan公司研发。F-Scan测量系统将轻薄、可重复使用的鞋垫式传感器安置在受试者的鞋内，并将足部压力完整地记录下来。可实时识别、展示和记录足底压力和力量。其可弯曲的特性，让使用者在活动上不受任何阻碍，并保持自然的步态和活动，可在不干扰人体运动的情况下得到最真实的数压力据。本研究采用该系统开展足底压力测试，用于获取太极拳运动过程中的足底压力数据。

图2-3 TecScan薄膜压力传感器与F-Scan足底压力分析系统

　　3) Anybody人体仿真建模系统

　　Anybody Modeling SystemT"是专业的人体骨骼、肌肉仿真建模软件，由丹麦奥丁堡大学开发用于人体骨骼和肌肉动力学问题求解，于2004年开始商业化应用‘35' o Anybody软件可以分析不同状态下人体全身肌肉和骨骼的受力情况，为人体运动建模、生物医学工程研究提供了崭新的平台。Anybody软件可以通过逆向动力学分析仿真肌肉力，可以满足人体完成任意运动时的运动生物力学和负荷分析。本研究将采用Anybody Modeling System'进行太极拳运动的生物力学建模。

图2-4 Anybody Modeling System

　　2. 1. 3、研究方法

　　1)文献资料法

　　文献资料法是自然科学研究中的一种重要的研究方法，被广泛地应用于医学、生物力学等研究领域。该方法主要是在研究课题的基础上利用不同的检索手段搜集、鉴别、筛选、整理与研究主题相关的已发表文献，并对其进行综述分析，了解现有研究的进展与不足。本研究主要通过PubMed、中国知网期刊全文数据库、优秀博士/硕士论文全文数据库以及利用百度、谷歌搜索引擎检索主题词“太极拳"、“生物力学”、"Tai Chi"、"Biomechanical”等关键词，整理相关的文字资料、影像资料、音频资料等，为研究设计和论文撰写提供理论依据。

　　2)专家咨询法

　　本研究涉及临床医学、生物力学、运动学、民族传统体育学等多个学科与领域。因此，笔者在研究过程中多次向北京协和医院骨科专家、北京航天航空大学生物工程学院教授、中国航天员科研训练中心人因工程实验室研究员进行咨询，请教有关研究设计、研究内容、数据分析、临床意义等方面的问题。同时与多名长期太极拳练习者进行交流，听取其对太极拳康复作用的主观感受及对本研究的建议。

　　3)生物力学实验法

　　本研究应用的生物力学实验方法主要包括以下几种:

　　①足底压力测量:足底压力测量技术与步态分析是一种基于生物力学原理获取测试者静止或动态状况下足底压力分布特征和变化等，并对其进行分析研究，评估人体某种状态下足底、下肢的生物力学特性。近年来该技术广泛应用于临床研究中，为设计科学的康复治疗方法提供先进的技术支持。常用的足底压力测量技术包括:脚印法、足底压力扫描器、测力板、三维测力台、压力鞋垫等。本研究采用的F-Scan足底压力系统由美国TecScan公司研制的有线薄膜网格状触觉压力传感器构成，依据受试者脚型大小剪裁为合适的鞋垫形状并置于测试者鞋内，以实现太极拳运动中的动态测量。

　　②运动学数据获取:生物力学研究中有多种动作捕捉方式以获取运动过程中的力学数据。目前常用的运动捕捉设备包括:高速摄像仪、光学传感器、惯性传感器等。本研究采用Xsens MVN system全身惯性动作捕捉系统对受试者的整套陈氏太极拳运动过程进行数据采集。

　　③人体仿真模型建立:人体运动的形象化与仿真一直是生物力学研究的核心内容之一。建立运动中的人体仿真模型，将有助于研究该运动过程中人体内部骨骼与肌肉的真实运动情况。本研究采用Anybody人体建模仿真系统对受试者太极拳运动构建仿真模型，并利用该系统分析整套陈氏太极拳运动中脊柱及周围肌肉的生物力学指标，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。

　　2. 1. 4、运动学实验平台搭建与预实验

　　1)本研究基于以上实验设备和研究方法的基础上，搭建出一套适用于太极拳运动学研究的实验平台。该平台包含可置于鞋内的F-Scan有线足底压力测试系统、可穿戴的Xsens MVN system无线全身惯性动作捕捉系统、Anybody人体仿真建模系统三大部分。可适用于人体任何静止或动态状况下的力学数据采集，经分析处理后可获得某一静止状态或动态动作下人体全部骨骼和肌肉的运动规律及生物力学数据。

　　2)预实验

　　实验时间:2018年1月17日

　　实验地点:中国航天员科研训练中心人因工程实验室

　　实验内容:验证运动学实验平台的有效性与准确性。实验选取2名受试者，分别采集其基本信息(身高、体重、年龄)，并穿戴上足底压力测量鞋垫及全身惯性动作捕捉设备。首先应用单足站立及双足交替站立的方法对足底压力测量系通过进行力学校正，使校正后的足底压力数值与受试者自身重力值相差小于士1090。再通过三组基础动作(垂手直立、大字站立、伸臂半蹲)对无线全身惯性动作捕捉系统进行校正，使该系统呈现的人体仿真图像与受试者身型及动作相符合。校正完毕后嘱受试者匀速步行，采集步行过程中的足底压力分布及变化，捕获步行的动作状态，检验两系统同时采集数据的一致性。随后利用采集的数据进行初步分析与仿真建模，验证数据的准确性，证实本实验的可行性。

图2-5 预实验

　　2. 1. 5运动学数据采集与处理

　　1)基本情况

　　实验时间:2018年1月24日;实验地点:中国航天员科研训练中心人因工程实验室:

　　实验设备与耗材:Xsens MVN system全身惯性动作捕捉系统、F-Scan力分析系统、笔记本电脑2台、移动电源1台、数据线4条、透明胶带、刀等。

　　2)实验流程

　　本实验选取1名女性陈氏太极拳练习者作为受试者，采集该受试者基本信息及人体惯性参数:年龄40岁，体重43kg，身高1. 53m，脚长0. 225m，大腿长0. 37m，小腿长0. 36m，躯干长0. 55m，上臂长0. 28m，前臂长0. 22m，手长0. 16m等，将信息录入足底压力测量系统及全身惯性动作捕捉系统，分别建立运动模型。在实验人员的帮助下受试者穿戴好足底压力测量鞋垫及全身惯性动作捕捉设备，受试者需确保足底压力传感器的平整，实验人员检查惯性传感器标记点位置的准确性(包含标记点的对应位置、方向及工作状态)，随后进行调试，确认电脑可以准确接收到数据信息，确保各项仪器设备工作正常。应用与预实验相同的校准方法对该受试者进行运动模型校正，使足底压力数据及运动捕获图像与受试者真实情况相符。校正完毕后固定足底压力传感器数据线及移动电源位置，安排1名实验人员整理线路，防止测试过程中数据线缠绕，保证太极拳动作的顺利进行。

　　受试者经热身准备后，由实验人员讲明实验过程中的注意事项。在准备完毕后，由受试者发号开始口令进行陈式太极拳练习，并同步采集运动中的足底压力分布及变化数据，捕获陈式太极拳的全部动作。实验过程中，技术人员对实时采集的足底压力数据与建立的运动模型进行初步校对，防止出现异常数据或错误模型。太极拳运动结束后，由受试者发号结束口令，终止实验。

图2-6 太极拳运动数据采集

　　3)数据处理

　　由实验人员核对采集数据的同步性、有效性及准确性，并将足底压力数据及动作捕获标志点数据处理为可导入Anybody仿真建模系统的正确格式。

　　2.1.6 Anybody仿真模型建立

　　在Anybody Modeling System中，虚拟人仿真流程如图所示，主要包含人体结构、参数个性化和动作驱动3个部分。

图2-7 Anybody仿真流程

　　1.人体结构

　　人体结构主要由骨骼、关节和肌肉三部分组成。

　　骨骼模型:本研究采用Anybody Modeling System's下通用的全身骨骼模型进行仿真分析，将人体分为17个体段，用不同类型的关节连接。

　　关节模型:Anybody软件提供了不同类型的关节，用于连接体段。按照自由度区分，关节主要分为三种类型，单自由度关节(膝)、双自由度关节(肘、腕。跺)和三自由度关节(肩、骸);按照转动类型区分，可分为球面型、转动型、圆柱型等。

　　肌肉模型:Anybody常用的肌肉模型包括简单肌肉模型、双元肌肉模型和Hill肌肉模型。其中Hill肌肉模型又称为三元模型，是相对精确的模型。在Anybody中，躯干部位只能选择简单肌肉模型进行分析。

　　2.参数个性化

　　模型参数个性化是建模仿真过程中的一个重要环节，人体形态参数包括虚拟人的身高、体重以及各体段长度、质量、转动惯量等参数。在建模仿真分析中，需要依据仿真分析需求和实验测试技术状态对虚拟人模型中的参数进行修正，实验模型的个性化，确保仿真分析结果的有效性。

　　在模型中对女性太极拳选手的长度参数和质量参数进行了设置，具体如表格所示:

表2-1 受试者生理参数

　　3.动作驱动

　　在建模过程中，需要依据运动参数对虚拟人模型进行驱动，参数输入主要包括驱动方式、人体与环境约束力2个部分。

　　驱动方式:能够为模型提供运动过程中的身体姿态信息，主要包括标志点驱动和关节角度驱动两种方式。在运动生物力学建模中，使用运动捕获的标志点数据驱动模型运动是一种重要的模型驱动手段，该方法可以较为精确的确定人体运动中的姿态，因此本研究采用标志点驱动方式对虚拟人进行驱动。

　　标志点数据是通过同步摄像机追踪人体附着的光学标记点获取的，为获取人体在运动中的姿态，需要建立运动标记点坐标系将运动标记点与人体关联。

　　虚拟人使用30个标记点，固定在人体四肢和躯干上，可以确定人体各体段在运动中的位置和姿态，具体如图所示:

图2-8 标记点位置

　　人体与环境约束力:是决定人体关节和肌肉受力的重要输入参数，包括操作力、足底压力等数据。由于在太极拳运动过程中没有操作力，只有足底与环境的接触力，因此在模型中输入与动作同步的足底压力数据。

　　通过以上建模步骤，建立虚拟人太极拳动作的模型如下。

图2-9 太极拳动作仿真模型

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