2.2、研究结果与分析

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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

　　运动学实验完成后将采集的运动参数以标准的C3D格式储存，C3D文件中包含了Xsens MVN system全身惯性动作捕捉系统采集的太极拳运动模型以及足底压力数据。依据受试者身体姿态信息建立能够读取C3D文件的Anybody肌骨模型，通过C3D中的三维运动轨迹驱动该模型，模拟陈氏太极拳运动过程。运行Anybody Modeling System's中逆向动力学程序(Inverse dynamics)计算并输出脊柱及周围肌肉的动力学数据。

　　本实验研究的脊柱及周围肌肉动力学参数主要有:①脊柱周围主要肌肉的激活度:多裂肌最大激活度(Multifidi Muscle Activity, MMA)、竖脊肌最大激活度(ErectorSpinae Muscle Activity, EMA)、腰大肌最大激活度(PsoasMajor Muscle Activity, PMA)、腰方肌最大激活度(QuadratusLumborum Muscle Activity, QMA)、棘肌最大激活度(SpinalisMuscle Activity, SMA)、半棘肌最大激活度(Semispinalis MuscleActivity, SSMA)、胸多裂肌最大激活度(ThoracicMultifidi MuscleActivity, TMMA)、腹横肌最大激活度(Transversus Muscle Activity,TMA );②脊柱关节力矩(Joint Moments):本研究主要分析脊柱腰段的关节力矩峰值(前后方向弯曲FlexionExtension、左右方向旋转Axial、左右方向弯曲Lateral);③脊柱关节间应力:包括寰枕关节、T12-S1椎间关节(共7个关节)的左右方向应力(Medio Lateral Joint Reforce, MJR)、前后方向应力(Antero Posterior Joint Reforce, AJR)及垂直方向应力(ProximoDistal Joint Reforce, PJR);④脊柱关节间角度(Joint Angle):包括寰枕关节、T12-S1椎间关节(共7个关节)在运动过程中人体前后方向发生弯曲、左右方向弯曲及左右方向旋转时的关节角度。

　　本研究根据基础动作的不同将整套陈氏太极拳动作分解为23个动素单元(包含1个站立动素单元)，这些动素单元分别代表弓步、马步、单足站立、踢腿、弯腰等多种太极拳动作。每个动素单元时长约为4-5秒，并对动素单元以每秒5帧进行分解，分别计算每一帧的脊柱及周围肌肉动力学参数。

　　2.2.1、脊柱周围肌肉激活度的仿真分析

　　Anybody仿真后的肌肉模型中肌肉激活度是对运动过程中肌肉发力状态或受力情况的模拟。肌肉激活度数值可以反映某块肌肉或肌群在某种运动状态下的参与程度，并一定程度上代表相关肌肉的肌力大小。肌肉激活度的最大值为1,代表肌肉所能承受最大力时的状态，一般认为肌肉激活度大于0.O l时该肌肉具有形成或维持这种运动状态的意义。

　　太极拳运动中脊柱周围主要肌肉激活度结果见附录1, 23个动素单元(包括站立动作)的肌肉激活度变化曲线如下:

图2-10 肌肉激活度变化曲线

　　如图2-10所示，与静止站立状态下肌肉激活度相比，太极拳运动过程中脊柱周围不同肌肉的激活度在不同的动素单元内的变化整体呈现波动趋势，并分别具有不同的峰值。其中与站立状态相比，动素1、动素10、动素15、动素17,动素19中的肌肉激活度与前后动素相比升高明显，达到峰值，且均较站立时有显着提升。我们选取这些动素单元，对其中不同肌肉的变化特征进行具体分析。

图2-11 不同动素单元内肌肉激活度数值

　　如图2-11所示，这些动素单元与静止站立时相比，不同肌肉的激活度在动素10中的升高最为明显，均达到峰值，表明在该动素内脊柱周围肌肉的整体受力较大，太极拳的康复或致损机制可能与该动素对应的躯体动作有关。同时通过对同一肌肉在不同动素单元内的变化特征分析，可发现与站立时相比，L-EMA, R-Q}IA, L-QMA, R-SSMA, R-TMMA, L-TMMA, TMA这些肌肉在所选的全部动素单元内均表现为升高趋势，这表明在太极拳运动过程中竖脊肌、半棘肌、胸多裂肌、腹横肌等肌肉的受力均有所增加。

图2-14棘肌肌肉激活度变化

　　除明显的升高趋势外，R-PMA, L-PMA.SMA在22个动素中的变化有所不同。如图2-12及图2-13所示:与静止站立时相比，L-PMA呈现出波动趋势，且肌肉激活度上升与下降的动素个数比例接近。R-PMA则在大多数动素单元内表现为下降变化，其中有6个动素单元内的R-PMA肌肉激活度为0，这可能与太极拳某些招式中的肢体左右动作不同有关。图2-14表明:SMA的肌肉激活度在呈现一定波动变化的同时整体数值基本小于站立时，这表明棘肌在整个太极拳运动过程中的受力呈现减弱趋势。

　　2.2.2、脊柱关节力矩的仿真分析

　　在生物力学研究角度，人体的任意运动均是由力矩控制关节活动而产生的。因此，关节力矩是关节和肌肉的受力综合，能够反映在周围肌群的力学作用下，关节整体的生物力学变化规律。研究运动过程中脊柱的各向关节力矩对探讨脊柱及周围肌肉的具体力学变化规律以及促进康复、预防损伤等具有重要的意义。本研究选取太极拳运动中T12至L5间的各椎间关节，分析脊柱在人体前后方向弯曲、左右方向弯曲、左右方向旋转的三向力矩，具体力矩数值见附录2，关节力矩变化曲线结果如下。

图17、18、19、20

　　图2-15至图2-20表示太极拳运动中脊柱T12至S1节段内各关节的前后弯曲力矩、左右旋转力矩及左右弯曲力矩的变化趋势。通过分析可发现，静止站立时脊柱各关节在三个方向上的力矩绝对值基本稳定在1 N.m左右，表明在该力矩值下脊柱可呈现稳定、平衡的状态，即保持站立状态。因此我们以站立时的力矩作为基准值，首先对脊柱各关节力矩在三个方向上的整体变化趋势进行分析。

　　结果表明在太极拳运动过程中，脊柱在三个方向上关节力矩的变化趋势基本一致，不同关节间差异不明显。各关节的前后弯曲力矩及左右旋转力拒均在动素10内达到峰值，左右弯曲力矩则分别在动素9及动素12内达到两次峰值。接着，我们针对单一关节的不同力矩进行对比分析，结果发现与其它两个关节力矩相比，前后弯曲力矩的增大最为明显，较站立时的基准值升高约在5倍以上，最高可达约30倍，且在整个运动过程中呈现一定波动趋势。相反，左右旋转力矩除在动素10内有所升高以外，在其余各动素内的数值与站立基准值相比变化不明显，这可能与太极拳动作中腰腹部扭转动作较少有关。而左右弯曲力矩则呈现出围绕站立基准值上下波动的变化，并分别在动素9及动素12内达到两次峰值，表明在这两个动素内脊柱在周围肌群的综合作用下，分别受向左及向右的力学作用。

　　由于脊柱前后弯曲力矩的变化最为显着，较基准值升高比例较大，因此我们接着针对脊柱整体的前后弯曲力矩进行单独分析。如图2-21所示，脊柱整体在站立时的平均前后弯曲力矩值最小，为0.82N.m。除动素14和动素18外，其余各动素内的平均前后弯曲力矩较站立基准值升高均达5倍以上，其中动素1、动素10、动素17、动素19、动素21、动素22升高达to倍以上。表明在这些动素内，脊柱在前后方向上受周围肌群的综合力学作用明显。同时，在动素ro内脊柱前后弯曲力矩达峰值:29.662N.m，较基准值升高达36倍，表明在该动素内脊柱受肌群作用导致在前后方向的力学负荷较重。

图2-21 不同动素单元内脊柱前后弯曲力矩

　　2.2.3、脊柱关节应力的仿真分析

　　应力是指物体受力学作用产生形变时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗外力的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。人体在直立或运动时需要体内力系以抵抗重力或运动导致的外力对人体形态的改变，这种关节间抵抗变形的内力集度称为关节应力。脊柱关节应力可以反映椎间关节的内力大小，进而反映椎体间结构的负荷情况。通过计算各椎间关节在人体前后方向、左右方向及垂直方向的最大应力，可以初步分析脊柱的运动状态与生物力学特征。太极拳运动中脊柱各关节应力结果见附录3, 23个动素单元(包括站立动作)的关节应力变化曲线如下:

图22、23、24、25

图26、27、28

　　结果如图2-22至图2-28所示:这8组关节在太极拳运动中关节左右方向的应力几乎为0，与站立相比基本无变化，这表明脊柱椎间结构在运动过程中几乎无左右向的切应力;而在关节在前后方向的切应力及上下方向的正应力均呈现一定波动变化，且两种关节应力的变化趋势基本一致，即两种应力在不同动素中的升高或降低变化相同。与此同时，两种应力均在动素10中达到峰值，与站立时相比上下方向的正应力升高约在3倍以上，前后方向的切应力升高约在4-6倍。证明该动素对应的太极拳动作对脊柱关节间结构产生的前后及左右负荷较大。

　　2.2.4、脊柱关节角度的仿真分析

　　关节角度可反映运动过程中关节各结构在空间上的位置关系，从生物力学研究角度可辅助对关节运动状态及受力情况的分析。通过对脊柱关节角度与关节力矩、关节应力间的关联性分析，可更好的探讨脊柱在太极拳运动中的生物力学特性。本研究选取太极拳运动中T12至L5间的椎间关节，分析各关节在人体前后方向弯曲、左右方向弯曲、左右方向旋转的关节角度，角度数值采用弧度制，详细结果见附录4.由于关节角度数值整体较小，因此我们选定大于017rad(约等于1°)的关节角度作为有效角度，对符合要求的关节角度个数进行统计，结果如下:

表2-2脊柱关节角度个数

　　如表2-2所示，在太极拳运动过程中，高节段脊柱的有效关节角度个数明显多于较低节段的脊柱，同一节段在三个方向上的有效关节角度个数无明显差异，角度数值变化也无明显规律。随后，我们又选取关节力矩及关节应力升高显着的动素10进行关节角度数值的具体分析。

表2-3动素10脊柱关节角度

　　如表2-3所示，在动素10中脊柱关节在左右旋转的角度明显高于在前后及左右方向上弯曲的角度，左右旋转角度数值基本在0.1-0.grad C 5（-11°），而在前后及左右弯曲的角度均小于0.017rad （1°）表明在该动素内脊柱有明显的左右旋转变化，而在前后及左右弯曲的变化不明显。

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