太极拳搂膝拗步动作的踝关节生物力学分析

本文旨在分析太极拳搂膝拗步中踝关节软骨和主要韧带的生物力学响应。采集1名太极拳练习者搂膝拗步及正常行走时的运动学和动力学数据,作为有限元分析的载荷和边界条件,计算关节接触应力和韧带受力。研究结果表明,搂膝拗步动作时踝关节接触应力普遍小于步行时接触应力。但是,在搂膝拗步动作中距腓前韧带、跟腓韧带和距腓后韧带的最大拉力分别为130、169、89 N,对应在步态中仅分别为57、119、48 N。因此,踝关节炎的患者可以适当练习太极拳,但是踝关节外侧韧带扭伤的练习者在搂膝拗步时应适当减小足踝动作幅度。     

搂膝拗步膝踝关节预激活与共收缩的表面肌电分析

目的 分析长期太极拳练习者进行搂膝拗步和正常行走时下肢膝、踝关节肌群预激活与共收缩的表面肌电（surface electromyography, sEMG）特征,探讨太极预防跌倒的神经肌肉控制策略。方法 采用Vicon运动捕捉系统、Kistler测力板和Noraxon表面肌电图系统同步采集搂膝拗步和正常行走时股直肌、股二头肌、胫骨前肌、外侧腓肠肌的sEMG信号和体位信息。通过股直肌和股二头肌、胫骨前肌和外侧腓肠肌两对肌肉的积分肌电分别计算膝、踝关节预激活和共收缩。结果 与正常行走相比,搂膝拗步在4个阶段的平均用时显著增加;搂膝拗步在4个阶段内时间百分比存在显著性差异;搂膝拗步膝关节共收缩水平和预激活水平降低,踝关节共收缩水平和预激活水平升高。结论 长期的太极拳练习可能使膝关节周围肌肉的激活水平提高,增强肌肉群之间的协同作用,以帮助稳定关节。研究结果为神经肌肉控制障碍疾病的康复评估和训练提供参考。     

老年人下楼梯下肢关节做功模式分析

目的 探究下楼梯行走过程中老龄化对老年人下肢关节做功模式的影响,丰富楼梯行走的防跌倒理论。 方法 采用 Vicon 红外运动捕捉系统和 Kistler 三维测力台同步采集青年人和老年人下楼梯行走的运动学和动力学数据,利用下肢关节角度、力矩、功率、做功贡献度指标对下肢关节做功模式进行量化评定。 结果 下楼梯过程中,青 年组和老年组下肢三关节角度、力矩、功率的变化趋势一致。 在优势腿的 1 个支撑相内,老年人的屈髋力矩峰值、伸膝力矩第 1 峰值、第 2 峰值、跖屈力矩第 1 峰值、膝负功率第 1 峰值、第 2 峰值、踝负功率峰值以及髋、膝、踝关节净功均显著降低(P<0. 05);伸髋力矩峰值、髋负功率峰值、踝关节做功贡献度显著增加(P<0. 05),髋、膝关节做功贡献度并未出现显著性差异(P>0. 05)。 结论 在下楼梯过程中,老年人下肢关节力学特征显著降低。 老年人采取不同于青年人的下肢关节做功模式。 老年人通过较大的伸髋姿势抵制躯干的过度前倾,同时采取踝关节做功的代偿模式,提高下楼梯行走的身体稳定性。 建议老年人在锻炼时应以增加膝、踝关节肌肉力量的项目为主,以维持下楼梯的姿势控制能力。     

基于矢量编码技术研究功能性踝关节不稳者下肢协调性和变异性

目的 探索功能性踝关节不稳(functional ankle instability, FAI)人群在地面行走时的下肢协调性和协调变异性。 方法 12 名右侧 FAI 男性受试者(FAI 组)及配对招募 15 名健康男性受试者(对照组),以自选速度在地面上行走,运用 Qualisys 红外高速光学运动捕捉系统采集 5 min 步行的运动学数据,运用 Matlab 软件自编代码计算下肢关节间的耦合角及耦合角标准差。 耦合角采用圆形分布资料统计,耦合角标准差采用独立样本 t 检验。 使用Cohen’s d 评价效应量。 结果 FAI 组髋-膝关节矢状面耦合角在步态支撑中期前 1 / 2 和摆动期最后 1 / 4 均大于对照组;FAI 组髋-踝关节矢状面耦合角在支撑末期前 1 / 2 也大于对照组;膝-踝关节矢状面耦合角在支撑中期后 1 / 2和支撑末期前 1 / 2 均小于对照组。 FAI 组髋-踝关节冠状面耦合角在承重期 FAI 组比及摆动期最后 1 / 4 小于对照组。 在支撑末期及预摆期,FAI 组髋-踝关节冠状面和膝-踝关节矢状面耦合角标准差大于对照组。 结论 FAI 患者与正常人群的步态模式存在差异。 协调模式表现为某种代偿保护策略。 支撑末期及预摆期较大的协调变异性提示 FAI 患者踝关节感觉知觉的变化使髋、膝、踝关节的运动控制发生适应性变化     

衰弱状态和步行速度对老年人下肢关节运动学特征的影响

目的 研究衰弱状态和步行速度对老年人步行时下肢关节运动学特征的影响。 方法 招募 59 名 60 岁及以上老年人,根据衰弱指数清单将受试者分为非衰弱组、衰弱前组和衰弱组,采用 Xsens MVN 运动捕捉惯性传感器采集 3 组老年人慢速、习惯速度、快速行走时的运动学数据,应用双因素重复测量方差分析比较不同衰弱状态和步速下老年人行走时的下肢关节运动学特征差异。 结果 衰弱组老年人的年龄显著高于非衰弱组(P<0. 01),膝关节最大屈角、膝关节和踝关节活动范围(range of motion,ROM)显著低于非衰弱组和衰弱前组(P<0. 05);同时,衰弱组老年人踝关节最大跖屈角显著低于非衰弱组(P<0. 05);随着步速增加,衰弱组老年人的单支撑相时间显著增加(P<0. 05),3 组老年人髋关节矢状面最大角及其 ROM、膝关节最大屈角、踝关节最大跖屈角及其 ROM 显著增加(P<0.05),双支撑相时间、踝关节最大背屈角度和膝关节 ROM 显著减小(P<0. 05);所有关节角度中只有髋关节最大伸角及其 ROM、膝关节最大屈角在慢速与习惯速度之间出现显著差异(P<0. 05)。 相关性分析显示,衰弱前组和衰弱组老年人不同速度步行时髋、膝关节 ROM 均显著正相关(P<0. 01),衰弱组老年人在习惯速度和快速行走时膝、踝关节 ROM 显著正相关(P<0. 05)。 结论 随着衰弱程度的进展,老年人下肢关节矢状面角度持续降低,主要集中于膝、踝关节。 在行走时两个关节间同步性增强,自由度降低,但在提高步行速度时,衰弱状态基本不影响老年人的步行策略。 研究结果有助于对衰弱老年人群进行筛查及康复指导。     

下肢运动链协同训练对慢性踝关节外侧不稳患者髋膝肌群肌力及平衡能力的影响价值探讨

目的:探究下肢运动链协同训练对慢性踝关节外侧不稳定患者髋膝肌群肌力及平衡能力的影响.方法:选我科2020年10月至2022年2月收治的87例慢性踝关节外侧不稳患者为研究对象,随机分为两组,对照组43例给予常规训练,观察组44例联合下肢运动链协同训练,在干预前及干预1 m后应用坎伯兰踝关节不稳(Cumberland Ankle instability rating,CAIT)评分、星形偏移平衡测试(Star offset balance test,SEBT)、单腿站立试验(One leg standing test,OLS)检测患者的踝关节稳定性;应用等速肌力检测仪检测患者的髋、膝周围肌力;应用平衡检测仪检测患者睁眼-硬地面、闭眼-硬地面、睁眼-软地面条件下的重心晃动指数;在患者住院期间统计患者出现关节僵硬、关节疼痛及其他不良反应的发生率.结果:干预后,观察组CAIT评分、SEBT高于对照组,OLS低于对照组(P<0.05);观察组髋后伸肌群、髋外展肌群、膝伸直肌群峰力矩高于对照组(P<0.05);观察组睁眼-硬地面、闭眼-硬地面、睁眼-软地面条件下的重心晃动指数低于对照组(P<0.05);两组不良反应发生率无明显差异(P>0.05).结论:下肢运动链协同训练可提高踝关节稳定性,改善髋膝肌群肌力水平及踝关节平衡能力.     

穿不同鞋与裸足对羽毛球蹬地动作下肢及跖趾关节运动协调特征的影响

目的探讨穿着不同鞋和裸足对羽毛球典型蹬跨步动作蹬地时腿下肢和跖趾关节运动协调的影响,为羽毛球运动的科学训练和专用鞋的选择及研发提供理论基础。方法选取优秀男子羽毛球运动员作为研究对象,穿着某品牌羽毛球成品鞋、某款羽毛球样品鞋和裸足作为不同鞋条件,并以羽毛球典型蹬跨步作为测试动作。利用Vicon运动捕捉系统和高速摄像仪同步采集下肢蹬地过程中髋、膝、踝和跖趾关节的运动学及协调特征。结果(1)在蹬地阶段,穿着两款羽毛球专项鞋时下肢各关节的运动学表现并无显著性差异,但相比裸足,两款鞋均在一定程度上增加踝、跖趾关节的角速度,并显著减低各关节角速度到达峰值的时间;(2)下肢运动协调特征方面,3种足鞋条件均表现为在相近时间内下肢髋、膝、踝和跖趾关节由近及远依次加速蹬伸。结论穿着运动鞋具备更好的蹬伸动力来源,能增加蹬伸的速度和效果,有利于提高运动表现;羽毛球蹬伸动作协调性的表现形式倾向于顺序性与同步性的合理组合,建议应针对性地加强踝、跖趾等末端关节的速度和力量训练。     

测量并分析上楼梯过程中下肢关节角变化

目的获取上楼梯运动过程中国人下肢关节活动范围的统计学数据,从而为大屈曲度人工关节设计提供依据。方法设计常规楼梯实验装置,利用运动捕捉系统(Optotrak Certus,NDI)和三维测力台(AMTI,Bertec),建立系统地测量上楼梯过程中下肢运动的方法,并应用此方法对40例样本进行测量。结果计算获得了40例样本在上楼梯过程中,髋关节、膝关节及踝关节在1个运动周期内沿各方向上关节角的变化规律及活动范围,其中髋、膝、踝关节在矢状面上活动范围分别是-1.6°～66.7°,0°～91.4°,-20.8°～22.4°。结论上楼梯运动过程中,髋、膝、踝关节在矢状面上活动度最大,且髋关节和膝关节屈曲度最大。与水平路面上正常行走和慢跑运动中关节运动范围比较,上楼梯运动中,髋关节和膝关节在矢状面上运动范围均较大。     

坡面步行中青年女性下肢关节角及肌肉激活度

目的通过定量分析关节角及主要肌肉激活度的变化来说明步行速度和路面坡度对下肢运动的影响。方法首先按由慢到快选择了共5种步行速度,由低到高选择3种坡度,并利用运动捕捉系统对15各青年女性的步态进行测量,同时对影响下肢运动的8块主要肌肉的肌电信号进行了采集。然后通过计算分析获得她们在不同步行速度和路面坡度下髋、膝及踝关节矢状面的关节角度变化的均值,从测量数据中寻找出一个最接近这个均值曲线的研究对象。结果计算获得了该研究对象不同步行速度和路面坡度下踝关节、膝关节及髋关节在一个步态周期内的矢状面关节角的变化曲线以及主要肌肉的激活度变化曲线。结论每个步态周期内,关节角及肌肉激活度在5种不同速度下的变化很小;而在3种不同路面坡度下的变化仅趋势基本一致,峰值的差异却非常明显。     

冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真

目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。     

Kinematic variability and relationships characterizing the development of walking

The purposes of this study were: (1) to determine the pattern of variability and relationships in joint kinematics characterizing the development of walking and (2) to determine whether controlling for postural stability in new walkers results in less variability. The variability and relationships among hip, knee, and ankle motions were measured during 10 gait cycles of new walkers, supported new walkers, two-year-olds and seven-year-olds. Fourier series were generated for each joint motion and standard deviations were compared across groups. An age-related decline in variability was evident in select portions of the cycle. Stance and swing phase duration correlated with cycle duration for all ages. Postural support did not lessen variability in joint rotations for new walkers. Cross-correlations for hip-knee, knee-ankle, and hip-knee rotations were strong across all groups. These results suggest that a coordinative structure for walking produces strong intralimb coupling early in development, despite variability in select portions of joint motions.     

老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动功能特点

目的 探讨老年人上下楼梯的步态特征以及下肢关节运动的力学性能。 方法 通过17名青年人、15名老年人自然速度上下5个台阶的楼梯测试与分析,并结合红外高速运动捕捉系统和三维测力台获取步态参数、下肢关节角度以及地面反作用力,通过逆向动力学方法计算关节力矩和功率,采取独立样本 t 检验分析年龄对上述参数的影响。 结果 与青年人相比,老年人上下楼梯步态周期较长,步速和步频则明显较低(P<0. 05);同时,老年人上下楼梯支撑相和摆动相分别明显延长和缩短(P<0. 05)。 不论是青年人还是老年人,上下楼梯过程中下肢关节角度、力矩和功率的变化趋势较为一致。 但老年人上楼主要是通过踝、膝关节功率的产生来维持,而青年人则是通过近端肢体的能量,特别动用了较多的膝关节功率。 下楼过程中的能量吸收,两者皆是以膝关节为主。 结论 随着年龄的增长,下肢机能下降和肌力不足,老年人害怕在上下楼梯时发生跌倒,试图通过减少摆动时间来弥补身体的不稳定。 研究结果为临床上老年患者群体的康复管理以及预测跌倒的功能性评估提供参考。     

太极拳转体动作中下肢关节活动顺序性和肌肉力表现及肌肉激活特征

目的 分析太极拳转体与弓步动作中下肢关节活动顺序性、肌肉力表现和肌肉激活程度的差异,揭示太极拳转体动作的特征。 方法 募集 20 名练习时长超过 3 年的健康太极拳练习者,采用三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电同步采集转体与弓步两种动作运动学、动力学和肌肉激活信息,并通过 OpenSim 仿真软件获取下肢肌力。结果 与弓步相比,转体动作髋、踝关节外旋幅度显著增大;膝关节外展和外旋力矩显著增大,股二头肌、半腱肌和内外侧腓肠肌峰值肌力显著增强,股二头肌、内外侧腓肠肌峰值肌力时刻显著提前,而股内外侧肌和胫骨前肌峰值肌力显著减小,胫骨前肌肌力最早达到峰值;股二头肌、股内外侧肌和内侧腓肠肌的平均激活水平和激活时间显著增加。 结论 太极拳转体动作由踝、髋关节依次转动组成,肌肉力表现的独特性在于重心两次转移致使支撑腿内外侧肌力曲线呈双峰型,因为全足着地延迟方式引发了腓肠肌与股四头肌激活顺序和肌肉平均激活水平改变。研究结果提示全足着地延迟方式具有调节肌肉激活顺序的作用,合理利用有助于提升临床康复效果。     

太极拳上步弓步动作足前进角对膝关节载荷的影响及肌肉协调收缩策略

目的考察太极拳运动姿势对膝关节载荷的影响及肌肉协调收缩策略。方法募集20名具有3年以上健康太极拳习练者,借助红外高速运动捕捉系统和三维测力台,采集太极拳上步弓步动作支撑腿内收角、胫骨角、关节力、关节力矩等参数,通过仿真方法获取股四头肌和腓肠肌肌肉力。比较惯用步、外展步和内收步肌肉力表现、募集模式和激活方式特征。结果外展步胫骨角和内收力增大,而内收步不变;外展步股内肌、半膜半腱肌及外侧腓肠肌力增大;内收步股外肌和内侧腓肠肌力增强,腓肠肌比股四头肌被优先激活,肌群募集方式发生改变。结论太极拳运动姿势改变肌肉力募集方式,影响膝关节功能,规范动作可作为骨性关节炎运动疗法借鉴,具有临床应用意义。     

Asymmetric knee loading at heel contact during walking in patients with unilateral knee replacement

Increased load on the knee joint by excessive levels of impact forces during initial contact has been suggested to lead to knee osteoarthritis (OA). Asymmetric loading after knee replacement may also relate to the development of OA in the contralateral limb, therefore this study investigated the heel strike transient vertical force and subsequent lower extremity kinematic, kinetic and spatio-temporal parameters during level walking between the operated and the contralateral limbs in patients 12 months following unilateral knee replacement. A six camera motion analysis system with a force plate was used to investigate the differences between limbs in the heel strike transient vertical GRF and its relative timing, and hip, knee and ankle angles and moments at initial contact, as well as spatio-temporal parameters during the stance phase of walking in 19 subjects with unilateral knee replacement. Paired t tests showed a significant difference in the contralateral limb relative to the operated limb in the heel strike transient magnitude (p=0.03), hip moment (p=0.01), knee moment (p=0.02) and ankle moment (p=0.03). No significant differences were found for the joint angles at heel contact or the spatio-temporal parameters (p>0.05). The heel strike transient magnitude was lower for the operated limb with no differences in the spatio-temporal parameters or the joint angles at initial contact between the limbs. Differences in the hip, knee and ankle moments were also found indicating an asymmetric loading of the impact force at initial contact on the lower extremity. The current findings may indicate an asymmetric loading on the knee joint and therefore may be clinically relevant in patients undergoing unilateral knee replacement.     

Simultaneous control of two rhythmical behaviors. I. Locomotion with paw-shake response in normal cat

We investigated the ability of normal cats, trained to maintain a constant position while walking on a treadmill, to combine the paw-shake response with quadrupedal locomotion. Hindlimb paw-shake responses were elicited during walking after the right hindpaw was wrapped with tape. To assess intralimb and interlimb coordination of the combined behaviors, electromyographic (EMG) recordings from forelimb extensor muscles and from selected flexor and extensor muscles at the three major hindlimb joints were correlated with joint motion by using high-speed, cinefilm analysis. When paw shaking was combined with walking, the response occurred during the swing phase of the taped hindlimb. To accommodate the paw-shake response, swing duration of the shaking hindlimb and of the homolateral forelimb increased and was followed by a brief recovery step. Concurrently, to compensate for the response, stance durations of the contralateral forelimb and hindlimb increased. The magnitude of these adjustments in interlimb coordination was influenced by the number of paw-shake cycles, which ranged from one to four oscillations. Transitions between the muscle synergies for the paw-shake response and swing were smooth in the shaking limb. Early in the swing phase, when the flexor muscles were still active (F phase), the paw shake was initiated by an early onset of knee extensor activity, which preceded extensor activity at the hip and ankle. This action provided a transition from the general reciprocal synergy between flexor and extensor muscles of locomotion to the mixed synergy that is typical of the paw shake (30). Following the last paw-shake cycle, an extensor synergy initiated the E-1 phase of swing, and the resultant joint motion was in-phase extension of the hip, knee, and ankle to lower the paw for stance. Average cycle period and burst duration for muscles participating in the paw-shake response were similar to those reported for normal cats assuming a standing posture (28, 30). The average number of paw-shake cycles, however, decreased from eight to three when the response occurred during walking, suggesting that the response was truncated to provide for continued locomotion. Further, hip motion was variable when the paw shake was combined with swing, and sometimes the hip failed to oscillate and its trajectory was similar to that of an unperturbed swing phase. When hip joint oscillations occurred during the paw-shake response, they were in-phase with ankle motions.(ABSTRACT TRUNCATED AT 400 WORDS)     

下肢不等长对步态影响的实验分析

目的采用正常人体单侧增高模拟下肢不等长,分析下肢不等长步态特征,研究下肢不等长对步态的影响,为下肢假肢穿戴者因下肢不等长引起的慢性疾病提供理论依据。方法通过单侧穿鞋增高人为制造下肢不等长,利用三维动态捕捉系统和地面反力采集设备采集受试者在正常步态和下肢不等长步态下的时空参数、地面反力和关节角度,并进行对比分析。结果下肢不等长步态与正常步态在步长、步长时间和单侧支撑期存在显著差异。下肢不等长步态左右腿足跟着地期垂直方向地面反力均大于正常步态,髋、膝、踝角度存在明显变化。结论下肢不等长是造成行走步态异常的重要原因,可能是下肢假肢穿戴者产生腿部关节疾病的原因。