太极拳运动下肢生物力学研究进展

太极拳的保健和康复功能已经在全球得到认可,国内外的专家学者利用运动生物力学方法对太极拳保健作用的机制进行研究,其中大部分是针对人体下肢的研究。检索2007~2015年太极拳运动的下肢生物力学研究文献20篇(15篇英文和5篇中文),根据研究目的和评价指标,从太极拳本身的运动学和动力学特点及其对下肢的影响、太极拳对下肢肌肉活动的影响、太极拳运动对人体下肢生物力学参数与其他系统参数相互作用的影响三个方面进行综述,并对太极拳运动下肢生物力学研究的展望和不足之处进行总结。     

影响跑步运动耐力的生理学与生物力学因素

文题释义：跑步经济性：是与运动成绩具有高度相关的评测指标,通过检验跑步速度与能量消耗之间的关系,来体现运动员有氧代谢能力的一种指标,跑步经济性的单位与最大摄氧量类似,是mL/(kg·min)。 最大摄氧量：人体在进行有大量肌肉群参与且长时间的剧烈运动时,当心肺功能和肌肉利用氧的能力达到人体极限水平时,单位时间内(每分钟)所能摄取的氧量称为最大摄氧量,其单位为mL/(kg·min)。 背景：跑步经济性被认为是反映耐力运动员尤其是长跑运动员性能的重要指标,通常定义为在给定速度下跑步的能量需求,表示为给定速度下的摄氧量。 目的：综述现有的影响跑步性能的生理学与生物力学因素。 方法：以“running economy,physiological factors,biomechanical and neuromuscular characteristics,spatiotemporal factors,lower Limb kinematic factors,kinetic factors,nutritional interventions”为检索词,检索PubMed数据库(1960至2018年)中与跑步性能、急性或慢性干预措施和其他影响因素等相关的内容。 结果与结论：共得到113篇文献,根据纳入排除标准,对其中58篇文献进行分析。①目前证据表明心肺功能、肌纤维类型、肌肉力量、腿部刚度等生理因素与跑步经济性的改善有关,而跑步者的体温变化和弹性势能与跑步经济性的关系目前没有统一结论;②有利于改善跑步经济性的生物力学因素是步幅频率或长度、垂直振荡、下肢惯性力矩、脚趾离地时腿部伸展以及手臂摆动,而足部与地面的接触时间、躯干倾斜等因素与跑步经济性之间呈现出不一致的关系;③其他的影响因素中,高海拔适应可改善跑步经济性;伸展性和灵活性与跑步经济性之间的关系仍待确定;一些营养干预也受到关注,最明显的是膳食硝酸盐;④尽管该文章已经总结了影响跑步经济性的大部分因素,但未来可以专注于研究个体跑步者,以便确定跑步者的结构和功能能力如何影响跑步经济性,以及后续表现和运动伤害的情况。 ORCID: 0000-0002-0077-6904(徐盛嘉) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

肌内效贴对下肢侧切运动中生物力学特征的影响

背景:肌内效贴扎作为一种运动防护手段已被广泛应用,但作为纠正侧切动作时下肢生物力学异常变化手段的研究,其作用尚不明确。目的:对比受试者膝关节在肌内效贴扎、安慰剂贴扎及空白对照情况下,完成侧切动作时下肢运动学、动力学特征的变化。方法:招募39名篮球专项男性大学生为受试者,每位受试者分别在肌内效贴扎、安慰剂贴扎以及不进行任何贴扎情况下进行测试。采取力学矫正的贴扎方式对受试者优势侧膝关节进行贴扎干预。选取4.5-5.5 m/s的助跑速度完成45°侧切动作,并运用三维动态捕捉系统及测力台同步采集运动学及动力学数据。选取初始触地时刻、地面反作用力峰值时刻的运动学及动力学参数进行数据分析。采用SPSS 27.0软件对测试数据进行统计学分析。结果与结论:①运动学指标:肌内效贴条件下与无贴扎及安慰剂贴扎相比,初始触地时刻髋关节外展、膝关节外翻角度显著减小(P<0.05);侧向地面反作用力峰值时刻,髋关节外展、膝关节外翻及踝关节跖屈角度显著减小(P<0.05),膝关节屈曲角度显著增加(P<0.05)。②动力学指标:与无贴扎相比,肌内效贴扎及安慰剂贴扎条件下均可显著减小初始触地时刻髋关节外展、外旋力矩及膝关节外翻、外旋力矩(P<0.05),显著减小垂直地面反作用力峰值、水平向后地面反作用力峰值(P<0.05);与无贴扎及安慰剂贴扎相比,肌内效贴扎可显著减小侧向地面反作用力峰值(P<0.05)。③结果表明,对膝关节进行肌内效贴扎可在一定程度上改善篮球专项大学生在完成侧切动作时与下肢损伤风险因素相关的部分运动学、动力学指标,可能对预防侧切过程中损伤的发生有一定积极作用;此外,膝关节安慰剂贴扎与肌内效贴扎在部分指标变化方面的作用趋势较为一致,提示肌内效贴扎的作用机制可能存在安慰剂效应。     

得分状态下竞技跆拳道运动员双飞踢动作下肢生物力学特征分析

目的 探索竞技跆拳道运动员在使用电子护具时双飞踢动作的下肢运动生物力学特征。 方法 利用电子护具计分系统、表面肌电测试设备、三维运动捕捉设备和三维力台,采集 14 名竞技跆拳道运动员双飞踢动作有效得分时下肢关节运动学、动力学和表面肌电数据,使用 Visual 3D 软件计算动作时间、重心位移、下肢关节活动范围和 速度、地面反作用力等参数。 结果 两次击打总用时为 0. 583 s,优势侧和非优势侧的进攻时长一致。 重心偏移较小,优势侧和非优势侧均具有较好的击打平衡控制能力。 两侧下肢关节运动角度和角速度变化的趋势一致;在击打前膝关节屈曲阶段,进攻腿膝关节屈曲角度的不足可以在伸展阶段加大伸展角速度而获得有效击打;在击打前膝关节屈曲和伸展阶段,下肢两侧腓肠肌内侧头募集程度最大。 结论 双飞踢技术具有较好的连续性和左右对称性,在第 2 次击打时减小进攻时间有助于得分。 在双飞踢动作的训练中应加强踝关节灵活性以及腓肠肌、臀大肌的力量训练,避免不必要的运动损伤,以适应穿戴电子护具的比赛模式。     

儿童下肢生物力学特征在视觉剥夺及双重任务时的变化

背景:人体平衡与控制有赖于内耳前庭系统、本体感受器及视觉系统的协调及中枢神经系统等共同配合才能完成,但人在视觉剥夺或双重认知任务时会引发神经控制与感觉统合的变化,进而改变下肢平衡控制能力及动作控制策略。目的:探讨儿童在不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯时下肢生物力学特征的变化规律,从而揭示其作用机制,为预防及减少儿童下阶梯时的跌倒伤害提供一些有益参考。方法:共招募20名西南大学附属小学3-6年级的小学生志愿者,每个年级5名。运用运动学(JVC9800高速摄像机)、动力学(BIOFORCEN动态平衡训练评估系统)及肌电(JE-TB0810八通道肌电测试仪)等测试工具,同步采集受试者在不同视觉输入及执行不同认知任务时下阶梯动作的生物力学参数。结果与结论:(1)闭眼及双重任务下阶梯着阶瞬间的膝、踝关节角度显著大于睁眼及单一任务时的角度(P <0.05),但在身体重心处于最低瞬间时仅踝关节角度展现出闭眼及双重任务下显著大于睁眼及单一任务(P <0.05);(2)睁眼及双重任务下的压力中心前后方向位移均方根、左右方向位移均方根、摆动的轨迹总长及轨迹包络面积皆显著小于闭眼时(P &...     

人体运动过程中侧切落地模式和角度对下肢运动生物力学的影响

背景:在体育运动中,侧切动作是最常见的进攻技术,受落地模式和角度的影响。侧切落地模式和角度的不同会增加下肢膝关节损伤的风险。目的:阐述侧切动作中不同的落地模式和角度对下肢运动生物力学的影响。方法:在PubMed、WOS、CNKI数据库检索2020年8月之前收录的相关研究。中文搜索词为“侧切动作;侧切角度;侧切落地模式;侧切生物力学”“变向动作”;英文检索词为“cutting maneuver;cutting maneuver angle;cutting foot strike;cutting biomechanics”“changeof-direction”。结果与结论:采用后足落地模式和较大的角度进行侧切时所表现出的生物力学指标特点,预示着前交叉韧带损伤风险的加大。但是目前的研究只集中于单一因素的分析,很少把落地模式和侧切的角度结合起来进行讨论,这两者在侧切动作中的交互作用,缺少明确的结论,尚无足够证据支持侧切角度增大时改变落地模式会降低下肢损伤的风险,这仍需要大量的研究进行深入论证。     

下肢运动信息采集与运动仿真

目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型,进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据。方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息。利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析。基于Matlab中Simulink的机械仿真模块（SimMechanics）建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号。基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制。结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证了模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现了平地行走功能。结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用。     

慢性非特异性腰痛腰椎屈伸生物力学特征研究进展

慢性非特异性腰痛(nonspecific chronic low back pain, NSCLBP)是一种常见疾病,已经引起了广泛关注,但发病机制尚不明确。 近年来,借助相关设备研究 NSCLBP 发生发展的生物力学机制越来越受到重视。 本文以腰椎核心功能屈伸运动为重点,综述国内外关于 NSCLBP 腰椎屈伸生物力学特征的研究进展,通过对具体研究方法及观察指标的深入探讨及总结展望,发现患者运动学、动力学、表面肌电等参数存在异常征象,为探索 NSCLBP 发病机制及其科学防治开拓思路。     

护踝对功能性踝关节不稳患者下肢运动生物力学特征的影响

目的 探究护踝对功能性踝关节不稳(functional ankle instability,FAI)患者的保护作用,为其护踝的选择提供依据。 方法 15 名 FAI 患者随机佩戴半刚性、弹性护踝及无护踝以自选速度步行和跑步,运用红外光点运动捕捉系统和三维测力台采集其下肢运动生物力学参数。 通过 3×2 重复设计的双因素方差分析检验护踝和运动模式对下肢运动学、动力学和能量吸收的影响。 结果 护踝与运动模式对本研究中所有指标均无交互作用(P>0. 05)。不论运动模式,与无护踝相比,弹性护踝显著减少了 FAI 患者踝关节内翻角峰值、内翻角速度和踝关节能量吸收(P<0. 05),同时增加了踝关节外翻力矩( P < 0. 001);而半刚性护踝增加了踝关节内翻角峰值和内翻角速度(P<0. 05)。 此外,弹性护踝可降低着地时刻的膝关节内旋力矩和外旋力矩峰值(P<0. 05)。 结论 与无护踝相比,弹性护踝通过减小踝关节内翻角、内翻角速度和能量吸收,增大踝关节外翻力矩,继而起到预防踝关节扭伤的作用。 FAI 患者佩戴半刚性护踝后需定时关注踝关节慢性损伤风险。 整体来看,弹性护踝的防护效果可能更有效,且未引起膝关节功能补偿,可作为预防 FAI 患者踝关节扭伤的有效措施。     

模拟低重力下步态行走的下肢生物力学分析

目的研究重力水平对步态行走时下肢关节运动的影响规律。方法设计一种可随动悬吊式低重力模拟装置用于不同重力水平的模拟,利用运动捕捉系统和三维测力台对12名受试者在正常重力(1 G)、火星重力(1/3 G)及月球重力(1/6 G)下步态行走时下肢关节运动参数进行测量。结果重力水平降低后,髋、膝关节矢状面的活动范围显著减小(P0. 01),踝关节矢状面的活动范围显著增加(P0. 05),1 G重力下髋、膝关节、踝关节矢状面的活动范围分别为45. 2°、67. 7°、32. 5°,1/6 G重力下髋、膝、踝关节矢状面的活动范围分别为25. 1°、50. 8°、42. 4°。低重力环境下,下肢关节在矢状面上的关节力和力矩明显减小(P0. 01)。结论本研究得到的低重力下步态行走规律与以往使用跑步机得到的研究结果大体相同。航天员在地面可以使用跑步机在低重模拟装置的帮助下开展针对性的月面行走训练。     

不同类型和负荷双任务对健康人动态姿势控制的影响

目的 通过对比不同负荷认知双任务行走和运动双任务行走时下肢表面肌电(surface electromyography, sEMG)信号及动态稳定性的差异,探究不同类型和负荷双任务对健康人动态姿势控制的影响。方法 利用无线sEMG测试仪和三维运动捕捉系统同时采集28名受试者不同负荷认知双任务行走和运动双任务行走时平均肌电(average electromyography, AEMG)和动态稳定性指标。采用双因素重复测量方差分析任务类型(认知任务和运动任务)和任务负荷(简单任务和困难任务)对人体下肢sEMG和动态稳定性的影响以及两者之间的交互作用。结果 简单负荷行走时,左右股二头肌和右胫前肌AEMG均小于困难负荷行走(P<0.05),左胫前肌简单运动双任务行走时AEMG小于困难运动双任务行走(P<0.05)。右腓肠肌困难认知双任务行走时AEMG小于困难运动双任务行走(P<0.05),简单认知双任务行走时AEMG大于困难认知双任务行走(P<0.05),简单运动双任务行走时AEMG小于困难运动双任务行走(P<0.05);简单认知双任务行走动态稳定裕度(margin...     

髌股关节痛业余跑者性别特异的下肢生物力学特征

目的 研究髌股关节痛（patellofemoral pain,PFP）业余跑者性别特异的下肢生物力学特征。方法 选取15名男性和10名女性PFP业余跑者作为实验组,并匹配25名无损伤业余跑者作为对照组。采集所有受试者跑步时的下肢运动学、动力学和表面肌电数据。采用双因素方差分析确定组别与性别对跑步时下肢生物力学特征的影响。结果 男性PFP业余跑者跑步缓冲期最大膝屈角度显著大于对照组;男性和女性PFP业余跑者跑步缓冲期最大髋内收角度显著大于对照组,且女性显著大于男性。结论 不同性别PFP业余跑者在跑步时表现出不同的下肢生物力学特征,PFP临床治疗应具有性别特异性。     

跑姿再训练对冲击力、下肢生物力学及刚度的影响

目的 通过建立12周跑姿再训练（gait retraining,GR）的干预模式（即通过一定的姿态目标改变跑者原有跑姿）,确定GR前后跑步时垂直地面反作用力（vertical ground reaction force, vGRF）以及髋、膝、踝三关节运动学、动力学和下肢刚度特征的变化,探究跑姿转换对冲击力和下肢生物力学的影响。方法 采用Vicon 运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集30名跑步爱好者（GR组15人,对照组15人）GR前后穿着极简鞋以 12 km/h±5%速度通过测力台的GRF以及标记点轨迹。结果 共17名受试者（GR组9人,对照组8人）完成训练。训练后两组最大负载率都显著下降,GR组相比对照组最大负载率更低;GR组足部触地角度显著减小,两组跖屈角度和髋关节蹬伸角速度都显著增加;GR组踝关节力矩增加;两组下肢刚度均显著增加。结论 成功建立12周GR运动干预模型（前掌着地转化率为78%）。GR能有效避免冲击力峰值、降低最大负载率、提高下肢刚度,进而在减小甚至避免由冲击力引起的跑步损伤风险的同时,为提高跑步经济性提供可能。     

不同躯干约束下蹲姿对人体下肢运动学和动力学的影响

目的 探究躯干控制对青年群体亚洲蹲和西方蹲时下肢运动生物力学特征的影响,为深蹲训练的应用和推广提供实证性依据。方法 24名健康男性青年大学生在带杆、无杆控制条件下进行亚洲蹲和西方蹲,运用红外光点运动捕捉系统和三维测力台采集其下肢运动学和动力学特征。通过Cortex-642.6.2软件,根据欧拉角方法计算获得下肢三维角度,运用逆动力学方法得到三维力矩。通过2×2重复设计的双因素方差分析检验躯干控制和深蹲姿势对下肢运动特征的影响。结果 躯干控制和深蹲姿势对运动学和动力学参数均无显著性交互作用(P>0.05)。西方蹲具有较大的膝关节屈曲角、髌股关节接触力峰值、髋膝伸展力矩峰值之比,较小的踝关节背屈角、髋关节屈曲角(P<0.05)。带杆深蹲具有较大的踝关节背屈角、髌股关节接触力峰值和髋关节屈曲角,较小的膝关节屈曲角、髋膝伸展力矩峰值之比(P<0.05)。结论 西方蹲有助于训练伸髋肌群肌力,亚洲蹲则有助于训练伸膝肌群肌力。西方蹲髌股关节接触力峰值显著大于亚洲蹲,故推荐髌股关节痛患者采用亚洲蹲。带杆深蹲可补偿人体平衡,建议由于踝关节背屈活动范围受限或胫骨前肌无力人群可以考虑进行带...     

人体步态滑跌过程中的下肢表面肌电特性研究

通过分析在意外滑移恢复和跌倒两种情况下人体髋、膝、踝3个关节不同肌肉群肌电信号的反应差异,研究髋、膝和踝3个关节运动对滑后恢复平衡的作用。试验招募10名年轻的健康受试者,要求其沿着指定的直线步道行走,并使其在行走过程中发生意外滑移。通过分析所测得的肌电信号,得出不同肌肉群的肌肉激活延迟时间、肌电信号峰值、到达峰值时间、协同收缩率等参数。研究结果显示,恢复平衡和跌倒之间肌肉激活延迟时间并没有显著性差异(P＞0.05),而股内侧肌的肌电峰值分别为70.2±9.8和89.0±12.7,有显著性差异(P<0.05),胫骨前肌和半腱肌的距峰时间有显著性差异,P值分别为0.038、0.030(P<0.05),股二头肌距峰时间无显著性差异(P=0.062>0.05)。上述结果表明,在人体发生意外滑移后,对重新恢复人体平衡起作用的下肢关节肌肉激活时刻差别不大,但针对不同的关节运动,其肌肉伸缩程度以及肌肉做功不尽相同。根据肌肉所属关节及实验数据可知:增大踝关节背屈运动、膝关节屈曲运动和髋关节的伸展运动,对滑移后的平衡恢复作用显著。研究结果可以更好地揭示人体步态滑跌行为的内在机理,为各工作场所建立防滑策略提供有效的准则。     

基于表面肌电信号的两侧下肢对应肌肉活跃差异性定量分析

基于两侧下肢步态具有对称性的假说,现阶段采用以表面肌电信号为控制源的主动型康复机器人,其研究对象多数为一侧下肢,但该假说至今仍然存在很大争议.研究的目的是定量分析两侧下肢对应肌肉活跃程度的差异性.由9名试验者参与静态稳定(静止站立)和动态稳定(行走)两种实验,分别采集每位试验者的两侧胫骨前肌和内侧腓肠肌表面肌电信号,并利用最大自主收缩对所有的表面肌电信号数据进行标准化处理.通过对比两种实验状态中两侧下肢对应肌肉的活跃程度,发现对应肌肉在活跃程度上表现出明显的差异性.在静态稳定实验中,右侧胫骨前肌的活跃度为左侧的3.1倍,左侧内侧腓肠肌的活跃度为右侧的1.5倍;在动态稳定实验中,对应肌肉活跃的差异程度与速度之间存在较强负相关性(rTA=-0.759,rMG=-0.639).最终的实验结果表明,尽管两侧下肢对应肌肉的功能和募集模式相同,但在活跃程度上表现出明显的差异性,并且这种差异性与速度具有较强的负相关性.研究成果对基于表面肌电信号的主动型双侧外骨骼康复机器人运动控制阈值的设定以及脑卒中患者的康复评估具有参考价值.     

非预期条件下前交叉韧带重建术后运动员侧切动作下肢运动生物力学特征

目的 量化非预期条件下前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR)术后运动员侧切动作中膝关节生物力学特征,探讨运动员前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤潜在风险。 方法 应用红外运动捕捉系统和三维测力台同步采集 30 名 ACLR 男性运动员在预期和非预期条件下侧切动作中健侧、患侧下肢运动学和动力学数据。 应用双因素方差分析对关节角度、关节力矩、地面反作用力( ground reaction force, GRF)等测试指标进行统计分析。 结果 患侧肢体的膝关节屈曲角度、外翻力矩和屈曲力矩显著低于健侧肢体,内旋力矩和胫骨前剪切力显著高于健侧肢体。 与预期条件相比,非预期条件下膝关节屈曲角度、内旋力矩、胫骨前剪切力显著增加。 患侧肢体膝关节外旋角度在预期和非预期条件下均显著高于健侧,非预期条件下健侧肢体侧向 GRF 和前后 GRF 显著小于预期条件,患侧肢体侧向 GRF 显著高于预期条件。 结论 ACLR 运动员进行侧切动作时,相比于健侧,患侧表现出较小的膝关节屈曲角度,较大的膝关节内旋力矩和胫骨前剪切力的生物力学特征,可能存在较大的 ACL 潜在损伤风险;在非预期条件下,ACLR 运动员双侧下肢均表现出膝关节内旋力矩增大,侧向 GRF 增大和胫骨前剪切力增大的生物力学特征,提示 ACL 潜在损伤风险不仅限于患侧,健侧下肢也应加强侧切动作中 ACL 损伤预防。     

即刻改变触地方式对着鞋跑时内侧纵弓在体运动学的影响

目的 探究即刻转换触地方式对着鞋跑步时内侧纵弓在体运动学的影响。 方法 采用高速双平面荧光透视成像系统采集 15 名健康男性跑者即刻改变触地方式前后右足在跑步支撑阶段[跑速:(3±0. 15) m/ s]的荧光图像。根据 CT 图像重建第 1 跖骨和跟骨三维骨骼模型及其局部坐标系,并通过 3D-2D 配准获取内侧纵弓在跑步支撑期的 6 自由度(six degree of freedom,6 DOF) 数据(简化为第 1 跖骨相对跟骨的运动)。 采用一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)比较即刻改变触地方式前后内侧纵弓的 6 DOF 运动趋势,并对其特征值进行配对样本 t 检验。 结果 相比后跟跑,即刻前掌跑时,在支撑期的 15% ~ 21% 第 1 跖骨相对跟骨的外移、支撑期 17% ~45% 第 1 跖骨的前移和支撑期的 18% ~ 39% 第 1 跖骨的背屈均显著增加(P<0. 05)。 即刻前掌跑时,第 1 跖骨相对跟骨的前移最大值、背屈最大值、前后平移活动范围及内侧纵弓压缩变化量均显著增加(P<0. 05)。 结论 由习惯后跟跑即刻转换为前掌跑后,内侧纵弓矢状面的形变显著增加,尤其是内侧纵弓的压缩变化量增加约 10% ,可能有助于其弹性能量的储存与释放。