不同軀干前傾角度下太極拳馬步動作下肢生物力學分析

王文昭 張彥龍 宋成龍 胡龍威

(牡丹江師范學院 黑龍江牡丹江 157000)

目前，太極拳運動在全社會廣泛開展。太極拳具有調節神經系統、改善心肌血液循環情況、維持關節和軟組織的靈活性與柔韌性以及提升肌肉工作效能等卓著的健身功效。有研究認為，太極拳和專項核心訓練同具有減緩中老年人神經肌肉功能退化的作用，能夠緩解慢性非特異性腰痛（Non-specific Lower Back Pain，NLBP）［1］。但在太極拳運動中，練習者要始終保持屈膝的半蹲狀態，此時膝關節周圍的韌帶松弛，影響膝關節的穩定性。此外，屈曲狀態下膝關節受力更為復雜，極易產生疲勞，從而導致膝關節的損傷［2］。

作為太極拳樁功的一種，不同類型和流派的馬步動作要求不盡相同。其基本規范為：兩腿平行開立、下蹲后膝蓋盡量不要超過腳尖、臀部不宜過度突出，形成“圓襠”的特點。太極拳是強調緩慢而持續的運動，包括由雙側到單側的人體重心轉換、膝關節的漸進性屈曲以及軀干和頭頸的旋轉等［3］。由于太極拳的動作具有較大的幅度變化和整體緩慢的特點，故練習者的肌肉需要在不斷變化的張力和收縮角度下持續運動。而馬步動作中，下肢處于屈髖屈膝的狀態，為了維持穩定的下肢姿態和重心，股四頭肌韌帶和髕韌帶會產生過高的張力，在大負荷下，細微損傷的反復累積會導致膝關節的慢性損傷［4］。而不正確的動作在不斷的重復下，會影響太極拳練習者正確動作的習得。

通過運動學和動力學測量儀器以及肌電探測設備來分析太極拳馬步中關節肌肉的運動特點，有助于更精確地分析不同馬步動作對練習者下肢的力學影響。在傳統馬步動作要求中，軀干前傾是一個比較常見的不規范動作。較大的軀干前傾角度，對于練習者維持重心和姿勢的穩定都提出了更高的要求，而這可能會導致關節更大的受力，而易引起損傷。

該文通過對比太極拳練習者在不同馬步姿態（軀干前傾姿態和較為標準的馬步姿態）中，下肢的運動學、動力學特征以及主要肌肉的肌電特征，為太極拳不同馬步姿勢的對比，提供科學的參考數據；對廣大太極拳愛好者的練習，起到一定的指導作用；并重新審視傳統觀念中“錯誤”的馬步，在生物力學層面上的優劣。

1 實驗方法

1.1 時間及地點

2021 年10 月，牡丹江師范學院運動生物力學實驗室。

1.2 受試者情況

該實驗選取12 名受試者，均接觸過太極拳運動且為男性的在校大學生，年齡在22～26歲之間；均無下肢重大疾病史，且實驗前一周內未從事劇烈運動，并自愿參與實驗。

1.3 實驗儀器

該實驗采用瑞典Qualisys動作捕捉系統，操作軟件為Qualisys Track Manager（QTM），采樣頻率為100Hz；美國Delsys 無線表面肌電采集系統，采樣頻率為2000Hz。

1.4 實驗過程

首先令12 名受試者分別在盡量維持軀干垂直于地面的姿態（Normal Trunk Pattern，NTP）下完成3 組有效的馬步動作，采集信息并保存，然后讓受試者盡可能進行軀干前傾模式（Anteverted Trunk Pattern，ATP）的馬步動作。具體實驗操作如下。

1.4.1 實驗準備

實驗人員提前入場，整理實驗用具并調試儀器。令受試者均更換實驗專用短褲，裸足。在對受試者身高、體重進行測量后，令其進行充分的熱身并預先演練實驗需要的動作。在受試者身上的指定位置粘貼反光Marker球，疲勞后在相應肌肉的肌腹隆起處粘貼、固定好肌電傳感器。

1.4.2 數據采集過程

令12 名受試者依次走上測試位置，在動作捕捉、無線表面肌電采集裝置的同步系統準備就緒后進行NTP 馬步動作。再令受試者在系統準備就緒后進行ATP馬步動作。

1.4.3 數據處理

將動作捕捉的配套軟件QTM 中生成的同步采集信號導入Visual 3D軟件中通過仿真計算提取出關節角度、關節力矩等運動學和動力學數據。其中獲得的下肢肌電數據在MATLAB（2019a）中進行濾波、整流、標準化處理，分析并輸出相應結果。

1.4.4 數據分析

該研究比較了兩種馬步下肢髖膝踝關節的角度差異、下肢髖膝踝關節的力矩差異以及下肢關鍵肌肉積分肌電值（Intergration EMG，iEMG）的差異。使用SPSS 23.0統計軟件對每組待比對的數據進行配對t檢驗，觀察其差異的顯著水平，其結果用-x±s表示。

2 結果

2.1 兩種不同馬步下髖膝踝關節角度的對比分析

通過表1 可知，兩種馬步髖、膝、踝關節在屈伸方向上的最大角度均存在顯著性差異（P<0.05）；膝關節和踝關節在內收外展與內翻外翻方向上的最大角度之間存在顯著性差異（P<0.05）；而髖關節內收外展方向上與膝、踝關節內外旋方向上的最大角度之間沒有顯著性差異。

表1 兩種不同馬步下髖、膝、踝關節各方向最大角度對比（°）

2.2 兩種不同馬步下髖膝踝關節力矩的對比分析

通過表2 可知，兩種馬步下三個關節在所有方向的最大力矩之間均存在顯著性差異（P<0.05），且除踝關節內外翻的力矩外，NTP 馬步的所有最大力矩均顯著大于ATP馬步（P<0.05）。

表2 兩種不同馬步下髖、膝、踝關節各方向峰值力矩（N·m·Kg-1）對比

2.3 兩種不同馬步下下肢各主要肌肉積分肌電值的對比分析

由表3可知，除股直肌外，股二頭肌、半腱肌、脛骨前肌在兩種馬步下肌電圖的積分肌電值（Integrated EMG，iEMG）之間均存在顯著差異（P<0.05），且NTP 馬步組的iEMG 均小于ATP 馬步組。而不存在顯著性差異的股直肌，ATP 馬步組的iEMG 也要大于NTP 馬步組。

表3 兩種不同馬步下各肌肉iEMG（V·s）對比

3 分析與討論

通過觀察兩種馬步下關節角度的差異，可以發現，NTP馬步下髖關節屈伸的最大范圍要小于ATP馬步，這體現出了軀干前傾角度為正誤兩種馬步的本質區別。根據人體的運動規律，軀干在保持基本挺直的情況下前傾，骨盆會隨之圍繞冠狀軸向前旋轉，在下肢閉鏈的人體姿態下便會產生髖關節更大的屈曲幅度。NTP馬步組的最大膝關節角度要顯著小于ATP馬步組的最大膝關節角度，即前者的膝關節運動幅度要明顯大于后者。有研究發現，股髕間的接觸面積會隨膝關節屈曲角度的增加而增加，而增大的股髕接觸面積有助于將施加在髕骨上的壓力分散在更大的區域上，從而減少接觸應力，以減輕股髕關節疼痛綜合征（Patellofemoral pain syndrome，PFPS）患者在練習時的痛苦［5］。

在對于力矩的分析中，可見軀干正常的馬步動作在各個關節上的力矩均普遍大于軀干前傾的馬步動作。力矩是用來說明物體受到力后繞著轉動軸轉動趨勢的動力學指標，故實驗中的這一現象可能是由于NTP馬步對人體重心穩定控制的要求較高。如NTP馬步中踝關節在背伸跖屈方向上的力矩要顯著大于ATP馬步，這是因為在軀干處于中立位馬步下蹲的過程中，為了保持穩定，人需要向前調整重心，此時脛前肌激活程度會隨著軀干前屈角度的增加而增加［6］。也有研究者通過實驗發現，在全腳掌著地的“亞洲蹲”中，脛骨前肌的激活程度顯著高于需要人體重心前移的“西方蹲”動作［7］。iEMG代表了一段肌電信號下的面積總和，單位為V·s，是一段時間內肌電值輸出的加和量，常被用以評價肌肉的活動程度［8］。該研究對目標肌肉的測量結果不同于前文對于脛前肌活動狀態的預估，此研究中NTP 馬步脛前肌的激活程度并未顯著高于ATP 馬步，而股二頭肌和半腱肌這兩塊位于股骨后側的肌肉顯示了較強的活動度，根據Ohkoshi 等［9］的研究，軀干前屈姿態下的下蹲動作會有效刺激股后肌群的收縮，采取主動伸髖的策略來維持重心的穩定。

該研究中的馬步動作，其關節下肢運動學、動力學和主要肌肉的激活模式與深蹲動作較為相似。在莫重陽［10］對深蹲的一項研究中，同樣選擇通過iEMG來分析肌肉的整體活動情況。在此研究中，iEMG隨著深蹲負荷的大小變化明顯，并且不同時相（不同肌肉工作模式）下同一肌肉的iEMG之間也存在顯著性差異。相比之下，該研究存在著如下局限：在肌電分析過程中并未劃分時相，這可能是某些肌肉的iEMG表現偏離預估的原因；未能準確控制變量，如在設計實驗時，沒有將受試者的馬步動作規范在一定的關節角度范圍內；選取指標單一，且未能將各指標結合起來進行分析。

3 結語

NTP 馬步作為被廣泛接受的“正確馬步”姿勢，對于下肢肌肉力量、協調以及人體維持重心穩定的能力等都有較高的要求，這些元素均可在NTP 馬步中下肢的生物力學參數中得到體現。相比之下，ATP 馬步因其軀干位置的不同，在各項生物力學指標上與NTP 馬步之間存在多方面的差異，這或會為今后此類馬步相關研究或太極拳愛好者提供理論指導。