24式簡化太極拳野馬分鬃動作導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險評估

劉輝，尹航，梅博威，賈紹輝，柏開祥

1.武漢體育學(xué)院，a.健康科學(xué)學(xué)院；b.武術(shù)學(xué)院，湖北武漢市 430079；2.武漢商學(xué)院，湖北武漢市430058通信作者：柏開祥，E-mail：382641388@qq.com

0 引言

太極拳運(yùn)動具有強(qiáng)身健體、改善身體功能[1-4]、預(yù)防及治療慢性病、促進(jìn)運(yùn)動損傷后康復(fù)等良好功效[5-9]。不同年齡太極拳練習(xí)者會出現(xiàn)不同程度的膝關(guān)節(jié)疼痛，且老年人發(fā)病率更高，康復(fù)也更加緩慢[10-12]。慢跑、爬樓梯等運(yùn)動也會出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛[13-15]。這類運(yùn)動具有一個共同的運(yùn)動形式特征，即單腿支撐情況下膝關(guān)節(jié)進(jìn)行反復(fù)屈伸運(yùn)動。從24式簡化太極拳的各個動作形式來看，左右野馬分鬃、左右摟膝拗步、左右攬雀尾及左右下式穿掌等動作均符合上述膝關(guān)節(jié)運(yùn)動特征。

膝關(guān)節(jié)疼痛是膝關(guān)節(jié)損傷的一個典型癥狀體現(xiàn)，臨床上往往根據(jù)疼痛點(diǎn)來判斷損傷的部位，根據(jù)視覺模擬評分(Visual Analogue Scale,VAS)判斷損傷程度[16]。股四頭肌肌群中股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌既相互協(xié)同又互為拮抗，其肌力平衡狀態(tài)對髕股關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力分布和髕骨運(yùn)動軌跡有較大影響[17-18]。有研究發(fā)現(xiàn)[19]，伴膝痛或膝骨關(guān)節(jié)炎的患者在步行中的垂直地面反作用力的曲線更平緩，可能是為了降低膝關(guān)節(jié)負(fù)荷來避免疼痛。在太極拳運(yùn)動中，伴膝痛的練習(xí)者表現(xiàn)出與步行研究類似的情形，這也可能是練習(xí)者為了降低疼痛感而出現(xiàn)代償性地減少觸地壓力[20]。太極拳運(yùn)動有屈膝、扭轉(zhuǎn)等動作，長期運(yùn)動將產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)髕骨、半月板勞損、髕韌帶松弛、髕骨外移及側(cè)副韌帶損傷等癥狀[21-22]。此外，由于重心過低，太極拳練習(xí)還可能出現(xiàn)髕骨軟化癥、脂肪墊損傷等多種膝關(guān)節(jié)損傷。有研究指出[23-24]，練習(xí)太極拳時姿勢太低導(dǎo)致承載加大，髕骨與股骨關(guān)節(jié)面的摩擦增大，易引發(fā)膝骨關(guān)節(jié)炎。但該研究僅僅根據(jù)太極拳的有關(guān)動作結(jié)構(gòu)定性地分析膝關(guān)節(jié)的受力特征，并未提供相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)等實(shí)證材料。由于現(xiàn)有的研究條件無法測定運(yùn)動中關(guān)節(jié)的受力，本研究從動作建模的角度出發(fā)，通過運(yùn)動學(xué)參數(shù)逆向計算太極拳動作中膝關(guān)節(jié)的受力數(shù)值，為探討膝關(guān)節(jié)的損傷提供相關(guān)證據(jù)[25-27]。

本研究基于牛頓第二定律和轉(zhuǎn)動定律建立太極拳野馬分鬃動作高、低姿位的動力學(xué)方程，運(yùn)用圖像解析得到大腿和小腿的坐標(biāo)、速度、加速度和水平角，運(yùn)用X 片測量股四頭肌的力臂，通過分析膝關(guān)節(jié)的受力特征得到膝關(guān)節(jié)動力矩、股四頭肌張力、脛股關(guān)節(jié)力、髕股關(guān)節(jié)壓力和摩擦力，尋求24式簡化太極拳野馬分鬃動作導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的原因，為太極拳練習(xí)者有效預(yù)防運(yùn)動損傷的發(fā)生提供科學(xué)指導(dǎo)，對其他具有膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的相近體育項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防起到借鑒作用。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本文以1 名武漢體育學(xué)院健將級太極拳運(yùn)動員為實(shí)驗(yàn)對象，通過立體攝像方法獲得野馬分鬃動作高、低姿位的動作視頻，解析得出動作技術(shù)的運(yùn)動學(xué)指標(biāo)，利用逆向動力學(xué)方法獲取兩種姿位野馬分鬃動作時右腿膝關(guān)節(jié)作用力，探討右腿膝關(guān)節(jié)損傷的可能原因。

1.2 方法

1.2.1 攝像-影像解析

采用兩臺JVC P-100ABC 高速攝像機(jī)(JVC 建伍株式會社，泰國)垂直方位架設(shè)(運(yùn)用激光水平儀進(jìn)行角度矯正)，一臺在正側(cè)方(A 機(jī))，另一臺在正前方(B機(jī))，兩臺攝像機(jī)的主光軸相對地面高度為1 m，拍攝頻率為50 幀/s。采用自主研發(fā)的運(yùn)動圖像解析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，分別采集XOY平面和ZOY平面關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用標(biāo)尺桿確定比例尺、進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，采用三維正交方法進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，進(jìn)一步計算出相關(guān)運(yùn)動學(xué)參數(shù)。

1.2.2 X片診斷

采用X 片測定股四頭肌拉力臂參數(shù)，由膝關(guān)節(jié)力矩計算出膝關(guān)節(jié)伸肌力量，從而進(jìn)一步計算關(guān)節(jié)內(nèi)受力。從被試對象身體右側(cè)發(fā)射X 片拍攝膝關(guān)節(jié)矢狀面的剖面圖，取股四頭肌中縱線代表肌拉力線。拍攝時在膝關(guān)節(jié)旁放置一鋼尺，以鋼尺的寬度來確定比例關(guān)系，計算出股四頭肌相對膝關(guān)節(jié)中心的實(shí)際拉力臂為0.035 m。

1.2.3 逆向動力學(xué)計算

1.2.3.1 結(jié)構(gòu)劃分

野馬分鬃動作可劃分為兩個動作階段，即由丁步抱球行至弓步分掌。丁步抱拳動作階段，左腳成虛步，右腿膝關(guān)節(jié)屈曲，支撐身體重力及重力矩。在弓步分掌過程中，轉(zhuǎn)體上步，左腿屈膝前弓，右腿自然蹬直。在太極拳練習(xí)過程中膝關(guān)節(jié)始終保持一定程度的屈曲狀態(tài)，膝關(guān)節(jié)所承受的力貫穿于太極拳練習(xí)始終。

1.2.3.2 結(jié)構(gòu)生物力學(xué)分析

野馬分鬃丁步抱球動作模型：將人體看成由兩個環(huán)節(jié)組成的剛體系，其中，右腿膝關(guān)節(jié)以上身體部位包括左腿定義為上端環(huán)節(jié)，右腿膝關(guān)節(jié)以下(右小腿和腳)定義為下端環(huán)節(jié)。

右腿膝關(guān)節(jié)主要為屈伸運(yùn)動，上端環(huán)節(jié)同時存在兩種運(yùn)動方式，即繞膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動以及隨膝關(guān)節(jié)的平動，是一種典型的復(fù)合運(yùn)動。計算時應(yīng)考慮其慣性力、科氏力以及慣性力矩。

以上端環(huán)節(jié)為研究對象，外力為重力、垂直慣性力、科氏力。以右腿膝關(guān)節(jié)中心為轉(zhuǎn)軸，受到的力矩為股四頭肌的伸肌力矩(順時針方向)，身體重力、上端環(huán)節(jié)慣性力、科氏力產(chǎn)生的合力矩(逆時針方向)。

1.2.3.3 右腿膝關(guān)節(jié)受力的計算

采用圖像解析的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)計算出膝關(guān)節(jié)的受力。通過圖像解析得到動作技術(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)轉(zhuǎn)動定律建立該動作的力矩方程，由圖像解析數(shù)據(jù)計算出右腿膝關(guān)節(jié)力矩，通過X 片求得力臂從而計算股四頭肌拉力；根據(jù)牛頓第二定律建立膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動時膝關(guān)節(jié)內(nèi)的水平和垂直方向作用力，由力的合成原理求出股脛關(guān)節(jié)所受的合力，除以體重得到倍數(shù)；根據(jù)大、小腿與水平方向的夾角求出髕股間的壓力。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料符合正態(tài)分布，以(±s)表示，采用單因素方差分析對高、低姿位太極拳野馬分鬃動作的膝關(guān)節(jié)受力進(jìn)行分析。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 運(yùn)動學(xué)參數(shù)

與高姿位相比，低姿位丁步抱球動作時其上端環(huán)節(jié)質(zhì)心坐標(biāo)及速度均變小，右膝關(guān)節(jié)中心坐標(biāo)及速度也降低，膝關(guān)節(jié)均值由128°降至115°，且動作階段用時更長。由于太極拳動作速度均勻緩慢，兩種姿位加速度均趨向于0。見圖1～圖3。

圖1 高、低姿位上端環(huán)節(jié)質(zhì)心坐標(biāo)及右膝關(guān)節(jié)中心坐標(biāo)

圖2 高、低姿位上端環(huán)節(jié)及右膝關(guān)節(jié)速度變化

圖3 高、低姿位膝關(guān)節(jié)角度變化

2.2 人體膝關(guān)節(jié)受力

與高姿位相比，低姿位時膝關(guān)節(jié)力矩、股四頭肌拉力、股脛關(guān)節(jié)水平作用力和垂直作用力、股脛關(guān)節(jié)承受總載荷和相對于體重倍數(shù)、髕股骨關(guān)節(jié)壓力均顯著增加(P＜0.001)。見圖4、表1。

表1 高、低姿位丁步抱球動作膝關(guān)節(jié)作用力比較變化

圖4 高、低姿位丁步抱球動作膝關(guān)節(jié)作用力變化

3 討論

野馬分鬃動作是太極拳的基本動作，高姿位和低姿位是太極拳練習(xí)者在野馬分鬃動作中習(xí)慣采用的兩種膝關(guān)節(jié)屈曲姿勢。普遍認(rèn)為低姿位野馬分鬃動作具有更大損傷風(fēng)險，然而其機(jī)制尚不明確。通常情況下，關(guān)節(jié)受力表現(xiàn)為垂直方向的正壓力及水平方向的切應(yīng)力，這兩種受力形式導(dǎo)致關(guān)節(jié)骨性組織損傷類型不同。正壓力主要造成關(guān)節(jié)面的壓縮性損傷，表現(xiàn)形式為骨裂或骨折，對于膝關(guān)節(jié)而言，也有可能造成半月板的破裂；切應(yīng)力則表現(xiàn)為接觸面的擦傷。

從生物力學(xué)角度分析，關(guān)節(jié)損傷可能存在三個方面的原因：一是動作速度快，產(chǎn)生過大的沖擊載荷造成關(guān)節(jié)的直接損傷；二是動作技術(shù)不規(guī)范造成關(guān)節(jié)受力不均而導(dǎo)致關(guān)節(jié)局部損傷；三是關(guān)節(jié)組織應(yīng)力積累造成關(guān)節(jié)疲勞性損傷。太極拳動作速度舒緩，外界沖擊較小。但在膝關(guān)節(jié)屈曲狀態(tài)下，股四頭肌需強(qiáng)力收縮克服身體重力矩以維持身體平衡。低姿位時人體重心相對于右膝關(guān)節(jié)中心的距離大，因而產(chǎn)生的重力矩大，股四頭肌力矩隨之增大。本研究顯示，低姿位野馬分鬃動作時，股四頭肌拉力、髕股關(guān)節(jié)壓力均顯著高于高姿位時。股四頭肌拉力在關(guān)節(jié)內(nèi)產(chǎn)生水平和垂直方向兩個分力，水平方向分力表現(xiàn)為股骨髁和脛骨平臺之間的切應(yīng)力，垂直方向分力則表現(xiàn)為兩關(guān)節(jié)面之間的壓力。本研究顯示，低姿位時股脛關(guān)節(jié)水平、垂直方向力和股脛關(guān)節(jié)合力均顯著大于高姿位時。因此，低姿位野馬分鬃動作時膝關(guān)節(jié)受傷風(fēng)險較高姿位顯著增大。

膝關(guān)節(jié)股四頭肌拉力、股脛關(guān)節(jié)面上水平方向作用力及垂直方向作用力的增大可能導(dǎo)致股脛關(guān)節(jié)出現(xiàn)三種損傷：①股四頭肌肌腱腱鞘炎；②關(guān)節(jié)面軟骨和半月板表面磨損；③關(guān)節(jié)面軟骨受傷和半月板破裂。

首先，股四頭肌拉力增大易造成其肌腱腱鞘炎，疼痛點(diǎn)在脛骨粗隆處，很顯然與膝關(guān)節(jié)內(nèi)部出現(xiàn)疼痛不相符[28]。其次，股脛關(guān)節(jié)面上水平切應(yīng)力將致使股骨髁與脛骨平臺兩個面發(fā)生錯動，但由于前后交叉韌帶和內(nèi)外側(cè)副韌帶的彈性作用阻止前后方向和左右方向的運(yùn)動趨勢，為此，關(guān)節(jié)面軟骨和半月板表面磨損的可能性較小，即便是韌帶遭受損傷，但由于韌帶中沒有痛覺神經(jīng)，也不會感受到疼痛，僅表現(xiàn)為關(guān)節(jié)的不穩(wěn)，易產(chǎn)生更大的損傷。再次，垂直方向正壓力作用于關(guān)節(jié)面軟骨和半月板，由膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)可知，股脛關(guān)節(jié)間半月板具有彈性，起到良好的緩沖作用，又由于股脛關(guān)節(jié)間的滲透潤滑機(jī)制，當(dāng)關(guān)節(jié)囊分泌的滑液進(jìn)入股脛關(guān)節(jié)腔后，被關(guān)節(jié)面軟骨及半月板所吸收。股脛關(guān)節(jié)受到壓力作用時，液體被擠壓出來，在關(guān)節(jié)腔中構(gòu)成“液墊”，有效地保護(hù)脛骨平臺、股骨髁及半月板，半月板受損的風(fēng)險性大大降低[29-32]。

當(dāng)人體處于下蹲屈曲時，膝關(guān)節(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個水平方向作用載荷，該載荷主要是由股四頭肌肌腱拉力投射到水平方向上分量產(chǎn)生的，其表現(xiàn)形式為：膝關(guān)節(jié)屈曲時，股四頭肌做離心收縮，股四頭肌肌腱在髕骨上端和下端產(chǎn)生拉力，其合力構(gòu)成髕骨作用于股骨上的“擠壓”力。膝關(guān)節(jié)做屈伸運(yùn)動時，髕骨在股骨前糟內(nèi)將發(fā)生上下滑動，則髕骨與股骨間將產(chǎn)生摩擦力，這是作用在髕骨與股骨表面切向應(yīng)力。

摩擦力大小取決于兩個因素。①髕骨對股骨正壓力。隨著膝關(guān)節(jié)屈曲程度增大，這一正壓力也會增大，計算結(jié)果證實(shí)低姿位時髕骨對股骨壓力增大。②髕骨與股骨間的表面摩擦系數(shù)。由于髕骨與股骨接觸面幾乎成垂直狀態(tài)，關(guān)節(jié)內(nèi)的滑液又具有較好的潤滑性，黏滯性較差，較難附著于髕骨與股骨表面，在重力作用之下，流向股脛關(guān)節(jié)。

髕骨與股骨間由于缺乏滑液而使得摩擦系數(shù)加大。低姿位太極拳練習(xí)時，正壓力及摩擦系數(shù)均到增大，雙重作用使得髕股關(guān)節(jié)內(nèi)摩擦力增加更為顯著，因而造成髕骨與股骨表面磨損更加嚴(yán)重，并產(chǎn)生炎癥，由于髕骨中不具有痛覺神經(jīng)，因此髕骨感受不到疼痛，但股骨前側(cè)的骨膜內(nèi)有痛覺神經(jīng)，且十分敏感，炎癥因子的刺激就會感受到疼痛，尤其是低姿位時疼痛感覺更加明顯，這可能是太極拳野馬分鬃動作造成膝關(guān)節(jié)損傷的主要原因。

綜上所述，練習(xí)太極拳野馬分鬃動作時，采用低姿位時膝關(guān)節(jié)受傷風(fēng)險較高。導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的可能力學(xué)原因如下。①低姿位時(膝關(guān)節(jié)角度小)，身體重心與膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)水平距離(力臂)加大，重力矩(阻力矩)增大，因而股四頭肌力矩(動力矩)相應(yīng)增大以保持身體穩(wěn)定，對應(yīng)股四頭肌力量得到增加。當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈曲度加大時，股脛關(guān)節(jié)內(nèi)水平切應(yīng)力、垂直正壓力以及髕股關(guān)節(jié)的正壓力均增加，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險加大。②由于股脛關(guān)節(jié)中半月板緩沖和液墊的保護(hù)作用，股脛關(guān)節(jié)受傷的風(fēng)險大大降低，而髕股關(guān)節(jié)在正壓力及摩擦系數(shù)雙重作用下摩擦力顯著增加，造成髕骨與股骨表面磨損，炎癥刺激股骨前側(cè)骨膜中的痛覺神經(jīng)而感受到疼痛，證實(shí)該部位發(fā)生損傷。

本研究可為預(yù)防太極拳練習(xí)者運(yùn)動損傷的發(fā)生提供數(shù)據(jù)支持，對其他具有膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的相近體育項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防起到借鑒作用。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。