太极拳典型动作对老年人踝关节炎的生物力学影响

Osteoarthritis (OA) severely affects the quality of life in elderly. American College of Rheumatology had recommended Tai Chi (TC) exercise as a nonpharmacologic modality for knee OA. With regard to the security of TC exercise for elder persons with ankle OA, current clinical observations have provided controversial advices. For the unification of outcomes from different studies, we raised a hypothesis: Special TC movements and postures provide sufficient exercises to the soft tissues, such as muscles, tendons, and ligaments in the ankle joint, and then increase range of motion, proprioception, and muscle strength, meanwhile may cause abnormal stress distribution in the articular cartilages and subchondral bones. In this research project, multiple research methods will be used to validate this hypothesis in the system, organ and tissue levels. Kinematics, kinetics and EMG of elderly participants will be measured when they perform 3 typical TC movements (Brush knee and Step Forward; Repulse Monkey; and Wave-hands in clouds). Inverse dynamic analysis will be used to reproduce the movement trials and calculate the muscle forces and joint reaction forces. These measured and computational parameters will be used as boundary and loading conditions for in-vitro experiment and finite element analysis, then more biomechanical data about all tissues of the ankle joint can be gained from modeling. Based on these data, we will systematically evaluate the effect of typical TC movements on ankle OA in the aged, and provide reasonable suggestion for them, and improve or avoid some movements or postures with potential risks.

骨关节炎严重影响老年人的生活质量，太极拳是膝骨关节炎有效的运动干预方式之一。但针对踝关节炎老年人是否可以练习太极拳，临床观察数据给出两种截然不同的指导意见。为统一不同研究的结果，我们提出假说：太极拳独特的姿势和动作，一方面使踝关节肌肉、肌腱和韧带等软组织得到充分锻炼，提高了关节活动度、本体感觉和肌力；另一方面也会导致关节软骨和软骨下骨应力分布异常，从而加重疼痛。本项目拟采用多种研究方法，在整体、器官和组织层次上验证该假说。通过实验测量老年人练习太极拳典型动作（搂膝拗步、倒卷肱、云手）时踝关节运动学、动力学和肌电图数据，并通过逆向动力学分析计算小腿肌肉力和踝关节受力。将其作为边界和加载条件，进行离体标本实验和有限元分析，得到踝关节各组织的应力应变分布信息。基于这些数据，可以系统评价太极拳典型动作对老年人踝关节炎的生物力学影响，对老年人练习太极拳给出合理建议，改良或规避有潜在风险的动作或姿势。

太极拳的康复作用越来越受到国内外研究的重视，但是对其作用机制并不完全明确。骨关节炎严重影响老年人的生活质量，太极拳是骨关节炎有效的运动干预方式之一。但针对踝关节炎老年人是否可以练习太极拳，临床观察数据给出两种截然不同的指导意见。为统一不同研究的结果，我们提出假说：太极拳独特的姿势和动作，一方面使踝关节肌肉、肌腱和韧带等软组织得到充分锻炼，提高了关节活动度、本体感觉和肌力；另一方面也会导致关节软骨和软骨下骨应力分布异常，从而加重疼痛。本项目采用多种研究方法，在整体、器官和组织层次上验证该假说。通过实验测量老年人练习太极拳典型动作时下肢关节运动学、动力学和肌电图数据，并通过逆向动力学分析计算下肢肌肉力和关节受力。将其作为边界和加载条件，进行离体标本实验和有限元分析，得到关节组织的应力应变分布信息。基于这些数据，可以系统评价太极拳典型动作对老年人关节炎的生物力学影响，对老年人练习太极拳给出合理建议，改良或规避有潜在风险的动作或姿势。.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。因此，踝关节炎的患者可以适当练习太极拳。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 N, 169 N和89 N， 对应在步态中仅分别为57N, 119 N 和48 N。因此，对于踝关节炎的患者，可以适当练习太极拳。但是，踝关节扭伤患者练习搂膝拗步动作时应该适当减小足踝动作幅度。.另外，建立并验证了膝关节和髋关节有限元模型，计算生物力学分析。发现：低架太极拳会在膝关节部位引起应力集中，构成潜在伤害。而高架太极拳引起的最大接触应力小于走路时的应力，对膝关节构成周期性柔和的力学刺激，可以推荐为康复训练动作。而太极拳动作引起应力分布的改变也可能是疼痛发生的原因之一，持续的训练会使练习者适应，并增强膝关节的运动功能。证明在太极拳练习过程中髋关节的应力分布柔和而均匀，适宜老年人和髋关节炎患者练习。