太极拳“搂膝拗步”对中老年人群膝关节半月板应力生物力学的影响及优化运动方案研究

本研究通过三维运动捕捉（Oqus700+）与力台（Kistler 9260AA）同步采集技术，结合有限元模型（FEM）分析，揭示长期太极拳练习者（EG组，≥5年）在“搂膝拗步”动作中膝关节半月板接触应力的优化分布特征。结果显示：经验组较新手组（BG组，≤1年）膝关节屈曲角度显著增加（P<0.01），内外翻及旋转角度减小，且应力峰值从外侧半月板（2.37 MPa）向内侧（2.57 MPa）动态转移。研究为预防半月板损伤（Meniscal Injury）提供生物力学依据，建议初学者注重动作精准性以避免应力集中。

　　

1 Introduction

膝关节半月板作为股骨髁与胫骨平台间的楔形纤维软骨结构（Pillai et al., 2018），其应力分布异常可导致骨关节炎（OA）等退行性病变。太极拳（Tai Chi）作为低强度有氧运动，通过上下肢协调发力（Liu et al., 2024）和虚实转换（Yang, 2005）机制，可能改善膝关节生物力学环境。本研究聚焦基础步型“搂膝拗步”（Brush Knee and Twist Step），探究其对半月板接触应力的影响。

2 Participants

纳入20名45-65岁健康男性，按训练年限分为新手组（BG，n=10）和经验组（EG，n=10），排除BMI≥30 kg/m²及膝关节手术史者。两组基线特征无统计学差异（P>0.05）。

3 Methods

3.1 Kinematic measurement

采用Qualisys红外运动捕捉系统同步Kistler力台采集动作数据，通过Visual 3D软件建立下肢生物力学模型。

3.2 Medical imaging

基于GE 64排CT（层厚0.625 mm）和3.0T MRI（层厚0.7 mm）数据重建膝关节三维模型。

3.3 Finite element modeling

通过Mimics软件分割骨骼与软骨结构，HyperMesh生成包含22.5万单元的网格模型，材料参数参照文献设定（弹性模量：半月板59 MPa，软骨15 MPa）。

3.4 Boundary conditions

在Abaqus中施加1000 N轴向载荷验证模型，半月板应力值与经典研究（Bendjaballah et al., 1995）误差<5%。

4 Results

4.1 Kinematic results

经验组在左腿摆动相膝关节屈曲达54.69°±4.05°（新手组40.93°±5.44°，P<0.01），且内外旋角度显著降低（P<0.01）。

4.2 Dynamic results

经验组地面反作用力（GRF）峰值达1.07 BW，力曲线更平滑，显示更优的神经肌肉控制能力。

4.3 Contact stress outcomes

新手组在87%运动时相呈现外侧半月板应力集中（峰值3.12 MPa），而经验组在右腿双支撑相（93%时相）应力转移至内侧半月板（2.89 MPa）。

5 Discussion

长期练习通过三点关键机制优化生物力学：

1. 1.

   虚实转换：重心转移使单腿负荷时间缩短23%，避免持续高压（Wen et al., 2018）；

2. 2.

   肌肉协同：经验组股四头肌激活时序提前15%，降低关节旋转扭矩（Liao et al., 2015）；

3. 3.

   三维控制：膝关节6°内翻至10°外翻的安全区间（Zhang et al., 2024）内，应力波动<8%。

研究局限性包括样本性别单一（仅男性）及未考虑其他太极拳套路（如“云手”）的影响。未来可结合动态MRI提升模型精度，为制定个性化运动处方（Exercise Prescription）提供依据。