《Frontiers in Physiology》：Biomechanical effects of squatting movements in Tai Chi on the knee joint
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背景：蹲姿是日常生活的基础动作，但过度负荷可能导致膝关节损伤风险。太极拳蹲姿（Tai Chi squatting，TCS）以缓慢、可控的运动为特征，研究人员假设其相较于标准蹲姿（Standard squat，SS）能够降低关节负荷，然而两者的生物力学比较研究仍
背景：蹲姿是日常生活的基础动作，但过度负荷可能导致膝关节损伤风险。太极拳蹲姿（Tai Chi squatting，TCS）以缓慢、可控的运动为特征，研究人员假设其相较于标准蹲姿（Standard squat，SS）能够降低关节负荷，然而两者的生物力学比较研究仍较缺乏。本研究旨在从生物力学角度比较TCS与SS，重点关注膝关节运动学、动力学、肌肉激活及内部应力分布。方法：12名经验丰富的太极拳练习者（男6名，女6名）参与本研究。受试者在受控实验室环境中完成TCS与SS动作。采用VICON系统采集三维运动学数据，AMTI测力台测量地面反作用力，Noraxon Ultium表面肌电（surface electromyography，sEMG）系统记录肌肉激活情况。数据经OpenSim肌骨模型处理，并使用Ansys SpaceClaim与Ansys Workbench进行有限元分析（finite element analysis，FEA），评估膝关节内部应力分布。结果：（1）运动学与动力学：与SS相比，TCS产生的膝屈伸角度时间曲线显著更平滑（p < 0.001）。TCS引发的峰值膝伸展力矩显著高于SS（p < 0.001），尤其在男性受试者中表现明显，并与股二头肌和缝匠肌激活水平升高相关，反映出后链协同激活增强，从而形成更均衡的股四头肌-腘绳肌协同激活模式。该趋势在女性受试者中尤为显著（p < 0.05）。（2）有限元应力分析：尽管SS与TCS在股骨软骨峰值冯·米塞斯（Von Mises）应力上的绝对差异较小，但TCS在关节面产生了更均匀的应力分布，SS下的局部高应力集中模式显著减弱。这种负荷分布形态改善对长期软骨健康的意义可能超过单纯的峰值应力变化。结论：与SS相比，TCS促进了更均衡的肌肉协同激活及更均匀的关节内应力分布，可能降低局部软骨疲劳风险，尤其对女性练习者而言。研究结果支持将TCS纳入康复与体能训练项目中。
本研究发表于《Frontiers in Physiology》，针对膝关节在蹲姿运动中的生物力学特性展开深入探讨。蹲姿是日常生活、竞技体育及骨科康复中的重要闭链动作，但其不当执行或反复高负荷可能导致膝骨关节炎（osteoarthritis，OA）、半月板撕裂及前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤等疾病。流行病学数据显示，因蹲姿导致的膝损伤在职业人群和运动员中均十分常见。在此背景下，结合体育与医学融合的全生命周期健康理念，寻找既能增强下肢功能又能减少关节磨损的训练方式成为运动生物力学的研究重点。太极拳作为中国传统运动形式，以缓慢、可控、低冲击为特点，其中太极拳蹲姿（TCS）与标准蹲姿（SS）在运动模式上存在显著差异。TCS要求练习者在较低重心下进行动态重心转移，并配合呼吸调节，理论上可减少膝关节峰值应力并促进更均衡的神经肌肉激活。然而，关于TCS与SS在膝关节内部负荷机制方面的定量比较仍较缺乏，尤其是基于有限元分析的组织级应力证据几乎空白。此外，性别差异也是膝损伤风险的重要决定因素，女性在解剖结构和神经肌肉控制策略上与男性存在差异，但其在太极拳慢速运动模式下的生物力学响应尚未被充分理解。因此，本研究旨在通过整合三维运动捕捉、表面肌电（sEMG）及OpenSim肌骨建模的方法量化膝关节运动学与动力学特征，并结合有限元模型比较TCS与SS在软骨及半月板组织层面的应力分布，同时探讨性别因素的调节作用，从而为TCS在膝损伤预防与康复中的应用提供实证依据。
研究人员招募了12名具有至少五年连续练习经验的太极拳练习者，包括6名男性（年龄41.3±8.8岁）和6名女性（年龄54.3±3.2岁），所有受试者下肢无肌肉骨骼损伤。实验在标准化实验室条件下进行，受试者随机完成TCS与SS两种动作，每组动作至少重复三次。TCS遵循传统低桩（低转步）要求，双脚与肩同宽并保持1.5倍肩宽距离，蹲深由既定公式计算，全程遵循“中正安舒、连贯圆活”的原则。SS则在相同足部位置和蹲深条件下完成常规蹲起，不加入太极拳风格元素。两种动作均在受控节奏下完成，每个完整周期为6至8秒。数据采集方面，采用八摄像头VICON三维运动捕捉系统（采样频率100Hz）获取全身运动学数据，同步使用AMTI三轴测力台（采样频率1000Hz）记录地面反作用力，并通过Noraxon Ultium无线sEMG系统（采样频率2000Hz）采集右侧股直肌与股二头肌的肌电信号。信号处理包括滤波、整流、归一化及平滑处理。随后，研究人员利用OpenSim 4.4构建个体特异性肌骨模型，基于Full-Body Lumbar Spine模板进行调整，依次进行模型缩放、逆向运动学、逆向动力学及静态优化分析，估算各肌肉力量。有限元分析则基于Visible Human Project男性膝关节数据集，在Ansys SpaceClaim与Workbench中进行几何重建、网格划分及加载求解，材料属性设定为各向同性线弹性，边界条件与负荷来自OpenSim计算的峰值关节力矩与肌肉力，以模拟不同蹲姿下的关节内力学环境。
3.1 肌骨仿真结果精度验证
为确保仿真输出的可靠性，研究人员将模型预测的股直肌与股二头肌激活曲线与实验sEMG信号进行对比。结果显示两者在时间序列上具有强相关性，皮尔逊相关系数分别为0.840与0.779，符合肌骨仿真验证的可靠性标准，表明模型可用于后续分析。
3.2 膝关节运动学与动力学
膝关节屈伸角度在整个蹲周期呈钟形轨迹，峰值屈曲出现在周期的40%至50%左右。女性在SS下的峰值屈曲角度显著高于TCS，而男性差异较小。逐点比较显示，女性在蹲周期的约20%至50%阶段，SS的屈膝角度显著高于TCS（p < 0.05）。双向方差分析确认蹲姿类型对峰值屈膝角度的主效应显著（p < 0.001），但性别主效应及交互作用不显著。膝屈伸力矩方面，正值代表屈力矩，负值代表伸力矩。男性在两种蹲姿下的峰值伸力矩均高于女性，且男性在TCS下的伸力矩显著高于SS，女性在两种蹲姿间的差异较小。逐点比较发现，男性在加载早期（约0%至20%）及女性在周期中段（约20%至60%）存在显著的蹲姿间差异。双向方差分析显示蹲姿类型、性别及二者交互作用均显著（p < 0.001），表明TCS的力矩反应存在性别差异。
3.3 性别与蹲姿类型对肌肉激活模式的影响
六块下肢肌肉（臀大肌、臀中肌、股直肌、股二头肌、缝匠肌、腓肠肌）的激活特征显示，TCS整体呈现出更平滑的激活轨迹，并显著提高股二头肌、缝匠肌及女性臀大肌的激活水平，反映后链参与度增强。相反，SS在股直肌与腓肠肌中出现更陡峭的中期峰值，提示对膝伸肌与踝跖屈肌的需求更高。性别差异方面，女性在TCS中臀大肌、股二头肌及臀中肌的激活增幅明显高于男性，而男性在SS中臀大肌激活更高。这些结果表明，TCS在女性中更易诱发后链肌肉的协同激活，有助于改善膝关节的动态稳定性。
3.4 不同蹲姿下膝关节结构的生物力学应力分布
有限元分析显示，在最大屈膝时刻，两种蹲姿下的应力均集中在股骨后髁区域。SS的股骨软骨峰值冯·米塞斯应力为6.47 MPa，TCS略降至6.40 MPa。更重要的是，TCS的应力分布更为均匀，SS则呈现局部高应力岛状集中，梯度陡峭。半月板应力分布呈现显著的内外侧不对称，外侧胫骨软骨承受的应力始终高于内侧，且在TCS下高应力区略微扩大，提示负荷分布于更大的接触面积。内侧胫骨软骨的峰值应力在TCS下略有升高，但仍远低于外侧与股骨软骨，且无病理性应力集中。
在讨论部分，研究人员指出，TCS在产生更大膝伸展力矩的同时，却实现了更均匀的软骨与半月板应力分布，这一现象归因于后链肌肉的协同激活。股二头肌与缝匠肌在TCS中的高激活产生后向剪切力，抵消了股四头肌收缩引起的前向胫骨剪切，从而降低ACL受力风险。TCS的慢速、连续重心转移促使中枢神经系统更广泛地募集拮抗肌群以维持姿势稳定，这一神经肌肉策略在女性中尤为显著，可纠正其常见的“股四头肌主导”模式，减少膝外翻与ACL损伤风险。此外，TCS限制峰值屈膝角度于约80°，并以均匀连续的动作控制减少瞬时应力峰值，有利于软骨间质液的重新分布与应力松弛，从而避免局部高压导致的软骨微损伤。性别差异分析表明，女性在TCS中后链肌肉激活的提升幅度大于男性，这可能弥补其较低的肌肉刚度，实现与男性相当甚至更优的关节稳定性。研究同时指出若干局限性，包括男女年龄差异可能影响结果解释、有限元模型基于单一男性膝关节数据集、加载条件未涵盖全周期动态变化、组织材料模型简化等。
结论部分原文翻译：本研究表明，TCS通过不同于单纯降低外部力矩的机制，在生物力学层面优于SS。尽管TCS尤其在男性中产生了更大的峰值膝伸展力矩，但其促进了更可控的膝屈伸轨迹及更均衡的后链协同激活模式，共同优化了膝关节内部负荷分布。有限元分析进一步揭示，TCS期间股骨软骨与半月板内的应力分布更为均匀，提示其对局部软骨疲劳具有保护作用。研究结果还提供了初步证据，表明女性受试者可能对TCS表现出更强的神经肌肉适应性，特别是在后链肌群的募集方面。总体而言，这些发现为将TCS应用于膝损伤预防及康复项目设计提供了初步的生物力学依据。
