太极拳运动预防老年人跌倒的神经力学机制及计算机仿真研究

Falls due to decreased postural control is one of the causes of motor dysfunction among the elderly. A large number of studies showed that Tai Chi can improve postural control and is an effective exercise intervention to prevent falls. However, the mechanism of action of this exercise remains unknown. To explore why Tai Chi movements could improve postural control in the elderly and to determine its mechanism of preventing falls, biomechanical methods and computer simulation technology will be applied to analyze typical Tai Chi movements at musculoskeletal and nervous system levels. In this study, first, kinematic and kinetic data will be collected by using biomechanical methods to explore the stability control characteristics during Tai Chi exercise; second, surface electromyography data will then be acquired to explore the body’s neuromuscular coordination control characteristics; third, a nerve–muscle–skeleton model of a multi-rigid-body system will be established by using a computer simulation software, and kinematic and kinetic data will be combined to explore the mechanical characteristics of lower extremities, including internal muscular force, internal joint movements, and muscle contraction model. This study will offer effective data support for preventing falls due to Tai Chi exercise in the elderly and will promote healthy and successful aging in our country.

人口老龄化背景下，姿势控制能力下降导致的跌倒是老年人运动功能障碍的重要原因之一。众多研究表明太极拳可以有效改善老年人姿势控制能力，是预防跌倒的有效干预运动疗法，然而，效果背后的机制性原因尚未可知。本研究将运用运动生物力学研究手段，并结合计算机仿真技术，从肌肉骨骼系统及其神经控制层面对太极拳典型动作进行深入剖析，试图找到太极拳提高老年人姿势控制能力的原因，进而阐述预防跌倒的机制。本课题①拟采用运动生物力学方法采集太极拳动作中人体运动学、动力学数据，探析动作中稳定性控制特征；②采集太极拳动作中肌电学数据，探析太极拳动作的神经肌肉协调控制特征；③利用计算机仿真软件，建立人体多刚体系统的神经-肌肉-骨骼模型，结合运动学、动力学数据，探析下肢肌肉内力、关节内力矩以及肌肉收缩模式等力学特征。本研究将为太极运动预防老年人跌倒提供有效数据支持，有利于促进我国老龄人口的健康老龄化、成功老龄化。

随着我国老龄化进程的加剧，老年人跌倒的现象日益增多，进而造成外伤甚至死亡。姿势控制能力下降导致的跌倒是老年人运动功能障碍的重要原因之一。国粹太极拳可以有效提高老年人平衡控制能力、增强肌肉力量、本体感觉、改善老年人姿势控制能力，减少跌倒发生风险，是预防跌倒的有效运动干预疗法，然而，效果背后的机制性原因尚未可知。本研究通过应用运动学、动力学及肌电学测试方法采集太极拳典型动作（搂膝拗步、云手、倒卷肱、蹬脚、揽雀尾）与正常步行动作数据，并结合计算机仿真技术，探索（1）相比于正常走动作，太极拳典型动作的运动控制特征；（2）探讨太极拳典型动作中，下肢肌肉的神经肌肉协调控制特征。本研究发现（1）太极拳典型动作中下肢髋膝踝三关节在三个解剖面表现出较大的关节运动幅度，重心在三个解剖面表现出较大的运动位移，下肢三关节在不同太极拳典型动作中各关节做功贡献度有所差异，单支撑起始时刻的动态稳定性差，足底压力中心位移显著较大；（2）太极拳动作中下肢肌肉表现出较小的关节力矩峰值，较长的肌肉兴奋时间，较大的肌肉积分肌电值，在支撑期表现出较大的主动肌/拮抗肌共收缩比、预激活比。主要结论：长期的太极拳练习表现出较小关节受力载荷特征，有助于优化太极拳平衡控制能力，提高影响姿势控制的生物力学因素，提高下肢关节耦合协调控制，提高下肢神经肌肉间、关节间的耦合协调控制，进而可能更有利于提高姿势控制能力，降低跌倒风险。这些发现将为太极运动预防老年人跌倒提供有效数据支持，同时为个性化太极拳运动处方设计提供思路，有利于促进我国老龄人口的健康老龄化、成功老龄化。