不同体质量指数老年人太极拳动作中下肢髌股关节力学载荷及相关性分析

doi:10.12307/2026.166

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (24): 6182-6188.doi: 10.12307/2026.166

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不同体质量指数老年人太极拳动作中下肢髌股关节力学载荷及相关性分析

李光敏1，王疆娜2

1浙江工业职业技术学院公共基础教学部(体育部)，浙江省绍兴市 312000；2山东体育学院运动与健康学院，山东省济南市 250102

收稿日期:2025-06-06 修回日期:2025-09-06 出版日期:2026-08-28 发布日期:2026-01-28
通讯作者: 王疆娜，硕士，副教授，山东体育学院运动与健康学院，山东省济南市 250102
作者简介:李光敏，男，1980年生，硕士，讲师，主要从事运动与健康促进、学校体育等工作。

Mechanical loading of the patellofemoral joint and its correlation with various body mass indices in older adults practicing Tai Chi exercises

Li Guangmin1, Wang Jiangna2

1Public Basic Education Department (Sports Department), Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, Zhejiang Province, China; 2College of Sports and Health, Shandong Institute of Physical Education, Jinan 250102, Shandong Province, China

Received:2025-06-06 Revised:2025-09-06 Online:2026-08-28 Published:2026-01-28
Contact: Wang Jiangna, MS, Associate professor, College of Sports and Health, Shandong Institute of Physical Education, Jinan 250102, Shandong Province, China
About author:Li Guangmin, MS, Lecturer, Public Basic Education Department (Sports Department), Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, Zhejiang Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
体质量指数：是国际上常用的衡量人体胖瘦程度以及是否健康的标准之一。超重和肥胖可能导致运动时下肢关节压力过载，增加关节疼痛与损伤的风险。
髌股关节：髌骨与股骨骶髌面形成髌股关节，位于膝盖前方，由髌骨和股骨滑车组成。人体运动过程中，髌股关节压力异常会引起膝关节疼痛。

背景：随着中国人口老龄化加剧，超重、肥胖成为老年人下肢关节运动损伤的重要影响因素之一。
目的：对比不同体质量指数老年人太极拳动作与正常步行时的下肢髌股关节力学数据，分析体质量指数与下肢髌股关节力学数据的相关性，探讨不同体质量指数对老年人下肢髌股关节载荷的影响。
方法：根据体质量指数分级招募长期练习太极拳的肥胖组(n=17)、超重组(n=17)和正常组老年人(n=19)。应用VCION三维红外动作捕捉系统与Kistler测力系统，分别采集老年人太极典型动作和正常步行时的运动学及动力学数据，通过建立髌股关节生物力学模型，计算髌股关节力学参数。采用方差分析与相关分析，量化体质量指数对老年人步行及打太极拳过程中髌股关节力学特征的影响。
结果与结论：①相比于正常组，超重组及肥胖组正常步行动作中髌股关节力显著降低(P < 0.05)、髌股关节接触面积峰值显著降低(P < 0.05)；太极拳动作中膝关节屈曲力矩、髌股关节力、股四头肌肌力均显著降低(P < 0.05)；②老年人体质量指数与太极拳倒卷肱动作的膝关节屈曲角度最大值、髌股关节接触面积最大值、髌股关节接触面积最小值均呈显著负相关(P < 0.05)；与搂膝拗步动作的矢状面膝关节伸膝力矩最大值、髌股关节反作用力最大值、髌股关节反作用力最小值、股四头肌肌力最大值、膝关节角度最大值、髌股关节接触面积最大值、髌股关节接触面积最小值均呈显著负相关(P < 0.05)。结果表明：随着体质量指数的增加，老年人太极拳动作中下肢髌股关节动态载荷降低；相比于标准体质量者，超重和肥胖老年人群在太极拳搂膝拗步动作的髌股关节力最大值显著降低，表现出较低的下肢髌股关节动态载荷。因此对于超重、肥胖老年人，推荐太极拳作为健身运动项目之一，以避免下肢关节高载荷引起的运动损伤。
https://orcid.org/0000-0002-4968-4074 (王疆娜)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 髌股关节力, 老年人, 肥胖, 太极拳, 力学载荷, 步行

Abstract: BACKGROUND: As the aging population grows in China, overweight and obesity are increasingly leading to lower limb joint injuries in older adults.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical data of the lower limb patellofemoral joint during Tai Chi movements and normal walking among older adults with different body mass indices, analyze the correlation between body mass index and biomechanical data of the lower limb patellofemoral joint, and investigate the impact of different body mass indices on the mechanical loading of the patellofemoral joint in older adults.
METHODS: The older adults with obesity (n=17), overweight (n=17), and normal body mass index (n=19) who had been practicing Tai Chi for an extended period were recruited based on body mass index classification. The VCION 3D infrared motion capture system and Kistler force measurement system were used to collect kinematic and dynamic data during typical Tai Chi movements and normal walking. A biomechanical model of the patellofemoral joint was established to calculate biomechanical parameters of the patellofemoral joint. The effects of body mass index on the mechanical characteristics of the patellofemoral joint during walking and Tai Chi in the older adults were quantified using analysis of variance and correlation analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with the normal group, patellofemoral joint force (P < 0.05) and peak patellofemoral joint contact area during normal walking (P < 0.05) and the knee flexion torque, patellofemoral joint force, and quadriceps muscle strength during Tai Chi movements were significantly decreased (P < 0.05) in the overweight and obesity groups. (2) The body mass index of the older adults was significantly negatively correlated with the peak knee flexion angle, peak patellofemoral contact area, and minimum patellofemoral joint contact area during the Tai Chi rolling arm movement (P < 0.05). The body mass index of the older adults was significantly negatively correlated with the peak knee flexion torque in the sagittal plane, peak patellofemoral joint force, minimum patellofemoral joint force, peak quadriceps force, maximum knee-joint angle, maximum patellofemoral contact area, and minimum patellofemoral contact area during the brush-knee and twist-step of Tai Chi movement (P < 0.05). The results suggest that as body mass index increases, dynamic loading on the patellofemoral joint in the lower limbs during Tai Chi movements decreases in the older adults. Compared to individuals with standard body mass, overweight and obese older adults exhibit a significant reduction in the peak force of the patellofemoral joint during Tai Chi brush knee and twist step, indicating lower dynamic loading on the patellofemoral joint of the lower limbs. Therefore, Tai Chi is recommended as a fitness exercise program for overweight and obese older individuals to prevent sports injuries from high mechanical loading on the lower limb joints.

Key words: patellofemoral joint force, older adults, obesity, Tai Chi, mechanical load, walking

中图分类号:

李光敏, 王疆娜. 不同体质量指数老年人太极拳动作中下肢髌股关节力学载荷及相关性分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(24): 6182-6188.

Li Guangmin, Wang Jiangna. Mechanical loading of the patellofemoral joint and its correlation with various body mass indices in older adults practicing Tai Chi exercises[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(24): 6182-6188.

图/表（结果） 7

2.1 参与者数量分析参加试验的53名受试者在整个研究中无脱落，所有测试数据均进入结果分析。
2.2 各组基线资料比较各组受试者基本资料经统计学分析，年龄、身高、练习年限差异无显著性意义(P > 0.05)，体质量、体质量指数差异有显著性意义(P < 0.05)，见表1。

2.3 试验流程图见图2。

2.4 髌股关节动态载荷在正常步行中，超重组、肥胖组的膝关节角度最大值(P < 0.05)、髌股关节接触面积最大值(P < 0.05)、髌股关节应力最小值(P < 0.05)、髌股关节接触面积最小值(P < 0.05)均显著小于正常组。在倒卷肱动作中，超重组、肥胖组的膝关节角度最大值(P < 0.05)、髌股关节接触面积最小值(P < 0.05)显著小于正常组。在搂膝拗步动作中，超重组、肥胖组的矢状面膝关节伸膝力矩最大值(P < 0.05)、髌股关节应力最大值(P < 0.05)、髌股关节反作用力最大值(P < 0.05)、股四头肌肌力最大值
(P < 0.05)、膝关节角度最大值(P < 0.05)、髌股关节接触面积最大值(P < 0.05)、髌股关节接触面积最小值均显著小于正常组(表2)。
相比于步行，正常组与肥胖组人群倒卷肱、搂膝拗步动作中矢状面膝关节伸膝力矩最大值(P < 0.001)、髌股关节应力最大值(P < 0.05)、髌股关节应力最小值(P < 0.05)、髌股关节反作用力最大值(P < 0.05)、股四头肌肌力最大值(P < 0.05)、膝关节角度最小值(P < 0.05)均显著增大；超重组人群倒卷肱、搂膝拗步动作中矢状面膝关节伸膝力矩最大值(P < 0.001)、髌股关节应力最大值(P < 0.05)、髌股关节应力最小值(P < 0.05)、髌股关节反作用力最大值(P < 0.05)、股四头肌肌力最大值(P < 0.05)均显著增大(表2)。
3组老年人在正常步行、倒卷肱、搂膝拗步3个动作中，矢状面膝关节伸膝力矩、髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力指标的各曲线呈现出相同的趋势，膝关节角度、髌股关节接触面积曲线趋势一致。在正常步行中，3组老年人矢状面膝关节伸膝力矩、髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力曲线均呈现出“双峰双谷”的趋势，双峰分别出现在步行周期约15%，55%，双谷分别出现在步行周期约40%，95%；膝关节角度、髌股关节接触面积也呈现出“双峰一谷”的趋势，第一峰值出现在步行周期的15%，第二峰值非常突出，在步行周期70%；谷值与矢状面膝关节伸膝力矩、髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力大致相同，分别出现在步行周期约40%，95%(图3)。倒卷肱动作中，3组老年人矢状面膝关节伸膝力矩、髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力曲线均呈现出“前高后低”的趋势，在倒卷肱动作周期的20%-40%呈现出一个“峰值期”，在动作周期的60%-100%呈现大致平滑的“谷值期”；膝关节角度、髌股关节接触面积则呈现出“双峰一谷”趋势，峰值约出现在倒卷肱动作周期的30%，95%，“谷值期”则在倒卷肱动作周期的70%-85%(图4)。搂膝拗步动作中，矢状面膝关节伸膝力矩、髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力均呈现“三峰三谷”趋势，其3个峰值分别出现在动作周期的15%，50%，85%，3个谷值分别出现在动作周期的30%，65%，90%；膝关节角度、髌股关节接触面积则呈现出“三峰两谷”趋势，3个峰值分别出现在动作周期的18%，50%，95%，两谷值约在动作周期的30%，65%；股四头肌肌力呈现出“前高后低”的趋势，在动作周期的20%-40%呈现出 “峰值期”，在动作周期的60%-100%呈现为“谷值期”(图5)。
2.5 髌股关节动态载荷与体质量指数的相关性相关分析结果显示，体质量指数与正常步行的膝关节角度最大值、髌股关节接触面积最大值、髌股关节接触面积最小值、髌股关节应力最小值，与倒卷肱动作的膝关节角度最大值、髌股关节接触面积最大值、髌股关节接触面积最小值，与搂膝拗步动作的矢状面膝关节伸膝力矩最大值、髌股关节反作用力最大值、髌股关节反作用力最小值、股四头肌肌力最大值、膝关节角度最大值、髌股关节接触面积最大值、髌股关节接触面积最小值均呈显著负相关(P < 0.05) (表3)。
2.6 不良事件试验过程中未发生不良事件。

参考文献

[1] YILDIZ Ç, KÜÇÜKALI B, KUTLAR M, et al. The impact of BMI on disease activity and growth outcomes in juvenile idiopathic arthritis. Eur J Pediatr. 2025;184(4):259.
[2] 秦华.老年人习练太极拳膝关节疼痛产生原因及预防[J].渭南师范学院学报,2012,27(2):92-95.
[3] TODA H, HOBARA H, TADA M. Sex differences in dynamic joint stiffness during walking in older adults. Gait Posture. 2024;108:50-55.
[4] KALEBOTA N, LAKTAŠIĆ ŽERJAVIĆ N, KOVAČ DURMIŠ K, et al. Effects of Tai Chi exercise on pain, functional status, and quality of life in patients with osteoarthritis or inflammatory arthritis. Turk J Phys Med Rehabil. 2024;70(3):300-308.
[5] BAI X, XIAO W, SOH KG, et al. 12-week concurrent brisk walking and Taijiquan (Tai Chi) improve balance, flexibility, and muscular strength of Chinese older women. PLoS One. 2023;18(10):e0293483.
[6] LOU L, XIANG C, HU Y, et al. Tai Chi improves balance, mobility and gait function of the lower limbs in patients with Parkinson’s disease: a systematic review and meta-analysis. Eur J Med Res. 2025;30(1):107.
[7] SUN W, WANG L, ZHANG C, et al. Detraining effects of regular Tai Chi exercise on postural control ability in older women: A randomized controlled trial. J Exerc Sci Fit. 2018;16(2):55-61.
[8] BAI X, XIAO W, SOH KG, et al. A 12-week Taijiquan practice improves balance control and functional fitness in fall-prone postmenopausal women. Front Public Health. 2024;12:1415477.
[9] SUN W, MA X, WANG L, et al. Effects of Tai Chi Chuan and Brisk Walking Exercise on Balance Ability in Elderly Women: A Randomized Controlled Trial. Motor Control. 2019;23(1):100-114.
[10] SONG Q, TIAN X, WONG D, et al. Effects of Tai Chi Exercise on body stability among the elderly during stair descent under different levels of illumination. Res Sports Med. 2017;25(2):197-208.
[11] LI JX, XU DQ, HONG Y. Effects of 16-week Tai Chi intervention on postural stability and proprioception of knee and ankle in older people. Age Ageing. 2008;37(5):575-578.
[12] 侯来永,贺春,王思远,等.太极拳练习者膝关节疼痛调查研究[J].中国康复医学杂志,2017,32(5):554-559.
[13] 汪晓瑞,吴晓杰.太极拳引起膝关节损伤及预防的生物力学分析[J].辽宁体育科技,2012,34(3):32-35.
[14] WU G, MILLON D. Joint kinetics during Tai Chi gait and normal walking gait in young and elderly Tai Chi Chuan practitioners. Clin Biomech (Bristol). 2008; 23(6):787-795.
[15] BESIER TF, GOLD GE, BEAUPRÉ GS, et al. A modeling framework to estimate patellofemoral joint cartilage stress in vivo. Med Sci Sports Exerc. 2005;37(11): 1924-1930.
[16] 范婷,张美珍,张力文,等.不同认知任务跑步时髌股关节痛患者下肢运动学和动力学特征[J].体育学刊,2023,30(3):136-144.
[17] HEINO BRECHTER J, POWERS CM. Patellofemoral stress during walking in persons with and without patellofemoral pain. Med Sci Sports Exerc. 2002;34(10):1582-1593.
[18] 王勇,梁雷超,王东海,等.鞍座高度对骑行时髌股关节力学特征影响的研究[J].体育科学,2018,38(6):60-66.
[19] BRECHTER JH, POWERS CM. Patellofemoral joint stress during stair ascent and descent in persons with and without patellofemoral pain. Gait Posture. 2002;16(2):115-123.
[20] RUNHAAR J, KOES BW, CLOCKAERTS S, et al. A systematic review on changed biomechanics of lower extremities in obese individuals: a possible role in development of osteoarthritis. Obes Rev. 2011;12(12): 1071-1082.
[21] 中国营养学会肥胖防控分会.中国居民肥胖防治专家共识[J].中华流行病学杂志,2022,43(5):321-339.
[22] LI JX, LAW NY. Kinetics of the lower limb during two typical Tai Chi movements in the elderly. Res Sports Med. 2018;26(1):112-123.
[23] 薛仕阳,闫晓芹,马刚,等.不同鞋跟高度对青年女性下楼梯行走髌股关节应力的影响[J].医用生物力学,2024,39(S1):319.
[24] 王疆娜,郑慧芬,孙威.下楼梯行走执行手机任务时下肢动态稳定性、运动协调性及关节力学的变化[J].中国组织工程研究,2021,25(6):837-843.
[25] 王疆娜,孙威.老年女性太极拳锻炼者行走楼梯时身体姿势控制特征：双任务范式的生物力学分析[J].中国组织工程研究,2022,26(3):383-389.
[26] XUE S, YAN X, MAO D, et al. Effect of heel height on patellofemoral joint stress during stair descent. Sci Rep. 2025;15(1):14474.
[27] BRESSEL E. The influence of ergometer pedaling direction on peak patellofemoral joint forces. Clin Biomech (Bristol). 2001;16(5):431-437.
[28] VANNATTA CN, KERNOZEK TW. Patellofemoral joint stress during running with alterations in foot strike pattern. Med Sci Sports Exerc. 2015;47(5):1001-1008.
[29] PENG D, TANG H, MAO M, et al. Correlations of strength, proprioception, and dynamic balance to the Cumberland Ankle Instability Tool Score among patients with chronic ankle instability: a cross-sectional study. BMC Musculoskelet Disord. 2024;25(1):970.
[30] DEVITA P, HORTOBÁGYI T. Obesity is not associated with increased knee joint torque and power during level walking. J Biomech. 2003;36(9):1355-1362.
[31] 刘辉,尹航,梅博威,等.24式简化太极拳野马分鬃动作导致膝关节损伤的风险评估[J].中国康复理论与实践,2022,28(6):690-695.
[32] SINGH B, YACK HJ, FRANCIS SL, et al. Biomechanical loads during common rehabilitation exercises in obese individuals. Int J Sports Phys Ther. 2015;10(2): 189-196.
[33] 高巧英,苏静,苏丽,等.老年人腰臀比和身体质量指数与握力的相关性分析[J].当代体育科技,2025,15(1):14-18.
[34] WADA O, KURITA N, KAMITANI T, et al. Implications of evaluating leg muscle mass and fat mass separately for quadriceps strength in knee osteoarthritis: the SPSS-OK study. Clin Rheumatol. 2020;39(5):1655-1661.
[35] 李庆.太极拳、快步走与瑜伽对绝经后妇女下肢运动能力的影响[J].中国老年学杂志,2016,36(10):2457-2459.
[36] YU H, WANG J, MAO M, et al. Muscle co-contraction and pre-activation in knee and ankle joint during a typical Tai Chi brush-knee twist-step. Res Sports Med. 2023;31(5):628-637.
[37] AMIN S, GOGGINS J, NIU J, et al. Occupation-related squatting, kneeling, and heavy lifting and the knee joint: a magnetic resonance imaging-based study in men. J Rheumatol. 2008;35(8):1645-1649.

引言

第七次全国人口普查数据显示，中国60岁以上老年人占比22%，其中老年人超重及肥胖率高于50%(第五次国民体质监测公报)。数据显示，超重及肥胖老年人骨关节患病风险相比于标准体质量指数者增长7倍[1]。超重和肥胖可能导致运动时髌股关节过载、增加关节疼痛与损伤的风险[2]。研究显示，老年人在步行和跑步中，膝关节负荷随着体质量指数的增加而显著增大[3]。因此，探究健身运动中的下肢关节力学载荷对预防超重与肥胖人群运动损伤具有重要意义。
太极拳作为老年人群普及度极高的有氧运动，具有增加下肢肌肉力量和肌肉耐力[4]、改善关节灵活性[5]、提高动态与静态平衡能力[6-9]、提高姿势控制能力的良好功效[10-11]。尽管如此，太极拳练习者有时出现不同程度的膝关节疼痛，尤其是老年人群发病率更高[12]。老年人在太极拳练习过程中，身体处于屈膝半蹲的姿势，膝关节承受负荷增大[13]、髌骨与股骨关节面的摩擦力增大，关节疼痛的风险随之增加[14]。此外，步行、慢跑及爬楼等也是诱发膝关节疼痛的常见运动形式，这类运动具有相似的运动特征，即单腿支撑时膝关节进行反复屈伸运动，如太极拳搂膝拗步、倒卷肱、步行等。然而现有研究多集中于太极拳动作中的下肢关节载荷的定性分析，精准量化研究结果不足。
研究发现，髌股关节应力(patellofemoral joint stress，PFJS)相比于膝关节力矩更能解释膝关节内部受力情况，髌股关节应力增加是引发髌股关节痛的重要因素[15-16]，已在步行[17]、骑行[18]、上下楼梯等运动中得到证实[19]，但目前关于肥胖及超重老年人在太极拳运动中的髌股关节载荷尚未可知。研究显示，随着体质量的增加，老年人运动过程中下肢关节会承受更大的压力和应力，关节磨损程度增大，易诱发髌股关节痛、髌股关节炎等骨关节疾病[20]。此研究旨在对比肥胖、超重和正常体质量指数老年人在太极拳动作和正常步行过程中髌股关节力学指标的差异，量化体质量指数与髌股关节力学指标的相关性，探讨体质量指数对下肢髌股关节力学载荷的影响，为超重、肥胖老年人科学健身运动项目的选择提供数据参考。研究假设：相比于正常体质量指数老年人，超重及肥胖老年人太极拳动作与正常步行过程中的髌股关节力学指标显著增大，体质量指数与髌股关节力学指标呈现显著正相关。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计横断面试验设计。
1.2 时间及地点研究于2021年7月至2023年8月在山东体育学院生物力学实验室完成。
1.3 对象通过宣讲、海报等方式从社区随机招募到长期练习太极拳的正常体质量(n=19)、超重(n=17)和肥胖(n=17)老年人共53名。随机招募到的受试者均为右利侧、女性。按照体质量指数标准[21]，肥胖组体质量指数≥28 kg/m2、超重组为28 kg/m2 >
体质量指数≥24 kg/m2和正常组为18.5 kg/m2≤体质量指数 < 24 kg/m2。
纳入标准[22]：①年龄60岁以上；②近1年无跌倒史；③练习太极年限超过5年；④受试者每周进行3次以上、每次超过1.5 h的太极拳练习。
排除标准：①有膝关节损伤及病变；②严重心脑血管系统、神经系统及肌肉骨骼系统疾病；③服用影响平衡和运动能力的药物。
所有受试者自愿参加此次研究，测试前均签署知情同意书。此研究通过山东体育学院伦理审批(2017103)。
1.4 仪器设备
1.4.1 Vicon运动捕捉系统运动学数据采集设备为Vicon三维红外运动捕捉系统(英国，ViconT40，Oxford Metrics)，采样频率100 Hz[23-25]，将41个直径为14 mm的红外反光Marker球贴在体表解剖标志点上，以采集运动学数据。
1.4.2 三维测力台动力学数据采集设备为2块Kistler三维测力台(瑞士，9287C；尺寸：600 mm×900 mm)，采样频率1 000 Hz[23]。运动学及动力学数据采用Vicon Nexus软件进行同步采集。
1.5 测试流程每名受试者更换统一测试服(紧身运动短袖、短裤、测试鞋)，进行5-10 min快走热身，以充分适应试验环境。测试人员按照Vicon模型，通过双面胶在受试者皮肤或衣服等指定位置贴上41个反光球(头部4个、躯干2个、骨盆5个、双侧上肢12个、双侧下肢18个)，以定义头部、躯干、上肢和下肢，并采集人体标记点静态数据。在正式试验数据采集过程中，受试者以随机顺序分别完成太极拳倒卷肱、搂膝拗步及步行动作各3次，取测试动作观察指标数据的平均值用于分析。受试者被要求每个动作测试过程中Borg主观用力感觉量表评估为“轻松到有些吃力”，双脚分别踩到两台测力台，无反光球脱落等发生。受试者在每2次测试间休息3 min。
1.6 数据处理使用Vicon Nexus软件将原始运动学数据进行补点、命名等数据处理，并将对应的动力学数据同步导入Visual 3D软件中，进行建模、滤波等处理。运动学和动力学数据采用Butterworth四阶数字低通滤波器滤波，截止频率分别设置为
10 Hz和50 Hz[26]。试验选取优势腿的一个步态周期支撑相做数据分析，即右脚着地至同侧脚离地[22]。

目前国内外对于动态条件下髌股关节力的计算主要是采用BRESSEL等[27]的生物力学模型(图1)。髌骨与股骨的接触面积采用VANNATTA等[28]的模型回归方程计算，在此基础上完成髌股关节应力的计算。

髌骨与股骨在接触面上产生的作用力为髌股关节反作用力(patellofemoral joint reaction force，PFJF)，单位面积的髌股关节反作用力称髌股关节应力。

公式(1)中，PFJF表示髌股关节反作用力，QF代表股四头肌肌力，β指的是股四头肌肌力线与髌韧带拉力线之间的夹角。将膝关节伸展力矩值除以股四头肌力臂长度来计算股四头肌力。其中，矢状面净膝关节力矩正值时为膝关节伸膝力矩。根据BRESSEL等[27]的研究，股四头肌有效肌力臂(Y：cm)是通过线性方程(2)估算的，其中x代表膝关节屈曲角度(°)。

β值是利用线性回归方程估算的。具体如下：

髌股关节接触面积(patellofemoral joint contact area，CA)为矢状面膝关节角度x(°)的函数，具体计算公式如下：

最后，将髌股关节反作用力除以髌股关节接触面积来确定髌股关节应力的值，如下：

1.7 主要观察指标髌股关节应力、髌股关节反作用力、股四头肌肌力、膝关节角度(knee angle，KA)、矢状面膝关节伸膝力矩(knee joint moment，KM)、髌股关节接触面积的最大值(max)及最小值(min)。
1.8 统计学分析研究自变量为体质量指数分组(正常组、超重组和肥胖组)及动作(正常步行、搂膝拗步、倒卷肱)。应用SPSS 20.0对因变量数据进行正态分布检验，采用单因素方差分析对各组髌股关节力学指标进行组间分析，采用重复测量方差分析对不同动作间力学指标进行组内分析，采用LSD检验进行事后两两比较。采用皮尔逊相关分析检验体质量指数与各指标的线性相关性，极弱相关(0≤∣r∣< 0.1)，弱相关(0.1≤∣r∣< 0.3)，中度相关(0.3≤∣r∣< 0.5)，强相关(0.5≤∣r∣< 1.0)[29]。统计分析显著性水平设置为0.05。文章统计学方法已经通过山东体育学院统计学专家审核。

讨论

3.1 体质量指数对髌股动态载荷的影响研究比较了不同体质量指数老年人在步行及练习太极拳动作“倒卷肱”和“搂膝拗步”时的髌股关节负荷，结果显示肥胖和超重受试者在正常步行动作中髌股关节力学指标显著大于正常组，而在太极拳倒卷肱和搂膝拗步中无显著差异，表明超重与肥胖并未引起老年人太极拳动作中髌股动态载荷的增加，部分支持了研究假设。究其原因，可能和运动过程中人体膝关节角度及力学参数的调整有关。研究结果发现，肥胖与超重老年人通过减少膝关节屈曲和髌股关节反作用力，进而减少髌股关节应力、股四头肌肌力和膝关节伸肌力矩，降低髌股关节负载，这可能是一种降低运动中膝关节磨损概率的自我保护机制。DEVITA等[30]关于肥胖人群步态的研究结果在一定程度上证实了研究的推测，其结果表明肥胖人群通过减小膝关节屈曲程度、减小伸肌力矩的方式，进而降低股四头肌力量，降低髌股关节应力。刘辉等[31]对比高架与低架势太极拳动作中下肢股四头肌拉力、股胫关节作用力和髌股关节压力，结果发现相比于低架势，减小膝关节屈曲程度的高架势动作中股四头肌拉力、股胫关节作用力和髌股关节压力均显著降低。上述研究说明，超重和肥胖人群在进行太极拳练习时可通过调整膝关节屈曲角度，降低下肢髌股关节载荷，避免关节过载，降低损伤风险。因此，对于不同体质量指数的老年人，太极拳是一种下肢髌股载荷“可控”的运动，可考虑作为超重及肥胖老年人健身运动选择之一。
相关分析结果显示，“倒卷肱”动作中，体质量指数与膝关节角度最大值和髌股关节接触面积最大值呈显著负相关；“搂膝拗步”动作中，体质量指数与矢状面膝关节伸膝力矩最大值、髌股关节应力最大值、髌股关节反作用力最大值、股四头肌肌力最大值、膝关节角度最大值、髌股关节接触面积最大值均呈显著负相关；“正常步行”动作中，体质量指数与髌股关节应力、膝关节角度、髌股关节接触面积呈现负相关，表明随着体质量指数的增加，髌股关节力学参数值降低，与前人研究结果一致，不支持研究假设。SINGH等[32]研究发现，肥胖人群随着体质量指数的增加，行走过程中膝关节应力及力矩峰值显著降低。研究发现，体质量指数与下肢肌肉力量、相对肌肉力量、握力、相对握力均呈负相关[33]。随着体质量指数增加，股四头肌肌力显著降低[34]，老年人下肢肌肉力量可能不足以完成高标准、高载荷的运动动作而进行调整动作姿态、降低关节载荷、防止关节损伤的适应性调节。
3.2 太极动作髌股关节动态载荷分析研究结果显示，太极“倒卷肱”“搂膝拗步”动作中下肢股四头肌肌力显著大于正常步行，表明太极拳运动中股四头肌肌力需要提供更大的肌肉力量，可能有助于提升下肢肌肉功能。研究表明，相比于步行运动，太极拳练习更有助于老年人膝关节股四头肌肌肉力量的提升[35]，研究结果从生物力学角度，为太极拳运动功效提供了量化数据。前人研究发现，相比于步行运动，太极拳动作中股四头肌肌力激活水平及膝关节肌肉共收缩水平显著升高，表明太极拳动作可能有助于募集更多的肌纤维参与运动控制[36]，支持了研究发现。
研究显示，太极拳动作中髌股关节应力峰值显著大于步行，其原因可能与股四头肌肌力增加有关。有研究认为，股四头肌肌力主要通过离心收缩来控制膝关节的屈曲角度，随着膝关节角度的增大而增加，进而引起髌股关节应力增加[37]。尽管临床研究表明，增加髌骨和股骨之间的接触面积可能有助于降低髌股关节应力[19]，研究数据显示，相比于步行运动，“倒卷肱”和“搂膝拗步”动作中下肢膝关节角度增大、髌股关节接触面积增加1.1-1.5倍，股四头肌肌力增加4-6倍，因此导致老年人髌股关节应力依然显著增大。髌股关节应力增加，会引起太极拳膝关节屈曲动作中髌骨与股骨间的摩擦力增加，引起关节疼痛、骨表面磨损风险增大。尽管相比于步行，太极拳动作的髌股关节载荷较大，相比于跑步运动中15.8 MPa 髌股关节应力[32]、爬山运动中7 MPa 髌股关节应力等[17]，太极拳仍不失为老年人健身运动推荐形式之一。但对于老年人、特别是超重与肥胖人群，在太极拳锻炼中，应根据个体机能情况，调整太极拳动作姿势，降低关节载荷，预防损伤的发生。
3.3 研究局限性及研究方向首先，研究样本量有限，且均为60岁左右女性，无法探析性别及年龄差异对太极拳动作下肢髌股关节载荷的影响，后续研究可以通过扩大样本量、纳入不同性别、不同年龄段老年人进行深入分析；其次，此研究存在运动强度个体差异控制不足缺陷，后续研究可以通过精准量化评估方法，统一运动强度，提高研究结果精准性；最后，此研究评估髌股关节反作用力、髌股关节应力、髌股关节接触面积等各个指标是依据数字模型，运用计算公式得出的，无法代表太极拳运动中各指标实际的数值大小，后续研究可以通过建立有限元模型，观察太极拳练习中髌股关节局部应力及应力分布状况。
3.4 结论随着体质量指数的增加，老年人太极拳动作中下肢髌股关节动态载荷降低；相比于标准体质量者，超重和肥胖老年人群太极拳动作中髌股关节应力峰值无显著改变，髌股关节力峰值显著降低，表现出较低的下肢髌股关节动态载荷。因此对于超重、肥胖老年女性，推荐太极拳作为健身运动项目之一，以避免下肢关节高载荷引起的运动损伤。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

不同体质量指数老年人太极拳动作中下肢髌股关节力学载荷及相关性分析

Mechanical loading of the patellofemoral joint and its correlation with various body mass indices in older adults practicing Tai Chi exercises

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[1]	张子华. 从坐到站动作老年下肢肌群仿真及用力特征分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1407-1416.
[2]	朱奎成, 杜春燕, 章金涛. 无毛基因突变促进无毛小鼠白色脂肪组织褐变的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1424-1430.
[3]	刘煜, 雷森林, 周锦涛, 刘辉, 李先辉. 有氧和抗阻运动改善肥胖相关认知障碍的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1171-1183.
[4]	陶云飞, 彭莉. 血流限制在急性抗阻运动中对内皮功能相关炎性因子的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1184-1195.
[5]	孙嘉禾, 史冀鹏, 朱天瑞, 权赫龙, 徐红旗. 运动对肌少症及其合并症老年人影响的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(4): 997-1007.
[6]	褚瑞, 李明明, 谢叶寿, 倪涛, 杜依诺. 中国传统运动干预老年肌少症及其合并症：改善肌肉力量、质量及身体功能的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(24): 6354-6364.
[7]	胡哲, 孙宇翔, 韩潇, 刘亚斌, 司路遥, 李周雨, 贾谊. 频闪视觉干扰结合平衡训练提升老年人的平衡能力[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(24): 6267-6274.
[8]	杜兴彬, 姜付高, 孔健达. 中国传统运动治疗骨质疏松：潜在生物学机制与临床应用进展[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(23): 5943-5953.
[9]	李一光, 郭皓楠, 丁晓涛, 袁梦瑶, 蒋丽晋, 范新凤, 冯焱. 国内外老年人肠道微生态研究热点的可视化解析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(23): 6071-6080.
[10]	梁天琦, 张孝权. 认知-运动双任务下老年人步态终止阶段的控制策略[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(17): 4390-4399.
[11]	要俪娟, 王印凤, 马震南, 陈乐琴. 运动诱导细胞外囊泡：在胰岛素抵抗发生发展中的作用与机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(13): 3412-3423.
[12]	王世杰, 胡骁宇, 段卓然, 唐英峰, 王维. 握力体质量比和新发心脑血管疾病的关联：中国健康与养老追踪调查大数据分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(12): 3190-3197.
[13]	王德刚, 陈国华, 梅俊华, 王俊力, 郑丽. 夜间睡眠时长对中老年慢性病共病人群新发心脑血管疾病的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(11): 2814-2822.
[14]	辛显阳, 刘龙雁, 郭咏晴, 汪海, 谢军. 长期运动对肥胖或超重群体食欲激素干预效果的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(11): 2858-2869.
[15]	张雨馨, 于聪, 张翠, 丁建军, 陈岩. 轻度认知障碍老人与认知正常老人在不同单双任务下姿势控制能力的差异性[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(8): 1643-1649.