運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法綜述

摘要：采用文獻(xiàn)資料法、邏輯分析法，對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法及測(cè)量手段進(jìn)行回顧總結(jié)。根據(jù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展的規(guī)律與特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法及測(cè)量手段進(jìn)行一定層次的歸納分類，并對(duì)今后運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；研究方法；測(cè)量手段

中圖分類號(hào)：O3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-291X（2011）04-0240-02

一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展過程

1.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的啟蒙階段。公元前384—322年，古希臘的哲學(xué)家和科學(xué)家亞里士多德就注意觀察在日常生活中人和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的力學(xué)問題。15世紀(jì)末，意大利科學(xué)家列奧納爾德·達(dá)·芬奇（LeonaardoDavid）用人的尸體研究解剖學(xué)，并在此基礎(chǔ)上借助力學(xué)研究人體的各種姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)，指出人體的運(yùn)動(dòng)服從于力學(xué)定律，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的雛形。

2.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的初步形成。20世紀(jì)，德國的布拉溫（Braune）和菲舍爾（Fisher）利用解剖尸體的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定人體各部分相對(duì)重量和重心位置，并開始用動(dòng)力學(xué)的方法研究人體運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)30年代，英國生理學(xué)家希爾（Hill）取青蛙的離體縫匠肌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出著名的Hill方程，即肌肉收縮的力速方程，并由此獲得諾貝爾獎(jiǎng)，從而奠定了肌肉力學(xué)的基礎(chǔ)。

3.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的快速發(fā)展階段。1972在美國賓夕法尼大學(xué)召開的第四屆國際生物力學(xué)會(huì)議上將運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)從生物力學(xué)中劃分出來。近三十年運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)得到了迅速的發(fā)展，20世紀(jì)80年代到達(dá)鼎盛時(shí)期。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)除了與解剖學(xué)、生理學(xué)結(jié)合較多外，與醫(yī)學(xué)、康復(fù)結(jié)合也逐漸密切，研究成果的水平有了很大的提高。現(xiàn)在攝影測(cè)量已發(fā)展到三維高速錄像（如美國Pea5系統(tǒng)），測(cè)力系統(tǒng)已發(fā)展到6分量測(cè)力臺(tái)（如瑞士Kistler系統(tǒng)）、關(guān)節(jié)肌力矩測(cè)量系統(tǒng)（如美國Cybex系統(tǒng)）等，已基本形成了相對(duì)完善并互相支持的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌電測(cè)量三大系統(tǒng)[1-2]。研究?jī)?nèi)容已經(jīng)由為奧運(yùn)戰(zhàn)略服務(wù)向競(jìng)技體育上擴(kuò)展，對(duì)人體的研究，已由對(duì)人體整體運(yùn)動(dòng)的研究，逐漸發(fā)展到不同環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)的深入研究；由對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的描述性研究，發(fā)展到探討運(yùn)動(dòng)時(shí)神經(jīng)肌肉的控制以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和感覺系統(tǒng)的整合。

二、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的分類

從研究的形式上，可分為理論研究方法和實(shí)驗(yàn)研究方法兩大類，實(shí)驗(yàn)研究方法又分實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法和運(yùn)動(dòng)測(cè)量法。從研究的領(lǐng)域上，可分為物理學(xué)研究方法、生物學(xué)研究方法和系統(tǒng)研究方法。從研究材料的來源上可分為原始資料數(shù)據(jù)的采集整理和資料分析方法。研究運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目主要以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究方法為主，生物學(xué)的研究方法為輔，綜合運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)手段[3]。

美國的理查德·C.尼爾森把運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法大致概括為如下五種：（1）研究特定的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目或其中的某一環(huán)節(jié)的生物力學(xué)，這種主要對(duì)于運(yùn)動(dòng)員、尤其是只對(duì)某一運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)感興趣的教練員非常有用。（2）研究多個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中共同包含的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作（如著地、起跑等動(dòng)作）的生物力學(xué)。最大好處是建立一種一般性的理論，這個(gè)理論是建立在經(jīng)典力學(xué)定律之上，或是建立在共同的神經(jīng)控制模式之上。（3）被稱為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的評(píng)定方法，如從能耗觀點(diǎn)去評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)劣等。（4）指對(duì)某一專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所涉及的生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及專項(xiàng)特點(diǎn)等有關(guān)方面進(jìn)行綜合考慮。（5）討論在運(yùn)動(dòng)中人體器官的生物力學(xué)。

中國的周里將研究的方法分為高速攝影（二維與三維）、錄像、測(cè)力、肌電、肌力測(cè)試系統(tǒng)、同步測(cè)試、理論分析和CT、核磁共振其他方法[4]。

三、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的現(xiàn)狀分析

1.理論研究方法。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論研究方法的關(guān)鍵是建立人體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型。理論研究方法主要是探索人體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，它的研究對(duì)象、研究目的、研究方法和研究成果均不同于實(shí)驗(yàn)方法。理論研究方法的研究對(duì)象是抽象的人體模型，目的是揭示運(yùn)動(dòng)規(guī)律，核心是經(jīng)典數(shù)學(xué)力學(xué)的推導(dǎo)運(yùn)算，結(jié)論是揭示運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理。人體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型方法是理論研究常用的主要方法。自20世紀(jì)80年代后，數(shù)學(xué)模型方法有了許多新的突破和進(jìn)展，但人體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型方法在中國尚未得到廣泛應(yīng)用[5]。

目前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)主要是研究人體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)器系和表現(xiàn)于外部的人體整體機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征。為了便于研究，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論方法的關(guān)鍵是建立人體運(yùn)動(dòng)的模型來描述運(yùn)動(dòng)。大體有兩種方法：第一種方法是人體系統(tǒng)仿真研究方法，其代表人物是南非的力學(xué)專家Haze；第二種方法是應(yīng)用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立力學(xué)模型，代表人物是美國力學(xué)專家Kane。在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中，大多數(shù)力學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)都受牛頓運(yùn)動(dòng)定律控制，所以建立的模型都是牛頓力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)形式。但牛頓力學(xué)對(duì)于活體顯然是不適合或不完全適合，這已被理論或?qū)嵺`所證實(shí)。因而牛頓力學(xué)對(duì)肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力學(xué)特征及在解決人體運(yùn)動(dòng)器系和整體運(yùn)動(dòng)之間的因果關(guān)系，把握人體運(yùn)動(dòng)行為生物力學(xué)規(guī)律的體質(zhì)方面還有相當(dāng)困難。模型建構(gòu)是指對(duì)數(shù)學(xué)力學(xué)分析所研究問題的模型建構(gòu)。建構(gòu)模型的基本標(biāo)準(zhǔn)是代表性、簡(jiǎn)單性和實(shí)效性。模型按其功能可分三個(gè)層次：描述性模型、解釋性模型和預(yù)測(cè)性模型[5]。數(shù)學(xué)模型目前有（1）Hanavan的人體測(cè)量數(shù)學(xué)模型；（2）Santschiw L等的環(huán)節(jié)集合分布模型；（3）Zatsiorsky的數(shù)學(xué)模型；（4）中國人體模型；（5）邱亞君和李建設(shè)建立的人體二維轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)學(xué)模型。

2.實(shí)驗(yàn)研究方法。比較成熟的測(cè)量方法有兩種：一種是在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用各種類型的測(cè)力計(jì)和先進(jìn)的多功能肌力測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的主要肌群進(jìn)行定量測(cè)量，此法可簡(jiǎn)稱為“實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法”。另一種是在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上通過訓(xùn)練器械或反映運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量的訓(xùn)練手段，測(cè)定運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)力量訓(xùn)練水平，此法可稱為“運(yùn)動(dòng)測(cè)量法”。實(shí)驗(yàn)研究方法與理論研究方法相比較略顯成熟，主要有以下特點(diǎn)：（1）在檢測(cè)手段上隨著工程技術(shù)的進(jìn)步，手段越來越多樣化。從“傳統(tǒng)”的攝影技術(shù)發(fā)展到三維立體攝影，已經(jīng)能更精確反映事物的運(yùn)動(dòng)特征，而且許多新的現(xiàn)代化技術(shù)裝備也被應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上，例如激光瞄準(zhǔn)測(cè)試分析系統(tǒng)、愛捷運(yùn)動(dòng)圖像分析系統(tǒng)、六維測(cè)力平臺(tái)SAEMS-T、四導(dǎo)遙測(cè)肌電儀、萬能材料試驗(yàn)機(jī)等。（2）實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)測(cè)量方法相結(jié)合[6]。

四、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的發(fā)展趨勢(shì)

未來數(shù)年運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法發(fā)展趨勢(shì)可歸納為：

1.競(jìng)技體育技術(shù)測(cè)試研究方法的發(fā)展趨勢(shì)，是向著適合于各個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需要的、能現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)反饋測(cè)試分析結(jié)果的儀器設(shè)備與方法和提供詳細(xì)測(cè)試分析報(bào)告的儀器設(shè)備與方法兩條并行的途徑發(fā)展。（1）三維跟蹤攝像、攝影測(cè)量方法的推廣；（2）攝像、攝影精度逐步提高；（3）三維攝像、攝影測(cè)量逐步普及；（4）影像測(cè)量點(diǎn)識(shí)別、采集的自動(dòng)化；（5）足底壓力分布測(cè)試三維化；（6）運(yùn)動(dòng)技術(shù)測(cè)試儀器專項(xiàng)化、反饋快速化；（7）數(shù)學(xué)力學(xué)模型和人體運(yùn)動(dòng)仿真使用化等[6]；以后主要是對(duì)經(jīng)典力學(xué)分析、力學(xué)模型研究、運(yùn)動(dòng)技術(shù)最佳化、人體運(yùn)動(dòng)仿真、肌肉力學(xué)模型等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，使研究方法和測(cè)量手段進(jìn)一步向科學(xué)化和合理化發(fā)展[7]。

2.關(guān)于模型參數(shù)的選擇和確定，取決于參數(shù)的功能，即區(qū)分敏感參數(shù)和常規(guī)參數(shù)，并且使這些參數(shù)定量化和具有可比性。關(guān)于數(shù)據(jù)采集，首先是數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化，然后是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析和評(píng)價(jià)，更重要的是對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型模擬，因?yàn)槟Ｐ湍M可以產(chǎn)生有關(guān)自變量對(duì)應(yīng)變量影響的系列信息，并建立兩類變量之間的數(shù)—力關(guān)系，從而為技術(shù)分析、技術(shù)控制和技術(shù)最佳化提出預(yù)測(cè)，為運(yùn)動(dòng)損傷、康復(fù)手段的選擇提供方案[8～9]。

3.運(yùn)動(dòng)器系的力學(xué)負(fù)荷、負(fù)荷分布和負(fù)荷能力以及運(yùn)動(dòng)器官、組織和系統(tǒng)的材料力學(xué)是預(yù)防生物力學(xué)的基礎(chǔ)。重力、支持力、相互作用力、介質(zhì)阻力以及摩擦力可作為對(duì)運(yùn)動(dòng)器系的負(fù)荷。通常使用但并未充分證明是否可靠的指標(biāo)有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及沖量、角沖量和它們的持續(xù)時(shí)間。所謂“最大”值也只是相對(duì)極限值。人體機(jī)能代償能力的儲(chǔ)備性決定了絕對(duì)最大值是不可計(jì)測(cè)的。近年來關(guān)于運(yùn)動(dòng)器械，包括鞋、服裝方面的生物力學(xué)研究已引起人們的重視，這將是一個(gè)很有吸引力且富有商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域[10]。

4.測(cè)量技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)和肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)（包括離體或在體肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量過程）將成為今后發(fā)展的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)方法與理論模型相結(jié)合的綜合研究日趨增加，主要趨向是遙測(cè)無線部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集裝置的小型化和測(cè)量過程及結(jié)果分析的快速化。

5.運(yùn)動(dòng)損傷的研究將是生物力學(xué)新的研究領(lǐng)域。成都體育學(xué)院周繼和教授針對(duì)運(yùn)動(dòng)性急性損傷或慢性損傷的腕關(guān)節(jié)，采用INSTRON 8874生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行人體腕關(guān)節(jié)軟骨盤“壓縮—扭轉(zhuǎn)”試驗(yàn)，觀察其組織結(jié)構(gòu)的變化，有助于了解損傷的機(jī)制，并提出有效的防治方法。南京體育學(xué)院錢競(jìng)光教授撰寫的“股骨頸受載的計(jì)算機(jī)模擬及其骨折的生物力學(xué)機(jī)理研究”通過計(jì)算機(jī)模擬方法研究不同頸干角在相同骨質(zhì)條件、相同載荷下，其股骨頸的應(yīng)力變化規(guī)律，探討頸干角、骨密度與股骨頸骨折的關(guān)系。

隨著運(yùn)動(dòng)競(jìng)技水平和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練科學(xué)化程度的提高，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的方向也將從簡(jiǎn)單的對(duì)人體動(dòng)作技術(shù)分析深入到對(duì)內(nèi)在機(jī)理的探討，隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)和康復(fù)科學(xué)的發(fā)展骨科生物力學(xué)、臨床生物力學(xué)、康復(fù)生物力學(xué)以及生物工程中的生物力學(xué)等將得到迅速發(fā)展，逐漸成為國際運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的主要研究領(lǐng)域。

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