運動損傷生物力學機制研究的現狀分析

袁磊

（北京體育大學運動醫學與康復學院，北京 100084）

人們在日常生活活動和體育運動中，身體會受到外界因素和內部環境的影響從而導致人體生物組織的結構破壞，一般會引起局部和全身癥狀及部分功能障礙，這就是運動損傷。運動損傷在不同領域不同年齡段發生率都較高，給社會帶來了沉重的經濟、心理和醫療的沉重負擔。為更加有效地預防或者降低損傷的發生，人們通過流行病學和生物力學方法，研究運動損傷的發生率、影響因素、損傷機制、預防方法等。其中探尋損傷的發生機制是預防損傷發生的關鍵，而生物力學可以闡明損傷機制和影響因素。

一、運動與運動損傷特征

（一）運動的益處

運動對人們的心理、生理和社會的積極作用已被廣泛接受。運動的好處很多，運動可以防止肥胖或有利于減肥，控制體重；可以降低心血管疾病發生的風險，可以提高工作效率；可以改善睡眠，同時運動可以提高參與者心肺功能、增加肌肉力量、耐力和爆發力等，可增加全身和局部骨的礦物質含量和密度;在心理和情感方面，運動特別是運動比賽過程中對自身檢驗能夠促進自尊的形成，同時運動可以降低緊張、焦慮和沮喪等。在社會方面，運動參與有利于個人的社會發展，例如適當的行為舉止、公平競爭、團隊意識以及責任感的形成等[1]。

（二）運動帶來的損傷

盡管運動對健康的好處很多，但它同樣也會帶來損傷危險。所有專業和業余運動員及大眾運動愛好者都承受著軟組織、韌帶、骨、肌腱和神經損傷[2]。運動損傷通常發生于四肢關節(膝、踝、髖、肩、肘和腕)和頭、頸、脊柱，其中膝關節是發生最多的部位[3]。損傷類型包括有中樞與外周神經系統損傷、撞擊、撕裂和擦傷、應力性骨折、關節(非骨) 韌帶傷、肌肉和肌腱傷等幾種主要類型。

20 世紀90 年代開展的流行病調查表明，中國6800 多名優秀運動員的患病率達到59.4%，其中急性損傷占21.1%，急性轉慢性46.0%,慢性33.0%。該調查顯示，膝部創傷達到19.3%，其次為踝部的9.0%。但從損傷部位來看，踝腓側副韌帶損傷率達到4.5%,高于膝半月板損傷的4.2%[4]。美國全國大學體育協會(NCAA) 對15 種項目16 年的運動損傷統計表明，每1000 人次比賽會發生約13.8 次損傷，而同樣人次的訓練發生約4.0 次損傷;這些損傷中下肢損傷超過53.7%，其次是上肢損傷(約20%)。NCAA 損傷調查還顯示，踝關節韌帶拉傷占總損傷的14.9% 腦震蕩和ACL 損傷分別占5.0% 和2.6%[5]。大多數踝部損傷是韌帶拉傷伴隨著不完全的撕裂占83%。

由于不同運動項目的動作技術、對抗模式和賽場地環境(器械) 物理力學條件等因素都不同，同時運動員自身生理、心理和生物力學特征也不同，故不同項目的運動損傷發生率、損傷發生方式等都有較大差異。

運動損傷多發生于從事運動訓練及體育鍛煉的人群之中，尤以剛開始從事相關體育運動的人為多數，運動損傷發生原因主要有以下幾個方面：技術動作的不合理，場地器材不規范，以及超負荷大強度的運動，缺乏相應的必要的運動防護等所致。所謂技術動作不合理，就是說運動時的一些動作不符合本人人體解剖結構及生理機能的條件要求，也不符合運動生物力學的基本規律，從而導致損傷。所以從人體解剖學、生理學及運動生物力學的觀點來說，錯誤的動作技術既不利于人體競技水平、運動能力的提高，也是造成運動損傷的必然因素。

二、運動損傷生物力學的研究意義

目前，運動損傷預防措施主要通過器械改進和訓練兩種途徑[6]。器械改進方面,主要有穩定裝置(如關節固定支架、裹帶) 和減震裝置(如減震鞋)兩大類。訓練則通過提高運動員自身的平衡能力、柔韌性、靈敏性、本體感覺、肌肉力量/功率、運動技術以及關節拉伸等[7]。很明顯，器械改進屬于被動性預防，而訓練則是主動性預防。除了器械改進和訓練外，其他措施也可能有效，如改善營養、運動規則調整、教育培訓等。

生物力學中“損傷機制”是描述損傷發生過程中“某動作、反應或者結果的基本物理過程”[8]。馮元楨認為，損傷機制“等效于機器或結構的損壞”[9]。人體所有器官和組織都承受著一定的力學負荷。通常所說的生理負荷，就是人體能承受的一定范圍內的力學負荷，不僅不會造成損傷，而且是機體保持正常生理狀態所必需的。運動損傷就是人體器官和組織的力學負荷超過了正常生理負荷范圍所導致的病理性損傷。人體組織都具有生長功能，受到載荷變化時會發生適應性重建。當骨組織發生較小的微損傷后，能夠通過修復功能加以修復[10]。但是，如果機體沒有足夠時間對重復性超載產生的微損傷進行及時修復，過勞性或者慢性損傷將會發生。對跑步運動員而言，無論是業余還是專業的，過勞性損傷都是常見損傷。而青少年過早進行專業化的運動訓練將會極大增加其運動損傷的風險性[11]。

通過展開一系列生物力學研究，探討不同因素對組織損傷負荷閾值的影響，通過具體案例來計算組織的應力、應變和應變率，分析損傷發生原因。這些研究將較全面地闡明運動損傷的發生機制和影響關系，為科學地預防損傷提供有力依據。因此，生物力學研究在運動損傷多因素模型中具有核心地位，對闡明損傷發生機制和有效預防損傷意義重大。

三、生物力學研究方法

（一）實驗法

人們通過各類實驗方法，研究人體各個組織、器官以及細胞載荷-變形的力學關系及其耐受范圍。由于受到技術和倫理等多種因素的限制，目前所獲得的多為尸體、假人和動物等替代品的實驗數據。例如，為了獲得手腕-前臂聯合體撞擊耐受負荷，Forman[12]等對15 具尸體的手腕-前臂聯合體標本進行了軸向撞擊實驗，發現發生骨折概率 50% 的變形為1.69%，對應的肘部載荷為4.34 kN。針對跌倒時下頦撞擊導致顳頜關節損傷的問題，有研究使用新鮮的尸體頭顱標本進行撞擊實驗，獲得撞擊負荷的動態曲線，并發現顳頜關節的緩沖作用[13]。隨著技術的進步近年來體內測量人體力學性能也開始出現。例如，Sant 等[14]基于超聲波的彈性成像方法在體測量了腘繩肌被動狀態下的力學性能，為進一步研究腘繩肌拉傷提供了新的研究手段。

研究運動損傷的發生機制一直是運動損傷生物力學的主要研究內容。這些研究，一般都通過志愿者完成實際體育運動中典型的技術動作，測量完成動作過程中相關的運動學、動力學、肌電等重要指標，然后結合人體生理和解剖特點以及組織器官的力學特征，分析損傷的發生原因。如前所述，不同項目的動作特點不同，運動員經過長期訓練后自身的骨骼肌肉系統和神經肌肉系統都具備不同的生理和力學特征，故運動損傷機制的研究都需針對具體的項目或者動作來展開。

（二）建模與仿真法

盡管對人體和替代品的實驗是損傷生物力學的基本研究方法，但實體實驗受到倫理、技術、資金和時間等諸多因素限制，因而基于生物力學規律的人體系統建模與計算機仿真成為另外一種損傷生物力學的研究方法。目前多數使用的兩類模型是基于人體運動系統結構的多體系統動力學模型和基于人體組織器官力學性質的有限元模型。

利用人體運動系統建模仿真方法，需要對人體實際動作進行運動捕捉，之后與人體多體系統動力學模型結合，進行逆向動力學和/或正向動力學分析，獲得人體關節的關節力、力矩、功率和功等力學指標[15]，再依此結果評估損傷發生的危險性。例如，Mills 等[16]建立了個性化體操運動員7 環節多體系統模型和多層落地墊模型，通過計算機仿真表明，降低 GRF 的動作會導致關節力的負荷增加;此外，通過減小落地墊剛度、增加阻尼系數，可以降低落地時GRF 以及大腿和小腿的力矩負荷。對關節損傷的研究，除了需要目前通用的實驗和基于多體系統模型的計算機仿真外，還需要通過建立關節及其周圍組織的有限元模型，在應力、應變水平探討不同載荷條件下關節韌帶、肌腱、骨的負荷，進一步分析損傷機制。

隨著科學技術的進步，近年來人們開始了聯合仿真研究。比如為分析日常活動對髖關節置換術后髖關節穩定性的影響，Kunze 等[17]采用多體系統動力學模型計算了患者從椅子起立時的肌肉力量，之后將肌肉力量作用于骨盆有限元模型，發現椅子高度對植入體微小運動有明顯影響。為探討飛行員彈射救生中承受沖擊性加速度時的脊柱損傷，Du 等[18]建立胸椎-骨盆聯合體非線性有限元模型，同時應用多體系統動力學模型將座椅束縛系統引入有限元模型中，結果發現飛行員在放松狀態下脊柱的應力負荷更大，發生損傷的危險性也將更大。

如果說人體多體系統動力學模型和有限元模型分別是器官水平和組織水平的模型，近年來出現的基于細胞力學或者細胞重建機制的模型則是細胞水平的模型。丁海[19]等也利用有限元模型，在微觀尺度研究了松質骨骨小梁應力與微損傷的關系。

（三）蒙特卡羅模擬法

蒙特卡羅(Mente Carlo) 模擬方法是基于計算機的統計抽樣方法，大約始于1945 年電子計算機出現后;這種以概率統計理論為指導的數值模擬方法，使用隨機數來解決很多計算問題。運動損傷的發生與內、外部多個因素有關，采用對比實驗或者計算機仿真方法無法窮盡所有相關影響因素的隨機變化對損傷發生的影響。因此，引入蒙特卡羅模擬方法可以研究損傷和危險因素的關系。例如，可以通過使用以ACL 負荷為因變量的生物力學模型，根據模型中不同自變量(如身高、膝屈角、GRF、股后肌群肌力) 的概率分布狀態大量次地隨機取值，采用生物力學模型計算每次隨機取值時的ACL 負荷，從而獲得損傷概率[20]。

四、總結

運動損傷不可消滅，但可以減少。運動生物力學研究是運動損傷機制研究中最重要的組成部分，是減少運動損傷的關鍵。人們不斷通過各種研究方法，探討各種類型運動損傷的發生機制，揭示各種內、外部危險因素影響損傷發生的規律。在此基礎上，制訂和實施減少損傷發生的措施，評估預防效果并不斷提高防護效果。

競技體育和大眾體育的各種運動及技術動作，必須與運動生物力學和解剖、生理學研究相結合，以達到避免盲目運動，減少損傷，提高運動能力，增進健康的目的。各種 運動損傷的防治，必須以運動生物力學及生理、解剖原理為基礎和依據，做到有規可循，有的放矢，事半功倍的效果。

（通訊作者：白震民）