2010—2020年國外運動生物力學研究的學科特征及熱點解析

黃金 呂嬌嬌 傅維杰 劉宇 黃靈燕*

(1.石家莊人民醫學高等專科學校 河北石家莊 050091;2.上海體育學院“運動健身科技”省部共建教育部重點實驗室 上海 200438)

運動生物力學是生物力學的重要分支，是體育科學的重要組成部分，是結合力學和生物學的原理研究體育運動中人體（或器械）復雜的運動形式及變化規律的一門學科。該研究通過Web of Science 中收錄的2010—2020年相關文獻，借助有效獲取知識、發現知識和探尋知識前沿的文獻計量軟件——基于JAVA 平臺的CiteSpaceⅤ可視化信息軟件（版本號5.6.R4），結合科學計量學理論，繪制科學知識圖譜，分析國外運動生物力學研究學科特征及前沿熱點，從而能更好地推動我國運動生物力學研究者追蹤國際研究進展，發展我國運動生物力學事業。

1 研究結果與分析

1.1 運動生物力學研究的學科耦合分析

耦合分析的概念始于1963 年美國麻省理工學院Kessler教授提出的“文獻耦合”概念，指的是如果2篇文章共同引用了同一篇或多篇參考文獻，那么這2 篇文獻間便存在引文上的耦合關系。邱均平認為，耦合關系不僅僅局限在同時引證的兩篇論文之間，它揭示的是一類普遍存在的關系，即2個（或2個以上）不同主體與同一客體間的關系。因此，“文獻耦合”概念可以進一步應用于關鍵詞耦合、作者耦合、期刊耦合和學科耦合等。通過CiteSpaceⅤ軟件對2010—2020年國外運動生物力學研究領域的文獻的學科進行雙圖疊加，得到學科耦合圖，通過Z-score 簡化按鈕合并相關連線，得到學科耦合簡化圖（見圖1）。

如圖1 所示，雙圖疊加的學科耦合圖譜由兩部分組成。Part1表示全部來源數據的參考文獻構成的學科分布圖，Part2表示全部來源數據中的施引文獻構成的學科分布圖。兩部分以運動生物力學研究為中介形成了學科之間的耦合聯系。從圖1 可以看出，Part1 中有關運動生物力學的研究主要參考了生物學、醫學、神經學、體育科學等領域的研究，這些學科作為運動生物力學研究的知識來源，為后續的研究奠定了一定的理論基礎。結合兩部分的連線以及Part2圖像來看，運動生物力學研究同樣對衛生健康學、康復醫學、心理學、教育學、社會學、經濟學等學科的發展產生了深遠影響。連線的顏色反映了學科之間的聯系路徑，粗細表示學科之間的密切程度。尤其是運動生物力學領域的醫學研究與生物學、衛生健康學、康復醫學、體育科學、心理學等學科的研究連線較粗，說明以上學科在該領域的研究中產生了交叉與互動。

圖1 運動生物力學研究學科的雙圖疊加圖

綜上所述，運動生物力學研究逐漸成為一項多學科交叉的綜合研究議題。不同學科和專業的知識，為運動生物力學研究提供了基礎的理論與方法，同時多學科的交叉互補又能夠在一定程度上彌補單一學科研究的片面性。因此，在學科交叉的背景下，對運動生物力學進行綜合研究成為一種趨勢。

1.2 運動生物力學研究熱點分析

關鍵詞是作者從文章中提取出來能凝練文章中心主題的詞語，不僅是作者研究成果的核心，也是對文章內容最簡潔、最準確的表達。通過對關鍵詞的共現聚類，既可以找到某一研究領域內不同時間段的重點研究主題，還可以準確歸納出該領域的熱點。運行CiteSpaceⅤ得到運動生物力學研究關鍵詞共現聚類的時間線圖（見圖2），圖譜左上角的參數中Modularity 為聚類模塊值（Q 值），是網絡模塊化的評價指標，Q 的取值范圍為0～1，Q＞0.3 表示得到的聚類結構是顯著的。Mean Silhouette 為聚類平均輪廓值（S 值），是網絡同質性的評價指標。S＞0.5，認為聚類結果是合理的；S＞0.7，認為聚類結果是具有高信度的。圖2中，Q=0.8033，S=0.7081，說明此聚類結構顯著，結果具有高信度。結合圖2中的相關節點與表1中的統計數據進行分析，將國外運動生物力學的研究熱點歸納如下。

1.2.1 運動損傷的生物力學

預防運動損傷是運動生物力學研究的一項基本任務，從運動損傷發生的機制，到運動損傷檢測與研究方法，再到相關應用研究越來越普及與深入。近年來，運用運動生物力學理論和方法對骨骼、關節、肌肉和韌帶等進行探討，一直是運動損傷生物力學研究的熱點。結合圖2與表1，該研究對膝關節的運動生物力學研究進行分析。

表1 國外運動生物力學研究關鍵詞

圖2 國外運動生物力學研究關鍵詞共現-聚類的時間線圖

膝關節是人體最復雜的關節，在參與運動過程中通過關節的屈伸完成功能性運動。雖然膝關節的結構承受負荷的閾值尚未確定，但過度負荷后，非常容易引起疲勞進而導致勞損。膝關節韌帶數量多，解剖結構復雜，前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）和后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）是維持膝關節穩定的重要結構，呈鉸鏈式連于股骨髁間窩及脛骨的髁間隆起之間，防止脛骨沿股骨向前后移位。在膝關節損傷中，ACL 損傷是體育運動中最常見和最嚴重的損傷之一，ACL損傷的危險因素從環境、解剖結構、激素水平、遺傳因素和生物力學神經肌肉控制等方面進行了研究。

1.2.2 運動生物力學數據的獲取方法與手段

運動學和動力學數據的獲取方法與手段不斷更新，使得三維動作捕捉系統對數據點的識別、采集和處理越來越接近真實的人體。Optitrack三維動作捕捉系統是美國Natural Point 公司生產的高性能光學跟蹤系統，常用于體育技術動作的分析、運動傷病的預防以及醫療康復分析等領域。光學測量系統Optojump具有無干擾、精確度高、成本低的特點，能夠在比賽現場使用并提供實時反饋。Healy 等研究發現，因Optojump 系統的設計，其發射器和接收器位于距離地面0.003m 的高度，雖在測量觸地時間和騰空時間上稍有差異，但總時間并無差異，Optojump系統表現出良好的總體時間有效性。

1.2.3 步行動作的運動生物力學

從運動生物力學角度看，人體的步態運動通常簡化為多個剛體組成的鏈狀多剛體系統的平面運動，根據這一理論，通過現代測量技術，可對人體行走時身體各部分，特別是下肢的運動和受力情況進行客觀記錄和定量分析。步態分析旨在通過力學原理、處理手段和人體解剖學、生理學知識，揭示步態異常的關鍵環節及影響因素，有助于機制研究、臨床診斷以及康復評估等。膝骨性關節炎（knee osteoarthritis，KOA）臨床表現為膝關節疼痛和活動受限。步態分析對KOA的臨床診斷具有一定的指導意義。Zeng等通過新型三維步態分析系統發現，KOA 患者的膝關節活動范圍明顯縮小，隨著Kellgren-Lawrence（K/L）評分的增加，足跟著地和站立中期階段膝關節屈曲角度增加，擺動期膝關節屈曲峰值下降。因此，步態分析有助于對KOA患者進行程度分期，了解不同階段的步態特征，有利于疾病診斷和制訂治療方案。

2 結語

該研究借助CiteSpaceⅤ可視化分析軟件，通過科學知識圖譜的分析方法，對國外運動生物力學研究的學科特征及熱點內容進行探討。從分析結果來看，2010—2020年國際運動生物力學研究主題具有以下特征：（1）形成了以體育科學為主導的多學科交叉的復合型學科群；（2）運動損傷生物力學的研究日益增多，逐漸成為運動生物力學研究的重要組成部分；（3）隨著科學技術的發展，運動生物力學的研究水平隨之提高。國際運動生物力學研究的未來趨勢依然偏重運動損傷的預防與康復，同時提高研究方法的科學性、擴大研究視角以及借助多學科的方法與思路研究解決人體運動問題是未來的一個重要方向。