洪 靖,蔣 倩,黃晨賓,黃宇豪,李文斌

(1.福建師范大學 體育科學學院,福建 福州 350117;2.集美大學 體育學院,福建 廈門 361021)

0 引言

運動生物力學是生物力學的分支,主要研究人體及器械在體育運動中的規(guī)律,涉及解剖學、運動訓(xùn)練學、生理學、力學等的交叉新興學科[1]。運動生物力學的研究旨在提高運動表現(xiàn)和降低運動損傷風險,在競技體育、大眾健身、臨床診斷與康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[2]。

高性能計算技術(shù)迅速發(fā)展的時代下,數(shù)值仿真技術(shù)與生物力學之父馮元楨先生提出的“應(yīng)力-生長關(guān)系”理論高度耦合,促成生物力學建模仿真的巨大進步[3]。生物力學模型主要包括多剛體模型和有限元模型,有限元模型在上個世紀末被應(yīng)用至骨科領(lǐng)域[4]。生物力學在骨科領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力使得有限元分析法也被廣泛應(yīng)用于運動生物力學中[2]。值得注意的是,鮮有學者對于該領(lǐng)域進行系統(tǒng)性梳理分析,李建設(shè)、顧耀東[5]曾運用大量文獻對該領(lǐng)域進行綜述,但綜述時間較早不能實時反映出該領(lǐng)域當下研究熱點。

本研究整合中國知網(wǎng)與Web of Science數(shù)據(jù)庫中關(guān)于運動生物力學中有限元分析的研究文獻,通過CiteSpace可視化軟件生成作者、國家、關(guān)鍵詞等知識圖譜,探尋國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展路徑,為運動生物力學的理論研究和實踐應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

以中國知網(wǎng)(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science Core Collection(WOS)作為數(shù)據(jù)庫,檢索時間為2001年01月01日至2022年10月15日,使用“運動損傷”“運動生物力學”“有限元”作為中文檢索的主題詞,“Sport injury”“Sports biomechanics”“Finite element”作為英文檢索的主題詞,共檢索得出中文文獻288篇,英文文獻385篇。篩選出與運動生物力學研究無關(guān)的文章及重復(fù)文章最終得到中文文獻240篇,英文文獻283篇。

將中文文獻以Refworks格式,英文文獻以純文本格式導(dǎo)入CiteSpace 6.1.R3中,以一年為時間切片(Time Slice),通過作者(Author)、機構(gòu)(Institution)、國家(Country)、關(guān)鍵詞(Keyword)等作為節(jié)點類型(Node types),獲得知識圖譜與相關(guān)數(shù)據(jù)進行可視化分析。

2 文獻特征分析

2.1 發(fā)文趨勢分析

研究文獻的總量反映該領(lǐng)域當前理論發(fā)展水平,年度發(fā)文變化代表該領(lǐng)域研究熱度變化趨勢。運動生物力學作為生物力學中的邊緣學科[1],同時有限元分析法投入至骨科領(lǐng)域研究時間短,關(guān)于有限元分析法應(yīng)用于運動生物力學研究的文獻整體較少(見圖1),可以分為起步時期和發(fā)展時期。起步時期國內(nèi)在2001～2006年,國際上為2001～2008年;發(fā)展時期國內(nèi)從2006年至今,國際上從2008年至今。在發(fā)展時期,國內(nèi)發(fā)文量整體呈上升趨勢,但具不穩(wěn)定性,其中有四年發(fā)文量小于10篇,一年發(fā)文量劇增至41篇(2021年);相對而言,國際發(fā)文量呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢,歷年均大于10篇。

圖1 國內(nèi)與國際發(fā)文趨勢變化圖

2.2 國家與機構(gòu)分析

國家與機構(gòu)的可視化分析可以反映出該領(lǐng)域當前研究力量分布與機構(gòu)間的合作情況,有利于促進學科發(fā)展和成果共享。以國家和機構(gòu)作為節(jié)點類型進行可視化分析得到圖2、表1和表2.在圖2中,美國發(fā)文量為125篇穩(wěn)居第一,遠領(lǐng)先于其他國家。除美國外,發(fā)文量前三的國家為加拿大(40篇)、中國(38篇)和愛爾蘭(31篇),是該領(lǐng)域研究的重要力量。其余國家在該領(lǐng)域的發(fā)文量均未超過20篇。

表1 國際發(fā)文量前3的機構(gòu)

表2 國內(nèi)發(fā)文量前3的機構(gòu)

圖2 發(fā)文量前10的國家發(fā)文數(shù)量

外文發(fā)文機構(gòu)的知識圖譜共有305個節(jié)點,364條連線,密度為0.007 7.在表1中,外文發(fā)文機構(gòu)發(fā)文量前三的為都柏林大學、渥太華大學和斯坦福大學,其所屬地愛爾蘭和美國均為發(fā)文量較多的國家,從中反映出國家與發(fā)文機構(gòu)之間的緊密聯(lián)系。

中文發(fā)文機構(gòu)的知識圖譜共有237個節(jié)點,100條連線,密度為0.003 6.在表2中,中文發(fā)文機構(gòu)發(fā)文量前三的為吉林大學、上海交通大學、上海工程技術(shù)大學和太原理工大學。相較于外文發(fā)文機構(gòu)間,國內(nèi)發(fā)文機構(gòu)間合作性較低。

2.3 作者與所屬機構(gòu)分析

一個領(lǐng)域的主要研究者可以更有效地把握該領(lǐng)域的研究動態(tài)和主流觀點。以作者為節(jié)點類型生成的知識圖譜中共產(chǎn)生410個節(jié)點,715條連線,密度為0.008 5.在表3中都柏林大學的Gilchrist教授、渥太華大學的Hoshizaki教授、斯坦福大學的Camarillo教授是國際上發(fā)文量前3的學者,與外文發(fā)文機構(gòu)前3的機構(gòu)相對應(yīng)(見表1),其主要研究視角均集中于頭部的生物力學研究中,說明這是該領(lǐng)域當前的研究熱點之一。

表3 國際上發(fā)文量前3的學者

在國內(nèi)主要學者的知識圖譜中共產(chǎn)生364個節(jié)點,437條連線,密度為0.006 6,學者間的聯(lián)系主要表現(xiàn)為機構(gòu)間的合作較多。在表4中,不同于國際上的主要學者,國內(nèi)發(fā)文前3的學者研究視角更加集中于足踝部位的生物力學研究。

表4 國內(nèi)發(fā)文量前3的學者

2.4 學科基礎(chǔ)分析

文獻學科分布是判斷研究領(lǐng)域集中程度的重要前提。運動生物力學本身作為一門新興交叉學科,加入有限元分析無疑是覆蓋多個學科領(lǐng)域的情形。在圖3中,國際上有限元分析法在運動生物力學上的研究主要涉及生物醫(yī)學工程(Engineering Biomedical)、機械工程(Engineering Mechanical)、體育科學(Sport Sciences)和生物物理學(Biophysics)。國內(nèi)該領(lǐng)域研究主要涉及外科學、體育學、生物醫(yī)學工程、特種醫(yī)學領(lǐng)域。使用有限元分析法運用于運動生物力學領(lǐng)域研究必將以多學科視角出發(fā),生物醫(yī)學工程和體育學將占據(jù)重要位置。

圖3 學科分布圖(a)國內(nèi)學科基礎(chǔ)分布;(b)國際學科基礎(chǔ)分布

2.5 共被引文獻分析

文獻的被引頻次可以反映出相關(guān)文獻在該領(lǐng)域的學術(shù)影響力。從表5可以看出,國內(nèi)被引頻次較高的文獻多為研究進展分析,視角集中于下肢關(guān)節(jié)尤其是足踝的有限元模型重建較多;國際上被引頻次較高的文獻多為應(yīng)用研究,主要有頭部模型重建進行腦震蕩、大腦緊張等仿真分析。

表5 中英文高頻共被引文獻

2.6 突現(xiàn)詞分析

突現(xiàn)詞可以發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)劇增的關(guān)鍵詞,從更深度的層面觀測該領(lǐng)域的發(fā)展變化。國內(nèi)突現(xiàn)強度較高的關(guān)鍵詞有組織工程(3.13)、軟骨(2.77)、研究方法(2.38)、中國(2.33)、膝關(guān)節(jié)(2.25)等;國際上突現(xiàn)強度較高的關(guān)鍵詞有頭部(head,3.55)、生物力學(biomechanics,3.50)、有限元模型(finite element modeling,3.27)、創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury 3.10)、職業(yè)足球(professional football,3.07)等。其中研究方法和前交叉韌帶(anterior cruciate ligament)的持續(xù)時間最長,當今仍存在的突現(xiàn)詞包括步態(tài)分析、預(yù)測器(predictor)和重建(reconstruction)。說明關(guān)于頭部和膝關(guān)節(jié)的模型重建和有限元分析是當今研究的熱點之一。

3 有限元在運動生物力學研究領(lǐng)域分析

3.1 研究熱點分析

關(guān)鍵詞是對一篇文章的高度凝練,為探究該領(lǐng)域不同研究熱點及發(fā)展情況。基于CiteSpace以關(guān)鍵詞為節(jié)點類型進行可視化分析,在表6中,國內(nèi)外均出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞有生物力學和有限元,國內(nèi)關(guān)鍵詞頻次最高、中心性最強的是生物力學,國際上關(guān)鍵詞頻次最高的是損傷(injury),而中心性最強的是有限元分析(finite element analysis)。從整體上看,有限元分析法在運動生物力學上的研究主要集中于運動損傷機制的探索中,不同于影像學方法觀察傷后人體結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化,有限元法利用自適應(yīng)建模與計算機技術(shù)仿真人體運動過程中肌骨系統(tǒng)的力學響應(yīng)。

表6 國內(nèi)外關(guān)鍵詞分析

國外研究傾向于探究人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)力學環(huán)境發(fā)生變化后的影響,特別是腦震蕩、創(chuàng)傷性腦損傷等。國內(nèi)研究起步較晚,視角集中于有限元模型的重建過程,包括模型建立時的軟骨構(gòu)建、有限元分析中的邊界條件設(shè)置等,研究對象以膝、踝關(guān)節(jié)為主。

3.2 研究前沿分析

關(guān)鍵詞的聚類分析是以對數(shù)極大似然率(likelihood rate,LLR)通過多項指標進行分類統(tǒng)計,依據(jù)指標間的相似性進行劃分。在表7中我國在有限元法應(yīng)用于運動生物力學的研究中產(chǎn)生的前10大聚類具體包括:1)生物力學。主要通過建立有限元模型探究脊柱側(cè)凸、脊柱側(cè)彎等的損傷機制與臨床治療手段[6～7]。2)基于臨床醫(yī)學影像與解剖結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建的膝關(guān)節(jié)幾何模型,針對構(gòu)建過程中材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等方面進行探索[8]。3)有限元。通過有限元分析獲得關(guān)節(jié)的力學特性,為椎間盤退變、膝骨關(guān)節(jié)炎等損傷機制與臨床分析提供思路[9]。4)應(yīng)力。應(yīng)力是物體在外部因素條件下產(chǎn)生形變時的相互作用內(nèi)力,從材料力學角度定義分為主應(yīng)力、切應(yīng)力等,肌骨模型仿真運動過程所獲得的應(yīng)力參數(shù)助于探究運動損傷的生物力學機制[10]。5)三維運動。主要包括有限元模型探究臨床治療中骨骼固定系統(tǒng)中的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性[11],以及球類運動中肱骨內(nèi)上髁炎、外上髁炎等發(fā)病機制[12]。6)韌帶。有限元法不止分析骨關(guān)節(jié)的力學特性,還可以重建骨與骨間的韌帶、肌腱等,例如尺側(cè)副韌帶、橈側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶等,獲得韌帶在運動過程中相關(guān)力學參數(shù),增加運動訓(xùn)練和臨床診斷中的實際應(yīng)用。7)中國。探究國內(nèi)運動生物力學領(lǐng)域相關(guān)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[13]。8)振動。有限元分析法在運動生物力學中的研究涉及到運動醫(yī)學、生物化學、生物工程等相關(guān)領(lǐng)域。9)運動捕捉。運動捕捉系統(tǒng)投入到有限元分析中,采集運動過程中相關(guān)的運動學和動力學參數(shù),可以作為有限元分析的邊界條件,提升仿真精確性[14]。10)高爾夫球。主要探究各類運動項目中專項動作誘發(fā)損傷的力學機制,例如羽毛球、網(wǎng)球、武術(shù)等。

表7 國內(nèi)有限元法在運動生物力學研究的聚類分析

在表8中,國際上在有限元法應(yīng)用于運動生物力學研究的關(guān)鍵詞中產(chǎn)生前10大聚類,具體如下:1)有限元模型(finite element model)。建立腦部有限元模型分析腦部損傷機制,例如腦震蕩、創(chuàng)傷性腦損傷等。2)頭部撞擊(head impact)。運動頭盔可以減少腦部創(chuàng)傷性損傷的風險,特別是在橄欖球、冰球等運動中,主要包括頭盔的建立和頭部撞擊后的影響[15]。3)有限元分析(finite element analysis)。足-鞋、脊椎生物力學研究是一大研究熱點,在運動過程中運動鞋可以為運動員足踝、膝關(guān)節(jié)、腰椎等提供更好的保護,通過運動員落地沖擊、運動疾病后的有限元分析為運動鞋核心技術(shù)的研發(fā)提供力學參數(shù)[16]。4)生物力學(biomechanics)的研究主要涉及頭部和足-鞋生物力學研究,基于有限元法探究運動鞋的材料性能、物理特性,包括緩震、耐磨等。5)流體-結(jié)構(gòu)相互作用(fluid-structure interaction)。有限元建模過程中重建肌腱、韌帶,例如前交叉韌帶、外側(cè)副韌帶等,探究在細胞、膠原蛋白等微觀結(jié)構(gòu)變化。6)最優(yōu)化(optimization)?；谟邢拊治龇ǖ膿p傷力學探究可以達到優(yōu)化運動表現(xiàn),降低運動損傷風險的目的。7)腦震蕩(concussion)。腦震蕩是國際上通過有限元分析法研究最頻繁的一種損傷類型,涉及包括冰球、曲棍球、足球等多個專項,腦拉傷、顱腦損傷、軸突損傷等多種損傷因子。8)應(yīng)力性骨折(stress fracture)。骨的應(yīng)力性損傷在體育活動中頻繁出現(xiàn),不同于離體實驗,有限元結(jié)果中范式等效應(yīng)力(Von-Mises stress)、最大主應(yīng)力(maximum principal stress)、應(yīng)變等力學參數(shù)可以更真實地反映出骨在運動過程的力學環(huán)境。9)電活性聚合物(electroactive polymers)。電活性聚合物是一種多用于工程學中的材料,具有應(yīng)變能力大的特性[17]?；陔娀钚跃酆衔锱c有限元耦合建模作為有限元分析法的新突破,為人體肌骨系統(tǒng)運動提供更多幫助。10)骨密質(zhì)(cortical bone)。根據(jù)骨的結(jié)構(gòu)密度不同可以將骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,不同材料屬性會影響有限元的最終結(jié)果[18]。

表8 國際有限元法在運動生物力學研究的聚類分析

3.3 運動損傷的生物力學機制探究

通過對2021～2022年CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫中有限元分析法應(yīng)用于運動生物力學研究的523篇文獻進行計量統(tǒng)計與可視化分析,探究該領(lǐng)域當前研究趨勢如下:

在年度發(fā)文量、國家、作者與所屬機構(gòu)的分析中,我國在該領(lǐng)域的研究起步落后于國外,但在后期迅速發(fā)展,整體上均呈上升趨勢。在美國領(lǐng)銜,加拿大、中國、愛爾蘭緊隨其后的研究隊伍中,研究多集中于頭部和膝關(guān)節(jié)的模型重建和仿真分析。然而各個國家、機構(gòu)間的合作較少,學者與學者之間的合作多同屬于一個機構(gòu)。

基于學科基礎(chǔ)與關(guān)鍵詞的知識圖譜分析中,在生物工程、體育學、醫(yī)學等多學科融合下,有限元分析被應(yīng)用于研究關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶等人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在運動過程中的力學響應(yīng),提升運動生物力學領(lǐng)域?qū)τ诩」窍到y(tǒng)力學行為的理解,為探究運動損傷的誘發(fā)機制、臨床醫(yī)學診斷、治療以及康復(fù)提供力學參數(shù)。

運動相關(guān)的腦震蕩在美國很常見,特別是在足球、冰球、曲棍球等運動中易發(fā)生創(chuàng)傷性腦損傷、腦震蕩等[19],因此頭腦的有限元分析一直是國際上該領(lǐng)域的研究熱點。國內(nèi)流行病學研究表明[20],膝、踝關(guān)節(jié)是發(fā)生運動損傷幾率最高的兩個部位,膝關(guān)節(jié)也是近二十年該領(lǐng)域的主要研究對象。突現(xiàn)詞中前交叉韌帶(anterior cruciate ligament)的持續(xù)時間最長,同時伴隨著步態(tài)分析在近兩年的興起,勢必將膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足-鞋有限元分析推向新的熱潮。

4 結(jié)語與展望

1) 運動生物力學作為一門邊緣學科,將有限元分析法應(yīng)用于該學科中的研究整體較少,但具有穩(wěn)定增長趨勢。該領(lǐng)域研究主要應(yīng)用于體育學、生物工程、醫(yī)學等領(lǐng)域,國內(nèi)研究起步較晚,但在脊柱生物力學、前交叉韌帶損傷研究中有所建樹。

2) 當前該領(lǐng)域研究視角主要集中于膝關(guān)節(jié)和頭部幾何模型重建,進行羽毛球、冰球、足球等專項動作的仿真分析,和針對誘發(fā)腦震蕩、前交叉韌帶斷裂等病變的力學機制探究。

3) 在多學科交叉融合下,未來學者與學者、機構(gòu)與機構(gòu)之間的合作交流應(yīng)更為密切。有限元分析法也應(yīng)更多應(yīng)用于田徑、籃球、排球等項目中,探究腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等易發(fā)損傷部位的損傷機制以及足-鞋生物力學研究中,為運動表現(xiàn)的提升和運動損傷的預(yù)防提供思路。