基于知识图谱的国际运动生物力学研究动态与演化分析

黄 帅

(南通大学 体育科学学院，江苏 南通 226019)

运动生物力学对运动发展有重要意义，是运动科学发展的新兴方向，运动生物力学是基于生物力学与运动科学系统相结合的新兴学科，促进了生物力学理论、研究方法、测量和分析方面的发展。本文以 Web of Science核心合集收录的1993—2019年国际运动生物力学研究的1766篇文献为研究对象，结合计量学方法，从文献发文量、国家与机构、学科、核心作者的分布情况，结合当前研究热点与发展趋势，利用 Cite Space V分析软件对其进行科学计量和可视化分析，力图揭示运动生物力学研究的热点与演化进程。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

利用Web of Science核心合集数据库，查找和阅读大量文献，了解“运动生物力学”的英文翻译，最后，以主题 “Sports biomechanics”or“Biomechanics”为检索对象；时间跨度选择: 所有年份；类别选择为“sports sciences”；文献语种：English；文献类型：Article，检索时间为2019年1月10日，数据库最后时间为2019年1月10日，合计检索到1766篇文献。

1.2 研究方法

1.2.1 知识图谱分析法

知识图谱是将信息可视化技术、图形学、计算机科学等与科学计量学结合起来的交叉科学研究方法，能够通过可视化图像将科学研究包含的大量数据信息展现出来，形成直观的学科领域总体图景、发展态势与结构特征等。[1]利用美国德雷克赛尔大学陈超美教授研发的用于分析和可视共现网络的Java应用程序，对文献进行可视化分析，帮助相关领域专家学者对其进行定量和定性的研究。在本研究中，笔者将对“共现词”、“共被引”、网络图表和热点进行深刻剖析，将其按要求绘制成可视化图表和知识图谱，用来描述国外运动生物力学的研究进展。

1.2.2 文献资料法

在本研究中，以主题 “Sports biomechanics”or“Biomechanics”为检索对象。通过在南通大学图书馆的 WOS 数据库进行搜集，并进行整理分析。

1.2.3 归纳演绎法

根据归纳整理的相关文献和资料，对运动生物力学研究文献的年度、国家与机构分布、核心作者和关键词、关键时区等热点聚类等进行逻辑分析，演化分析其研究主题，以揭示国内外运动生物力学研究包括数量特征、研究动态相关内容在内的内在规律。

2 结果与分析

2.1 运动生物力学研究文献的年度分布及发展趋势

科学研究相关文献发表的数量会随着时间出现一定的变化，通过论文的数量变化规律可以对某一领域发展进行评价，[2]对文献发表的时序进行全面的整理统计，进而绘制具有科学意义的图表，可以有效地对该领域所处的发展阶段进行评价，还能对该领域未来的发展趋势进行合理推测。[3]图1可知1995-2018年国际运动生物力学研究年度文献量呈逐渐增长趋势，这13年期间出现了两个明显的拐点，第一个拐点是2002年，第二个拐点是2010年。可将历年发文量分期三阶段，1995-2002期间为萌芽发展阶段，共发表107篇，占文献总量6.1%，年平均15.3篇；2002-2010期间为缓慢发展阶段，共发表452篇，占文献总量25.6%；2010-2018期间为快速发展阶段，共发表1207篇，占文献总量68.3%。萌芽发展阶段主要借助理论研究方法进行论证，从人体运动的宏观特性研究到动作技术的结构研究。进入21世纪以来，科学技术获得了快速发展，高端测试仪器设备的出现推动了运动生物力学的快速发展，新科学仪器不断应用于动作技术的研究，追求动作技术结构的最佳化。2010年后运动生物力学加快与运动医学、骨科学、人体工程学等多学科交叉研究，使其达到了快速发展阶段，研究从定性研究向定量研究发展，从单一研究到多元交叉研究发展。

图1 运动生物力学年发文量分布图

2.2 运动生物力学研究的国家分布

从运动生物力学研究文献来源统计分析，1991年至2019年国际运动生物力学研究共有1766篇期刊文献，共来自59个国家地区。美国发文量远远领先于其他国家，共计发表782篇占总数的43.6%；发文量紧随其后的两个国家分别是澳大利亚和英国，为207篇和182篇；加拿大、德国、法国、中国、西班牙、巴西和荷兰分别位列其后，发文量依次为114、84、76、59、58、53、53篇。从文献的中心性分析，美国仍以较大优势(0.47)位列榜首，紧随其后的两个国家是英国(0.34)和法国(0.24)；其次是澳大利亚、荷兰、巴西、西班牙等国位列其后。从发文量突现值分析得知，美国仍占据第一位，最早以1993年发文量出现突增，其中澳大利亚、英国、加拿大、德国等国家分别在1996年、1998年、2001年、2002年等年份出现文献发文量的大幅增加。综上分析，以美国、英国、澳大利亚领衔的发达国家地区具备雄厚的科研实力，在运动生物力学领域的研究中，拥有绝对的话语权。反观我国在运动生物力学领域的研究中第一篇发文在2007年起步较晚，发文量为53篇排名第八，中心性为0.01，在其领域中影响力不足一提。正如学者水祎舟说：由于语言、文化等方面存在差异，导致我国学者不能在国外顶级期刊上发表大量的论文。[4]因此我国在运动生物力学研究上还处于相对空白阶段，这就要求我们必须尽快与国际接轨，不断缩小自身差距，更好地促进我国运动生物力学理论的发展。

图2 运动生物力学发文量国家分布图

2.3 运动生物力学研究的机构分布

在Cite SpaceⅤ软件的分析中，节点的大小、连线的粗细分别体现着机构的发文量多少和机构之间关系的亲密程度。通过系统分析可知，一共有502个节点和689条连线，发文量超过10篇的机构共有80个，高校是主要的发文产出地，占比为48.9%。从图3中可看出有的机构合作紧密，有的机构极少参与合作。多学科门类相互渗透已成为科学前沿研究的趋势，机构之间应多参与合作，通过与其他机构协同参与科研，取长补短共同推动运动生物力学的研究。

图3 运动生物力学研究的机构分布图

2.4 运动生物力学研究学科领域分布特征

依据 Web of Science核心合集数据库学科种类划分，运行 Cite Space V软件，生成运动生物力学研究学科类别共现图谱。共有44个学科节点，66条连线，其中体育科学的节点最大骨科学节点次之，体育科学与康复学、骨科学、工程学连线最紧密。通过表1得出，体育科学(SPORT SCIENCES)发文量有1260篇，排第一位，占总量的70.1%，其次排第二的是骨科学(ORTHOPEDICS)有420篇，占比为23.4%，工程学(ENGINEERING，306篇)、康复学(REHABILITATION，187篇)、外科学(SURGERY，125篇)、神经科学(NEUROSCIENCES NEUROLOGY，119篇)、生物物理学(BIOPHYSICS，74篇)、生理学(PHYSIOLOGY，63篇)、心理学(PSYCHOLOGY，61篇)、其他社会学科(SOCIAL SCIENCES OTHER TOPICS，53篇)等学科分列其后。综上分析，运动生物力学研究形成了以体育科学为主导的多学科交叉群，骨科学、工程学、康复学为重要支撑学科，为国际运动生物力学研究理论和方法鉴定基础。

表1 1991—2018年国际运动生物力学研究学科排名前10位研究方向

2.5 运动生物力学研究的核心作者分析

目前在国际上对于Web of Science核心合集来源的期刊是具有较高评价的，一般而言一名研究者如果能在上面发表一定数量的文章，其学术、科研能力都具有一定保障。[5]根据作者在Web of Science核心合集来源期刊上的分布情况，可以及时了解相关研究领域研究的最新动态。表2为根据相关文章发布的数量进行排序得到的前10位学者。其中MYER GD博士是辛辛那提大学教授，发表论文最多，共计39篇，主要的研究领域为生物力学、体育训练、运动损伤、预防医学、物理治疗和儿科运动等领域。[6]HEWETT TE博士是俄亥俄州立大教授，发文量为37篇，排名第二，主要研究方向为生物力学、运动伤害、运动表现、功能分析、矫形康复、重返运动等。[7]Hewett博士的研究团队旨在了解伤害的机制，以便识别危险的个人和创建伤害预防干预。他的研究在临床上转化为运动膝关节损伤的治疗、诊断和预防方面有极大的影响。FORD KR博士是美国高点大学康登健康科学学院物理治疗系的教授，发文量共计35篇，排名第三， 其研究领域主要为生物力学、骨科学、物理治疗、临床力学等。排在其后的学者分别是GARRETT WE教授、GUSKIEWICZ KM教授、MIHALIK JP教授、GREENWALD RM教授、MARSHALL SW教授和ROWSON S教授，其发文量分别为20篇、20篇、19篇、18篇、17篇和16篇。通过国籍可以看出，美国学者的发文量遥遥领先且所在单位都是各大高校，这说明，在运动生物力学领域美国学者的学术研究占据主导地位。

表2 1991—2018年国际运动生物力学研究排名前10位学者

2.6 运动生物力学研究的热点分析

在文献中，关键词与主题词是对文章主要思想的概括，因此对它们进行知识图谱的共项分析，可以用来预测该研究领域的未来走向与发展动态。[8]通过使用Cite Space V 软件对相关文献进行统计，使用计算机编程语言对相应的关键词和主题词进行分析，可以描绘其可视化图谱。[9]通过可视化图谱学者们则可以直观地了解该研究领域的热点问题，还可深入探索其内在的研究结构演变等重要规律。[10]

2.6.1 关键词共现分析

利用Cite SpaceⅤ软件进行研究热点的分析，统计关键词或者主题词词频之间共现频次，同时以可视化的方式将其频次高低和聚类关系清晰地展示出来。本研究中，运用Cite SpaceⅤ软件对运动生物力学研究的关键词共现进行知识图谱统计分析，得出运动生物力学研究热点的知识图谱(图4)，从图4可知，运动生物力学研究热点由182个节点共有402条线连接而成的关键词共项网络知识谱图，图中的“十”字节点代表关键词，关键词所代表的“十”字节点表示其出现的频率，出现频率越高，“十”字也就越大。而“十”字之间的连线意味着关键词之间相互作用的关系。本研究以“Sports biomechanics”为关键词进行检索，实际分析中“biomechanics”生物力学和“Sports”体育运动两个关键词出现频数最高，其节点也最大，出现的频数依次为625和522，很显然，比其他关键词高得多。本研究为了确保准确性，在分析过程中合并了相同或相近的关键词。

表3 体育社会学研究部分高频关键词(前15位)

表3显示，关键词Injury(损伤)出现的频次最高，排第一位，侧面看出运动损伤在运动生物力学研究领域中是一个热点问题。多数研究显示，运动生物力学的研究可以揭示运动技术动作的内在规律，指导运动员合理的运动，对运动员的运动损伤预防有重大意义。而在这个议题上，更多的学者旨在调查生物力学/生理结果(即中间风险因素)的干预措施来预防运动损伤。Shrier等人研究认为目前运动损伤交叉研究设计的减少和随着时间的推移而增加，运动损伤预防的研究设计发生了转变，且运动损伤设备干预研究在下降培训干预研究在增加。[11]McIntosh在其研究中认为生物力学考虑运动损伤的危险因素是在正常的机械负荷允许下降低机械负荷，以生物力学为导向的损伤干预措施改善外部负载运用于身体，从而减少损伤风险。[12]排在中心性第1位的关键词是Exercise(体育锻炼)，但其频次仅排第8位，侧面反应出体育锻炼在运动生物力学研究中有其重要作用，运动生物力学主要以体育锻炼的形式进行的。针对运动员体育锻炼中的运动生物力学问题研究，大多数学者对运动员运动锻炼生物力学进行分析，主要研究是在基准线上表现相似的活跃参与者(即健康的、高中低水平的运动员)，对其运动着陆、方向变化或快速减速的生物力学分析。运动损伤和体育锻炼是运动生物力学研究的重要方向，多数学者将运动损伤生物力学研究对象对准专业运动员，对于业余体育爱好者的研究却涉及较少。对于业余爱好者、残疾人等群体的损伤生物力学研究应作为今后需要关注的研究范围。

Kinematics(运动学)和Kinetics(动力学)在关键词频次中排第3和第4位，说明目前国外运动生物力学研究领域在运动学和动力学两个模块研究中比较集中，都指向于运动的内在规律研究。包括下肢运动时能量的吸收、肌肉激活的时序、膝盖关节、足部在运动中的内在影响因素进行全面的分析，对象多数指向于青少年及运动员，较少涉及到伤残等弱势群体。Anterior Cruciate Ligament(前十字韧带)、Knee(膝盖)和Cruciate ligament injury(十字韧带损伤)关键词中排名中分别位于第5位、6位和10位，三个关键词同属于下肢运动重要部位，说明运动生物力学对膝盖方面的研究比较多，也从侧面反映出在运动过程中下肢运动最多，损伤的概率较大,学者们对它的关注较多。Lloyd教授团队在运动中膝关节运动学和动力学影响中，探讨不同训练对运动动作及膝盖应用瞬间的影响，以及降低前十字韧带负荷的可能性。认为平衡训练减少了峰值空翻和内旋矩，降低了运动动作中的十字韧带损伤风险。力量训练倾向于增加应用的膝盖负荷，已知给十字韧带带来压力，而自由重量组也减少了膝盖屈曲量。[13]

2.6.2 关键词时区分析

对运动生物力学研究热点及研究动态进行分析，可以有效地发现运动生物力学领域在不同时区下研究动态。[14]采用Cite SpacV绘制 1993—2019年国际运动生物力学研究热点时区图(图5)，其中的主题词和关键词代表运动生物力学相应时区的研究热点。通过对图5的分析及关键词的梳理可以看出，运动生物力学从90年代初运动生物逐渐开始丰富起来，20世纪以来运动生物力学的发展进入一个新时期，其研究领域从运动医学、生物医学工程、体育运扩展到细胞生物学、结构生物学、生物技术、生物化学工程、人体保健力学研究领域。最初主要关注生物力学(biomechanics)、运动损伤(sport Injury)的研究等逐渐向运动生物力学研究方法手段过渡，Kinematics(运动学)、Kinetics(动力学)、静力学(Statics)、转动力学(Transformation Dynamics)、流体力学(Fluid mechanics)等主要研究方法。随着研究的深入，运动生物力学研究的重心向生理学、医学和解剖学领域转移，由对骨骼肌 ( skeletal muscle)、Knee(膝盖)、Anterior Cruciate Ligament(前十字韧带)、Cruciate ligament injury(十字韧带损伤)、Concussion(脑震荡)等领域进行深入研究。到21世纪初，运动生物力学与运动损伤Rehabilitation(康复)的研究逐渐引起学者们的关注，成为这一时段的研究热点。而近些年，运动技术诊断、科学健身、训练与康复等更为细化的研究引起关注。根据研究热点时区分布情况显示，学科之间的交叉融合是其研究发展的新方向。此外从运动生物力学研究热点的时间发展来看，未来研究将更加侧重于是研究的细分性、多学科交叉性。

图5 国际运动力学研究热点时区图

2.7 运动生物力学研究主题演化分析

根据聚类特征，可以把运动生物力学的相关研究的文献划分为 3个知识聚类群，不同的知识群聚类可以反映不同的研究方向，[15]对相应的关键高频文献进行深入分析可以有效演化国际运动生物力学研究的发展路径。

2.7.1 C1知识聚类: 运动生物力学运动损伤和康复研究

在运动生物力学研究中，从人体运动的生物力学特点结合体育运动规律，对人体结构和机能的生物学、力学研究，对预防运动损伤和制定损伤康复计划有重要的意义。在C1聚类中被引频次最高的是Weiss发表的“Biomechanics Associated with Patellofemoral Pain and ACL Injuries in Sports”中通过对几种不同的研究设计进行评估，观察高风险运动时的膝盖损伤，我们能够获得与pfps和acl损伤相关的生物力学的整体视角。通过研究不同的生物力学研究方法，评估损伤的机理发现生物力学的共性(特别是，在受伤和未受伤的参与者受伤前、受伤时和受伤后，改变膝盖的正面平面力学和改变膝盖和臀部的矢状平面力学，以更好地了解pfps和acl受伤的潜在原因。制定预防康复计划时，应着重纠正高风险演习时在三个时间点所观察到的这些机制，有助于降低acl伤害和pfps的流行率。这些方案侧重于神经肌肉训练，且侧重于高风险机动过程中纠正机械的技能训练，对预防工作有最大的好处。未来的研究应考虑累积负荷对膝盖损伤风险的影响。此外，需要有更好的技术来评估比赛中的机制，以促进伤害预防和筛选策略。

2.7.2 C2知识聚类: 骨骼、肌肉和关节运动生物力学研究

骨骼、肌肉和关节都是人体运动器官的重要组成部分，其力学规律是运动生物力学研究的重点。Souza在其研究中采用横断面设计的受控实验室研究。对髌股痛症(pfp)的女性是否表现出髋部运动学、髋部肌肉力量和髋部肌肉激活模式的差异。结果在pfp组中，观察到的女性髋关节内旋转的峰值增加伴随着髋部肌肉力量的下降。在pfp的个体中，臀肌极大值的激活程度的增加受测者为了髋关节稳定激活虚弱肌肉。

2.7.3 C3知识聚类: 动作技术运动生物力学研究

运动训练实践需运动生物力学理论与方法的指导，提高体育教学质量和运动训练水平。如运动生物力学研究中侧重对优秀运动员比赛动作技术进行运动生物力学参数测试及研究，运用生物力学理论、方法为基础并结合体育运动的特点和规律，总结动作技术的基本特征，完善技术动作原理，并建立运动技术模式。

3 结论与建议

3.1 结论

1)运动生物力学研究的主要成果来源于59个国家，以欧美等发达国家为代表。在研究演进过程中，德国、加拿大和法国等国家，虽然文献发行的数量有限，但在运动生物力学发展中起到了举足轻重的作用。研究机构主要分布于美国、澳大利亚、英国和西班牙等高等知名院校。我国运动生物力学科研实力在国际上排名第7，但与美国相比还存在较大差距。

2)运动生物力学文献共涵盖 33 个学科，其涵盖的运动医学、运动生理学、解剖学和社会科学类其主题、康复学、骨科和一般及内科学是国际有氧运动研究关注的热门学科。

3)运动生物力学研究领域学术影响力较大的核心作者，主要有美国的 MYER GD博士、HEWETT TE博士、FORD KR博士。他们的学术成果有利于推动国际运动生物力学的进一步飞跃。

4)国际运动生物力学研究主题主要集中在运动生物力学预防运动员运动损伤及损伤康复、骨骼、肌肉和关节运动生物力学研究着重对膝盖、前十字韧带、踝关节等方面的研究。

3.2 建议

1)清楚地认识我国与国际运动生物力学研究的差距，增强国际间合作交流，积极鼓励和引导科研人员参与各种学术会议。

2)在国际运动生物力学研究领域，重点强调学科之间的交叉融合，通过引入成熟的多学科理论，来更好地指导运动生物力学的发展，为学科的发展研究提供理论保障。

3)加强国际学术团队的建设，不仅有利于探索运动生物力学研究的前沿领域，增强科研成果的产出能力，而且还能提高运动生物力学研究在国际学术界的地位。

4)在研究演进过程中前十字韧带、力量训练、运动强度、风险控制、人体运动损伤题、创伤性脑损伤、步态分析、随机对照实验逐渐成为国际运动生物力学研究领域的新趋势。