运动损伤生物力学机制研究的现状分析

袁磊

（北京体育大学运动医学与康复学院，北京 100084）

人们在日常生活活动和体育运动中，身体会受到外界因素和内部环境的影响从而导致人体生物组织的结构破坏，一般会引起局部和全身症状及部分功能障碍，这就是运动损伤。运动损伤在不同领域不同年龄段发生率都较高，给社会带来了沉重的经济、心理和医疗的沉重负担。为更加有效地预防或者降低损伤的发生，人们通过流行病学和生物力学方法，研究运动损伤的发生率、影响因素、损伤机制、预防方法等。其中探寻损伤的发生机制是预防损伤发生的关键，而生物力学可以阐明损伤机制和影响因素。

一、运动与运动损伤特征

（一）运动的益处

运动对人们的心理、生理和社会的积极作用已被广泛接受。运动的好处很多，运动可以防止肥胖或有利于减肥，控制体重；可以降低心血管疾病发生的风险，可以提高工作效率；可以改善睡眠，同时运动可以提高参与者心肺功能、增加肌肉力量、耐力和爆发力等，可增加全身和局部骨的矿物质含量和密度;在心理和情感方面，运动特别是运动比赛过程中对自身检验能够促进自尊的形成，同时运动可以降低紧张、焦虑和沮丧等。在社会方面，运动参与有利于个人的社会发展，例如适当的行为举止、公平竞争、团队意识以及责任感的形成等[1]。

（二）运动带来的损伤

尽管运动对健康的好处很多，但它同样也会带来损伤危险。所有专业和业余运动员及大众运动爱好者都承受着软组织、韧带、骨、肌腱和神经损伤[2]。运动损伤通常发生于四肢关节(膝、踝、髋、肩、肘和腕)和头、颈、脊柱，其中膝关节是发生最多的部位[3]。损伤类型包括有中枢与外周神经系统损伤、撞击、撕裂和擦伤、应力性骨折、关节(非骨) 韧带伤、肌肉和肌腱伤等几种主要类型。

20 世纪90 年代开展的流行病调查表明，中国6800 多名优秀运动员的患病率达到59.4%，其中急性损伤占21.1%，急性转慢性46.0%,慢性33.0%。该调查显示，膝部创伤达到19.3%，其次为踝部的9.0%。但从损伤部位来看，踝腓侧副韧带损伤率达到4.5%,高于膝半月板损伤的4.2%[4]。美国全国大学体育协会(NCAA) 对15 种项目16 年的运动损伤统计表明，每1000 人次比赛会发生约13.8 次损伤，而同样人次的训练发生约4.0 次损伤;这些损伤中下肢损伤超过53.7%，其次是上肢损伤(约20%)。NCAA 损伤调查还显示，踝关节韧带拉伤占总损伤的14.9% 脑震荡和ACL 损伤分别占5.0% 和2.6%[5]。大多数踝部损伤是韧带拉伤伴随着不完全的撕裂占83%。

由于不同运动项目的动作技术、对抗模式和赛场地环境(器械) 物理力学条件等因素都不同，同时运动员自身生理、心理和生物力学特征也不同，故不同项目的运动损伤发生率、损伤发生方式等都有较大差异。

运动损伤多发生于从事运动训练及体育锻炼的人群之中，尤以刚开始从事相关体育运动的人为多数，运动损伤发生原因主要有以下几个方面：技术动作的不合理，场地器材不规范，以及超负荷大强度的运动，缺乏相应的必要的运动防护等所致。所谓技术动作不合理，就是说运动时的一些动作不符合本人人体解剖结构及生理机能的条件要求，也不符合运动生物力学的基本规律，从而导致损伤。所以从人体解剖学、生理学及运动生物力学的观点来说，错误的动作技术既不利于人体竞技水平、运动能力的提高，也是造成运动损伤的必然因素。

二、运动损伤生物力学的研究意义

目前，运动损伤预防措施主要通过器械改进和训练两种途径[6]。器械改进方面,主要有稳定装置(如关节固定支架、裹带) 和减震装置(如减震鞋)两大类。训练则通过提高运动员自身的平衡能力、柔韧性、灵敏性、本体感觉、肌肉力量/功率、运动技术以及关节拉伸等[7]。很明显，器械改进属于被动性预防，而训练则是主动性预防。除了器械改进和训练外，其他措施也可能有效，如改善营养、运动规则调整、教育培训等。

生物力学中“损伤机制”是描述损伤发生过程中“某动作、反应或者结果的基本物理过程”[8]。冯元桢认为，损伤机制“等效于机器或结构的损坏”[9]。人体所有器官和组织都承受着一定的力学负荷。通常所说的生理负荷，就是人体能承受的一定范围内的力学负荷，不仅不会造成损伤，而且是机体保持正常生理状态所必需的。运动损伤就是人体器官和组织的力学负荷超过了正常生理负荷范围所导致的病理性损伤。人体组织都具有生长功能，受到载荷变化时会发生适应性重建。当骨组织发生较小的微损伤后，能够通过修复功能加以修复[10]。但是，如果机体没有足够时间对重复性超载产生的微损伤进行及时修复，过劳性或者慢性损伤将会发生。对跑步运动员而言，无论是业余还是专业的，过劳性损伤都是常见损伤。而青少年过早进行专业化的运动训练将会极大增加其运动损伤的风险性[11]。

通过展开一系列生物力学研究，探讨不同因素对组织损伤负荷阈值的影响，通过具体案例来计算组织的应力、应变和应变率，分析损伤发生原因。这些研究将较全面地阐明运动损伤的发生机制和影响关系，为科学地预防损伤提供有力依据。因此，生物力学研究在运动损伤多因素模型中具有核心地位，对阐明损伤发生机制和有效预防损伤意义重大。

三、生物力学研究方法

（一）实验法

人们通过各类实验方法，研究人体各个组织、器官以及细胞载荷-变形的力学关系及其耐受范围。由于受到技术和伦理等多种因素的限制，目前所获得的多为尸体、假人和动物等替代品的实验数据。例如，为了获得手腕-前臂联合体撞击耐受负荷，Forman[12]等对15 具尸体的手腕-前臂联合体标本进行了轴向撞击实验，发现发生骨折概率 50% 的变形为1.69%，对应的肘部载荷为4.34 kN。针对跌倒时下颏撞击导致颞颌关节损伤的问题，有研究使用新鲜的尸体头颅标本进行撞击实验，获得撞击负荷的动态曲线，并发现颞颌关节的缓冲作用[13]。随着技术的进步近年来体内测量人体力学性能也开始出现。例如，Sant 等[14]基于超声波的弹性成像方法在体测量了腘绳肌被动状态下的力学性能，为进一步研究腘绳肌拉伤提供了新的研究手段。

研究运动损伤的发生机制一直是运动损伤生物力学的主要研究内容。这些研究，一般都通过志愿者完成实际体育运动中典型的技术动作，测量完成动作过程中相关的运动学、动力学、肌电等重要指标，然后结合人体生理和解剖特点以及组织器官的力学特征，分析损伤的发生原因。如前所述，不同项目的动作特点不同，运动员经过长期训练后自身的骨骼肌肉系统和神经肌肉系统都具备不同的生理和力学特征，故运动损伤机制的研究都需针对具体的项目或者动作来展开。

（二）建模与仿真法

尽管对人体和替代品的实验是损伤生物力学的基本研究方法，但实体实验受到伦理、技术、资金和时间等诸多因素限制，因而基于生物力学规律的人体系统建模与计算机仿真成为另外一种损伤生物力学的研究方法。目前多数使用的两类模型是基于人体运动系统结构的多体系统动力学模型和基于人体组织器官力学性质的有限元模型。

利用人体运动系统建模仿真方法，需要对人体实际动作进行运动捕捉，之后与人体多体系统动力学模型结合，进行逆向动力学和/或正向动力学分析，获得人体关节的关节力、力矩、功率和功等力学指标[15]，再依此结果评估损伤发生的危险性。例如，Mills 等[16]建立了个性化体操运动员7 环节多体系统模型和多层落地垫模型，通过计算机仿真表明，降低 GRF 的动作会导致关节力的负荷增加;此外，通过减小落地垫刚度、增加阻尼系数，可以降低落地时GRF 以及大腿和小腿的力矩负荷。对关节损伤的研究，除了需要目前通用的实验和基于多体系统模型的计算机仿真外，还需要通过建立关节及其周围组织的有限元模型，在应力、应变水平探讨不同载荷条件下关节韧带、肌腱、骨的负荷，进一步分析损伤机制。

随着科学技术的进步，近年来人们开始了联合仿真研究。比如为分析日常活动对髋关节置换术后髋关节稳定性的影响，Kunze 等[17]采用多体系统动力学模型计算了患者从椅子起立时的肌肉力量，之后将肌肉力量作用于骨盆有限元模型，发现椅子高度对植入体微小运动有明显影响。为探讨飞行员弹射救生中承受冲击性加速度时的脊柱损伤，Du 等[18]建立胸椎-骨盆联合体非线性有限元模型，同时应用多体系统动力学模型将座椅束缚系统引入有限元模型中，结果发现飞行员在放松状态下脊柱的应力负荷更大，发生损伤的危险性也将更大。

如果说人体多体系统动力学模型和有限元模型分别是器官水平和组织水平的模型，近年来出现的基于细胞力学或者细胞重建机制的模型则是细胞水平的模型。丁海[19]等也利用有限元模型，在微观尺度研究了松质骨骨小梁应力与微损伤的关系。

（三）蒙特卡罗模拟法

蒙特卡罗(Mente Carlo) 模拟方法是基于计算机的统计抽样方法，大约始于1945 年电子计算机出现后;这种以概率统计理论为指导的数值模拟方法，使用随机数来解决很多计算问题。运动损伤的发生与内、外部多个因素有关，采用对比实验或者计算机仿真方法无法穷尽所有相关影响因素的随机变化对损伤发生的影响。因此，引入蒙特卡罗模拟方法可以研究损伤和危险因素的关系。例如，可以通过使用以ACL 负荷为因变量的生物力学模型，根据模型中不同自变量(如身高、膝屈角、GRF、股后肌群肌力) 的概率分布状态大量次地随机取值，采用生物力学模型计算每次随机取值时的ACL 负荷，从而获得损伤概率[20]。

四、总结

运动损伤不可消灭，但可以减少。运动生物力学研究是运动损伤机制研究中最重要的组成部分，是减少运动损伤的关键。人们不断通过各种研究方法，探讨各种类型运动损伤的发生机制，揭示各种内、外部危险因素影响损伤发生的规律。在此基础上，制订和实施减少损伤发生的措施，评估预防效果并不断提高防护效果。

竞技体育和大众体育的各种运动及技术动作，必须与运动生物力学和解剖、生理学研究相结合，以达到避免盲目运动，减少损伤，提高运动能力，增进健康的目的。各种 运动损伤的防治，必须以运动生物力学及生理、解剖原理为基础和依据，做到有规可循，有的放矢，事半功倍的效果。

（通讯作者：白震民）