2010—2020年国外运动生物力学研究的学科特征及热点解析

黄金 吕娇娇 傅维杰 刘宇 黄灵燕*

(1.石家庄人民医学高等专科学校 河北石家庄 050091;2.上海体育学院“运动健身科技”省部共建教育部重点实验室 上海 200438)

运动生物力学是生物力学的重要分支，是体育科学的重要组成部分，是结合力学和生物学的原理研究体育运动中人体（或器械）复杂的运动形式及变化规律的一门学科。该研究通过Web of Science 中收录的2010—2020年相关文献，借助有效获取知识、发现知识和探寻知识前沿的文献计量软件——基于JAVA 平台的CiteSpaceⅤ可视化信息软件（版本号5.6.R4），结合科学计量学理论，绘制科学知识图谱，分析国外运动生物力学研究学科特征及前沿热点，从而能更好地推动我国运动生物力学研究者追踪国际研究进展，发展我国运动生物力学事业。

1 研究结果与分析

1.1 运动生物力学研究的学科耦合分析

耦合分析的概念始于1963 年美国麻省理工学院Kessler教授提出的“文献耦合”概念，指的是如果2篇文章共同引用了同一篇或多篇参考文献，那么这2 篇文献间便存在引文上的耦合关系。邱均平认为，耦合关系不仅仅局限在同时引证的两篇论文之间，它揭示的是一类普遍存在的关系，即2个（或2个以上）不同主体与同一客体间的关系。因此，“文献耦合”概念可以进一步应用于关键词耦合、作者耦合、期刊耦合和学科耦合等。通过CiteSpaceⅤ软件对2010—2020年国外运动生物力学研究领域的文献的学科进行双图叠加，得到学科耦合图，通过Z-score 简化按钮合并相关连线，得到学科耦合简化图（见图1）。

如图1 所示，双图叠加的学科耦合图谱由两部分组成。Part1表示全部来源数据的参考文献构成的学科分布图，Part2表示全部来源数据中的施引文献构成的学科分布图。两部分以运动生物力学研究为中介形成了学科之间的耦合联系。从图1 可以看出，Part1 中有关运动生物力学的研究主要参考了生物学、医学、神经学、体育科学等领域的研究，这些学科作为运动生物力学研究的知识来源，为后续的研究奠定了一定的理论基础。结合两部分的连线以及Part2图像来看，运动生物力学研究同样对卫生健康学、康复医学、心理学、教育学、社会学、经济学等学科的发展产生了深远影响。连线的颜色反映了学科之间的联系路径，粗细表示学科之间的密切程度。尤其是运动生物力学领域的医学研究与生物学、卫生健康学、康复医学、体育科学、心理学等学科的研究连线较粗，说明以上学科在该领域的研究中产生了交叉与互动。

图1 运动生物力学研究学科的双图叠加图

综上所述，运动生物力学研究逐渐成为一项多学科交叉的综合研究议题。不同学科和专业的知识，为运动生物力学研究提供了基础的理论与方法，同时多学科的交叉互补又能够在一定程度上弥补单一学科研究的片面性。因此，在学科交叉的背景下，对运动生物力学进行综合研究成为一种趋势。

1.2 运动生物力学研究热点分析

关键词是作者从文章中提取出来能凝练文章中心主题的词语，不仅是作者研究成果的核心，也是对文章内容最简洁、最准确的表达。通过对关键词的共现聚类，既可以找到某一研究领域内不同时间段的重点研究主题，还可以准确归纳出该领域的热点。运行CiteSpaceⅤ得到运动生物力学研究关键词共现聚类的时间线图（见图2），图谱左上角的参数中Modularity 为聚类模块值（Q 值），是网络模块化的评价指标，Q 的取值范围为0～1，Q＞0.3 表示得到的聚类结构是显著的。Mean Silhouette 为聚类平均轮廓值（S 值），是网络同质性的评价指标。S＞0.5，认为聚类结果是合理的；S＞0.7，认为聚类结果是具有高信度的。图2中，Q=0.8033，S=0.7081，说明此聚类结构显著，结果具有高信度。结合图2中的相关节点与表1中的统计数据进行分析，将国外运动生物力学的研究热点归纳如下。

1.2.1 运动损伤的生物力学

预防运动损伤是运动生物力学研究的一项基本任务，从运动损伤发生的机制，到运动损伤检测与研究方法，再到相关应用研究越来越普及与深入。近年来，运用运动生物力学理论和方法对骨骼、关节、肌肉和韧带等进行探讨，一直是运动损伤生物力学研究的热点。结合图2与表1，该研究对膝关节的运动生物力学研究进行分析。

表1 国外运动生物力学研究关键词

图2 国外运动生物力学研究关键词共现-聚类的时间线图

膝关节是人体最复杂的关节，在参与运动过程中通过关节的屈伸完成功能性运动。虽然膝关节的结构承受负荷的阈值尚未确定，但过度负荷后，非常容易引起疲劳进而导致劳损。膝关节韧带数量多，解剖结构复杂，前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）和后交叉韧带（posterior cruciate ligament，PCL）是维持膝关节稳定的重要结构，呈铰链式连于股骨髁间窝及胫骨的髁间隆起之间，防止胫骨沿股骨向前后移位。在膝关节损伤中，ACL 损伤是体育运动中最常见和最严重的损伤之一，ACL损伤的危险因素从环境、解剖结构、激素水平、遗传因素和生物力学神经肌肉控制等方面进行了研究。

1.2.2 运动生物力学数据的获取方法与手段

运动学和动力学数据的获取方法与手段不断更新，使得三维动作捕捉系统对数据点的识别、采集和处理越来越接近真实的人体。Optitrack三维动作捕捉系统是美国Natural Point 公司生产的高性能光学跟踪系统，常用于体育技术动作的分析、运动伤病的预防以及医疗康复分析等领域。光学测量系统Optojump具有无干扰、精确度高、成本低的特点，能够在比赛现场使用并提供实时反馈。Healy 等研究发现，因Optojump 系统的设计，其发射器和接收器位于距离地面0.003m 的高度，虽在测量触地时间和腾空时间上稍有差异，但总时间并无差异，Optojump系统表现出良好的总体时间有效性。

1.2.3 步行动作的运动生物力学

从运动生物力学角度看，人体的步态运动通常简化为多个刚体组成的链状多刚体系统的平面运动，根据这一理论，通过现代测量技术，可对人体行走时身体各部分，特别是下肢的运动和受力情况进行客观记录和定量分析。步态分析旨在通过力学原理、处理手段和人体解剖学、生理学知识，揭示步态异常的关键环节及影响因素，有助于机制研究、临床诊断以及康复评估等。膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）临床表现为膝关节疼痛和活动受限。步态分析对KOA的临床诊断具有一定的指导意义。Zeng等通过新型三维步态分析系统发现，KOA 患者的膝关节活动范围明显缩小，随着Kellgren-Lawrence（K/L）评分的增加，足跟着地和站立中期阶段膝关节屈曲角度增加，摆动期膝关节屈曲峰值下降。因此，步态分析有助于对KOA患者进行程度分期，了解不同阶段的步态特征，有利于疾病诊断和制订治疗方案。

2 结语

该研究借助CiteSpaceⅤ可视化分析软件，通过科学知识图谱的分析方法，对国外运动生物力学研究的学科特征及热点内容进行探讨。从分析结果来看，2010—2020年国际运动生物力学研究主题具有以下特征：（1）形成了以体育科学为主导的多学科交叉的复合型学科群；（2）运动损伤生物力学的研究日益增多，逐渐成为运动生物力学研究的重要组成部分；（3）随着科学技术的发展，运动生物力学的研究水平随之提高。国际运动生物力学研究的未来趋势依然偏重运动损伤的预防与康复，同时提高研究方法的科学性、扩大研究视角以及借助多学科的方法与思路研究解决人体运动问题是未来的一个重要方向。