有限元分析法在运动生物力学中应用的可视化分析

洪 靖,蒋 倩,黄晨宾,黄宇豪,李文斌

(1.福建师范大学 体育科学学院,福建 福州 350117;2.集美大学 体育学院,福建 厦门 361021)

0 引言

运动生物力学是生物力学的分支,主要研究人体及器械在体育运动中的规律,涉及解剖学、运动训练学、生理学、力学等的交叉新兴学科[1]。运动生物力学的研究旨在提高运动表现和降低运动损伤风险,在竞技体育、大众健身、临床诊断与康复等领域发挥重要作用[2]。

高性能计算技术迅速发展的时代下,数值仿真技术与生物力学之父冯元桢先生提出的“应力-生长关系”理论高度耦合,促成生物力学建模仿真的巨大进步[3]。生物力学模型主要包括多刚体模型和有限元模型,有限元模型在上个世纪末被应用至骨科领域[4]。生物力学在骨科领域展现出巨大的潜力使得有限元分析法也被广泛应用于运动生物力学中[2]。值得注意的是,鲜有学者对于该领域进行系统性梳理分析,李建设、顾耀东[5]曾运用大量文献对该领域进行综述,但综述时间较早不能实时反映出该领域当下研究热点。

本研究整合中国知网与Web of Science数据库中关于运动生物力学中有限元分析的研究文献,通过CiteSpace可视化软件生成作者、国家、关键词等知识图谱,探寻国内外该领域的研究热点和发展路径,为运动生物力学的理论研究和实践应用提供参考。

1 数据资料与研究方法

以中国知网(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science Core Collection(WOS)作为数据库,检索时间为2001年01月01日至2022年10月15日,使用“运动损伤”“运动生物力学”“有限元”作为中文检索的主题词,“Sport injury”“Sports biomechanics”“Finite element”作为英文检索的主题词,共检索得出中文文献288篇,英文文献385篇。筛选出与运动生物力学研究无关的文章及重复文章最终得到中文文献240篇,英文文献283篇。

将中文文献以Refworks格式,英文文献以纯文本格式导入CiteSpace 6.1.R3中,以一年为时间切片(Time Slice),通过作者(Author)、机构(Institution)、国家(Country)、关键词(Keyword)等作为节点类型(Node types),获得知识图谱与相关数据进行可视化分析。

2 文献特征分析

2.1 发文趋势分析

研究文献的总量反映该领域当前理论发展水平,年度发文变化代表该领域研究热度变化趋势。运动生物力学作为生物力学中的边缘学科[1],同时有限元分析法投入至骨科领域研究时间短,关于有限元分析法应用于运动生物力学研究的文献整体较少(见图1),可以分为起步时期和发展时期。起步时期国内在2001～2006年,国际上为2001～2008年;发展时期国内从2006年至今,国际上从2008年至今。在发展时期,国内发文量整体呈上升趋势,但具不稳定性,其中有四年发文量小于10篇,一年发文量剧增至41篇(2021年);相对而言,国际发文量呈稳定发展趋势,历年均大于10篇。

图1 国内与国际发文趋势变化图

2.2 国家与机构分析

国家与机构的可视化分析可以反映出该领域当前研究力量分布与机构间的合作情况,有利于促进学科发展和成果共享。以国家和机构作为节点类型进行可视化分析得到图2、表1和表2.在图2中,美国发文量为125篇稳居第一,远领先于其他国家。除美国外,发文量前三的国家为加拿大(40篇)、中国(38篇)和爱尔兰(31篇),是该领域研究的重要力量。其余国家在该领域的发文量均未超过20篇。

表1 国际发文量前3的机构

表2 国内发文量前3的机构

图2 发文量前10的国家发文数量

外文发文机构的知识图谱共有305个节点,364条连线,密度为0.007 7.在表1中,外文发文机构发文量前三的为都柏林大学、渥太华大学和斯坦福大学,其所属地爱尔兰和美国均为发文量较多的国家,从中反映出国家与发文机构之间的紧密联系。

中文发文机构的知识图谱共有237个节点,100条连线,密度为0.003 6.在表2中,中文发文机构发文量前三的为吉林大学、上海交通大学、上海工程技术大学和太原理工大学。相较于外文发文机构间,国内发文机构间合作性较低。

2.3 作者与所属机构分析

一个领域的主要研究者可以更有效地把握该领域的研究动态和主流观点。以作者为节点类型生成的知识图谱中共产生410个节点,715条连线,密度为0.008 5.在表3中都柏林大学的Gilchrist教授、渥太华大学的Hoshizaki教授、斯坦福大学的Camarillo教授是国际上发文量前3的学者,与外文发文机构前3的机构相对应(见表1),其主要研究视角均集中于头部的生物力学研究中,说明这是该领域当前的研究热点之一。

表3 国际上发文量前3的学者

在国内主要学者的知识图谱中共产生364个节点,437条连线,密度为0.006 6,学者间的联系主要表现为机构间的合作较多。在表4中,不同于国际上的主要学者,国内发文前3的学者研究视角更加集中于足踝部位的生物力学研究。

表4 国内发文量前3的学者

2.4 学科基础分析

文献学科分布是判断研究领域集中程度的重要前提。运动生物力学本身作为一门新兴交叉学科,加入有限元分析无疑是覆盖多个学科领域的情形。在图3中,国际上有限元分析法在运动生物力学上的研究主要涉及生物医学工程(Engineering Biomedical)、机械工程(Engineering Mechanical)、体育科学(Sport Sciences)和生物物理学(Biophysics)。国内该领域研究主要涉及外科学、体育学、生物医学工程、特种医学领域。使用有限元分析法运用于运动生物力学领域研究必将以多学科视角出发,生物医学工程和体育学将占据重要位置。

图3 学科分布图(a)国内学科基础分布;(b)国际学科基础分布

2.5 共被引文献分析

文献的被引频次可以反映出相关文献在该领域的学术影响力。从表5可以看出,国内被引频次较高的文献多为研究进展分析,视角集中于下肢关节尤其是足踝的有限元模型重建较多;国际上被引频次较高的文献多为应用研究,主要有头部模型重建进行脑震荡、大脑紧张等仿真分析。

表5 中英文高频共被引文献

2.6 突现词分析

突现词可以发现短期内剧增的关键词,从更深度的层面观测该领域的发展变化。国内突现强度较高的关键词有组织工程(3.13)、软骨(2.77)、研究方法(2.38)、中国(2.33)、膝关节(2.25)等;国际上突现强度较高的关键词有头部(head,3.55)、生物力学(biomechanics,3.50)、有限元模型(finite element modeling,3.27)、创伤性脑损伤(traumatic brain injury 3.10)、职业足球(professional football,3.07)等。其中研究方法和前交叉韧带(anterior cruciate ligament)的持续时间最长,当今仍存在的突现词包括步态分析、预测器(predictor)和重建(reconstruction)。说明关于头部和膝关节的模型重建和有限元分析是当今研究的热点之一。

3 有限元在运动生物力学研究领域分析

3.1 研究热点分析

关键词是对一篇文章的高度凝练,为探究该领域不同研究热点及发展情况。基于CiteSpace以关键词为节点类型进行可视化分析,在表6中,国内外均出现的高频关键词有生物力学和有限元,国内关键词频次最高、中心性最强的是生物力学,国际上关键词频次最高的是损伤(injury),而中心性最强的是有限元分析(finite element analysis)。从整体上看,有限元分析法在运动生物力学上的研究主要集中于运动损伤机制的探索中,不同于影像学方法观察伤后人体结构内部变化,有限元法利用自适应建模与计算机技术仿真人体运动过程中肌骨系统的力学响应。

表6 国内外关键词分析

国外研究倾向于探究人体内部结构力学环境发生变化后的影响,特别是脑震荡、创伤性脑损伤等。国内研究起步较晚,视角集中于有限元模型的重建过程,包括模型建立时的软骨构建、有限元分析中的边界条件设置等,研究对象以膝、踝关节为主。

3.2 研究前沿分析

关键词的聚类分析是以对数极大似然率(likelihood rate,LLR)通过多项指标进行分类统计,依据指标间的相似性进行划分。在表7中我国在有限元法应用于运动生物力学的研究中产生的前10大聚类具体包括:1)生物力学。主要通过建立有限元模型探究脊柱侧凸、脊柱侧弯等的损伤机制与临床治疗手段[6～7]。2)基于临床医学影像与解剖结构特征构建的膝关节几何模型,针对构建过程中材料属性定义、网格划分、边界条件设置等方面进行探索[8]。3)有限元。通过有限元分析获得关节的力学特性,为椎间盘退变、膝骨关节炎等损伤机制与临床分析提供思路[9]。4)应力。应力是物体在外部因素条件下产生形变时的相互作用内力,从材料力学角度定义分为主应力、切应力等,肌骨模型仿真运动过程所获得的应力参数助于探究运动损伤的生物力学机制[10]。5)三维运动。主要包括有限元模型探究临床治疗中骨骼固定系统中的稳定性与不稳定性[11],以及球类运动中肱骨内上髁炎、外上髁炎等发病机制[12]。6)韧带。有限元法不止分析骨关节的力学特性,还可以重建骨与骨间的韧带、肌腱等,例如尺侧副韧带、桡侧副韧带、外侧副韧带等,获得韧带在运动过程中相关力学参数,增加运动训练和临床诊断中的实际应用。7)中国。探究国内运动生物力学领域相关研究现状与发展趋势[13]。8)振动。有限元分析法在运动生物力学中的研究涉及到运动医学、生物化学、生物工程等相关领域。9)运动捕捉。运动捕捉系统投入到有限元分析中,采集运动过程中相关的运动学和动力学参数,可以作为有限元分析的边界条件,提升仿真精确性[14]。10)高尔夫球。主要探究各类运动项目中专项动作诱发损伤的力学机制,例如羽毛球、网球、武术等。

表7 国内有限元法在运动生物力学研究的聚类分析

在表8中,国际上在有限元法应用于运动生物力学研究的关键词中产生前10大聚类,具体如下:1)有限元模型(finite element model)。建立脑部有限元模型分析脑部损伤机制,例如脑震荡、创伤性脑损伤等。2)头部撞击(head impact)。运动头盔可以减少脑部创伤性损伤的风险,特别是在橄榄球、冰球等运动中,主要包括头盔的建立和头部撞击后的影响[15]。3)有限元分析(finite element analysis)。足-鞋、脊椎生物力学研究是一大研究热点,在运动过程中运动鞋可以为运动员足踝、膝关节、腰椎等提供更好的保护,通过运动员落地冲击、运动疾病后的有限元分析为运动鞋核心技术的研发提供力学参数[16]。4)生物力学(biomechanics)的研究主要涉及头部和足-鞋生物力学研究,基于有限元法探究运动鞋的材料性能、物理特性,包括缓震、耐磨等。5)流体-结构相互作用(fluid-structure interaction)。有限元建模过程中重建肌腱、韧带,例如前交叉韧带、外侧副韧带等,探究在细胞、胶原蛋白等微观结构变化。6)最优化(optimization)。基于有限元分析法的损伤力学探究可以达到优化运动表现,降低运动损伤风险的目的。7)脑震荡(concussion)。脑震荡是国际上通过有限元分析法研究最频繁的一种损伤类型,涉及包括冰球、曲棍球、足球等多个专项,脑拉伤、颅脑损伤、轴突损伤等多种损伤因子。8)应力性骨折(stress fracture)。骨的应力性损伤在体育活动中频繁出现,不同于离体实验,有限元结果中范式等效应力(Von-Mises stress)、最大主应力(maximum principal stress)、应变等力学参数可以更真实地反映出骨在运动过程的力学环境。9)电活性聚合物(electroactive polymers)。电活性聚合物是一种多用于工程学中的材料,具有应变能力大的特性[17]。基于电活性聚合物与有限元耦合建模作为有限元分析法的新突破,为人体肌骨系统运动提供更多帮助。10)骨密质(cortical bone)。根据骨的结构密度不同可以将骨分为皮质骨和松质骨,不同材料属性会影响有限元的最终结果[18]。

表8 国际有限元法在运动生物力学研究的聚类分析

3.3 运动损伤的生物力学机制探究

通过对2021～2022年CNKI和WOS数据库中有限元分析法应用于运动生物力学研究的523篇文献进行计量统计与可视化分析,探究该领域当前研究趋势如下:

在年度发文量、国家、作者与所属机构的分析中,我国在该领域的研究起步落后于国外,但在后期迅速发展,整体上均呈上升趋势。在美国领衔,加拿大、中国、爱尔兰紧随其后的研究队伍中,研究多集中于头部和膝关节的模型重建和仿真分析。然而各个国家、机构间的合作较少,学者与学者之间的合作多同属于一个机构。

基于学科基础与关键词的知识图谱分析中,在生物工程、体育学、医学等多学科融合下,有限元分析被应用于研究关节、肌腱、韧带等人体内部结构在运动过程中的力学响应,提升运动生物力学领域对于肌骨系统力学行为的理解,为探究运动损伤的诱发机制、临床医学诊断、治疗以及康复提供力学参数。

运动相关的脑震荡在美国很常见,特别是在足球、冰球、曲棍球等运动中易发生创伤性脑损伤、脑震荡等[19],因此头脑的有限元分析一直是国际上该领域的研究热点。国内流行病学研究表明[20],膝、踝关节是发生运动损伤几率最高的两个部位,膝关节也是近二十年该领域的主要研究对象。突现词中前交叉韧带(anterior cruciate ligament)的持续时间最长,同时伴随着步态分析在近两年的兴起,势必将膝关节、踝关节、足-鞋有限元分析推向新的热潮。

4 结语与展望

1) 运动生物力学作为一门边缘学科,将有限元分析法应用于该学科中的研究整体较少,但具有稳定增长趋势。该领域研究主要应用于体育学、生物工程、医学等领域,国内研究起步较晚,但在脊柱生物力学、前交叉韧带损伤研究中有所建树。

2) 当前该领域研究视角主要集中于膝关节和头部几何模型重建,进行羽毛球、冰球、足球等专项动作的仿真分析,和针对诱发脑震荡、前交叉韧带断裂等病变的力学机制探究。

3) 在多学科交叉融合下,未来学者与学者、机构与机构之间的合作交流应更为密切。有限元分析法也应更多应用于田径、篮球、排球等项目中,探究腕关节、踝关节等易发损伤部位的损伤机制以及足-鞋生物力学研究中,为运动表现的提升和运动损伤的预防提供思路。