袁磊

（北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)院，北京 100084）

人們?cè)谌粘Ｉ罨顒?dòng)和體育運(yùn)動(dòng)中，身體會(huì)受到外界因素和內(nèi)部環(huán)境的影響從而導(dǎo)致人體生物組織的結(jié)構(gòu)破壞，一般會(huì)引起局部和全身癥狀及部分功能障礙，這就是運(yùn)動(dòng)損傷。運(yùn)動(dòng)損傷在不同領(lǐng)域不同年齡段發(fā)生率都較高，給社會(huì)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)、心理和醫(yī)療的沉重負(fù)擔(dān)。為更加有效地預(yù)防或者降低損傷的發(fā)生，人們通過(guò)流行病學(xué)和生物力學(xué)方法，研究運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率、影響因素、損傷機(jī)制、預(yù)防方法等。其中探尋損傷的發(fā)生機(jī)制是預(yù)防損傷發(fā)生的關(guān)鍵，而生物力學(xué)可以闡明損傷機(jī)制和影響因素。

一、運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)損傷特征

（一）運(yùn)動(dòng)的益處

運(yùn)動(dòng)對(duì)人們的心理、生理和社會(huì)的積極作用已被廣泛接受。運(yùn)動(dòng)的好處很多，運(yùn)動(dòng)可以防止肥胖或有利于減肥，控制體重；可以降低心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，可以提高工作效率；可以改善睡眠，同時(shí)運(yùn)動(dòng)可以提高參與者心肺功能、增加肌肉力量、耐力和爆發(fā)力等，可增加全身和局部骨的礦物質(zhì)含量和密度;在心理和情感方面，運(yùn)動(dòng)特別是運(yùn)動(dòng)比賽過(guò)程中對(duì)自身檢驗(yàn)?zāi)軌虼龠M(jìn)自尊的形成，同時(shí)運(yùn)動(dòng)可以降低緊張、焦慮和沮喪等。在社會(huì)方面，運(yùn)動(dòng)參與有利于個(gè)人的社會(huì)發(fā)展，例如適當(dāng)?shù)男袨榕e止、公平競(jìng)爭(zhēng)、團(tuán)隊(duì)意識(shí)以及責(zé)任感的形成等[1]。

（二）運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的損傷

盡管運(yùn)動(dòng)對(duì)健康的好處很多，但它同樣也會(huì)帶來(lái)?yè)p傷危險(xiǎn)。所有專(zhuān)業(yè)和業(yè)余運(yùn)動(dòng)員及大眾運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者都承受著軟組織、韌帶、骨、肌腱和神經(jīng)損傷[2]。運(yùn)動(dòng)損傷通常發(fā)生于四肢關(guān)節(jié)(膝、踝、髖、肩、肘和腕)和頭、頸、脊柱，其中膝關(guān)節(jié)是發(fā)生最多的部位[3]。損傷類(lèi)型包括有中樞與外周神經(jīng)系統(tǒng)損傷、撞擊、撕裂和擦傷、應(yīng)力性骨折、關(guān)節(jié)(非骨) 韌帶傷、肌肉和肌腱傷等幾種主要類(lèi)型。

20 世紀(jì)90 年代開(kāi)展的流行病調(diào)查表明，中國(guó)6800 多名優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的患病率達(dá)到59.4%，其中急性損傷占21.1%，急性轉(zhuǎn)慢性46.0%,慢性33.0%。該調(diào)查顯示，膝部創(chuàng)傷達(dá)到19.3%，其次為踝部的9.0%。但從損傷部位來(lái)看，踝腓側(cè)副韌帶損傷率達(dá)到4.5%,高于膝半月板損傷的4.2%[4]。美國(guó)全國(guó)大學(xué)體育協(xié)會(huì)(NCAA) 對(duì)15 種項(xiàng)目16 年的運(yùn)動(dòng)損傷統(tǒng)計(jì)表明，每1000 人次比賽會(huì)發(fā)生約13.8 次損傷，而同樣人次的訓(xùn)練發(fā)生約4.0 次損傷;這些損傷中下肢損傷超過(guò)53.7%，其次是上肢損傷(約20%)。NCAA 損傷調(diào)查還顯示，踝關(guān)節(jié)韌帶拉傷占總損傷的14.9% 腦震蕩和ACL 損傷分別占5.0% 和2.6%[5]。大多數(shù)踝部損傷是韌帶拉傷伴隨著不完全的撕裂占83%。

由于不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的動(dòng)作技術(shù)、對(duì)抗模式和賽場(chǎng)地環(huán)境(器械) 物理力學(xué)條件等因素都不同，同時(shí)運(yùn)動(dòng)員自身生理、心理和生物力學(xué)特征也不同，故不同項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生率、損傷發(fā)生方式等都有較大差異。

運(yùn)動(dòng)損傷多發(fā)生于從事運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練及體育鍛煉的人群之中，尤以剛開(kāi)始從事相關(guān)體育運(yùn)動(dòng)的人為多數(shù)，運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生原因主要有以下幾個(gè)方面：技術(shù)動(dòng)作的不合理，場(chǎng)地器材不規(guī)范，以及超負(fù)荷大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)，缺乏相應(yīng)的必要的運(yùn)動(dòng)防護(hù)等所致。所謂技術(shù)動(dòng)作不合理，就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)時(shí)的一些動(dòng)作不符合本人人體解剖結(jié)構(gòu)及生理機(jī)能的條件要求，也不符合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基本規(guī)律，從而導(dǎo)致?lián)p傷。所以從人體解剖學(xué)、生理學(xué)及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤的動(dòng)作技術(shù)既不利于人體競(jìng)技水平、運(yùn)動(dòng)能力的提高，也是造成運(yùn)動(dòng)損傷的必然因素。

二、運(yùn)動(dòng)損傷生物力學(xué)的研究意義

目前，運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防措施主要通過(guò)器械改進(jìn)和訓(xùn)練兩種途徑[6]。器械改進(jìn)方面,主要有穩(wěn)定裝置(如關(guān)節(jié)固定支架、裹帶) 和減震裝置(如減震鞋)兩大類(lèi)。訓(xùn)練則通過(guò)提高運(yùn)動(dòng)員自身的平衡能力、柔韌性、靈敏性、本體感覺(jué)、肌肉力量/功率、運(yùn)動(dòng)技術(shù)以及關(guān)節(jié)拉伸等[7]。很明顯，器械改進(jìn)屬于被動(dòng)性預(yù)防，而訓(xùn)練則是主動(dòng)性預(yù)防。除了器械改進(jìn)和訓(xùn)練外，其他措施也可能有效，如改善營(yíng)養(yǎng)、運(yùn)動(dòng)規(guī)則調(diào)整、教育培訓(xùn)等。

生物力學(xué)中“損傷機(jī)制”是描述損傷發(fā)生過(guò)程中“某動(dòng)作、反應(yīng)或者結(jié)果的基本物理過(guò)程”[8]。馮元楨認(rèn)為，損傷機(jī)制“等效于機(jī)器或結(jié)構(gòu)的損壞”[9]。人體所有器官和組織都承受著一定的力學(xué)負(fù)荷。通常所說(shuō)的生理負(fù)荷，就是人體能承受的一定范圍內(nèi)的力學(xué)負(fù)荷，不僅不會(huì)造成損傷，而且是機(jī)體保持正常生理狀態(tài)所必需的。運(yùn)動(dòng)損傷就是人體器官和組織的力學(xué)負(fù)荷超過(guò)了正常生理負(fù)荷范圍所導(dǎo)致的病理性損傷。人體組織都具有生長(zhǎng)功能，受到載荷變化時(shí)會(huì)發(fā)生適應(yīng)性重建。當(dāng)骨組織發(fā)生較小的微損傷后，能夠通過(guò)修復(fù)功能加以修復(fù)[10]。但是，如果機(jī)體沒(méi)有足夠時(shí)間對(duì)重復(fù)性超載產(chǎn)生的微損傷進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，過(guò)勞性或者慢性損傷將會(huì)發(fā)生。對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)員而言，無(wú)論是業(yè)余還是專(zhuān)業(yè)的，過(guò)勞性損傷都是常見(jiàn)損傷。而青少年過(guò)早進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練將會(huì)極大增加其運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)性[11]。

通過(guò)展開(kāi)一系列生物力學(xué)研究，探討不同因素對(duì)組織損傷負(fù)荷閾值的影響，通過(guò)具體案例來(lái)計(jì)算組織的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率，分析損傷發(fā)生原因。這些研究將較全面地闡明運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生機(jī)制和影響關(guān)系，為科學(xué)地預(yù)防損傷提供有力依據(jù)。因此，生物力學(xué)研究在運(yùn)動(dòng)損傷多因素模型中具有核心地位，對(duì)闡明損傷發(fā)生機(jī)制和有效預(yù)防損傷意義重大。

三、生物力學(xué)研究方法

（一）實(shí)驗(yàn)法

人們通過(guò)各類(lèi)實(shí)驗(yàn)方法，研究人體各個(gè)組織、器官以及細(xì)胞載荷-變形的力學(xué)關(guān)系及其耐受范圍。由于受到技術(shù)和倫理等多種因素的限制，目前所獲得的多為尸體、假人和動(dòng)物等替代品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，為了獲得手腕-前臂聯(lián)合體撞擊耐受負(fù)荷，F(xiàn)orman[12]等對(duì)15 具尸體的手腕-前臂聯(lián)合體標(biāo)本進(jìn)行了軸向撞擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)生骨折概率 50% 的變形為1.69%，對(duì)應(yīng)的肘部載荷為4.34 kN。針對(duì)跌倒時(shí)下頦撞擊導(dǎo)致顳頜關(guān)節(jié)損傷的問(wèn)題，有研究使用新鮮的尸體頭顱標(biāo)本進(jìn)行撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得撞擊負(fù)荷的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)顳頜關(guān)節(jié)的緩沖作用[13]。隨著技術(shù)的進(jìn)步近年來(lái)體內(nèi)測(cè)量人體力學(xué)性能也開(kāi)始出現(xiàn)。例如，Sant 等[14]基于超聲波的彈性成像方法在體測(cè)量了腘繩肌被動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)性能，為進(jìn)一步研究腘繩肌拉傷提供了新的研究手段。

研究運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生機(jī)制一直是運(yùn)動(dòng)損傷生物力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容。這些研究，一般都通過(guò)志愿者完成實(shí)際體育運(yùn)動(dòng)中典型的技術(shù)動(dòng)作，測(cè)量完成動(dòng)作過(guò)程中相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、肌電等重要指標(biāo)，然后結(jié)合人體生理和解剖特點(diǎn)以及組織器官的力學(xué)特征，分析損傷的發(fā)生原因。如前所述，不同項(xiàng)目的動(dòng)作特點(diǎn)不同，運(yùn)動(dòng)員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練后自身的骨骼肌肉系統(tǒng)和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)都具備不同的生理和力學(xué)特征，故運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制的研究都需針對(duì)具體的項(xiàng)目或者動(dòng)作來(lái)展開(kāi)。

（二）建模與仿真法

盡管對(duì)人體和替代品的實(shí)驗(yàn)是損傷生物力學(xué)的基本研究方法，但實(shí)體實(shí)驗(yàn)受到倫理、技術(shù)、資金和時(shí)間等諸多因素限制，因而基于生物力學(xué)規(guī)律的人體系統(tǒng)建模與計(jì)算機(jī)仿真成為另外一種損傷生物力學(xué)的研究方法。目前多數(shù)使用的兩類(lèi)模型是基于人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和基于人體組織器官力學(xué)性質(zhì)的有限元模型。

利用人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)建模仿真方法，需要對(duì)人體實(shí)際動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉，之后與人體多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合，進(jìn)行逆向動(dòng)力學(xué)和/或正向動(dòng)力學(xué)分析，獲得人體關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力、力矩、功率和功等力學(xué)指標(biāo)[15]，再依此結(jié)果評(píng)估損傷發(fā)生的危險(xiǎn)性。例如，Mills 等[16]建立了個(gè)性化體操運(yùn)動(dòng)員7 環(huán)節(jié)多體系統(tǒng)模型和多層落地墊模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真表明，降低 GRF 的動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)力的負(fù)荷增加;此外，通過(guò)減小落地墊剛度、增加阻尼系數(shù)，可以降低落地時(shí)GRF 以及大腿和小腿的力矩負(fù)荷。對(duì)關(guān)節(jié)損傷的研究，除了需要目前通用的實(shí)驗(yàn)和基于多體系統(tǒng)模型的計(jì)算機(jī)仿真外，還需要通過(guò)建立關(guān)節(jié)及其周?chē)M織的有限元模型，在應(yīng)力、應(yīng)變水平探討不同載荷條件下關(guān)節(jié)韌帶、肌腱、骨的負(fù)荷，進(jìn)一步分析損傷機(jī)制。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)人們開(kāi)始了聯(lián)合仿真研究。比如為分析日?；顒?dòng)對(duì)髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后髖關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，Kunze 等[17]采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算了患者從椅子起立時(shí)的肌肉力量，之后將肌肉力量作用于骨盆有限元模型，發(fā)現(xiàn)椅子高度對(duì)植入體微小運(yùn)動(dòng)有明顯影響。為探討飛行員彈射救生中承受沖擊性加速度時(shí)的脊柱損傷，Du 等[18]建立胸椎-骨盆聯(lián)合體非線(xiàn)性有限元模型，同時(shí)應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型將座椅束縛系統(tǒng)引入有限元模型中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行員在放松狀態(tài)下脊柱的應(yīng)力負(fù)荷更大，發(fā)生損傷的危險(xiǎn)性也將更大。

如果說(shuō)人體多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和有限元模型分別是器官水平和組織水平的模型，近年來(lái)出現(xiàn)的基于細(xì)胞力學(xué)或者細(xì)胞重建機(jī)制的模型則是細(xì)胞水平的模型。丁海[19]等也利用有限元模型，在微觀(guān)尺度研究了松質(zhì)骨骨小梁應(yīng)力與微損傷的關(guān)系。

（三）蒙特卡羅模擬法

蒙特卡羅(Mente Carlo) 模擬方法是基于計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)抽樣方法，大約始于1945 年電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后;這種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的數(shù)值模擬方法，使用隨機(jī)數(shù)來(lái)解決很多計(jì)算問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生與內(nèi)、外部多個(gè)因素有關(guān)，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算機(jī)仿真方法無(wú)法窮盡所有相關(guān)影響因素的隨機(jī)變化對(duì)損傷發(fā)生的影響。因此，引入蒙特卡羅模擬方法可以研究損傷和危險(xiǎn)因素的關(guān)系。例如，可以通過(guò)使用以ACL 負(fù)荷為因變量的生物力學(xué)模型，根據(jù)模型中不同自變量(如身高、膝屈角、GRF、股后肌群肌力) 的概率分布狀態(tài)大量次地隨機(jī)取值，采用生物力學(xué)模型計(jì)算每次隨機(jī)取值時(shí)的ACL 負(fù)荷，從而獲得損傷概率[20]。

四、總結(jié)

運(yùn)動(dòng)損傷不可消滅，但可以減少。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究是運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究中最重要的組成部分，是減少運(yùn)動(dòng)損傷的關(guān)鍵。人們不斷通過(guò)各種研究方法，探討各種類(lèi)型運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生機(jī)制，揭示各種內(nèi)、外部危險(xiǎn)因素影響損傷發(fā)生的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，制訂和實(shí)施減少損傷發(fā)生的措施，評(píng)估預(yù)防效果并不斷提高防護(hù)效果。

競(jìng)技體育和大眾體育的各種運(yùn)動(dòng)及技術(shù)動(dòng)作，必須與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和解剖、生理學(xué)研究相結(jié)合，以達(dá)到避免盲目運(yùn)動(dòng)，減少損傷，提高運(yùn)動(dòng)能力，增進(jìn)健康的目的。各種 運(yùn)動(dòng)損傷的防治，必須以運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)及生理、解剖原理為基礎(chǔ)和依據(jù)，做到有規(guī)可循，有的放矢，事半功倍的效果。

（通訊作者：白震民）