洪 靖,蔣 倩,黃晨賓,黃宇豪,李文斌

(1.福建師范大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350117;2.集美大學(xué) 體育學(xué)院,福建 廈門 361021)

0 引言

運(yùn)動生物力學(xué)是生物力學(xué)的分支,主要研究人體及器械在體育運(yùn)動中的規(guī)律,涉及解剖學(xué)、運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)、生理學(xué)、力學(xué)等的交叉新興學(xué)科[1]。運(yùn)動生物力學(xué)的研究旨在提高運(yùn)動表現(xiàn)和降低運(yùn)動損傷風(fēng)險,在競技體育、大眾健身、臨床診斷與康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[2]。

高性能計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展的時代下,數(shù)值仿真技術(shù)與生物力學(xué)之父馮元楨先生提出的“應(yīng)力-生長關(guān)系”理論高度耦合,促成生物力學(xué)建模仿真的巨大進(jìn)步[3]。生物力學(xué)模型主要包括多剛體模型和有限元模型,有限元模型在上個世紀(jì)末被應(yīng)用至骨科領(lǐng)域[4]。生物力學(xué)在骨科領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力使得有限元分析法也被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)中[2]。值得注意的是,鮮有學(xué)者對于該領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性梳理分析,李建設(shè)、顧耀東[5]曾運(yùn)用大量文獻(xiàn)對該領(lǐng)域進(jìn)行綜述,但綜述時間較早不能實(shí)時反映出該領(lǐng)域當(dāng)下研究熱點(diǎn)。

本研究整合中國知網(wǎng)與Web of Science數(shù)據(jù)庫中關(guān)于運(yùn)動生物力學(xué)中有限元分析的研究文獻(xiàn),通過CiteSpace可視化軟件生成作者、國家、關(guān)鍵詞等知識圖譜,探尋國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展路徑,為運(yùn)動生物力學(xué)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

以中國知網(wǎng)(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science Core Collection(WOS)作為數(shù)據(jù)庫,檢索時間為2001年01月01日至2022年10月15日,使用“運(yùn)動損傷”“運(yùn)動生物力學(xué)”“有限元”作為中文檢索的主題詞,“Sport injury”“Sports biomechanics”“Finite element”作為英文檢索的主題詞,共檢索得出中文文獻(xiàn)288篇,英文文獻(xiàn)385篇。篩選出與運(yùn)動生物力學(xué)研究無關(guān)的文章及重復(fù)文章最終得到中文文獻(xiàn)240篇,英文文獻(xiàn)283篇。

將中文文獻(xiàn)以Refworks格式,英文文獻(xiàn)以純文本格式導(dǎo)入CiteSpace 6.1.R3中,以一年為時間切片(Time Slice),通過作者(Author)、機(jī)構(gòu)(Institution)、國家(Country)、關(guān)鍵詞(Keyword)等作為節(jié)點(diǎn)類型(Node types),獲得知識圖譜與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。

2 文獻(xiàn)特征分析

2.1 發(fā)文趨勢分析

研究文獻(xiàn)的總量反映該領(lǐng)域當(dāng)前理論發(fā)展水平,年度發(fā)文變化代表該領(lǐng)域研究熱度變化趨勢。運(yùn)動生物力學(xué)作為生物力學(xué)中的邊緣學(xué)科[1],同時有限元分析法投入至骨科領(lǐng)域研究時間短,關(guān)于有限元分析法應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)研究的文獻(xiàn)整體較少(見圖1),可以分為起步時期和發(fā)展時期。起步時期國內(nèi)在2001～2006年,國際上為2001～2008年;發(fā)展時期國內(nèi)從2006年至今,國際上從2008年至今。在發(fā)展時期,國內(nèi)發(fā)文量整體呈上升趨勢,但具不穩(wěn)定性,其中有四年發(fā)文量小于10篇,一年發(fā)文量劇增至41篇(2021年);相對而言,國際發(fā)文量呈穩(wěn)定發(fā)展趨勢,歷年均大于10篇。

圖1 國內(nèi)與國際發(fā)文趨勢變化圖

2.2 國家與機(jī)構(gòu)分析

國家與機(jī)構(gòu)的可視化分析可以反映出該領(lǐng)域當(dāng)前研究力量分布與機(jī)構(gòu)間的合作情況,有利于促進(jìn)學(xué)科發(fā)展和成果共享。以國家和機(jī)構(gòu)作為節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行可視化分析得到圖2、表1和表2.在圖2中,美國發(fā)文量為125篇穩(wěn)居第一,遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國家。除美國外,發(fā)文量前三的國家為加拿大(40篇)、中國(38篇)和愛爾蘭(31篇),是該領(lǐng)域研究的重要力量。其余國家在該領(lǐng)域的發(fā)文量均未超過20篇。

表1 國際發(fā)文量前3的機(jī)構(gòu)

表2 國內(nèi)發(fā)文量前3的機(jī)構(gòu)

圖2 發(fā)文量前10的國家發(fā)文數(shù)量

外文發(fā)文機(jī)構(gòu)的知識圖譜共有305個節(jié)點(diǎn),364條連線,密度為0.007 7.在表1中,外文發(fā)文機(jī)構(gòu)發(fā)文量前三的為都柏林大學(xué)、渥太華大學(xué)和斯坦福大學(xué),其所屬地愛爾蘭和美國均為發(fā)文量較多的國家,從中反映出國家與發(fā)文機(jī)構(gòu)之間的緊密聯(lián)系。

中文發(fā)文機(jī)構(gòu)的知識圖譜共有237個節(jié)點(diǎn),100條連線,密度為0.003 6.在表2中,中文發(fā)文機(jī)構(gòu)發(fā)文量前三的為吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)和太原理工大學(xué)。相較于外文發(fā)文機(jī)構(gòu)間,國內(nèi)發(fā)文機(jī)構(gòu)間合作性較低。

2.3 作者與所屬機(jī)構(gòu)分析

一個領(lǐng)域的主要研究者可以更有效地把握該領(lǐng)域的研究動態(tài)和主流觀點(diǎn)。以作者為節(jié)點(diǎn)類型生成的知識圖譜中共產(chǎn)生410個節(jié)點(diǎn),715條連線,密度為0.008 5.在表3中都柏林大學(xué)的Gilchrist教授、渥太華大學(xué)的Hoshizaki教授、斯坦福大學(xué)的Camarillo教授是國際上發(fā)文量前3的學(xué)者,與外文發(fā)文機(jī)構(gòu)前3的機(jī)構(gòu)相對應(yīng)(見表1),其主要研究視角均集中于頭部的生物力學(xué)研究中,說明這是該領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

表3 國際上發(fā)文量前3的學(xué)者

在國內(nèi)主要學(xué)者的知識圖譜中共產(chǎn)生364個節(jié)點(diǎn),437條連線,密度為0.006 6,學(xué)者間的聯(lián)系主要表現(xiàn)為機(jī)構(gòu)間的合作較多。在表4中,不同于國際上的主要學(xué)者,國內(nèi)發(fā)文前3的學(xué)者研究視角更加集中于足踝部位的生物力學(xué)研究。

表4 國內(nèi)發(fā)文量前3的學(xué)者

2.4 學(xué)科基礎(chǔ)分析

文獻(xiàn)學(xué)科分布是判斷研究領(lǐng)域集中程度的重要前提。運(yùn)動生物力學(xué)本身作為一門新興交叉學(xué)科,加入有限元分析無疑是覆蓋多個學(xué)科領(lǐng)域的情形。在圖3中,國際上有限元分析法在運(yùn)動生物力學(xué)上的研究主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程(Engineering Biomedical)、機(jī)械工程(Engineering Mechanical)、體育科學(xué)(Sport Sciences)和生物物理學(xué)(Biophysics)。國內(nèi)該領(lǐng)域研究主要涉及外科學(xué)、體育學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、特種醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。使用有限元分析法運(yùn)用于運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域研究必將以多學(xué)科視角出發(fā),生物醫(yī)學(xué)工程和體育學(xué)將占據(jù)重要位置。

圖3 學(xué)科分布圖(a)國內(nèi)學(xué)科基礎(chǔ)分布;(b)國際學(xué)科基礎(chǔ)分布

2.5 共被引文獻(xiàn)分析

文獻(xiàn)的被引頻次可以反映出相關(guān)文獻(xiàn)在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力。從表5可以看出,國內(nèi)被引頻次較高的文獻(xiàn)多為研究進(jìn)展分析,視角集中于下肢關(guān)節(jié)尤其是足踝的有限元模型重建較多;國際上被引頻次較高的文獻(xiàn)多為應(yīng)用研究,主要有頭部模型重建進(jìn)行腦震蕩、大腦緊張等仿真分析。

表5 中英文高頻共被引文獻(xiàn)

2.6 突現(xiàn)詞分析

突現(xiàn)詞可以發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)劇增的關(guān)鍵詞,從更深度的層面觀測該領(lǐng)域的發(fā)展變化。國內(nèi)突現(xiàn)強(qiáng)度較高的關(guān)鍵詞有組織工程(3.13)、軟骨(2.77)、研究方法(2.38)、中國(2.33)、膝關(guān)節(jié)(2.25)等;國際上突現(xiàn)強(qiáng)度較高的關(guān)鍵詞有頭部(head,3.55)、生物力學(xué)(biomechanics,3.50)、有限元模型(finite element modeling,3.27)、創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury 3.10)、職業(yè)足球(professional football,3.07)等。其中研究方法和前交叉韌帶(anterior cruciate ligament)的持續(xù)時間最長,當(dāng)今仍存在的突現(xiàn)詞包括步態(tài)分析、預(yù)測器(predictor)和重建(reconstruction)。說明關(guān)于頭部和膝關(guān)節(jié)的模型重建和有限元分析是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。

3 有限元在運(yùn)動生物力學(xué)研究領(lǐng)域分析

3.1 研究熱點(diǎn)分析

關(guān)鍵詞是對一篇文章的高度凝練,為探究該領(lǐng)域不同研究熱點(diǎn)及發(fā)展情況?；贑iteSpace以關(guān)鍵詞為節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行可視化分析,在表6中,國內(nèi)外均出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞有生物力學(xué)和有限元,國內(nèi)關(guān)鍵詞頻次最高、中心性最強(qiáng)的是生物力學(xué),國際上關(guān)鍵詞頻次最高的是損傷(injury),而中心性最強(qiáng)的是有限元分析(finite element analysis)。從整體上看,有限元分析法在運(yùn)動生物力學(xué)上的研究主要集中于運(yùn)動損傷機(jī)制的探索中,不同于影像學(xué)方法觀察傷后人體結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化,有限元法利用自適應(yīng)建模與計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真人體運(yùn)動過程中肌骨系統(tǒng)的力學(xué)響應(yīng)。

表6 國內(nèi)外關(guān)鍵詞分析

國外研究傾向于探究人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)力學(xué)環(huán)境發(fā)生變化后的影響,特別是腦震蕩、創(chuàng)傷性腦損傷等。國內(nèi)研究起步較晚,視角集中于有限元模型的重建過程,包括模型建立時的軟骨構(gòu)建、有限元分析中的邊界條件設(shè)置等,研究對象以膝、踝關(guān)節(jié)為主。

3.2 研究前沿分析

關(guān)鍵詞的聚類分析是以對數(shù)極大似然率(likelihood rate,LLR)通過多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),依據(jù)指標(biāo)間的相似性進(jìn)行劃分。在表7中我國在有限元法應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)的研究中產(chǎn)生的前10大聚類具體包括:1)生物力學(xué)。主要通過建立有限元模型探究脊柱側(cè)凸、脊柱側(cè)彎等的損傷機(jī)制與臨床治療手段[6～7]。2)基于臨床醫(yī)學(xué)影像與解剖結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建的膝關(guān)節(jié)幾何模型,針對構(gòu)建過程中材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等方面進(jìn)行探索[8]。3)有限元。通過有限元分析獲得關(guān)節(jié)的力學(xué)特性,為椎間盤退變、膝骨關(guān)節(jié)炎等損傷機(jī)制與臨床分析提供思路[9]。4)應(yīng)力。應(yīng)力是物體在外部因素條件下產(chǎn)生形變時的相互作用內(nèi)力,從材料力學(xué)角度定義分為主應(yīng)力、切應(yīng)力等,肌骨模型仿真運(yùn)動過程所獲得的應(yīng)力參數(shù)助于探究運(yùn)動損傷的生物力學(xué)機(jī)制[10]。5)三維運(yùn)動。主要包括有限元模型探究臨床治療中骨骼固定系統(tǒng)中的穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性[11],以及球類運(yùn)動中肱骨內(nèi)上髁炎、外上髁炎等發(fā)病機(jī)制[12]。6)韌帶。有限元法不止分析骨關(guān)節(jié)的力學(xué)特性,還可以重建骨與骨間的韌帶、肌腱等,例如尺側(cè)副韌帶、橈側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶等,獲得韌帶在運(yùn)動過程中相關(guān)力學(xué)參數(shù),增加運(yùn)動訓(xùn)練和臨床診斷中的實(shí)際應(yīng)用。7)中國。探究國內(nèi)運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[13]。8)振動。有限元分析法在運(yùn)動生物力學(xué)中的研究涉及到運(yùn)動醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、生物工程等相關(guān)領(lǐng)域。9)運(yùn)動捕捉。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)投入到有限元分析中,采集運(yùn)動過程中相關(guān)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù),可以作為有限元分析的邊界條件,提升仿真精確性[14]。10)高爾夫球。主要探究各類運(yùn)動項(xiàng)目中專項(xiàng)動作誘發(fā)損傷的力學(xué)機(jī)制,例如羽毛球、網(wǎng)球、武術(shù)等。

表7 國內(nèi)有限元法在運(yùn)動生物力學(xué)研究的聚類分析

在表8中,國際上在有限元法應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)研究的關(guān)鍵詞中產(chǎn)生前10大聚類,具體如下:1)有限元模型(finite element model)。建立腦部有限元模型分析腦部損傷機(jī)制,例如腦震蕩、創(chuàng)傷性腦損傷等。2)頭部撞擊(head impact)。運(yùn)動頭盔可以減少腦部創(chuàng)傷性損傷的風(fēng)險,特別是在橄欖球、冰球等運(yùn)動中,主要包括頭盔的建立和頭部撞擊后的影響[15]。3)有限元分析(finite element analysis)。足-鞋、脊椎生物力學(xué)研究是一大研究熱點(diǎn),在運(yùn)動過程中運(yùn)動鞋可以為運(yùn)動員足踝、膝關(guān)節(jié)、腰椎等提供更好的保護(hù),通過運(yùn)動員落地沖擊、運(yùn)動疾病后的有限元分析為運(yùn)動鞋核心技術(shù)的研發(fā)提供力學(xué)參數(shù)[16]。4)生物力學(xué)(biomechanics)的研究主要涉及頭部和足-鞋生物力學(xué)研究,基于有限元法探究運(yùn)動鞋的材料性能、物理特性,包括緩震、耐磨等。5)流體-結(jié)構(gòu)相互作用(fluid-structure interaction)。有限元建模過程中重建肌腱、韌帶,例如前交叉韌帶、外側(cè)副韌帶等,探究在細(xì)胞、膠原蛋白等微觀結(jié)構(gòu)變化。6)最優(yōu)化(optimization)。基于有限元分析法的損傷力學(xué)探究可以達(dá)到優(yōu)化運(yùn)動表現(xiàn),降低運(yùn)動損傷風(fēng)險的目的。7)腦震蕩(concussion)。腦震蕩是國際上通過有限元分析法研究最頻繁的一種損傷類型,涉及包括冰球、曲棍球、足球等多個專項(xiàng),腦拉傷、顱腦損傷、軸突損傷等多種損傷因子。8)應(yīng)力性骨折(stress fracture)。骨的應(yīng)力性損傷在體育活動中頻繁出現(xiàn),不同于離體實(shí)驗(yàn),有限元結(jié)果中范式等效應(yīng)力(Von-Mises stress)、最大主應(yīng)力(maximum principal stress)、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)可以更真實(shí)地反映出骨在運(yùn)動過程的力學(xué)環(huán)境。9)電活性聚合物(electroactive polymers)。電活性聚合物是一種多用于工程學(xué)中的材料,具有應(yīng)變能力大的特性[17]?；陔娀钚跃酆衔锱c有限元耦合建模作為有限元分析法的新突破,為人體肌骨系統(tǒng)運(yùn)動提供更多幫助。10)骨密質(zhì)(cortical bone)。根據(jù)骨的結(jié)構(gòu)密度不同可以將骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨,不同材料屬性會影響有限元的最終結(jié)果[18]。

表8 國際有限元法在運(yùn)動生物力學(xué)研究的聚類分析

3.3 運(yùn)動損傷的生物力學(xué)機(jī)制探究

通過對2021～2022年CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫中有限元分析法應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)研究的523篇文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)與可視化分析,探究該領(lǐng)域當(dāng)前研究趨勢如下:

在年度發(fā)文量、國家、作者與所屬機(jī)構(gòu)的分析中,我國在該領(lǐng)域的研究起步落后于國外,但在后期迅速發(fā)展,整體上均呈上升趨勢。在美國領(lǐng)銜,加拿大、中國、愛爾蘭緊隨其后的研究隊(duì)伍中,研究多集中于頭部和膝關(guān)節(jié)的模型重建和仿真分析。然而各個國家、機(jī)構(gòu)間的合作較少,學(xué)者與學(xué)者之間的合作多同屬于一個機(jī)構(gòu)。

基于學(xué)科基礎(chǔ)與關(guān)鍵詞的知識圖譜分析中,在生物工程、體育學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科融合下,有限元分析被應(yīng)用于研究關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶等人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在運(yùn)動過程中的力學(xué)響應(yīng),提升運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诩」窍到y(tǒng)力學(xué)行為的理解,為探究運(yùn)動損傷的誘發(fā)機(jī)制、臨床醫(yī)學(xué)診斷、治療以及康復(fù)提供力學(xué)參數(shù)。

運(yùn)動相關(guān)的腦震蕩在美國很常見,特別是在足球、冰球、曲棍球等運(yùn)動中易發(fā)生創(chuàng)傷性腦損傷、腦震蕩等[19],因此頭腦的有限元分析一直是國際上該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)流行病學(xué)研究表明[20],膝、踝關(guān)節(jié)是發(fā)生運(yùn)動損傷幾率最高的兩個部位,膝關(guān)節(jié)也是近二十年該領(lǐng)域的主要研究對象。突現(xiàn)詞中前交叉韌帶(anterior cruciate ligament)的持續(xù)時間最長,同時伴隨著步態(tài)分析在近兩年的興起,勢必將膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、足-鞋有限元分析推向新的熱潮。

4 結(jié)語與展望

1) 運(yùn)動生物力學(xué)作為一門邊緣學(xué)科,將有限元分析法應(yīng)用于該學(xué)科中的研究整體較少,但具有穩(wěn)定增長趨勢。該領(lǐng)域研究主要應(yīng)用于體育學(xué)、生物工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,國內(nèi)研究起步較晚,但在脊柱生物力學(xué)、前交叉韌帶損傷研究中有所建樹。

2) 當(dāng)前該領(lǐng)域研究視角主要集中于膝關(guān)節(jié)和頭部幾何模型重建,進(jìn)行羽毛球、冰球、足球等專項(xiàng)動作的仿真分析,和針對誘發(fā)腦震蕩、前交叉韌帶斷裂等病變的力學(xué)機(jī)制探究。

3) 在多學(xué)科交叉融合下,未來學(xué)者與學(xué)者、機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的合作交流應(yīng)更為密切。有限元分析法也應(yīng)更多應(yīng)用于田徑、籃球、排球等項(xiàng)目中,探究腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等易發(fā)損傷部位的損傷機(jī)制以及足-鞋生物力學(xué)研究中,為運(yùn)動表現(xiàn)的提升和運(yùn)動損傷的預(yù)防提供思路。