有限元分析法在運動生物力學中應用的可視化分析

洪 靖,蔣 倩,黃晨賓,黃宇豪,李文斌

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

0 引言

運動生物力學是生物力學的分支,主要研究人體及器械在體育運動中的規律,涉及解剖學、運動訓練學、生理學、力學等的交叉新興學科[1]。運動生物力學的研究旨在提高運動表現和降低運動損傷風險,在競技體育、大眾健身、臨床診斷與康復等領域發揮重要作用[2]。

高性能計算技術迅速發展的時代下,數值仿真技術與生物力學之父馮元楨先生提出的“應力-生長關系”理論高度耦合,促成生物力學建模仿真的巨大進步[3]。生物力學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末被應用至骨科領域[4]。生物力學在骨科領域展現出巨大的潛力使得有限元分析法也被廣泛應用于運動生物力學中[2]。值得注意的是,鮮有學者對于該領域進行系統性梳理分析,李建設、顧耀東[5]曾運用大量文獻對該領域進行綜述,但綜述時間較早不能實時反映出該領域當下研究熱點。

本研究整合中國知網與Web of Science數據庫中關于運動生物力學中有限元分析的研究文獻,通過CiteSpace可視化軟件生成作者、國家、關鍵詞等知識圖譜,探尋國內外該領域的研究熱點和發展路徑,為運動生物力學的理論研究和實踐應用提供參考。

1 數據資料與研究方法

以中國知網(China National Knowledge Infrastructure,CNKI)和Web of Science Core Collection(WOS)作為數據庫,檢索時間為2001年01月01日至2022年10月15日,使用“運動損傷”“運動生物力學”“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288篇,英文文獻385篇。篩選出與運動生物力學研究無關的文章及重復文章最終得到中文文獻240篇,英文文獻283篇。

將中文文獻以Refworks格式,英文文獻以純文本格式導入CiteSpace 6.1.R3中,以一年為時間切片(Time Slice),通過作者(Author)、機構(Institution)、國家(Country)、關鍵詞(Keyword)等作為節點類型(Node types),獲得知識圖譜與相關數據進行可視化分析。

2 文獻特征分析

2.1 發文趨勢分析

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

圖1 國內與國際發文趨勢變化圖

2.2 國家與機構分析

國家與機構的可視化分析可以反映出該領域當前研究力量分布與機構間的合作情況,有利于促進學科發展和成果共享。以國家和機構作為節點類型進行可視化分析得到圖2、表1和表2.在圖2中,美國發文量為125篇穩居第一,遠領先于其他國家。除美國外,發文量前三的國家為加拿大(40篇)、中國(38篇)和愛爾蘭(31篇),是該領域研究的重要力量。其余國家在該領域的發文量均未超過20篇。

表1 國際發文量前3的機構

表2 國內發文量前3的機構

圖2 發文量前10的國家發文數量

外文發文機構的知識圖譜共有305個節點,364條連線,密度為0.007 7.在表1中,外文發文機構發文量前三的為都柏林大學、渥太華大學和斯坦福大學,其所屬地愛爾蘭和美國均為發文量較多的國家,從中反映出國家與發文機構之間的緊密聯系。

中文發文機構的知識圖譜共有237個節點,100條連線,密度為0.003 6.在表2中,中文發文機構發文量前三的為吉林大學、上海交通大學、上海工程技術大學和太原理工大學。相較于外文發文機構間,國內發文機構間合作性較低。

2.3 作者與所屬機構分析

一個領域的主要研究者可以更有效地把握該領域的研究動態和主流觀點。以作者為節點類型生成的知識圖譜中共產生410個節點,715條連線,密度為0.008 5.在表3中都柏林大學的Gilchrist教授、渥太華大學的Hoshizaki教授、斯坦福大學的Camarillo教授是國際上發文量前3的學者,與外文發文機構前3的機構相對應(見表1),其主要研究視角均集中于頭部的生物力學研究中,說明這是該領域當前的研究熱點之一。

表3 國際上發文量前3的學者

在國內主要學者的知識圖譜中共產生364個節點,437條連線,密度為0.006 6,學者間的聯系主要表現為機構間的合作較多。在表4中,不同于國際上的主要學者,國內發文前3的學者研究視角更加集中于足踝部位的生物力學研究。

表4 國內發文量前3的學者

2.4 學科基礎分析

文獻學科分布是判斷研究領域集中程度的重要前提。運動生物力學本身作為一門新興交叉學科,加入有限元分析無疑是覆蓋多個學科領域的情形。在圖3中,國際上有限元分析法在運動生物力學上的研究主要涉及生物醫學工程(Engineering Biomedical)、機械工程(Engineering Mechanical)、體育科學(Sport Sciences)和生物物理學(Biophysics)。國內該領域研究主要涉及外科學、體育學、生物醫學工程、特種醫學領域。使用有限元分析法運用于運動生物力學領域研究必將以多學科視角出發,生物醫學工程和體育學將占據重要位置。

圖3 學科分布圖(a)國內學科基礎分布;(b)國際學科基礎分布

2.5 共被引文獻分析

文獻的被引頻次可以反映出相關文獻在該領域的學術影響力。從表5可以看出,國內被引頻次較高的文獻多為研究進展分析,視角集中于下肢關節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多為應用研究,主要有頭部模型重建進行腦震蕩、大腦緊張等仿真分析。

表5 中英文高頻共被引文獻

2.6 突現詞分析

突現詞可以發現短期內劇增的關鍵詞,從更深度的層面觀測該領域的發展變化。國內突現強度較高的關鍵詞有組織工程(3.13)、軟骨(2.77)、研究方法(2.38)、中國(2.33)、膝關節(2.25)等;國際上突現強度較高的關鍵詞有頭部(head,3.55)、生物力學(biomechanics,3.50)、有限元模型(finite element modeling,3.27)、創傷性腦損傷(traumatic brain injury 3.10)、職業足球(professional football,3.07)等。其中研究方法和前交叉韌帶(anterior cruciate ligament)的持續時間最長,當今仍存在的突現詞包括步態分析、預測器(predictor)和重建(reconstruction)。說明關于頭部和膝關節的模型重建和有限元分析是當今研究的熱點之一。

3 有限元在運動生物力學研究領域分析

3.1 研究熱點分析

關鍵詞是對一篇文章的高度凝練,為探究該領域不同研究熱點及發展情況?；贑iteSpace以關鍵詞為節點類型進行可視化分析,在表6中,國內外均出現的高頻關鍵詞有生物力學和有限元,國內關鍵詞頻次最高、中心性最強的是生物力學,國際上關鍵詞頻次最高的是損傷(injury),而中心性最強的是有限元分析(finite element analysis)。從整體上看,有限元分析法在運動生物力學上的研究主要集中于運動損傷機制的探索中,不同于影像學方法觀察傷后人體結構內部變化,有限元法利用自適應建模與計算機技術仿真人體運動過程中肌骨系統的力學響應。

表6 國內外關鍵詞分析

國外研究傾向于探究人體內部結構力學環境發生變化后的影響,特別是腦震蕩、創傷性腦損傷等。國內研究起步較晚,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建、有限元分析中的邊界條件設置等,研究對象以膝、踝關節為主。

3.2 研究前沿分析

關鍵詞的聚類分析是以對數極大似然率(likelihood rate,LLR)通過多項指標進行分類統計,依據指標間的相似性進行劃分。在表7中我國在有限元法應用于運動生物力學的研究中產生的前10大聚類具體包括:1)生物力學。主要通過建立有限元模型探究脊柱側凸、脊柱側彎等的損傷機制與臨床治療手段[6～7]。2)基于臨床醫學影像與解剖結構特征構建的膝關節幾何模型,針對構建過程中材料屬性定義、網格劃分、邊界條件設置等方面進行探索[8]。3)有限元。通過有限元分析獲得關節的力學特性,為椎間盤退變、膝骨關節炎等損傷機制與臨床分析提供思路[9]。4)應力。應力是物體在外部因素條件下產生形變時的相互作用內力,從材料力學角度定義分為主應力、切應力等,肌骨模型仿真運動過程所獲得的應力參數助于探究運動損傷的生物力學機制[10]。5)三維運動。主要包括有限元模型探究臨床治療中骨骼固定系統中的穩定性與不穩定性[11],以及球類運動中肱骨內上髁炎、外上髁炎等發病機制[12]。6)韌帶。有限元法不止分析骨關節的力學特性,還可以重建骨與骨間的韌帶、肌腱等,例如尺側副韌帶、橈側副韌帶、外側副韌帶等,獲得韌帶在運動過程中相關力學參數,增加運動訓練和臨床診斷中的實際應用。7)中國。探究國內運動生物力學領域相關研究現狀與發展趨勢[13]。8)振動。有限元分析法在運動生物力學中的研究涉及到運動醫學、生物化學、生物工程等相關領域。9)運動捕捉。運動捕捉系統投入到有限元分析中,采集運動過程中相關的運動學和動力學參數,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。主要探究各類運動項目中專項動作誘發損傷的力學機制,例如羽毛球、網球、武術等。

表7 國內有限元法在運動生物力學研究的聚類分析

在表8中,國際上在有限元法應用于運動生物力學研究的關鍵詞中產生前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制,例如腦震蕩、創傷性腦損傷等。2)頭部撞擊(head impact)。運動頭盔可以減少腦部創傷性損傷的風險,特別是在橄欖球、冰球等運動中,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、脊椎生物力學研究是一大研究熱點,在運動過程中運動鞋可以為運動員足踝、膝關節、腰椎等提供更好的保護,通過運動員落地沖擊、運動疾病后的有限元分析為運動鞋核心技術的研發提供力學參數[16]。4)生物力學(biomechanics)的研究主要涉及頭部和足-鞋生物力學研究,基于有限元法探究運動鞋的材料性能、物理特性,包括緩震、耐磨等。5)流體-結構相互作用(fluid-structure interaction)。有限元建模過程中重建肌腱、韌帶,例如前交叉韌帶、外側副韌帶等,探究在細胞、膠原蛋白等微觀結構變化。6)最優化(optimization)?；谟邢拊治龇ǖ膿p傷力學探究可以達到優化運動表現,降低運動損傷風險的目的。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,腦拉傷、顱腦損傷、軸突損傷等多種損傷因子。8)應力性骨折(stress fracture)。骨的應力性損傷在體育活動中頻繁出現,不同于離體實驗,有限元結果中范式等效應力(Von-Mises stress)、最大主應力(maximum principal stress)、應變等力學參數可以更真實地反映出骨在運動過程的力學環境。9)電活性聚合物(electroactive polymers)。電活性聚合物是一種多用于工程學中的材料,具有應變能力大的特性[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,為人體肌骨系統運動提供更多幫助。10)骨密質(cortical bone)。根據骨的結構密度不同可以將骨分為皮質骨和松質骨,不同材料屬性會影響有限元的最終結果[18]。

表8 國際有限元法在運動生物力學研究的聚類分析

3.3 運動損傷的生物力學機制探究

通過對2021～2022年CNKI和WOS數據庫中有限元分析法應用于運動生物力學研究的523篇文獻進行計量統計與可視化分析,探究該領域當前研究趨勢如下:

在年度發文量、國家、作者與所屬機構的分析中,我國在該領域的研究起步落后于國外,但在后期迅速發展,整體上均呈上升趨勢。在美國領銜,加拿大、中國、愛爾蘭緊隨其后的研究隊伍中,研究多集中于頭部和膝關節的模型重建和仿真分析。然而各個國家、機構間的合作較少,學者與學者之間的合作多同屬于一個機構。

基于學科基礎與關鍵詞的知識圖譜分析中,在生物工程、體育學、醫學等多學科融合下,有限元分析被應用于研究關節、肌腱、韌帶等人體內部結構在運動過程中的力學響應,提升運動生物力學領域對于肌骨系統力學行為的理解,為探究運動損傷的誘發機制、臨床醫學診斷、治療以及康復提供力學參數。

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

4 結語與展望

1) 運動生物力學作為一門邊緣學科,將有限元分析法應用于該學科中的研究整體較少,但具有穩定增長趨勢。該領域研究主要應用于體育學、生物工程、醫學等領域,國內研究起步較晚,但在脊柱生物力學、前交叉韌帶損傷研究中有所建樹。

2) 當前該領域研究視角主要集中于膝關節和頭部幾何模型重建,進行羽毛球、冰球、足球等專項動作的仿真分析,和針對誘發腦震蕩、前交叉韌帶斷裂等病變的力學機制探究。

3) 在多學科交叉融合下,未來學者與學者、機構與機構之間的合作交流應更為密切。有限元分析法也應更多應用于田徑、籃球、排球等項目中,探究腕關節、踝關節等易發損傷部位的損傷機制以及足-鞋生物力學研究中,為運動表現的提升和運動損傷的預防提供思路。