重视运动医学领域生物力学的研究『生物园地泛学科博客文章』

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重视运动医学领域生物力学的研究

中国运动医学杂志 2000年第1期第19卷 新世纪专家论坛

作者：陈世益

单位：陈世益(上海医科大学华山医院运动医学骨科及康复科　200040)

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　　生物力学是利用力学原理和方法，，研究和解决与人体及其他生命体有关力学问题的一门学科。20世纪60年代到90年代，是生物力学形成与飞速发展的一个重要时期，物理科学中固体力学、流体力学、空气动力学、运动学等均不同程度地介入到生命科学领域，形成一门独特的新兴学科--生物力学。

　　在美国，生物力学是骨科与运动创伤医生、体疗康复师、教练员、运动训练员的必修课程之一，它与运动医学及康复医学密切相关，如同生理学、病理学、生物化学等医学基础学科，对临床一样重要。生物力学对运动创伤的意义，不仅表现在创伤的发生、发展、诊断、治疗，更与康复及预后诸方面密切相关。在我国，生物力学的研究始于70年代末，在80、90年代得到较大发展。生物力学在骨骼、关节、肌肉韧带等运动系统领域的研究最为活跃，尤其对临床骨科、运动医学、康复医学以及体育运动影响最大，也最直接，已取得了令人瞩目的成就。在运动医学和骨科领域，随着生物力学研究的深入，许多诊断方法和治疗手段已得到改进，人工假体、手术方法不断创新与完善，临床康复概念也在发生变化，康复器械得到不断改进。

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　　在运动医学领域，生物力学的研究主要描述骨、关节、肌肉、韧带的力学性质，揭示骨与软组织在不同损伤力的作用下，组织破坏的力学机制，提出运动伤病防治和康复的方法与建议；在全民健身领域，生物力学主要研究运动锻炼和不锻炼，以及不同锻炼方式对软组织和硬组织的力学效应，科学利用运动锻炼手段达到增进健康与防病治病目的，对提高人类生活质量和促进健康长寿，保障全民健身运动的健康开展，具有重要意义；在竞技体育领域，运动生物力学的研究，为改进技术动作与训练方法，提高运动成绩和延长运动寿命，促进奥林匹克运动事业的健康发展，起到积极保障作用。

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　　近10余年来全球创伤发病率持续增长，运动创伤也同样如此。一份涉及瑞典41,000人口社区，为期12个月的大型意外创伤临床流行病学调查表明，共有4926例需要医疗处理的意外创伤发生，其中933例是运动创伤（占所有意外创伤的18.9％）。也就是说，每1000人群中发生22.5例运动创伤，发生率为22.5‰。其他研究报告也显示：意外创伤与休闲体育运动创伤之比为6∶1。运动创伤已成为工业化国家创伤的重要组成部分。据统计，损伤是美国人1－44岁年龄组导致死亡的第一位因素。从每年损伤发生的角度看，损伤毁掉的工作年比所有癌症和心脏病毁掉的工作年的总数还要多。美国医院中超过1/8的床位被创伤病人所占。由美国国家健康统计中心提供的一组数据表明，“80年代，美国每年花在肌肉与骨骼疾病方面的总费用超过590亿美元，占所有疾病费用总数的13％”。进入90年代，随着工业化国家人口老龄化，工业、交通伤害及运动伤害发生率的增加，这种趋势将进一步扩大。在我国发达地区也已见到这种趋势。去年，仅上海地区运动创伤发生率就已达到近年最高水平，甚至发生高位颈椎损伤截瘫等严重事件。运动创伤防治的严峻性再次提醒体育管理部门的重视和运动创伤医生的警觉。因此，开展运动创伤生物力学研究，也正是更有效预防和治疗运动伤病的客观需求。

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　　过去大部分的研究工作都集中在正常的组织方面。90年代以来，部分研究已在模拟病理组织和人体上进行，以便更多地了解损伤发生机制，制定相应预防、治疗和康复对策。其中对骨折与骨愈合力学特性、膝关节十字韧带损伤、髌股关节疾病、侧副韧带损伤和关节持续被动运动（CPM）理论的研究都已经比较深入，但对其他组织结构力学性质的了解还很不够。过去，大多只研究组织的准静态，很少知道组织在体或动态状况下的力学响应与运动学变化。除了研究肌肉与骨骼系统急性损伤机理外，运动医学领域生物力学的研究范围还在扩大，还涉足研究运动锻炼对过度使用性（overuse）损伤和慢性退行性（degeneration）病变这两大医学难题的影响，认识其发生机制、预防和治疗措施。前者如末端病和慢性腰背痛，后者如骨关节炎和骨质疏松症等。对组织过度使用性损伤的研究，并联系力学环境和组织重建及愈合过程之间的关系，以确定长期从事重复性运动的允许极限，对预防腰背痛和骨关节炎将作出较大贡献。

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　　人体运动创伤的预测、评价和防治，主要运用变形体生物力学，包括生物材料力学、生物结构力学、计算力学、断裂力学、粘弹性力学、损伤力学等边缘学科，侧重研究肌肉骨骼系统的生物力学特性。骨骼、关节、肌肉、韧带运动损伤的发生，绝大部分与异常力学因素有关。人体运动系统各种组织材料，均有各自的材料力学性质，同一组织由不同成份组成，故材料力学表现为各向异性。传统上用应力－应变曲线表达生物材料力与变形的关系，即一定的应力范围内产生可复性形变，超过限定的张力或压力，材料内部结构发生微损伤，可复性受到影响。应力进一步发展，材料结构断裂，组织破坏不可恢复。如韧带断裂、骨折、肌肉拉伤等。除此，运动实践中更要考虑应力速度与结构损伤的关系，因此有了速度－应变关系的研究。高速暴力主要损伤骨骼，慢速应力则多损伤软硬结合处的组织结构。作用于膝关节的前后暴力和扭转暴力造成交叉韧带损伤，侧方暴力造成侧副韧带损伤。下肢的过度使用和应力集中造成各种疲劳性骨折。急性的跟腱断裂往往与足踝特殊发力角度、跟腱应力过大有关；对足跟疼痛和跟腱末端病，如果改变鞋形与鞋底力学结构，增加足跟缓冲，可能会达到治愈和防止再伤的目的。而肌肉的损伤往往在肌肉疲劳、张力过高或弹性应变下降时发生。关节的高应力或低应力状态都会造成关节内软骨的退行性改变。髌股关节疾病常与髌股对位对线不良、股四头肌Q角异常、高位髌骨或低位髌骨、胫骨扭转畸形等因素有关。

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　　肌肉与骨骼系统的许多治疗方法实际上是力学方法，因而其治疗效果也可用力学手段来评价。许多伤病，在很大程度上，是由力学原因引起的，对运动的力学研究也许能使我们对它们有更多的了解，从而可能预防和阻止伤病的发生与发展。等长、等张和等速肌力训练和测试方面的研究，为提高肌肉训练效果，加快运动损伤后的康复提供了更多更有效的手段。

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　　展望未来，在整个体育运动领域，生物力学的研究具有极大潜力和发展前景，并有可能对社会的健康福利作出更大贡献。例如关节炎这种影响老年人的慢性退行性疾病，总是引起运动状态的异常。对这些运动状态的评价，并将它与骨关节炎的治疗相联系，就能提高疗效，改善病人生活质量。综观新世纪在生物力学领域的研究课题，可概括为五大方面：

　　其一，系统地研究与确定运动对人体各种组织和细胞的力学影响程度，并运用于运动实践，以进行科学的锻炼与训练，这对指导全民健身运动和竞技体育运动的完善，将具有十分重要的作用。

　　其二，从预防运动损伤的观点出发，对各种体育/娱乐活动进行生物力学分析，找出致伤因素，并设计出相应预防与治疗措施。

　　其三，提供有针对性的系统的力学方法，确立临床中损伤程度及治疗效果的客观评价体系。

　　其四，提高与完善生物力学模拟技术，“量体裁衣”，根据个体解剖力学的缺陷或不足，设计矫形护具或外科手术，以更有效地治疗运动伤病，并对每个患者可能的结果作出预测。

　　其五，建立在不同运动中不造成损伤所能承受的载荷极限指标体系。从应用角度看，真正需要开发的是一种用以验证运动优化技术的程序。运动优化技术就是为各个特定对象根据个体解剖和生理特点确定运动负荷的量和动作方式，以使运动损伤的风险降至最低，而动作发挥最理想，并达至最佳运动成绩。■

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