運(yùn)動項(xiàng)目選擇的生物力學(xué)研究
——從膝關(guān)節(jié)承重的視角*

唐小英

（成都醫(yī)學(xué)院人文信息管理學(xué)院，四川 成都 610500）

運(yùn)動項(xiàng)目選擇的生物力學(xué)研究
——從膝關(guān)節(jié)承重的視角*

唐小英

（成都醫(yī)學(xué)院人文信息管理學(xué)院，四川 成都 610500）

從膝關(guān)節(jié)承重的視角對運(yùn)動項(xiàng)目選擇進(jìn)行研究，在膝關(guān)節(jié)受力分析的基礎(chǔ)上，建立了膝關(guān)節(jié)承重的生物力學(xué)模型。選取10個(gè)運(yùn)動項(xiàng)目進(jìn)行考察，通過運(yùn)動實(shí)驗(yàn)獲得運(yùn)動相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出各運(yùn)動項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)承重的峰值大小及平均值。結(jié)果顯示，太極拳、爬山項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)承重較大，游泳、步行膝關(guān)節(jié)承重較小，跑步、球類等項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)承重處在中間位置。在此基礎(chǔ)上給出各年齡組運(yùn)動項(xiàng)目選擇建議。

運(yùn)動項(xiàng)目；膝關(guān)節(jié)；受力分析；剛體力學(xué)；模型

運(yùn)動健身目前已經(jīng)成為國人日常生活的重要組成部分，適宜的體育運(yùn)動不僅有益于我們的身體健康,也有益于心理健康。但是對運(yùn)動項(xiàng)目不加選擇，盲目從眾，運(yùn)動時(shí)不講科學(xué)，鍛煉效果就可能達(dá)不到強(qiáng)身健體的目的，甚至對身心產(chǎn)生傷害。

人體膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨構(gòu)成，是下肢運(yùn)動的樞紐，因其解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在運(yùn)動中承載著巨大的負(fù)荷。研究指出，不當(dāng)?shù)捏w育運(yùn)動會增加關(guān)節(jié)面之間的摩擦，使關(guān)節(jié)面損傷，從而發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)疼痛，其傷病率位居所有關(guān)節(jié)之首［1,2]。人類的關(guān)節(jié)可以在 30歲左右就產(chǎn)生沒有癥狀的退化改變,且女性膝關(guān)節(jié)病人比例比男性更高。50歲以上人群中,骨性關(guān)節(jié)病在導(dǎo)致長期殘疾的疾病中僅次于心血管疾病排在第二[3]。

分不同性別、不同年齡、不同身體狀況選擇運(yùn)動項(xiàng)目，有意識去保護(hù)膝關(guān)節(jié)是一個(gè)重要課題,因此研究人體膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性對認(rèn)識關(guān)節(jié)力學(xué)行為、有意識地保護(hù)關(guān)節(jié)、減少關(guān)節(jié)損傷有積極意義。

對膝關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)韌帶進(jìn)行生物力學(xué)分析是防止膝關(guān)節(jié)損傷和治療膝關(guān)節(jié)疾病的基礎(chǔ)[4-7]。膝關(guān)節(jié)承受壓力是膝關(guān)節(jié)的重要功能和容易造成損傷的原因之一。膝關(guān)節(jié)所承受的壓力與屈膝角度有關(guān)，也與身體各部位（軀干、小腿等）的傾斜度有關(guān)，其運(yùn)動是很復(fù)雜的。本文使用生物力學(xué)的方法對膝關(guān)節(jié)所承受的壓力進(jìn)行研究，對指導(dǎo)科學(xué)體育訓(xùn)練和運(yùn)動醫(yī)學(xué)治療，預(yù)防膝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷、防止膝關(guān)節(jié)炎癥、合理提高運(yùn)動成績等方面提供模型和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 膝關(guān)節(jié)承重的生物力學(xué)模型

1.1 膝關(guān)節(jié)受力分析

人體各部位的受力是相當(dāng)復(fù)雜的，涉及到大量生物力學(xué)知識與物理知識，為簡化計(jì)算、方便建模，我們將復(fù)雜的膝關(guān)節(jié)生理構(gòu)造合理簡化。膝關(guān)節(jié)由股骨踝、脛骨平臺、腓骨、髕骨、韌帶、半月板、關(guān)節(jié)軟骨、肌肉等共同組成。圍繞膝關(guān)節(jié)我們將其簡化成4部分，上肢、股骨、髕骨、脛骨，在脛股關(guān)節(jié)處，我們將其復(fù)雜構(gòu)造簡化成關(guān)節(jié)球，四條韌帶簡化成一條：交叉韌帶。人體在曲膝運(yùn)動時(shí)，若以“股骨”為研究對象：以交叉韌帶（髕骨位置）為支點(diǎn)，其力學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 人體下肢受力分析圖

2.2 膝關(guān)節(jié)承重的生物力學(xué)模型

假設(shè)人體處在曲膝運(yùn)動狀態(tài)，以髕韌帶（髕骨位置）為支點(diǎn)，由剛體力學(xué)理論，可得脛骨合外力矩為0：

于是有膝關(guān)節(jié)承受壓力：膝關(guān)節(jié)承重量受體重、身高、運(yùn)動速度、身體姿勢等的影響。

3 應(yīng)用生物力學(xué)模型計(jì)算各運(yùn)動項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)承重的大小

競技體育運(yùn)動項(xiàng)目分為賽艇類、賽車、球類、速度力量型、耐力型、表現(xiàn)難美型、技能準(zhǔn)確型、格斗對抗型、鐵人三項(xiàng)等九種類型，目前國際奧運(yùn)會體育運(yùn)動項(xiàng)目大致分為奧運(yùn)項(xiàng)目28大項(xiàng)、非奧運(yùn)項(xiàng)目12項(xiàng)。民族民間傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的種類更加繁多，比如滾鐵環(huán)、跳皮筋、踢鍵子、拔河、抽陀螺、跳竹竿舞、少年拳等等。

為了便于分析比較，我們選取日常生活中人們普遍采用的體育運(yùn)動項(xiàng)目。北京市體育局“全民健身科普知識手冊[8]”推薦項(xiàng)目：步行、游泳、太極拳、爬樓爬山、跳繩、踢鍵、廣場舞（健身操）等。除此之外根據(jù)全民健身項(xiàng)目選擇傾向的群體特征[9]，增加羽毛球（球類）、慢跑、騎自行車，共10個(gè)項(xiàng)目作為研究項(xiàng)目。

3.1 參數(shù)選擇

根據(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局頒布“中國成年人人體尺寸”[10]、“中國成年人環(huán)節(jié)相對質(zhì)量和環(huán)節(jié)質(zhì)心相對位置國家標(biāo)準(zhǔn)”[11]：參數(shù)股骨長度、脛骨長度、上肢重力、大腿重力與身高、體重的關(guān)系為

髕韌帶到膝蓋支點(diǎn)中心距離通過多次測量，結(jié)果為：

3.2 數(shù)值計(jì)算

表1 運(yùn)動項(xiàng)目與膝關(guān)節(jié)承重對應(yīng)表

結(jié)果顯示：運(yùn)動項(xiàng)目中膝關(guān)節(jié)承重峰值較大的是爬山、羽毛球、太極拳、跳繩，膝關(guān)節(jié)負(fù)重狀態(tài)下平均承重較大的是太極拳、爬山。兩項(xiàng)指標(biāo)均較小的是游泳、步行。

4 從膝關(guān)節(jié)承重的視角看運(yùn)動項(xiàng)目選擇

運(yùn)動可以幫助人們鍛煉意志、強(qiáng)身健體、尋找快樂和增強(qiáng)自信，隨著現(xiàn)代健身娛樂項(xiàng)目的不斷開發(fā)，可供人們選擇的體育活動形式也越來越多。若對運(yùn)動項(xiàng)目不加選擇，盲目從眾，則運(yùn)動可能達(dá)不到強(qiáng)身健體的目的，甚至?xí)ι眢w產(chǎn)生傷害。通過比較典型運(yùn)動項(xiàng)目膝關(guān)節(jié)承重的大小關(guān)系，可以從膝關(guān)節(jié)承重的視角對運(yùn)動項(xiàng)目選擇提出建議。

4.1 膝關(guān)節(jié)承重較大的運(yùn)動項(xiàng)目

從表2中可以看出，太極拳、爬樓爬山運(yùn)動膝關(guān)節(jié)承重是非常大的。

太極拳作為中華武術(shù)文化的瑰寶，具有低成本、低技術(shù)要求、低沖擊的特點(diǎn)，通過太極拳練習(xí)可提高習(xí)練者全身血氧含量，改善心肺功能，對慢性心血管疾病具有積極的防治作用［12，13］。然而許多調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時(shí)間太極拳練習(xí)后，常會出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)疼痛的現(xiàn)象［12，13］，甚至膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)明顯病變。這與太極拳的全部動作中膝關(guān)節(jié)持續(xù)彎曲產(chǎn)生較大的膝關(guān)節(jié)承重具有較大相關(guān)性。

登山運(yùn)動已經(jīng)成為國人休閑娛樂、放松身心的一項(xiàng)熱門運(yùn)動。根據(jù)中國登山協(xié)會對登山戶外運(yùn)動人口的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2015 年全國登山戶外人口數(shù)達(dá)1.3億，然而登山運(yùn)動對身體的傷害，特別是膝關(guān)節(jié)的損傷也是不容忽視的。越來越多的報(bào)道顯示，運(yùn)動對膝關(guān)節(jié)有較大影響。2012年45歲有近20年爬山史的西安資深驢友張凡被醫(yī)生告知膝關(guān)節(jié)軟骨已全部磨光，需要人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)才能解決，而導(dǎo)致膝蓋損傷的原因就是經(jīng)常爬山。

太極拳、爬樓爬山運(yùn)動，不適合作為長期、經(jīng)常的運(yùn)動項(xiàng)目，不能作為全民健身的廣泛推薦項(xiàng)目。

4.2 運(yùn)動項(xiàng)目選擇

人類在15歲以前膝關(guān)節(jié)處于發(fā)育階段，在運(yùn)動項(xiàng)目的選擇問題上，應(yīng)避免過分負(fù)重的項(xiàng)目，比如舉重、馬拉松等。乒乓球、跆拳道、游泳、跳繩、輪滑等應(yīng)是比較好的選擇。

15歲-30歲時(shí)，膝關(guān)節(jié)處于最佳狀態(tài)，只要不破壞到膝關(guān)節(jié)組織，運(yùn)動項(xiàng)目均可以選擇。一些集體項(xiàng)目，比如籃球、排球等應(yīng)是極好的選擇，不僅鍛煉身體，還能鍛煉品格和意志，同時(shí)集體項(xiàng)目的趣味性可以提高體育鍛煉的忠誠度。

30歲-50歲時(shí)，髕骨軟骨產(chǎn)生了早期輕度磨損，半月板的退變也開始產(chǎn)生，但由于髕骨軟骨沒有神經(jīng)分布，有的人甚至還會察覺不到。在這段時(shí)期內(nèi)要避免劇烈運(yùn)動。在運(yùn)動項(xiàng)目的選擇問題上，應(yīng)避免長期高負(fù)重的項(xiàng)目，比如長期、頻繁進(jìn)行爬樓爬山運(yùn)動等。比較好的選擇有健身跑、游泳、騎自行車、體育舞蹈、籃球、羽毛球、乒乓球等。

50歲是關(guān)節(jié)力量衰退的轉(zhuǎn)折點(diǎn)［14］。關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和活動性逐漸變差，關(guān)節(jié)軟骨厚度減小及鈣化、彈性喪失，滑膜面纖維化、關(guān)節(jié)面退化等一系列退行性改變［15］。此年齡階段是加強(qiáng)動作控制能力和實(shí)施預(yù)防跌倒工作的關(guān)鍵敏感年齡，應(yīng)避免上下樓梯和爬山，必要時(shí)可以使用拐杖來減輕膝關(guān)節(jié)承受的壓力。比較好的選擇有步行、健身氣功、八段錦、廣場舞、門球、釣魚等。

當(dāng)然，所有的運(yùn)動項(xiàng)目選擇都不是絕對的，每個(gè)人的身體狀況、興趣愛好、經(jīng)濟(jì)條件等都不一樣，要做到因人而異，因時(shí)制宜。切記不是所有運(yùn)動都對人的健康有益，只有科學(xué)有效的進(jìn)行選擇，才能達(dá)到增強(qiáng)體質(zhì)、增進(jìn)健康的效果。

5 結(jié)語

本文基于運(yùn)動基礎(chǔ)上建立了膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，對10個(gè)運(yùn)動項(xiàng)目進(jìn)行模型分析，通過計(jì)算，獲得了膝關(guān)節(jié)受力大小的峰值及均值等結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，從膝關(guān)節(jié)承重的視角對運(yùn)動項(xiàng)目選擇進(jìn)行了分析。對指導(dǎo)運(yùn)動項(xiàng)目選擇、科學(xué)體育訓(xùn)練和體育醫(yī)學(xué)治療，預(yù)防膝關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷、防止膝關(guān)節(jié)炎癥等方面提供模型和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1] Nigg BM，Wakeling JM. Impact forces and muscle tuning∶ anew paradigm[J]. Exercise & SportSciences Reviews，2001，29(1)∶37-41.

[2] 許玉林,孫允高,張春林.膝關(guān)節(jié)動力學(xué)模型的研究進(jìn)展[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊,2004,27(1)∶57-60.

[3]郝智秀，步態(tài)變化對人體膝關(guān)節(jié)接觸生物力學(xué)特性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2009，49(5)∶656-659.

[4]陸愛云，運(yùn)動生物力學(xué)[M]．北京∶人民體育出版社，2010∶260-278

[5] Elahi S，Cahue S，F(xiàn)elson D T．The association between varus-valgus alignmentandpatellofemoral osteoarthritis[J]．Arthritis and Rheumatism，2000，43( 8) ∶ 1874-1880.

[6] 王冬梅.旋風(fēng)腳720°接馬步動作落地時(shí)致膝關(guān)節(jié)損傷的運(yùn)動生物力學(xué)分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,38(3)∶139-144.

[7]汪曉瑞，吳曉杰.太極拳引起膝關(guān)節(jié)損傷及預(yù)防的生物力學(xué)分析[J]．遼寧體育科技, 2012,34(3)∶32-35.

[8]北京市體育局，北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會主編. 全民健身科普知識手冊[M].北京：北京燕山出版社, 2006.11：1-26.

[9]楊佳萌.健身項(xiàng)目選擇傾向的群體特征[J]．遼寧體育科技, 2006,28(3)∶32-35.

[10]GB/T 10000-1988. 中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988.

[11]趙煥彬,李建設(shè).運(yùn)動生物力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社, 2008,03∶19-58.

[12]郭旭鋒．太極拳練習(xí)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)痛的流行病學(xué)調(diào)查[D]．上?！蒙虾ｓw育學(xué)院，2010∶ 7-10.

[13]朱東，李立．上海市區(qū)太極拳練習(xí)者膝關(guān)節(jié)疼痛調(diào)查分析[J]．中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2011,30(9) ∶ 820-823.

[14]屈莎，羅冬梅，女性蹲起動作控制能力的增齡性變化研究[J]．北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(9)：88-92.

[15]溫煦，王梅，張一民．中國城鎮(zhèn)居民骨骼肌含量和骨骼肌力量在增齡過程中的變化研究[J]．體育科學(xué)，2010，30( 3) ∶ 36-41．

On the Selection of Sports Items by Biomechanical Method——From the perspective of knee joint bearing

TANG Xiaoying
(Chengdu Medical College, Chengdu 610500 ,Sichuan, China)

2016年度四川省科技廳“軟科學(xué)計(jì)劃”項(xiàng)目資助（2016ZR0088）。

唐小英（1967-），山東濰坊人，碩士，副教授，研究方向：運(yùn)動人體科學(xué)、民族傳統(tǒng)體育。