運動損傷預防中的人體生物力學應用研究

中圖分類號：G804

DOI：10.16655/j.cnki.2095-2813.2024.17.000

備注：null

作者簡介：賈超（1999—），男，碩士研究生，無職稱; 研究方向為體育人文社會學。

普通作者：null

作者簡介：賈超（1999-），男，漢，碩士，職稱 ：無，研究方向為體育人文社會學。

摘要：深入理解運動過程中的機械作用，能有效指導運動損傷的預防和康復。通過細致的生物力學評估，可以識別出導致?lián)p傷的運動模式，從而針對性地設計預防措施和康復訓練計劃。本研究通過案例分析，深入探討了生物力學在實際運動損傷預防和康復中的應用，特別是對短跑運動員A和長距離自行車運動員B進行的個性化干預方案及其效果評估，展示了生物力學原理在提高運動安全性和效率方面的巨大潛力。

關(guān)鍵詞：人體生物力學；運動損傷預防；運動損傷康復；案例分析；效果評估

Study on the Application of Human Biomechanics in the Prevention of Sports Injuries

JIA Chao

Mudanjiang Normal University ，Mudanjiang， Heilongjiang Province，157000 China

Abstract： Understanding the mechanical action in the process of sports can also effectively guide the prevention and rehabilitation of sports injuries. Through careful biomechanical assessment， we can identify the movement patterns that lead to injury and design targeted preventive measures and rehabilitation training programs. Through case studies， this study explores the application of biomechanics in actual sports injury prevention and rehabilitation， especially the personalized intervention program and its effectiveness evaluation for sprinter A and long-distance cyclist B， demonstrating the great potential of biomechanical principles in improving sports safety and efficiency.

Key words： human biomechanics; Sports injury prevention; Sports injury rehabilitation; Case study; Effect evaluation

隨著人類對運動極限的不斷探索，運動損傷已成為運動員和教練員面臨的一大挑戰(zhàn)。損傷不僅影響運動員的職業(yè)發(fā)展，還可能對其生活質(zhì)量造成長遠的負面影響。然而，運動場上的輝煌成就往往源于對挑戰(zhàn)的堅持和克服，其中，科技的力量不容忽視。人體生物力學，這門結(jié)合物理學原理和生物學特性的學科，揭示運動和損傷之間復雜的聯(lián)系。它不僅可以助力理解肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)在運動中如何相互作用，還能指導如何通過科學的訓練方法和技術(shù)改進來預防損傷，使運動員能夠以更快、更強、更健康的姿態(tài)站在起跑線上。本研究通過生物力學的鏡頭，探索了運動損傷預防和康復的新策略，其核心在于如何利用對人體機械性能的深刻理解，設計出既科學又個性化的訓練計劃，從而為運動員的健康和表現(xiàn)提供堅實的支撐。

1人體生物力學在預防運動損傷中的理論基礎

1.1生物力學的核心原理與概念

生物力學，作為一門研究生物體在內(nèi)外力作用下結(jié)構(gòu)和功能相互關(guān)系的科學，揭示了人體運動過程中復雜的力學現(xiàn)象。該學科的根基植根于物理學，尤其是力學，涉及的基本原理包括但不限于力與運動、應力與應變。這一領(lǐng)域的研究使得對人體運動過程中的力量進行量化和分析成為可能，進而解析這些力量是如何影響人體的結(jié)構(gòu)與功能。

在運動損傷預防的領(lǐng)域里，生物力學的應用價值體現(xiàn)得尤為明顯。無論是分析跑者的步態(tài)還是舉重者的姿勢，生物力學能夠識別出可能導致傷害的運動模式，并提供相應的改善策略。通過對運動過程中力量的精確測量，研究能夠揭示出哪些特定的力量或應力超出了人體結(jié)構(gòu)的承受范圍，從而導致組織損傷或長期損耗。

1.2利用生物力學原理識別和評估運動損傷風險

識別和評估運動損傷風險構(gòu)成了預防工作中的一項核心任務，而生物力學則提供了完成這一任務的科學方法。動力學和運動學作為生物力學的兩大支柱，分別關(guān)注力與運動之間的關(guān)系以及物體運動的特性而不考慮其成因。利用這兩個分支的原理，研究者可以深入分析運動員在執(zhí)行特定動作時的力量分布和機能表現(xiàn)。

借助高速攝影和傳感器技術(shù)，研究者能夠精確追蹤運動員的動作軌跡，評估肌肉活動和關(guān)節(jié)運動的協(xié)調(diào)性。這種分析有助于識別運動過程中可能增加受傷風險的協(xié)調(diào)不良動作。此外，通過研究地面反作用力和肌肉的應力反應，生物力學分析能夠指出過度或不當使用某一肌肉群的情況，這些往往是導致運動損傷的常見原因[1]。

生物力學的應用不僅限于評估已存在的損傷風險，還能預測哪些運動員可能面臨更高的風險。通過對運動技術(shù)的細微調(diào)整，可以顯著降低這些風險，從而避免損傷的發(fā)生，提高運動表現(xiàn)和延長運動生涯。這種方法的優(yōu)勢在于，它強調(diào)了通過科學方法進行早期干預，最大限度地減少運動損傷的可能性，體現(xiàn)了預防勝于治療的理念。

2損傷預防策略的生物力學分析

2.1生物力學評估技術(shù)

生物力學評估技術(shù)是預防運動損傷策略的基石，它通過精細的測量和分析，揭示了運動員在訓練和比賽中的運動模式及其潛在的損傷風險。這些技術(shù)涵蓋了從基礎的運動捕捉系統(tǒng)到高級的力量分析儀器，使得對運動員的動作進行實時、精確的監(jiān)測成為可能。

動作捕捉技術(shù)是生物力學評估中最為常見的工具之一。通過在運動員身上貼置標記點，捕捉他們在特定運動過程中的動作，專業(yè)軟件能夠生成運動員動作的三維模型。這種技術(shù)能夠提供運動員身體各部位的精確移動數(shù)據(jù)，如角速度、加速度等，從而幫助分析運動效率和揭示可能導致?lián)p傷的運動模式。

地面反作用力的測量也是評估中不可或缺的一部分，尤其是在跑步和跳躍類運動中。使用力平臺或壓力墊，研究者能夠測量運動員腳部與地面接觸時產(chǎn)生的力量，進而分析其對膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和脊椎的影響。通過這些數(shù)據(jù)，可以評估運動員的著地模式是否可能導致過度使用傷害或其他運動損傷。

肌肉力量和耐力的評估也是生物力學分析的重要部分。利用肌電圖（EMG）技術(shù)，可以測量特定肌肉在運動過程中的活動水平，從而評估肌肉的工作模式和疲勞程度。這些信息對于設計針對性的訓練計劃以增強肌肉力量和防止過度使用傷害具有重要意義[2]。

2.2預防措施的設計與實施

在生物力學評估的基礎上設計和實施預防措施，是預防運動損傷策略中至關(guān)重要的一步。這一過程需要根據(jù)評估結(jié)果，定制個性化的訓練和康復計劃，以針對性地解決識別出的問題和風險。

對于發(fā)現(xiàn)的不良運動模式，例如跑步時過度內(nèi)旋或跳躍時膝蓋過度伸展，可以通過技術(shù)訓練來進行糾正。這可能包括運動技能的重新學習，如改變跑步著地方式，或增加特定肌群的力量訓練，以提高身體的穩(wěn)定性和運動效率。運動技術(shù)的改進不僅可以降低損傷風險，還可以提升運動表現(xiàn)。

為了應對運動過程中的過度力量負荷，可以設計特定的力量和柔韌性訓練計劃。例如，針對下肢力量的訓練可以增強腿部肌肉，提高其對跳躍和著地動作的支撐能力；而柔韌性訓練則有助于增加關(guān)節(jié)的活動范圍，減少肌肉拉傷的風險。

運動器材的使用和調(diào)整也是預防措施的一部分。適當?shù)倪\動鞋和保護裝備能夠顯著減少受傷風險，特別是在那些對腳部和踝部影響較大的運動中。運動鞋的選擇應基于運動員的腳型、著地模式以及運動類型，以確保最大程度的支持和緩沖。此外，對于某些運動項目，如自行車運動，適當調(diào)整運動器材（例如自行車的高度和座位角度）對于避免過度使用傷害同樣重要[3]。

教育和意識提升也是預防策略中不可忽視的一環(huán)。通過教育運動員和教練員關(guān)于生物力學原理、損傷風險因素以及預防策略的知識，可以提高他們對運動安全的認識，促使他們在訓練和比賽中采取更加科學和合理的方法。此外，定期的健康和體能評估可以幫助監(jiān)測運動員的身體狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題和損傷風險。

最后，實施預防措施時，需要考慮到運動員的個體差異。每位運動員的身體條件、訓練背景和損傷歷史都不盡相同，因此，預防措施應當根據(jù)每個人的具體情況進行定制化設計。通過綜合運用生物力學評估技術(shù)和個性化訓練計劃，可以有效地降低運動損傷的發(fā)生率，為運動員提供一個更安全、更健康的運動環(huán)境。

3生物力學在運動損傷康復中的應用

3.1康復過程中的生物力學評價

在運動損傷的康復過程中，運用生物力學進行評價不僅有助于精確地追蹤恢復進度，而且提供了對康復效果深入理解的關(guān)鍵視角。這一評價方法通過分析受傷運動員在康復不同階段的運動表現(xiàn)，利用定量數(shù)據(jù)揭示其功能恢復的具體情況。為了更好地闡述這一點，下表1展示了一名受傷運動員在康復過程中的關(guān)鍵生物力學參數(shù)變化，通過對這些參數(shù)的監(jiān)測，康復團隊能夠評估康復訓練的效果，進而針對性地調(diào)整康復計劃[4]。

步頻：反映了運動員步態(tài)的頻率。康復過程中步頻的增加表明運動員的運動能力正在逐步恢復。

步幅：表示每一步的長度，步幅的增加說明運動員的步伐變得更加寬廣，這是運動功能改善的一個標志。

地面反作用力：直接關(guān)聯(lián)到運動員腳著地時的力量，其增加說明運動員下肢的力量和穩(wěn)定性在逐漸增強。

膝關(guān)節(jié)角度：反映了膝關(guān)節(jié)在運動過程中的活動范圍，角度的增大表示膝關(guān)節(jié)的靈活性和功能性正在改善。

通過以上表格的數(shù)據(jù)分析，可以詳細了解到運動員在康復過程中的具體進展。每一項參數(shù)的改變都為康復團隊提供了寶貴的信息，幫助他們判斷康復訓練的有效性，并根據(jù)需要進行調(diào)整。這種基于數(shù)據(jù)的方法確保了康復計劃的個性化和科學性，極大地提高了康復效率和質(zhì)量。

3.2康復訓練的生物力學調(diào)整

康復訓練的生物力學調(diào)整是根據(jù)評價結(jié)果制定的，目的是通過定制化的訓練計劃促進運動員的最佳恢復。這些調(diào)整可能包括運動技術(shù)的修改、特定肌肉群的加強訓練，以及使用輔助設備來改善運動模式[5]。

3.2.1調(diào)整計劃

運動技術(shù)調(diào)整：基于步幅和步頻的評價結(jié)果，運動技術(shù)調(diào)整可能包括通過視頻反饋和專業(yè)指導，幫助運動員改善跑步姿勢和步態(tài)。例如，增加步頻的同時減少著地沖擊力，以減輕對關(guān)節(jié)的壓力。

特定肌肉群加強：針對地面反作用力低于標準值的問題，可以設計針對性的下肢力量訓練，如單腿深蹲和小腿抬升，以增強下肢肌肉的力量和耐力，從而提高地面反作用力。

柔韌性訓練：考慮到膝關(guān)節(jié)角度的恢復情況，增加柔韌性訓練，如靜態(tài)拉伸和動態(tài)拉伸練習，可以幫助進一步增加關(guān)節(jié)的活動范圍，減少受傷的可能性。

使用輔助設備：在某些情況下，使用輔助設備如矯正鞋墊或膝關(guān)節(jié)支撐器，可以幫助運動員在訓練過程中維持正確的運動模式，同時提供額外的支持和保護[6]。

3.2.2效果評估與調(diào)整

康復訓練計劃的實施后，定期進行生物力學評估以監(jiān)測進展是至關(guān)重要的。通過對比訓練前后的生物力學參數(shù)，康復團隊可以評估訓練計劃的有效性，并根據(jù)需要進行調(diào)整。

例如，如果步幅和地面反作用力在經(jīng)過一段時間的訓練后仍未達到目標范圍，可能需要進一步調(diào)整訓練強度或方法。此外，持續(xù)的監(jiān)測還可以幫助識別新的或未解決的問題，確?？祻瓦^程的連續(xù)性和全面性。

通過這種方法，康復訓練的生物力學調(diào)整成為一個動態(tài)的過程，旨在根據(jù)運動員的實際恢復情況不斷優(yōu)化訓練計劃。這種個性化和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法有助于最大化康復效果，確保運動員能夠安全有效地恢復到最佳狀態(tài)[7]。

4案例分析與實踐應用

為了深入理解生物力學在運動損傷預防和康復中的應用，本研究精選了兩名頂級運動員——一名短跑運動員A和一名長距離自行車運動員B——作為案例研究對象。通過對這些運動員在訓練和康復過程中的生物力學參數(shù)進行細致的分析，本研究旨在揭示運動損傷預防和康復過程中的關(guān)鍵生物力學因素，提供可供其他運動員參考的寶貴見解。

4.1短跑運動員A的案例分析與干預效果分析

4.1.1案例介紹

運動員A是一位具有國際競爭力的短跑運動員，因膝蓋重復性損傷進入康復期。在康復期間，團隊采用了一系列生物力學評估技術(shù)，包括高速視頻分析、地面反作用力測量以及肌電圖（EMG）記錄，以監(jiān)測運動員A的康復進展[8]。

4.1.2康復前生物力學分析

在康復計劃開始前對運動員A進行的康復前生物力學分析中，除了步幅和步頻的明顯下降外，更細致的評估還揭示了運動員膝關(guān)節(jié)負荷分配的不均勻性。通過地面反作用力的測量，發(fā)現(xiàn)運動員A在跑步時膝蓋的負荷主要集中在內(nèi)側(cè)，這種不平衡的力量分布易導致膝蓋內(nèi)側(cè)過度壓力，進而加劇損傷或延緩康復進程。此外，肌電圖（EMG）記錄顯示，受傷腿部的肌肉協(xié)調(diào)性較差，特別是股四頭肌和腘繩肌在運動中的同步性降低，這進一步證實了下肢力量減弱和膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性不足的問題。這些詳細的分析為制定針對性的康復計劃提供了重要依據(jù)，強調(diào)了改善膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性和增強下肢力量的必要性。

4.1.3康復過程中的調(diào)整

根據(jù)生物力學評估的結(jié)果，康復團隊為運動員A設計了一系列個性化的康復訓練計劃，旨在增強膝關(guān)節(jié)周圍的肌肉力量，提高腿部的穩(wěn)定性，并優(yōu)化跑步技術(shù)。這包括：

力量訓練：專注于增強大腿前側(cè)和后側(cè)肌群的力量，以提供更好的膝蓋支持。

柔韌性訓練：增加膝關(guān)節(jié)和腿部其他關(guān)節(jié)的活動范圍，以減少運動中的應力。

技術(shù)調(diào)整：通過視頻反饋，指導運動員A調(diào)整其跑步技術(shù)，以減少對膝蓋的沖擊力。

4.1.4康復后生物力學評估

經(jīng)過幾個月的專注康復，運動員A的生物力學參數(shù)顯示出顯著改善。步頻和步幅逐漸恢復到受傷前的水平，地面反作用力增加，表明腿部力量和穩(wěn)定性的提升。膝關(guān)節(jié)的活動范圍也有所改善，運動員A能夠以更高效、更安全的方式完成跑步動作。

運動員A的案例明確展示了生物力學評估和訓練在運動損傷康復過程中的重要作用。通過定期的生物力學分析，康復團隊能夠精確地監(jiān)測運動員的康復進度，并根據(jù)需要調(diào)整訓練計劃。這種科學和個性化的康復方法不僅加速了運動員A的恢復過程，也為預防未來損傷提供了堅實的基礎。

4.2長距離自行車運動員B的案例分析與干預效果分析

4.2.1案例介紹

長距離自行車運動員B是一位經(jīng)驗豐富的競賽選手，經(jīng)歷了一次嚴重的下背部傷害，導致在長時間騎行中出現(xiàn)疼痛和不適。為了幫助運動員B恢復并優(yōu)化其騎行表現(xiàn)，采用了一系列生物力學評估和干預措施[8]。

4.2.2康復前生物力學評估

在康復計劃啟動前對運動員B進行的生物力學評估中，除了識別出騎行姿勢的明顯問題外，還通過詳細的肌電圖（EMG）分析，觀察到在長時間騎行過程中，下背部和腹部的肌肉活動模式存在明顯的不平衡。特別是腹橫肌和多裂肌，這些對脊柱穩(wěn)定性起著至關(guān)重要作用的肌肉，在長距離騎行中的活性明顯不足。這種肌肉活動的不均衡不僅影響了騎行效率，而且長期下來可能對脊柱健康造成負面影響。此外，下背部負荷分析進一步揭示了在不適當?shù)尿T行姿勢下，脊椎承受的壓力遠超正常水平，這無疑加重了運動員的疼痛感，并增加了受傷的風險。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了針對性干預措施的必要性，以改善騎行姿勢、優(yōu)化肌肉使用模式，并減輕下背部的負擔。

4.2.3干預措施

基于生物力學評估的結(jié)果，康復團隊為運動員B制定了一系列干預措施：

騎行姿勢調(diào)整：通過調(diào)整自行車的座椅高度和角度、把手位置等，改善騎行姿勢，減少脊柱負擔。

核心力量訓練：增加專門的核心肌群訓練，提高腰部和腹部肌肉的力量，為下背部提供更好的支撐。

柔韌性訓練：引入針對性的拉伸和柔韌性訓練，增加脊柱的活動范圍，減輕肌肉緊張。

4.2.4康復過程的監(jiān)測與評估

干預措施實施后，定期對運動員B的生物力學參數(shù)進行了再評估。通過對比干預前后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運動員B的騎行姿勢有了顯著改善，下背部的負荷顯著減少。此外，核心肌群的力量增強，運動員在長時間騎行中報告說感覺更舒適，疼痛明顯減輕。

運動員B的案例分析突出了生物力學評估在識別運動損傷原因和設計有效康復計劃中的重要性。通過科學的干預措施，不僅改善了運動員的騎行姿勢，減輕了下背部疼痛，還提高了整體的騎行效率。這一案例證明了，即使是經(jīng)驗豐富的運動員，也能通過生物力學的方法找到提高表現(xiàn)和預防損傷的新途徑。

5結(jié)語

本研究通過對短跑運動員A和長距離自行車運動員B的深入案例分析，展現(xiàn)了生物力學在運動損傷預防與康復領(lǐng)域的實際應用與巨大潛力。通過這兩個案例的詳細探討，筆者不僅看到了生物力學評估技術(shù)在識別潛在損傷風險、優(yōu)化運動員訓練計劃以及調(diào)整運動技術(shù)中的重要作用，更重要的是，揭示了個性化康復方案在幫助運動員有效恢復和提升運動表現(xiàn)中的關(guān)鍵價值。運動員A和B的經(jīng)歷證實了，即使在運動損傷面前，通過科學的方法和策略也能夠找到解決問題的途徑，不僅加速了康復進程，還為未來訓練和比賽的安全提供了堅實的基礎。

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