【思考】如何理性读懂跑鞋广告词

前言

运动损伤是与运动中需要尽力避免的问题。然而，从压哨跑者到大赛冠军，不同竞技水平的人都会受到急性或者慢性骨骼肌肉损伤的影响。运动康复则强调从运动的角度解决肌肉骨骼损伤问题，是恢复与预防的重要一环。

例如，运动生物力学可以通过建模计算的方法，为损伤机制、损伤防护和康复治疗等研究提供理论基础和实验验证手段。

以膝关节在体建模和有限元分析流程举例：

a. 人体膝关节核磁共振成像图（单层）

b.对核磁图像进行不同组织的分割并创建三维几何体

c.使用ANSYS软件对三维模型划分网格

d.针对不同软组织刚度的值, 使用有限元模型计算得到胫骨关节变形结果

1 骨和软骨损伤

从上初中翻开物理课本的力学篇章时，我们便知道，当物体在运动中所受冲击或者外部载荷超过一定临界点时，会发生变形甚至断裂破坏。作为人体主要的承载和运动执行器官，骨、关节和软骨在外力作用下的力学响应是研究其运动损伤机制的前提。造成运动损伤的外部载荷主要可分为动态冲击过载和慢性准静态过载。

骨是无机矿物和有机成分的天然复合物，具有从毫米到纳米的多尺度分级结构。骨在不同尺度上的优异形态使整体骨结构具有承载全身重量的强度和刚度，同时又具有足够的韧性以避免脆性破坏。

骨的超微结构

在超微结构层面，由矿化的胶原原纤维平行排列嵌入无定型基质中形成的板层结构是骨的基本结构。其中，胶原纤维在骨尤其是骨皮质（骨头外周表面的骨密质）的力学行为中起着重要作用。而老化后的骨在拉伸中应变较低，表现为屈服后过早失效，这与胶原纤维结构纵向和横向的刚度和强度均随老化而降低相关。

应力性骨折主要是由于骨骼承受过大或者重复的次最大载荷导致骨吸收和形成之间的不平衡所造成，除了体外载荷，体内肌肉收缩力也可能在肌腱附着区域产生超过骨骼承受范围的局部应力，造成骨骼损伤。

应力性骨折的情况，更常见于下肢负重情况。具体到马拉松与山地荒漠越野耐力跑这些长跑，自然而然的，那就是集中在下肢以及足部。例如，一些固执的中年老男人跑者，从不重视肌力形体步态这些身体素质训练，其中的一些人，在成为老年男人后，会发生骨性关节炎，这是一种退行性疾病，与关节软骨力学性质以及运动过程中关节内部接触过程密切相关。

2 骨骼肌损伤

骨骼肌从结构上主要包括肌腹和肌腱两部分，肌腹由肌纤维组成，具有主动收缩能力是人体运动的动力源。肌腹拉伤是骨骼肌最主要的损伤形式之一，其损伤的机制主要是肌肉收缩过程应变过高。

肌腱是肌腹与骨骼锚定连接的部分，由致密的非弹性结缔组织组成，不具有收缩能力，但具有很强的单向抗拉能力。肌腱损伤包括慢性损伤和急性损伤，慢性肌腱损伤是一种以疼痛和活动受限为特征的疾病，其发病机制目前尚不清楚。急性肌腱损伤一般出现在高密度超负荷的运动中。

不同肌腱承受负荷的大小取决于它们所附着的肌肉、骨骼和解剖结构的特点，这也决定了肌腱组织的异质性，通过专项力量训练能够提升肌腱刚度，适当的力学刺激能够调节肌腱干细胞的分化，加快损伤修复。

3 康复评估

对于急、慢性运动损伤，合理的运动训练方案是从损伤中康复的基本保障。康复训练方案的制定依赖于对运动损伤部位、损伤机制、损伤程度的认知和评估，因此基于运动生物力学实验测试方法的康复评估测试是制定康复训练方案的前提。

以下肢为例，康复师和科研人员借助运动学和动力学参数进行步态分析，其中的运动学分析参数通常包括下肢各关节角度以及步长、步频等。动力学参数则包括足底各区域压力分布百分比、双脚压力对称性等。此外，表面肌电信号测试也是运动康复状态评估测试中的常用手段。

随着动作捕捉、机器学习与人工智能的发展，基于视频分析的人体关键点识别和运动模式识别已经开始应用于康复状态评估分析，它不需要昂贵的专业动捕装备，成本低廉、易于操作，已经在竞技体育与舞蹈等高水平运动训练与康复医学实践中获得广泛应用。

挑战和趋势

目前的问题难题主要包括：

第一，如何确定不同在体活组织器官的动态力学特性，以及它们在运动情景中——尤其是复杂动作和真实训练竞技环境中的损伤耐受阈值。

第二，运动损伤机制，尤其是慢性损伤机制的研究。动态载荷引起的急性损伤一直是研究热点，而慢速挤压等静态载荷导致的组织缓慢变形、生理负荷范围内发生的反复性微损伤等慢性损伤机制的同样值得探索。

第三，跨尺度损伤的运动生物力学研究。动态复杂力学环境下人体多系统跨尺度耦合（宏观、微观、细观）的力学响应机制，以及静态载荷、微损伤所带来的炎症反应如何在微观层面影响肌肉、肌腱、骨骼的发育、代谢、病变，从而影响其宏观尺度力学特性、损伤行为的跨尺度损伤发生机制仍不清楚。

未来重点研究方向主要包括：

第一，如何围绕损伤与运动防护，建立多系统跨尺度耦合仿真分析能力，解决损伤与防护领域的基础科学问题。

第二，运动损伤防护理论研究及防护用品更新迭代。例如，不同组织和器官的损伤评价方法、防护机制、损伤耐受度评价指标等。

第三，如何在生理代谢层面探究力学-生理学的耦合关系并建立模型。

第四，AI智能时代的运动损伤康复技术研发。例如，通过设计增强现实的交互式运动方案，将受试者带入虚拟场景，在其中通过完成运动任务的形式达到训练和物理治疗效果。

文/霍波 首都体育学院体育人工智能研究院院长、教授、博士生导师，运动生物力学研究中心首席专家

图/网络