举重运动员腰椎关节运动学与动力学分析：不同硬拉动作对腰椎损伤风险的生物力学评估

《Applied Bionics and Biomechanics》：Analysis of Lumbar Joint Movement and Dynamics of Weightlifters

本文通过运动实验与有限元分析（FEA），系统比较传统硬拉（DL）、直腿硬拉（SLDL）和六角杠铃硬拉（TBDL）对举重运动员腰椎屈曲角度、扭矩及应力分布的影响。研究发现SLDL因腰椎屈角更大（90°）、峰值扭矩更高（893 N?m）及L5椎体应力集中（峰值达997 MPa）而具有最高损伤风险，建议训练中减少SLDL并加强L5椎体保护。研究为举重训练动作优化及腰椎损伤预防提供了生物力学依据。

　　

引言

举重作为一项历史悠久的体育运动，自1896年首届现代奥运会起即被列为正式比赛项目。这项运动不仅能有效增强力量、肌肉体积和整体身体素质，在竞技体育和大众健身领域均广受欢迎。然而，举重运动员在长期训练和比赛中，腰椎承受巨大压力和负荷，成为最易受伤的部位之一。既往研究虽关注举重腰椎损伤机制，但多集中于单一硬拉动作，缺乏对传统硬拉、直腿硬拉和六角杠铃硬拉这三种主流训练动作的系统比较，且未能结合高精度运动数据采集与有限元模拟技术量化腰椎在动作执行各阶段的动态生物力学响应。因此，本研究旨在通过运动实验和有限元分析（FEA），深入探讨不同硬拉动作对腰椎运动学和动力学特性的影响，为举重训练方法优化和损伤预防提供科学依据。

方法与材料

实验对象与方法

研究招募8名国家二级及以上举重运动员作为志愿者，其中男性6名，女性2名，年龄20-28岁（平均24.3±2.1岁），身高165-182 cm（平均173.5±5.8 cm），体重68-85 kg（平均76.2±6.3 kg），BMI指数22.1-26.4 kg/m²（平均24.2±1.3 kg/m²）。所有志愿者均无6个月内腰椎损伤史，健康状况良好。实验在标准举重训练场地进行，使用120 kg杠铃（相当于志愿者单次传统硬拉最大重量的75%）。测试动作包括传统硬拉、直腿硬拉和六角杠铃硬拉，采用拉丁方随机法确定动作测试顺序，间隔48小时以避免疲劳积累对腰椎生物力学指标的干扰。

实验设备包括西门子Somatom Sensation 10计算机断层扫描（CT）设备、Qualisys三维运动图像采集系统（10台红外相机，采样频率100 Hz）、KISTLER三维测力平台（采集频率500 Hz）及相关软件（Solidworks 2019、Mimics 21.0、Abaqus 2021等）。实验时在受试者及杠铃中点粘贴49个反光标记点（Mark点），用于红外相机捕捉动作轨迹。数据采集后，采用四阶巴特沃斯滤波器进行滤波处理（运动学截止频率10 Hz，动力学截止频率100 Hz）。

有限元模型构建方法

基于一名男性志愿者的腰椎CT扫描数据（层厚0.63 mm），通过Mimics 21.0软件进行阈值分割、去噪和平滑处理，构建腰椎关节三维实体模型。随后，利用Geomagic Wrap 12.0软件进行曲面拟合，生成腰椎关节三维几何模型。在Solidworks 2019中完成骨骼装配、腰椎间盘和韧带建立后，导入Abaqus 2021软件进行材料属性赋值（表3）和网格划分（单元尺寸2 mm，四面体网格）。最终建立的有限元模型包含790,783个单元和183,995个节点。模型边界条件设置为L5椎体终板固定约束，L1椎体终板施加垂直压缩载荷（1425 N）及前屈、后伸、侧屈和旋转扭矩载荷，模拟腰椎在生理运动中的应力情况。腰椎扭矩动力学分析基于逆动力学建模框架，采用牛顿-欧拉递归算法，核心公式为关节扭矩计算方程。

数据处理与统计方法

运动学和动力学数据经滤波后，采用SPSS 25.0和Excel进行统计分析。所有参数以均值±标准差（X±Y）形式表示。

结果

不同硬拉动作下腰椎运动学特性分析

腰椎屈曲角度分析显示，传统硬拉和六角杠铃硬拉的屈曲角度变化范围分别为32°–90°和35°–90°，而直腿硬拉的屈曲角度变化范围更大（0°–90°），峰值屈曲角达90°。腰椎扭矩变化方面，三种硬拉动作均出现两个扭矩峰值，且第二峰值小于第一峰值。直腿硬拉的峰值扭矩显著高于其他动作，第一峰值扭矩分别为传统硬拉749 N?m、直腿硬拉893 N?m和六角杠铃硬拉640 N?m。应力分布上，直腿硬拉在L5椎体后下缘产生的应力最高（996 MPa），传统硬拉和六角杠铃硬拉分别为816 MPa和696 MPa。

不同硬拉动作下腰椎关节应力分布特性

椎体应力集中主要出现在椎弓根、横突及椎体后上/下缘，而松质骨应力集中位于中部区域。随着椎体从L1至L5，应力集中范围逐渐扩大，尤以L5松质骨最为显著，应力区域几乎覆盖整个松质骨。腰椎间盘应力集中位于周边边缘，L4–L5椎间盘应力集中区域最大；髓核应力集中主要位于边缘。定量分析显示，L4–L5椎间盘周围区域（A-I区）与中心区（E区）的Von-Mises应力存在显著差异（定量差异值>1.27），直腿硬拉在各区域的应力均高于传统硬拉和六角杠铃硬拉。

峰值应力分析表明，直腿硬拉在各椎体、松质骨、腰椎间盘和髓核的峰值应力均最高。L5椎体峰值应力在传统硬拉、直腿硬拉和六角杠铃硬拉下分别为815 MPa、997 MPa和701 MPa；L5松质骨峰值应力分别为2.6 MPa、3.3 MPa和2.2 MPa；L4–L5椎间盘峰值应力分别为36.9 MPa、45.6 MPa和31.6 MPa。L3–L4髓核峰值应力最低，分别为0.10 MPa、0.12 MPa和0.08 MPa。有限元模型验证显示，模拟值与文献数据相对误差≤4%，模型可靠性良好。参数敏感性分析表明，椎体皮质骨弹性模量为高敏感参数，但波动对核心结论影响较小。

讨论

本研究发现，直腿硬拉因腰椎屈曲角度更大、峰值扭矩更高及应力分布更集中，对腰椎（尤其是L5椎体）的损伤风险显著高于传统硬拉和六角杠铃硬拉。L5椎体皮质骨应力（997 MPa）接近损伤阈值（1000 MPa），L5松质骨应力（3.3 MPa）超过疲劳阈值（3.0 MPa），L4–L5椎间盘应力（45.6 MPa）超出生理耐受阈值（40 MPa）14%，表明直腿硬拉对腰椎核心结构存在高风险。应力集中区域与椎间盘髓核的塑性特性相关，其在受力时形变并将应力分散至纤维环。

基于损伤风险梯度（直腿硬拉>传统硬拉>六角杠铃硬拉），研究提出训练建议：新手/青少年运动员优先选择六角杠铃硬拉；有腰椎不适史者禁用直腿硬拉，可调整传统硬拉膝角（15°–20°）以降低腰椎扭矩；高水平运动员周期训练中，以六角杠铃硬拉为基础（占硬拉训练60%–70%），赛前阶段短期采用传统硬拉（频率≤2次/周），避免直腿硬拉。

结论

直腿硬拉因腰椎屈曲角度大、峰值应力高，对腰椎（尤其是L5椎体）的损伤风险显著高于传统硬拉和六角杠铃硬拉。举重训练中应尽量避免或减少直腿硬拉，并加强L5椎体保护措施。未来研究可进一步探讨不同举重动作对腰椎的长期影响及通过训练与康复措施有效预防和治疗腰椎损伤。