推拿手法生物力学研究方法的基本方向
自20世纪80年代, 已开始应用生物力学的理论、观点和方法来研究手法的力学特性。1982年王国才等[1]率先应用电阻应变技术研制出TDL-Ⅰ型推拿手法动态力测定仪, 开发了推拿手法力学信息测录系统;Wood J等[2]则在1984年通过模拟治疗器研究了手法的作用力。现如今, 对手法的生物力学研究不再局限于运动学和动力学方面, 对手法生物固体、流体力学方面也进行了研究, 新的手法力学测量技术得以开发应用。
本文根据仪器与测试对象之间是否接触, 将研究方法分为直接测量法和间接测量法, 梳理国内外推拿手法生物力学的研究, 并探讨构建其研究内涵的基本方向。
直接测量法
1. 推拿手法测定仪
推拿手法测定仪主要用于测量手法的动力学变化, 利用电阻应变技术感应力的变化, 通过转化器输入计算机软件, 将手法表现为可视化的三维动态曲线图。有助于手法力的量化、客观化及规范化研究。
20世纪80年代初期, 王国才等[1]率先研制出TDL-Ⅰ型推拿手法测定仪, 并通过手法力学信息测录系统采集了上海、山东等地推拿名师的㨰法、一指禅等手法。后又与刘鲜京等[3]开发成推拿手法力学信息测录系统, 在济南、上海、杭州等地测录了70多位推拿名家的16种手法, 多达360余条, 建立了我国第1个“推拿手法力学信息数据库”, 并在后期开发出TDL-Ⅱ型推拿手法测定仪。同一时期, 沈国权[4]在低档APPELE-Ⅱ型微机上通过实时数据处理, 对㨰法和一指禅推法的动力学数据进行了深入研究, 发现手法动力曲线与施术方式之间存在密切联系, 高年资的专家手法信号较学生的稳定。20世纪90年代末, 许世雄等[5]在原测定仪基础上, 成功研制FZ-1型推拿手法测力仪, 将计算机实时显示、定量和作用力三维分析处理等功能相结合, 分析了㨰法合力作用点的几何轨迹。
2. 在体测力系统
在体手法测力系统利用各种压力传感器、放大线路及数据采集分析软件等配套仪器组成, 为手法力学的在体测量提供了直接可靠的方法。
房敏等[6]运用聚偏氟乙烯传感器及配套设备观察颈部拔伸法的应力分布, 测试不施力点、颈椎横截面及不同节段水平的拔伸力度, 发现拔伸手法的效应来自于对颈椎后部结构的调整, 尤其是对颈后部伸肌群的调整, 并且小角度前屈操作时临床疗效最为显著。李义凯等[7]应用压力测试系统, 检测旋转手法作用过程中术者左右手拇指推扳棘突的最大推扳力, 对颈部和腰部推扳力数据分为左右两侧分别进行统计分析比较。朱立国等[8]选择神经根型颈椎病患者进行旋转手法的在体测量, 利用自制旋转手法力学测量仪计算左右手施行旋转手法时的位移及冲量, 发现预加载力、最大作用力、扳动力都是相近的, 扳动力的大小取决于预加载力的大小。秦杰等[9]利用测力平台、测力手套及电脑软件, 测量了㨰法治疗过程中手掌各作用点所产生力的大小、方向、作功及累积数值, 并用图形、数据等进行定量描述。王立恒等[10]利用自制软组织张力测试系统及旋转手法力学测量仪, 对51例颈椎病患者施行旋转手法, 测量不同痛阈值下力学参数及手法治疗后的软组织张力。Hessel B W等[11]通过在施术者手下放置压力传感器直接测量手法的力学数据。Marcotte J等[12]则将微型压力传感器安装在施术者手上, 通过观察仰卧定点旋转手法过程中推扳力的变化, 发现推扳力波动在4.0～41.0N。
3. 离体模型
利用离体模型, 可以直观的检测脊柱调整手法作用于髓核内压力的变化等。但因标本以及仪器限制, 研究较少。
章莹等[13]将力传感器用穿刺方式埋入新鲜尸体椎间盘内, 动态测量旋转手法时髓核内压的变化, 发现操作过程中髓核内压上升的幅度与旋转角度成正比, 操作完成恢复, 该研究证实旋转手法不能使髓核内产生负压而将突出物吸收回纳。侯筱魁等[14,15]应用电-机械测量法研究新鲜尸体在斜扳时的运动学变化, 结果显示斜扳是一种复杂的三维六自由度运动。并以完整的腰椎标本, 设计了平行光脊柱三维运动测量系统, 应用工程系统力学中刚体转移计算理论, 获得了腰椎及其后部结构在模拟加载时的三维运动量。毕胜等[16]将标本固定于生物材料实验机, 应用计算机定量控制, 模拟斜扳手法治疗时的状态, 结果表明腰椎小关节内应力低于关节内骨折的限度, 斜扳手法的作用机制可能是使椎间盘与相邻神经根之间有一相对的位移。房敏等[17]用新鲜尸体颈椎标本建立半在体模型, 在颈椎间盘前缘和关节突关节等处同时埋置微型压力传感器, 并应用模拟颈伸肌正常生理段性能的弹簧, 观察压力变化。发现随前屈角度的增加, 颈椎间盘内的压力和颈伸肌的拉力明显增加;小关节内的压力与后伸角度成正比;加载模拟伸肌后, 椎间盘和小关节的压力明显减低。李宁明等[18]研究颈椎不同体位时拔伸旋转法对颈椎间盘髓核内压力的影响, 认为从拔伸旋转手法过程中颈椎髓核内压力存在一过性下降的变化看, 后伸位颈椎拔伸旋转手法比前屈位更安全。
4. 体表肌电技术
肌肉作为人体运动的动力系统, 通过生物电子技术观测肌电的时间-空间变化, 可以研究手法的运动学规律。
王国才等[19]最早应用皮肤表面电极测试了一指禅推法、㨰法、振法等手法操作时上肢肌肉运动的时间空间序列, 发现一指禅推法主要由肱二头肌、肱三头肌起动力作用;㨰法则还加入了前臂的旋前旋后肌群;振法主要由前臂伸屈腕肌群和三角肌的部分肌群参与, 以屈腕肌群支配, 肱二、三头肌基本上是放松的, 认为振法产生持续震颤的原因, 可能是因前臂腕伸肌和腕屈肌发生快速的交替兴奋和抑制实现。曾庆云[20]通过观察上臂各肌肉在㨰法操作过程中肌电图变化, 将㨰法分为外摆和内摆两个阶段, 分析参与手法动作的各个肌肉之间相互作用的方式。王晓[21]采用表面肌电仪结合测力平台的方法, 采集分析了㨰法的肌电信号, 得出专家组操作中75%的信号能量集中在0.00～3.125Hz, 在手法操作过程中, 前臂肱桡肌力度最大, 其次为肱三头肌和胸大肌。
间接测量法
1.三维运动捕捉系统
三维运动捕捉系统利用高分辨率的红外摄像机, 高速捕捉研究对象体表标志点的运动信息, 通过运动图像采集软件处理, 得到数字化的运动轨迹。有利于分析手法运动学特征及安全性评估等。
1996年, 周信文等[22]结合FZ-1型推拿手法测力仪建立三维坐标系, 从不同角度拍摄㨰法的操作过程, 记录各关节的运动轨迹。发现㨰法合力作用点轨迹主要分“心”型、“葫芦”型、“8字”型及“棒槌”型4种, 其中“心型”和“葫芦型”最符合㨰法操作的基本形式。国外Triano J J等[23]则运用运动捕捉系统将手法操作时的预加载力、扳动时间和速度等力学参数进行了研究, 提出了腰椎“高速低幅冲击手法”的力学参数。
目前, 运动捕捉技术已经广泛应用于各类推拿手法研究。吕杰等[24,25]采用聚类分析㨰法特征时间点, 归纳了㨰法运动学的共性特征, 并以此建立4杆件、5结点的一指禅推法生物力学模型。方磊等[26]用Motion三维运动解析系统量化分析了一指禅推法“沉肩”“垂肘”“悬腕”的技术要领。冼思彤等[27]观察2名高年资的推拿医生的振法操作, 应用动态捕捉系统采集分析了掌振法的运动学数据。Ryu J等[28]利用运动捕捉技术和压力传感器, 研究按摩颈肩部时术者手部的压力模式和手指运动轨迹, 发现按摩时每块肌肉所受压力和术者手指运动轨迹都不同, 斜方肌承受更大压力、更长的按摩时间和更大的压力时间积分。
此外, 国内很多学者对颈腰椎的旋转、拔伸类手法的运动轨迹及运动学参数也进行了研究。郭鑫等[29]分析颈椎拔伸牵引手法;冯敏山等[30]对朱立国教授的颈椎旋提手法进行研究;邓真等[31]研究石氏伤科颈椎整复手法;耿楠等[32]在对颈椎定位旋转扳法的操作特征进行初步量化、客观化研究;张军等[33]通过Motion系统测试了12具病理椎体标本分别在左右旋转、屈伸、侧弯角度的位移, 探讨旋转手法对椎间盘的力学作用机制;高春雨[34]发现坐位腰椎旋转手法操作过程中预加载力与旋扳力呈正相关。贾文端等[35]测定了后伸背法的运动学和动力学参数。王玮等[36]采集魏氏伤科手法运动学数据, 定义相对关节坐标系, 建立了人体三维运动模型。这些研究都为推拿手法的安全性、有效性研究提供新的方法及数据支持。
2.有限元模型
有限元模型最早由Schultz A B等[37]建立, 应用二维椎间盘模型研究脊柱生物力学;随后, Liu Y K等[38]在总结以往研究的基础上, 最早建立腰椎三维有限元模型, 模拟腰椎正常活动时椎体的受力情况, 但尚未涉及椎体附件、肌肉、韧带等研究。
叶淦湖等[39]对腰椎关节突关节的模型进行各种手法的力学分解模拟, 发现腰椎关节突关节在旋转推拿中具有主要的抵抗作用。徐海涛等[40]使用腰椎CT片, 以Mimics软件系统逐层重建L4-5三维有限元模型, 通过设定结构参数完成退变腰椎间盘模型来分析坐位旋转手法的机制、安全性与合理性。毕胜等[41]利用有限元模型发现, 在牵扳手法时椎间盘髓核内压力最小且为负值, 坐位旋转手法时最大;且外层纤维环应力最大, 内层纤维环应力最大的是牵扳手法, 两种手法均可造成椎间盘后外侧与神经根之间的移动, 与生物力学研究结果基本一致。张晓刚等[42]模拟腰椎节段前屈与后伸活动, 比较正常腰椎节段与退变腰椎节段在拔伸按压手法下的应力变化, 观察到其力学调衡作用主要在于改变椎间盘内的应力分布。
有限元模型为探讨脊柱损伤及其功能紊乱的潜在机制, 提供较为理想的数据分析, 但作为一种数字计算方法, 其结果范围较为狭小且固定, 肌肉收缩的机械效应和负载条件尚未完善, 需要与其他模型的试验结果进行比较。因此, 关注脊椎周围软组织包括肌肉、韧带等与椎体稳定性的相互影响, 以及失衡条件下的变化是有限元研究的必趋之势和难点所在。
3.多体动力学模型
郭伟等[43]利用包含主要肌肉韧带的新鲜尸体的脊柱标本进行CT和核磁扫描, 获取标本骨骼和脊柱周围软组织信息, 通过清华大学多体动力学软件ThuDynamics建模, 分别构建腰椎骨骼、肌肉、韧带、椎间盘、关节接触模型, 模拟手法的力学条件, 分析手法的力学效应。模拟不同手法时肌肉、关节、椎间盘的应力变化, 为手法基础研究提供力学数据, 并且为脊柱力学相关研究提供科学便捷的研究技术和新的方法。
数字模拟仿真突破了人体自身的局限性和测量仪器的局限性, 使我们能够获得那些无法直接测量或者很难有效测量的参数、指标, 便于我们对手法生物力学的进一步研究。随着计算力学和计算机运算能力的发展, 多体动力学已经由初期的多刚体动力学模型发展到了目前的多刚体-柔性体耦合的动力学模型。因此, 可以说多柔性体动力学融合了有限元法和多刚体动力学的优势, 但技术有待完善。
小结
直接测量法能真实的反映推拿手法作用的力学特征, 但限制条件较多;间接测量法则可在不破坏关节完整性的情况下, 直观的表现推拿手法的应力变化, 但结果的可靠性稍显不足。
综上, 推拿手法在生物力学领域积累了一定的基础数据, 对深入研究推拿手法的治疗机制具有重要意义。“均匀、柔和、持久、有力、深透”这些半定性化的手法要求得以量化, 促进了推拿手法的规范化研究, 并提供了新的方法来探讨手法的作用机制。总之, 对手法生物力学的研究不外乎3个方面:一是对手法定量研究, 以期规范化诸多的手法操作标准;二是对手法的安全性、有效性研究, 并进行参数优化;三是基于生物力学方法探讨手法的作用机制, 但由于技术、样本量等限制, 研究内涵稍显欠缺。就软组织松解手法而言, 鲜少研究手法整体关节耦合运动的规律, 对单一关节的运动角度也研究较少。脊柱调整类手法则局限于髓核内压力的研究, 对脊柱椎旁肌肉和韧带等组织的实验研究较少。
因此, 推拿手法生物力学的研究将主要包括以下两个基本方向, 一是运用不断发展的先进技术, 采集手法应力反应、手法载荷等效应, 结合神经生物等学科交叉探讨手法的治疗机制;二是在现有的技术基础之上, 扩大样本量, 深入研究, 以获得更多有效数据, 建立手法力学数据库, 利用大数据处理并挖掘手法运动规律, 实现规范化, 指导临床, 继而反哺基础研究, 如模拟真实手法开发人工智能、推拿仿真机器人等。
来源：中华中医药杂志 作者：周鑫 朱清广 孔令军 孙武权 姚斐 宋朋飞 吴志伟 徐善达 郭光昕 吕智桢 房敏