摘要
目的 同步采集和分析两种颈椎整骨手法的运动学与动力学参数,归纳其生物力学特征。方法 由1位高年资医师对10位健康受试者完成颈椎定位定向扳法和颈椎侧屈手法操作,施术者粘贴荧光标志球用于捕捉手法动作,并用压力触感手套和无线表面肌电系统采集并分析动力学参数和表面肌电信号。结果 上臂肌肉是颈椎整骨手法的主发力肌,其中肱二头肌的贡献率最高。颈椎定位定向扳法的运动幅度、速度、扳动作用力和时间都大于颈椎侧屈手法。颈椎定位定向扳法中施术者各肌肉的积分肌电值(integrate electromyography,iEMG)和均方根值(root mean square,RMS)都大于颈椎侧屈手法。结论 颈椎整骨手法运动幅度、三维活动角度,扳动瞬间的载荷强度和时间,具备高速、低幅和力强的特点,体现出中医学中关于“寸劲”的生物力学特征。研究结果可以为进一步规范手法教学、训练以及提升临床安全性提供参考。
关键词:
颈椎整骨手法
颈椎
运动学
动力学
表面肌电
颈椎病是骨伤科常见疾病之一,80%～90%颈椎病在非手术疗法中获得良好的疗效,而中医整骨手法占据了重要地位 。基于逆向工程学原理和运动生物力学测算等方法的发展,本课题组开展了一系列在体研究,归纳手法的运动学与动力学特征和规律 。然而,手法操作的共性生物力学要素尚未形成共识,如何进一步总结其核心机制仍是中医手法研究的方向之一。
本研究通过三维运动捕捉与分析系统、触感手套和无线表面肌电(surface electromyography,sEMG)采集系统,同步采集并分析两种颈椎整骨手法的运动学与动力学参数,归纳整骨手法的共性生物力学要素,为进一步规范手法教学和训练,以及提升临床安全性提供参考。
邀请上海市名中医詹红生教授(上海石氏伤科第5代学术传承人、全国名老中医药专家传承工作室导师),招募10位健康志愿者。本研究通过中国注册临床试验委员会伦理审查。所有受试者签署知情同意书。
作为具有150余年历史的国家级非物质文化遗产的上海石氏伤科,在学习和吸取其他流派手法经验后,逐步发展出特色鲜明的颈椎整骨手法 。前期研究表明,整骨手法可以调整脊柱关节位置、增加椎间孔间隙和降低椎间盘压力,对存在“筋出槽骨错缝”的颈型、神经根型和椎动脉型颈椎病具有良好效果 。
詹红生教授对受试者依次实施定位定向扳法和颈椎侧屈手法(见 图1 )。所有受试者均为健康志愿者,两种手法的间隔时间10 s,产生的人体软组织蠕变基本可忽略,不影响对相关数据的采集和分析。
以向右侧为例,定位定向扳法具体操作步骤如下：① 受试者取坐位,脖颈自然放松,施术者位于其右后方,以按法、揉法等松解软组织;② 让受试者低头10°左右,再使之向右旋转至最大限度;③ 施术者右臂托住受试者左侧下颌,左手拇指顶住受试者椎棘突偏歪侧后外侧缘;④ 嘱受试者放松,确定受试者颈椎旋转至极限位后锁定;⑤ 施术者借腰部发力,肘部做一个瞬间、小幅度的旋提动作; ⑥ 受试者头部恢复中立位。
右侧颈椎侧屈手法具体操作步骤如下：① 受试者取坐位,脖颈自然放松,施术者位于受试者右侧;② 施术者右手扶在受试者头部,左手拇指指面顶按颈椎棘突;③ 让受试者头部前屈,再使之向右侧屈曲至最大限度;④ 保持一定的牵引力,待受试者放松,双手瞬间向对侧做一个有控制、稍大幅度的瞬间扳动;⑤ 受试者头部恢复中立位。
采用Vicon 612(Oxford公司,英国)三维步态分析捕捉系统,10台数字动作捕捉镜头,最高频率100 Hz;触感手套(PPS触觉传感器有限公司,美国),双手套采样频率24 Hz,软件版本为Chameleon 1.12.5.35;无线sEMG采集系统(Delsys公司,美国),分辨率16 bit,采样率4 kHz;Visual 3D三维步态分析软件(C-Motion公司,美国)。
实验正式开始前,先进行场地校准、固定荧光标志球和sEMG传感器,施术者带上压力触感手套,在场地中自然站立,双臂展开进行系统标定。
1 . 4 . 1 固定标志点和sEMG传感器 施术者穿上紧身衣后,在其身体关键部位贴上标志点,共安置79个,固定位置如下：头部4点、左右脸颊各1点、左右肩峰各1点、后颈部(C7)1点、胸部1点、左右前臂外侧各4点、左右肘关节内外侧各1点、左右上臂外侧各4点、左右腕关节内外侧各1点、左右髂前上棘各1点、左右髂后上棘各1点、左右股骨大转子各1点、腰部(L5)1点、盆部6点、左右大腿股骨外侧各4点、左右膝关节内外侧各1点、左右小腿腓骨外侧各4点、左右踝关节内外侧各1点、左右足跟各1点、左右足背各3点(第1、2、5跖骨头)。
将sEMG传感器置于施术者的左右胸大肌、左右三角中束、左右肱三头肌、左右肱二头肌、左右背阔肌,共计5组。
1 . 4 . 2 正式实验 准备工作完成后,施术者对受试者依次进行两种颈椎整骨手法,试验过程中及结束后,受试者无不适症状。
通过三维动作捕捉系统捕捉施术者在手法操作时身上所有标志点的空间位置变换,由Vicon Nexus 1.8.5软件对捕捉到的信息进行数字化处理。数据存储后,利用Visual 3D三维步态分析软件建立手法操作模型,并获取运动学与动力学数据,包括位移、速度、角度、角速度等,绘制变化曲线图,计算得到运动轨迹。
使用压力触感手套实时采集手法操作过程中的压力,数据通过蓝牙传输到Chameleon 1.12.5.35软件中进行动态显示和记录。数据保存后获取手法的力-时间曲线图,提取手法操作阶段的预载荷、载荷峰值和扳动时间。
利用Delsys无线sEMG采集系统在体同步采集手法操作过程中肌肉的sEMG信号,数据由Vicon Nexus 1.8.5软件获取存储。通过Visual 3D软件导出原始肌电数据,运用Matlab软件对数据进行预处理和特征值提取,包括积分肌电值(integrate electromyography,iEMG)和均方根值(root mean square,RMS),计算肌肉贡献率。
招募10位健康受试者,4女6男。年龄22～26岁,平均(24±1.53)岁;身高157～179 cm,平均(169.71±9.96)cm;体重46～77 kg,平均(62.86±13.47) kg;颈围29～38 cm,平均(32.96±3.25) cm;颈长(8～13) cm,平均(11.29±1.73) cm;坐高86～141 cm,平均(125.43±18.14) cm;身体质量指数(body mass index, BMI)18.7～25.2 kg/m 2 ,平均(21.57±2.36) kg/m 2 。
在正式动作捕捉前,采集1段至少5 s的静态校准文件即标志点的系统标定,用于导入Visual 3D软件中进行人体骨骼模型建立。建模完成后,导入动态的动作捕捉文件进行运动学和动力学分析。
右侧颈椎定位定向扳法,获取施术者右侧的肩、肘、腕、膝和踝关节的三维运动轨迹。结果显示,在手法操作过程中,所有关节具有相同趋势的运动轨迹。在动作发力前,5个关节的活动位移都只在小范围内变化,而在发力瞬间,关节位移出现明显增幅,尤以右肘关节位移变化最显著,其合速度为(46.73±27.44) mm/s(见 图2 )。
在三维活动角度方面,肩、肘、膝和踝关节的离散程度均较小,相较而言,肩关节和肘关节的三维活动角度的离散度稍明显,踝关节最小,基本保持在1条平行直线上(见 图3 )。在扳动瞬间,右肘关节活动幅度最大(见 表1 )。
表1 定位定向扳法施术者右侧肘关节三维运动角度、角速度、角加速度
图3 定位定向扳法施术者右侧关节三维角度-时间曲线
右侧颈椎侧屈手法,获取施术者右侧的肩、肘、腕、膝和踝关节的三维运动轨迹。结果显示,该手法的整体运动幅度都较小,肘关节和腕关节具有相同趋势的运动轨迹,肩、膝和踝关节的位移幅度不明显(见 图4 )。在扳动瞬间,右腕关节和右肘关节的合速度值最高,分别为(11.48±3.78)、(10.63±3.51) mm/s。肩、肘、膝和踝关节的三维运动角度也无显著幅度变化,基本保持平行,离散程度微小(见 图5 )。扳动瞬间,肘关节的三维运动角度、角速度、角加速度最大(见 表2 )。
表2 颈椎侧屈手法施术者右侧肘关节三维运动角度、角速度、角加速度
图5 颈椎侧屈手法施术者右侧关节三维角度-时间曲线
结果显示,颈椎定位定向扳法的右手掌心的载荷峰值为9.25 kg,左手拇指的载荷峰值为2.36 kg,右手掌心的扳动时间短于左手拇指;颈椎侧屈手法的右手掌心的载荷峰值为1.72 kg,左手拇指的载荷峰值为1.32 kg,右手掌心与左手拇指的扳动时间一致(见 表3 )。
对sEMG信号进行去噪、滤波后,利用时域分析法提取上肢肌肉的iEMG和RMS(见 表4 ),计算得到各肌肉的贡献率。颈椎定位定向扳法中,右侧肱二头肌的贡献率最高,为22.82%;颈椎侧屈手法中,也是右侧肱二头肌的贡献率最高,为12.83%(见 图6 )。
近年来,运动学与动力学仿真技术的不断进步为手法共性生物力学要素开展直观、量化、可重复和规范化研究提供了可靠的方法学保障,如光学式动作捕捉技术、sEMG信号分析技术和压力感应技术等 [9-10] 。临床医师和研究者都希望定性或定量掌握或了解手法的运动规律,以促进手法的推广和传承 。本文在体同步采集了颈椎整骨手法的运动学和动力学参数。
Dugailly等 利用运动捕捉系统采集健康受试者在坐位颈椎调整手法下头部相对于T2的运动轨迹,获得人体-躯干的三维运动学数据。Zhu等 应用动作捕捉技术对颈椎旋转牵引手法进行详细的运动学测量和分析。Geyt等 通过对健康人进行颈椎高速低幅调整手法(high velocity low amp-litude, HVLA)操作发现,手法施术者之间因临床经验不同而差别较大,在速度方面尤为明显。王傅等 将正骨手法归为3类：轴向用力、旋转用力、侧方用力,分析骨折筋伤后的复位手法的力学规律。研究认为,颈椎整骨手法的运动学和动力学数据结果符合轻巧-短促、高速-低幅的运动特征 [16-17] 。这些研究结果修正了传统流派传承过程中偏主观性的观点,极大推动了手法力学机制和共性规律研究的进程 。
本文结果显示,两种颈椎整骨手法既有相同之处,又有各自的操作特点。两种手法都表现为瞬间发力,关节的位移-时间短,符合“寸劲”速度特征,即高速;肩、肘、腕、膝4个关节具有相同趋势的运动轨迹,三维运动角度的离散程度较小,符合“寸劲”幅度特征,即低幅度。两种手法的上肢关节活动更为灵活,下肢关节更注重稳固性,推测是以下肢关节的稳定来辅助上肢发力。此外,上臂肌肉是手法操作的主要用力肌肉,以肱二头肌贡献率最高,颈椎定位定向扳法尤为明显,体现出“寸劲”力度特征,即扳动力强。这些数据进一步验证了本课题组前期初步的研究结果 [19-20] 。
颈椎定位定向扳法的动作幅度和速度均大于颈椎侧屈手法,扳动作用力和时间也高于后者。施术者各肌肉的iEMG和RMS都在3以上,彼此之间相差较明显,反映出该手法需要的肌力较大。颈椎侧屈手法各肌肉的iEMG和RMS均在2以下,彼此之间数值接近,表明该手法的发力更平和。上述结果表明,颈椎定位定向扳法在调整关节位置异常时可能更有效彻底,但对颈椎结构异常的患者使用时需谨慎。同时,本文发现,该手法右手掌心的预载荷和载荷峰值明显高于左手,推测原因是施术者为右利手,操作时力量更大。
本研究的局限性如下：① 采用的Vicon三维步态分析系统版本较低,动作捕捉镜头灵敏度有所下降,施术者身上标志点数量较多,偶尔无法识别,数据出现失帧或缺点;② 研究对象仅为1位高年资医师和10位健康受试者,所获取的数据结果和结论在推广时需谨慎;③ 获取的指标未涉及各种影响因素(如受试者性别、年龄、身高、体重等)对手法操作力学参数的影响。
在后续研究中,一方面将更新实验设备,选用灵敏度更高的采集设备,优化采集技术和方案,竭力提高数据的精确度;另一方面,扩大研究的手法种类(颈椎、胸椎、腰椎等)和受试者样本量(不同年龄、不同阶段的真实临床病例等),同时增加不同年资施术者(低、中、高年资等)之间的对比测试。本研究旨在进一步阐明整骨手法运动学和动力学关键力学要素和共性特征,最终为整骨手法规范化诊疗,以及推动手法教学新模式的发展提供理论支撑。
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詹红生 1,2
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潘富伟 1,2
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王逸松 1,2
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王玉鹏 1,2
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