汪 鵬 王殊軼* 龔 利 杜云霄 左 艷

1(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)2(上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，上海 200093)

引言

推拿治療純粹是靠醫(yī)生的手或肢體的其他部位作用于患者的身體，通過(guò)機(jī)械的、反復(fù)的操作而產(chǎn)生治療效果。本研究所述的推拿手法，即雙手的大拇指按一定的頻率和壓力擠壓膝蓋上的內(nèi)膝眼和外膝眼，膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎患者坐站姿勢(shì)配合，從而達(dá)到良好的臨床效果[1-2]。但這種日復(fù)一日的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，久之便會(huì)對(duì)醫(yī)生的手指產(chǎn)生勞損，長(zhǎng)期的勞損便會(huì)形成疾病，從而對(duì)醫(yī)生身體造成傷害[3]。故本研究從人因工程角度出發(fā)，探討該推拿手法的生物力學(xué)和推拿醫(yī)生上肢的生理學(xué)特征。

目前此方面的研究主要有：Field闡述了適當(dāng)?shù)耐颇脤?duì)人體有很多有益的效果，例如減輕纖維肌痛和類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等不同綜合征的疼痛，減少抑郁、焦慮，增強(qiáng)免疫功能[4]。目前，有學(xué)者在進(jìn)一步研究推拿與神經(jīng)生理學(xué)和生化機(jī)制間的關(guān)系，即對(duì)推拿手法和推拿效果的研究是很有意義的。Yoopat等通過(guò)將主觀指標(biāo)(視覺(jué)模擬量表(VAS))和客觀指標(biāo)(肌電中值頻率)結(jié)合的方法，評(píng)價(jià)3種泰式推拿手法的治療效果[5]，但并沒(méi)有評(píng)價(jià)推拿手法本身的生物力學(xué)特征和推拿醫(yī)生上肢肌群的特征。Song等通過(guò)測(cè)量壓強(qiáng)、頻率、作用面積和上肢表面肌電，對(duì)推拿手法(掌法)進(jìn)行評(píng)價(jià)，看其是否符合規(guī)范化操作[6]，但其并沒(méi)有評(píng)價(jià)推拿醫(yī)生的上肢生理學(xué)(疲勞)特征。方磊等通過(guò)觀察不同手法力量下一指禪推法上肢肌電信號(hào)的iEMG、協(xié)同收縮率、MF等指標(biāo)，研究手法操作關(guān)鍵技術(shù)及上肢肌群協(xié)同運(yùn)動(dòng)方式[7]。

本研究使用壓力測(cè)量裝置和表面肌電儀，實(shí)時(shí)采集受試者實(shí)施推拿手法時(shí)的推拿力度和上肢表面肌電信號(hào)，分別從生物力學(xué)和生理學(xué)角度分析該推拿手法的基本特征，測(cè)定垂直強(qiáng)度范圍；計(jì)算次做功期與主做功期的時(shí)間比；確定操作該推拿手法時(shí)的上肢核心肌群，分析該推拿手法的肌肉協(xié)同方式；建立受試者上肢核心肌群的疲勞度客觀定量分析方法，為后續(xù)的人因工程研究和研制可替代推拿醫(yī)生手法的自動(dòng)化裝置奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 對(duì)象和方法

1.1 受試者

受試者選擇10位推拿科醫(yī)生參與測(cè)試，年齡(22±1.4)歲；身高(170.3±5.54)cm；體重(55±10.48)kg。在10位受試者中，男5例，女5例，所有受試者近期均無(wú)明顯的上肢損傷史，實(shí)驗(yàn)前24 h未從事過(guò)上肢劇烈運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有肌肉酸痛及不適，不是敏感皮膚。

1.2 方法

1.2.1測(cè)力系統(tǒng)和采樣電腦

壓力測(cè)量?jī)x是自主研發(fā)的無(wú)線(xiàn)壓力測(cè)量裝置(見(jiàn)圖1)，采用的是薄膜式壓力傳感器[8](量程為0～500 N)和型號(hào)為HC-05的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，將薄膜式壓力傳感器貼在拇指(右)指尖處，可實(shí)時(shí)采集推拿醫(yī)生右手拇指的垂直壓力，并在PC端軟件界面上實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)值和變化曲線(xiàn)。

圖1 測(cè)試平臺(tái)

1.2.2表面肌電設(shè)備和電極粘貼

表面肌電設(shè)備是由美國(guó)Great Lakes Neuro Technologies公司生產(chǎn)的Bio-Radio生理監(jiān)測(cè)儀(見(jiàn)圖1)，該產(chǎn)品擁有多個(gè)可編程通道，包括ECG、EEG、EMG、GSR、脈搏、血氧濃度、溫度、呼吸、肺活量等傳感器，采樣頻率為250～16 000 Hz,最大數(shù)據(jù)傳輸速度為200 kbit/s，可全面檢測(cè)生理數(shù)據(jù)，并采用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙方式傳輸，其佩戴方便，使用便捷，可以與多種軟件和分析工具兼容。

電極粘貼采用一次性Ag/AgCl醫(yī)用電極，直徑為6 mm。首先使用皮膚砂紙打磨需要測(cè)試的上肢(右)肌肉群[9](橈側(cè)腕屈肌群、尺側(cè)腕屈肌群、橈側(cè)腕伸肌群、尺側(cè)腕伸肌群、拇短展肌、肱二頭肌、指伸肌、肱三頭肌)處的表皮，并用75%酒精棉球擦拭其表皮，然后將一次性粘貼表面電極片貼在上述各肌肉收縮時(shí)肌腹的幾何中心，電極方向順著肌纖維的縱軸方，且兩電極相距2 cm[10]。

1.2.3測(cè)試動(dòng)作和方法

測(cè)試前，所有受試者靜息10 min，上肢(右)保持放松狀態(tài)。每位受試者需進(jìn)行1 min的膝蓋推拿手法操作(雙手的大拇指按一定的頻率和壓力擠壓膝蓋上的內(nèi)膝眼和外膝眼)，休息5 min后再次重復(fù)測(cè)試，每人如此反復(fù)測(cè)試3次。實(shí)時(shí)采集sEMG信號(hào)和拇指垂直壓力，探討確定核心肌群和該推拿手法的生物力學(xué)特征。等確定核心肌群后，每位測(cè)試者需進(jìn)行4 min的膝蓋推拿手法，實(shí)時(shí)采集核心肌群的sEMG信號(hào)。選擇1 min后的20 s、2 min后的20 s和3 min后的20 s的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究核心肌群疲勞度。

1.2.4數(shù)學(xué)計(jì)算

1)生物力學(xué)特征計(jì)算：按該推拿手法作用力的方向?qū)⒃撌址ú僮鞣譃椤爸髯龉ζ凇?用力方向垂直于穴位和拇指伸展時(shí)的操作時(shí)間段)和“次做功期”(拇指屈曲時(shí)的操作時(shí)間段)兩部分，一個(gè)手法周期由一個(gè)“次做功期”和一個(gè)“主做功期”組成。記錄主做功期和次做功期的時(shí)間以及垂直強(qiáng)度，計(jì)算次做功期與主做功期的時(shí)間比σ[11]和垂直強(qiáng)度范圍。

2)表面肌電計(jì)算：將神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電變化在皮膚表面加以引導(dǎo)、放大、顯示和記錄，所獲得的一維時(shí)間序列信號(hào)就是sEMG信號(hào)。從肌電設(shè)備上獲得的sEMG信號(hào)是一種原始的一維時(shí)間序列信號(hào)，表現(xiàn)為一種類(lèi)似噪聲的準(zhǔn)隨機(jī)信號(hào)，可表示為高斯分布函數(shù)。對(duì)采集的原始肌電信號(hào)使用線(xiàn)性分析方法。

時(shí)頻分析又稱(chēng)振幅分析，主要指標(biāo)為積分肌電值(integrated EMG，iEMG)，iEMG的數(shù)學(xué)意義是連續(xù)n個(gè)采樣點(diǎn)值的絕對(duì)值和再取平均，可表示為

(1)

貢獻(xiàn)率是對(duì)積分肌電值的應(yīng)用，其數(shù)學(xué)意義是一塊肌肉的積分肌電值占完成這一動(dòng)作的主要幾塊肌肉積分肌電值總和的百分比，可表示為

(2)

頻率分析是將原始肌電信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后計(jì)算中位頻率(median frequency，MF)，可表示為

(3)

平均功率頻率(mean power frequency，MPF)可表示為

(4)

1.2.5信號(hào)處理

肌電原始數(shù)據(jù)的去噪濾波有：工頻干擾信號(hào)[12]，50 Hz的陷波濾波器；運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)[13]，帶寬為18 Hz的帶通濾波器；心電信號(hào)的干擾[13]，基于RLS算法的自適應(yīng)噪聲濾波器。表面肌電信號(hào)使用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.6統(tǒng)計(jì)學(xué)和信號(hào)處理

本研究對(duì)推拿醫(yī)生推拿垂直強(qiáng)度、次做功期與主做功期的時(shí)間和上肢表面肌電的重復(fù)性數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差處理，并使用SPSS軟件對(duì)10位受試者的平均垂直強(qiáng)度和上肢表面肌電的平均iEMG值、平均MF值和平均MPF值進(jìn)行單因素方差分析，分析各位受試者間的顯著性差異，顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果

2.1 生物力學(xué)分析

圖2表示的是10組受試者每次測(cè)試的垂直強(qiáng)度，前5位受試者為男性，后5位受試者為女性。經(jīng)重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)的方差分析，每位受試者的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間無(wú)顯著性差異(F=2.493，P=0.102 > 0.05)，10組受試者的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間也無(wú)顯著性差異(F=0.965,P=0.496>0.05)。

圖2 10組受試者每次測(cè)試的垂直強(qiáng)度

表1表示的是10組受試者重復(fù)測(cè)試的垂直強(qiáng)度的平均值。由表可見(jiàn)，受試者的垂直強(qiáng)度在200～260 N之間波動(dòng)，平均垂直強(qiáng)度為228 N，但在壓力采集過(guò)程中，偶爾出現(xiàn)壓力值達(dá)到400～500 N，甚至達(dá)到800 N。對(duì)于這種情況的發(fā)生，可能是按壓中推拿醫(yī)生的手指接觸到薄膜壓力傳感器的鐵片處，導(dǎo)致采集系統(tǒng)發(fā)生故障，所以該情況的數(shù)據(jù)在后續(xù)處理中已排除。

表2所示為各受試者測(cè)試時(shí)的主做功期和次做功期的平均時(shí)間以及時(shí)間比，主做功期的持續(xù)時(shí)間在3～7 s之間波動(dòng)；次做功期的持續(xù)時(shí)間在8～15 s之間波動(dòng)；次做功期與主做功期的時(shí)間比在1.424～3.718間。

表1 10組受試者重復(fù)測(cè)試的垂直強(qiáng)度的平均值

表2 10組受試者次做功期與主做功期的時(shí)間和時(shí)間比σ

2.2 時(shí)域分析

圖3表示的是10組受試者每次實(shí)驗(yàn)的上肢各肌肉群的平均iEMG值。經(jīng)重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)的方差分析，10組受試者的上肢各肌群的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間有顯著性差異(F=96.882,P=6.716 93×10-12?0.05)，10組受試者每次實(shí)驗(yàn)的相同肌肉群的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間無(wú)顯著性差異(F=0.089 9,P=0.914 4>0.05)。

圖3 上肢各肌肉群平均iEMG值

表3表示上肢各肌肉群的平均積分肌電值和貢獻(xiàn)率。由表中數(shù)據(jù)可知，上肢各個(gè)肌肉群的平均積分肌電值和貢獻(xiàn)率依照從大到小的順序?yàn)椋耗炊陶辜　⒊邆?cè)腕屈肌、肱三頭肌、橈側(cè)腕屈肌、尺側(cè)腕伸肌、指伸肌、肱二頭肌、橈側(cè)腕伸肌。

2.3 頻率分析

表4表示的是10組受試者不同實(shí)驗(yàn)階段上肢核心肌肉群平均MF值和平均MPF值。經(jīng)重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)的方差分析，各個(gè)核心肌肉群的平均MF值存在顯著性差異(F=214.024 6,P=5.62×10-8?0.05)以及平均MPF值存在顯著性差異(F=73.506 81,P=3.64×10-6?0.05)。由表4可知，在推拿過(guò)程中，整個(gè)上肢核心肌群的MF和MPF都呈現(xiàn)出相應(yīng)的下降趨勢(shì)。不同的實(shí)驗(yàn)階段，除了肱三頭肌整體波動(dòng)不穩(wěn)定，拇短展肌、尺側(cè)腕屈肌和橈側(cè)腕屈肌的MF值都相應(yīng)地減少，上肢核心肌群中的拇短展肌的MF值減少了30%，尺側(cè)腕屈肌的MF值減少了7%，橈側(cè)腕屈肌的MF值減少了6%；不同的實(shí)驗(yàn)階段，上肢核心肌群中的MPF值都有減少趨勢(shì)，拇短展肌的MPF值減少了22%,尺側(cè)腕屈肌的MPF值減少了11%，肱三頭肌和橈側(cè)腕屈肌的MPF值都減少了10%。

表3 10組受試者上肢各肌肉群的平均iEMG值和貢獻(xiàn)率

表4 10組受試者不同實(shí)驗(yàn)階段上肢核心肌肉群平均MF和平均MPF

3 討論

傳統(tǒng)推拿對(duì)手法的頻率與強(qiáng)度的要求是比較嚴(yán)格的，認(rèn)為手法的輕、重、快、慢要適得其宜，要輕而不浮、重而不滯，并以輕緩為補(bǔ)，重急為瀉，故推拿專(zhuān)家總結(jié)了推拿八字要訣，即“持久、有力、均勻、柔和”，認(rèn)為只有手法的動(dòng)作達(dá)到其要領(lǐng)，其作用才能“深透于人體”[14]。

隨著科技發(fā)展及生物力學(xué)的介入，探索中醫(yī)推拿手法運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的研究越來(lái)越多，但目前對(duì)該膝蓋推拿手法的研究較少。王國(guó)才等采用L-1型推拿手法動(dòng)態(tài)力測(cè)定器，實(shí)測(cè)王紀(jì)松、王白川、錢(qián)福卿等名醫(yī)一指禪推法操作，分別觀察和分析其手法動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，并對(duì)各位名醫(yī)手法特點(diǎn)進(jìn)行描述[15]。這些研究為中國(guó)傳統(tǒng)手法的現(xiàn)代研究提供了新的思路，但各項(xiàng)結(jié)論基本來(lái)源于圖形分析，未有精確的數(shù)據(jù)支持。故本研究從頻率、力度、反映有效做功時(shí)間的“次做功期”和“主做功期”時(shí)間比σ[11]入手，對(duì)其進(jìn)行研究。

從圖2、表1的結(jié)果可知，該推拿手法的垂直強(qiáng)度保持在200～260 N之間，平均垂直強(qiáng)度為228 N，這與一指禪、振法等傳統(tǒng)推拿手法的力度[15]有很大的區(qū)別。這是由于其他傳統(tǒng)推拿手法是一種長(zhǎng)期性治療，慢慢地改善病情，而操作該手法后，病情會(huì)立馬出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，所以其垂直強(qiáng)度相比較于其他傳統(tǒng)推拿手法大很多。反映有效做功時(shí)間的σ是衡量推拿手法操作熟練程度和操作效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，推拿手法有效做功時(shí)間越多，說(shuō)明手法掌握越熟練、手法作用越好。從表2的結(jié)果及數(shù)據(jù)平均處理可知，該推拿手法的主做功期持續(xù)時(shí)間為4.83 s，次做功期為11.43 s，“次做功期”和“主做功期”時(shí)間比σ應(yīng)為2.37。一個(gè)手法周期由一個(gè)“次做功期”和一個(gè)“主做功期”組成，故該手法在一分鐘內(nèi)實(shí)施了4個(gè)周期。

iEMG值的大小在一定程度上反映參加工作的運(yùn)動(dòng)單位的數(shù)量多少和每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電大小，表示一段時(shí)間內(nèi)肌肉活動(dòng)強(qiáng)弱、肌肉中運(yùn)動(dòng)單位募集數(shù)量和同步化程度，并且積分肌電信號(hào)與力量素質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性[7，16]。貢獻(xiàn)率表示一塊肌肉的放電量占完成這一動(dòng)作的主要幾塊肌肉放電量總和的百分比，其值越高，肌肉積分肌電值越高，做功越多，能夠反映某塊肌肉在完成這一動(dòng)作中所起作用的大小，是參與運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)肌[17-19]。從圖3結(jié)果可知，受試者每次實(shí)驗(yàn)的相同肌肉群的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間無(wú)顯著性差異，原因是受試者對(duì)手法肌肉控制模式已經(jīng)固定，故各塊肌肉輸出比值改變沒(méi)有明顯差異。但受試者的上肢各肌群的重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間有顯著性差異，原因是受試者操作過(guò)程中，上肢的核心肌群積分肌電值高，做功多，是主動(dòng)肌。表3的結(jié)果顯示，該推拿手法的核心肌群為拇短展肌、尺側(cè)腕屈肌、肱三頭肌、橈側(cè)腕屈肌，而且拇短展肌為主要的發(fā)力肌群，這與文獻(xiàn)7中一指禪推法的核心肌群不同，但由于該推拿手法也需要“屈指懸腕”，故其核心肌群不包括尺側(cè)伸肌群，這與文獻(xiàn)[7]中的研究結(jié)果相同。

手法持久性是指手法能夠嚴(yán)格按照規(guī)定的技術(shù)要求和操作規(guī)范，持續(xù)操作足夠的時(shí)間而動(dòng)作不變行，保持動(dòng)作的連貫性[20]。在該推拿手法操作過(guò)程中，主動(dòng)肌會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)一定程度的運(yùn)動(dòng)性疲勞。而這種肌肉疲勞狀態(tài)會(huì)直接影響到推拿動(dòng)作的規(guī)范性，故上肢肌肉的耐疲勞性是達(dá)到手法持久的保障。研究認(rèn)為，一般情況下，無(wú)論靜態(tài)運(yùn)動(dòng)，抑或動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，伴隨運(yùn)動(dòng)肌疲勞的發(fā)生和發(fā)展，表面肌電信號(hào)的傅里葉頻譜曲線(xiàn)可以發(fā)生不同程度的左移現(xiàn)象，并且導(dǎo)致反映頻譜曲線(xiàn)特征的MPF和 MF產(chǎn)生相應(yīng)的下降，從而可以通過(guò)表面肌電信號(hào)sEMG中的參數(shù)MPF和MF來(lái)判斷肌肉的功能狀況[21-22]。從表4的結(jié)果可知，受試者進(jìn)行4 min的推拿后，其上肢核心肌群的MPF和MF值都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，反映肌肉收縮時(shí)運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位發(fā)放率減少，即受試者上肢核心肌群已出現(xiàn)疲勞狀態(tài)。而在4個(gè)核心肌群中，拇短展肌的下降程度最明顯，這也說(shuō)明該推拿手法操作過(guò)程中，拇短展肌始終處于高張力狀態(tài)，所以拇短展肌疲勞程度能反映手法是否能達(dá)到持久。

4 結(jié)論

本研究采集10組受試者拇指(右)的壓力值，根據(jù)采集到的壓力數(shù)值，經(jīng)分析處理可知，該推拿手法的力學(xué)特征為：1 min內(nèi)按壓4次，垂直強(qiáng)度保持在200～260 N之間，平均垂直強(qiáng)度為228 N，主做功期持續(xù)時(shí)間為4.83 s，次做功期為11.43 s，“次做功期”和“主做功期”時(shí)間比σ應(yīng)為2.37；通過(guò)采集10組受試者上肢肌肉群的表面肌電信號(hào)，客觀分析積分肌電值(iEMG)和貢獻(xiàn)率兩個(gè)指標(biāo)，研究出實(shí)施該推拿手法時(shí)的核心肌肉群，分別是拇短展肌、尺側(cè)腕屈肌、肱三頭肌、橈側(cè)腕屈肌。通過(guò)采集10組受試者上肢核心肌肉群的表面肌電信號(hào)，客觀分析不同實(shí)驗(yàn)階段的MF和MPF，研究上肢核心肌肉群的疲勞狀況，發(fā)現(xiàn)拇短展肌的疲勞程度變化最大。筆者所研究的膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎推拿手法的生物力學(xué)特征和生理學(xué)(表面肌電)特征，為后續(xù)的人因工程研究和研制可替代推拿醫(yī)生手法的自動(dòng)化裝置奠定了良好的基礎(chǔ)。

(致謝：感謝無(wú)償為本研究做實(shí)驗(yàn)的志愿者們以及為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)的老師們)

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