膝关节骨性关节炎推拿手法的力学特征和上肢核心肌群的疲劳研究

汪 鹏 王殊轶* 龚 利 杜云霄 左 艳

1(上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093)2(上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海 200093)

引言

推拿治疗纯粹是靠医生的手或肢体的其他部位作用于患者的身体，通过机械的、反复的操作而产生治疗效果。本研究所述的推拿手法，即双手的大拇指按一定的频率和压力挤压膝盖上的内膝眼和外膝眼，膝关节骨性关节炎患者坐站姿势配合，从而达到良好的临床效果[1-2]。但这种日复一日的机械运动，久之便会对医生的手指产生劳损，长期的劳损便会形成疾病，从而对医生身体造成伤害[3]。故本研究从人因工程角度出发，探讨该推拿手法的生物力学和推拿医生上肢的生理学特征。

目前此方面的研究主要有：Field阐述了适当的推拿对人体有很多有益的效果，例如减轻纤维肌痛和类风湿性关节炎等不同综合征的疼痛，减少抑郁、焦虑，增强免疫功能[4]。目前，有学者在进一步研究推拿与神经生理学和生化机制间的关系，即对推拿手法和推拿效果的研究是很有意义的。Yoopat等通过将主观指标(视觉模拟量表(VAS))和客观指标(肌电中值频率)结合的方法，评价3种泰式推拿手法的治疗效果[5]，但并没有评价推拿手法本身的生物力学特征和推拿医生上肢肌群的特征。Song等通过测量压强、频率、作用面积和上肢表面肌电，对推拿手法(掌法)进行评价，看其是否符合规范化操作[6]，但其并没有评价推拿医生的上肢生理学(疲劳)特征。方磊等通过观察不同手法力量下一指禅推法上肢肌电信号的iEMG、协同收缩率、MF等指标，研究手法操作关键技术及上肢肌群协同运动方式[7]。

本研究使用压力测量装置和表面肌电仪，实时采集受试者实施推拿手法时的推拿力度和上肢表面肌电信号，分别从生物力学和生理学角度分析该推拿手法的基本特征，测定垂直强度范围；计算次做功期与主做功期的时间比；确定操作该推拿手法时的上肢核心肌群，分析该推拿手法的肌肉协同方式；建立受试者上肢核心肌群的疲劳度客观定量分析方法，为后续的人因工程研究和研制可替代推拿医生手法的自动化装置奠定了良好的基础。

1 对象和方法

1.1 受试者

受试者选择10位推拿科医生参与测试，年龄(22±1.4)岁；身高(170.3±5.54)cm；体重(55±10.48)kg。在10位受试者中，男5例，女5例，所有受试者近期均无明显的上肢损伤史，实验前24 h未从事过上肢剧烈运动，没有肌肉酸痛及不适，不是敏感皮肤。

1.2 方法

1.2.1测力系统和采样电脑

压力测量仪是自主研发的无线压力测量装置(见图1)，采用的是薄膜式压力传感器[8](量程为0～500 N)和型号为HC-05的无线传输模块，将薄膜式压力传感器贴在拇指(右)指尖处，可实时采集推拿医生右手拇指的垂直压力，并在PC端软件界面上实时显示压力数值和变化曲线。

图1 测试平台

1.2.2表面肌电设备和电极粘贴

表面肌电设备是由美国Great Lakes Neuro Technologies公司生产的Bio-Radio生理监测仪(见图1)，该产品拥有多个可编程通道，包括ECG、EEG、EMG、GSR、脉搏、血氧浓度、温度、呼吸、肺活量等传感器，采样频率为250～16 000 Hz,最大数据传输速度为200 kbit/s，可全面检测生理数据，并采用无线蓝牙方式传输，其佩戴方便，使用便捷，可以与多种软件和分析工具兼容。

电极粘贴采用一次性Ag/AgCl医用电极，直径为6 mm。首先使用皮肤砂纸打磨需要测试的上肢(右)肌肉群[9](桡侧腕屈肌群、尺侧腕屈肌群、桡侧腕伸肌群、尺侧腕伸肌群、拇短展肌、肱二头肌、指伸肌、肱三头肌)处的表皮，并用75%酒精棉球擦拭其表皮，然后将一次性粘贴表面电极片贴在上述各肌肉收缩时肌腹的几何中心，电极方向顺着肌纤维的纵轴方，且两电极相距2 cm[10]。

1.2.3测试动作和方法

测试前，所有受试者静息10 min，上肢(右)保持放松状态。每位受试者需进行1 min的膝盖推拿手法操作(双手的大拇指按一定的频率和压力挤压膝盖上的内膝眼和外膝眼)，休息5 min后再次重复测试，每人如此反复测试3次。实时采集sEMG信号和拇指垂直压力，探讨确定核心肌群和该推拿手法的生物力学特征。等确定核心肌群后，每位测试者需进行4 min的膝盖推拿手法，实时采集核心肌群的sEMG信号。选择1 min后的20 s、2 min后的20 s和3 min后的20 s的肌电数据进行分析，研究核心肌群疲劳度。

1.2.4数学计算

1)生物力学特征计算：按该推拿手法作用力的方向将该手法操作分为“主做功期”(用力方向垂直于穴位和拇指伸展时的操作时间段)和“次做功期”(拇指屈曲时的操作时间段)两部分，一个手法周期由一个“次做功期”和一个“主做功期”组成。记录主做功期和次做功期的时间以及垂直强度，计算次做功期与主做功期的时间比σ[11]和垂直强度范围。

2)表面肌电计算：将神经肌肉系统活动时的生物电变化在皮肤表面加以引导、放大、显示和记录，所获得的一维时间序列信号就是sEMG信号。从肌电设备上获得的sEMG信号是一种原始的一维时间序列信号，表现为一种类似噪声的准随机信号，可表示为高斯分布函数。对采集的原始肌电信号使用线性分析方法。

时频分析又称振幅分析，主要指标为积分肌电值(integrated EMG，iEMG)，iEMG的数学意义是连续n个采样点值的绝对值和再取平均，可表示为

(1)

贡献率是对积分肌电值的应用，其数学意义是一块肌肉的积分肌电值占完成这一动作的主要几块肌肉积分肌电值总和的百分比，可表示为

(2)

频率分析是将原始肌电信号进行快速傅里叶变换后计算中位频率(median frequency，MF)，可表示为

(3)

平均功率频率(mean power frequency，MPF)可表示为

(4)

1.2.5信号处理

肌电原始数据的去噪滤波有：工频干扰信号[12]，50 Hz的陷波滤波器；运动干扰信号[13]，带宽为18 Hz的带通滤波器；心电信号的干扰[13]，基于RLS算法的自适应噪声滤波器。表面肌电信号使用Matlab软件进行数据处理。

1.2.6统计学和信号处理

本研究对推拿医生推拿垂直强度、次做功期与主做功期的时间和上肢表面肌电的重复性数据进行平均值和标准差处理，并使用SPSS软件对10位受试者的平均垂直强度和上肢表面肌电的平均iEMG值、平均MF值和平均MPF值进行单因素方差分析，分析各位受试者间的显著性差异，显著性水平为P=0.05。

2 结果

2.1 生物力学分析

图2表示的是10组受试者每次测试的垂直强度，前5位受试者为男性，后5位受试者为女性。经重复性测量数据的方差分析，每位受试者的重复实验数据间无显著性差异(F=2.493，P=0.102 > 0.05)，10组受试者的重复实验数据间也无显著性差异(F=0.965,P=0.496>0.05)。

图2 10组受试者每次测试的垂直强度

表1表示的是10组受试者重复测试的垂直强度的平均值。由表可见，受试者的垂直强度在200～260 N之间波动，平均垂直强度为228 N，但在压力采集过程中，偶尔出现压力值达到400～500 N，甚至达到800 N。对于这种情况的发生，可能是按压中推拿医生的手指接触到薄膜压力传感器的铁片处，导致采集系统发生故障，所以该情况的数据在后续处理中已排除。

表2所示为各受试者测试时的主做功期和次做功期的平均时间以及时间比，主做功期的持续时间在3～7 s之间波动；次做功期的持续时间在8～15 s之间波动；次做功期与主做功期的时间比在1.424～3.718间。

表1 10组受试者重复测试的垂直强度的平均值

表2 10组受试者次做功期与主做功期的时间和时间比σ

2.2 时域分析

图3表示的是10组受试者每次实验的上肢各肌肉群的平均iEMG值。经重复性测量数据的方差分析，10组受试者的上肢各肌群的重复实验数据间有显著性差异(F=96.882,P=6.716 93×10-12≪0.05)，10组受试者每次实验的相同肌肉群的重复实验数据间无显著性差异(F=0.089 9,P=0.914 4>0.05)。

图3 上肢各肌肉群平均iEMG值

表3表示上肢各肌肉群的平均积分肌电值和贡献率。由表中数据可知，上肢各个肌肉群的平均积分肌电值和贡献率依照从大到小的顺序为：拇短展肌、尺侧腕屈肌、肱三头肌、桡侧腕屈肌、尺侧腕伸肌、指伸肌、肱二头肌、桡侧腕伸肌。

2.3 频率分析

表4表示的是10组受试者不同实验阶段上肢核心肌肉群平均MF值和平均MPF值。经重复性测量数据的方差分析，各个核心肌肉群的平均MF值存在显著性差异(F=214.024 6,P=5.62×10-8≪0.05)以及平均MPF值存在显著性差异(F=73.506 81,P=3.64×10-6≪0.05)。由表4可知，在推拿过程中，整个上肢核心肌群的MF和MPF都呈现出相应的下降趋势。不同的实验阶段，除了肱三头肌整体波动不稳定，拇短展肌、尺侧腕屈肌和桡侧腕屈肌的MF值都相应地减少，上肢核心肌群中的拇短展肌的MF值减少了30%，尺侧腕屈肌的MF值减少了7%，桡侧腕屈肌的MF值减少了6%；不同的实验阶段，上肢核心肌群中的MPF值都有减少趋势，拇短展肌的MPF值减少了22%,尺侧腕屈肌的MPF值减少了11%，肱三头肌和桡侧腕屈肌的MPF值都减少了10%。

表3 10组受试者上肢各肌肉群的平均iEMG值和贡献率

表4 10组受试者不同实验阶段上肢核心肌肉群平均MF和平均MPF

3 讨论

传统推拿对手法的频率与强度的要求是比较严格的，认为手法的轻、重、快、慢要适得其宜，要轻而不浮、重而不滞，并以轻缓为补，重急为泻，故推拿专家总结了推拿八字要诀，即“持久、有力、均匀、柔和”，认为只有手法的动作达到其要领，其作用才能“深透于人体”[14]。

随着科技发展及生物力学的介入，探索中医推拿手法运动学与动力学的研究越来越多，但目前对该膝盖推拿手法的研究较少。王国才等采用L-1型推拿手法动态力测定器，实测王纪松、王白川、钱福卿等名医一指禅推法操作，分别观察和分析其手法动态曲线，并对各位名医手法特点进行描述[15]。这些研究为中国传统手法的现代研究提供了新的思路，但各项结论基本来源于图形分析，未有精确的数据支持。故本研究从频率、力度、反映有效做功时间的“次做功期”和“主做功期”时间比σ[11]入手，对其进行研究。

从图2、表1的结果可知，该推拿手法的垂直强度保持在200～260 N之间，平均垂直强度为228 N，这与一指禅、振法等传统推拿手法的力度[15]有很大的区别。这是由于其他传统推拿手法是一种长期性治疗，慢慢地改善病情，而操作该手法后，病情会立马出现好转，所以其垂直强度相比较于其他传统推拿手法大很多。反映有效做功时间的σ是衡量推拿手法操作熟练程度和操作效率的重要标准，推拿手法有效做功时间越多，说明手法掌握越熟练、手法作用越好。从表2的结果及数据平均处理可知，该推拿手法的主做功期持续时间为4.83 s，次做功期为11.43 s，“次做功期”和“主做功期”时间比σ应为2.37。一个手法周期由一个“次做功期”和一个“主做功期”组成，故该手法在一分钟内实施了4个周期。

iEMG值的大小在一定程度上反映参加工作的运动单位的数量多少和每个运动单位的放电大小，表示一段时间内肌肉活动强弱、肌肉中运动单位募集数量和同步化程度，并且积分肌电信号与力量素质指标之间的相关性[7，16]。贡献率表示一块肌肉的放电量占完成这一动作的主要几块肌肉放电量总和的百分比，其值越高，肌肉积分肌电值越高，做功越多，能够反映某块肌肉在完成这一动作中所起作用的大小，是参与运动的主动肌[17-19]。从图3结果可知，受试者每次实验的相同肌肉群的重复实验数据间无显著性差异，原因是受试者对手法肌肉控制模式已经固定，故各块肌肉输出比值改变没有明显差异。但受试者的上肢各肌群的重复实验数据间有显著性差异，原因是受试者操作过程中，上肢的核心肌群积分肌电值高，做功多，是主动肌。表3的结果显示，该推拿手法的核心肌群为拇短展肌、尺侧腕屈肌、肱三头肌、桡侧腕屈肌，而且拇短展肌为主要的发力肌群，这与文献7中一指禅推法的核心肌群不同，但由于该推拿手法也需要“屈指悬腕”，故其核心肌群不包括尺侧伸肌群，这与文献[7]中的研究结果相同。

手法持久性是指手法能够严格按照规定的技术要求和操作规范，持续操作足够的时间而动作不变行，保持动作的连贯性[20]。在该推拿手法操作过程中，主动肌会随着时间的延长而出现一定程度的运动性疲劳。而这种肌肉疲劳状态会直接影响到推拿动作的规范性，故上肢肌肉的耐疲劳性是达到手法持久的保障。研究认为，一般情况下，无论静态运动，抑或动态运动，伴随运动肌疲劳的发生和发展，表面肌电信号的傅里叶频谱曲线可以发生不同程度的左移现象，并且导致反映频谱曲线特征的MPF和 MF产生相应的下降，从而可以通过表面肌电信号sEMG中的参数MPF和MF来判断肌肉的功能状况[21-22]。从表4的结果可知，受试者进行4 min的推拿后，其上肢核心肌群的MPF和MF值都呈现下降趋势，反映肌肉收缩时运动单位动作电位发放率减少，即受试者上肢核心肌群已出现疲劳状态。而在4个核心肌群中，拇短展肌的下降程度最明显，这也说明该推拿手法操作过程中，拇短展肌始终处于高张力状态，所以拇短展肌疲劳程度能反映手法是否能达到持久。

4 结论

本研究采集10组受试者拇指(右)的压力值，根据采集到的压力数值，经分析处理可知，该推拿手法的力学特征为：1 min内按压4次，垂直强度保持在200～260 N之间，平均垂直强度为228 N，主做功期持续时间为4.83 s，次做功期为11.43 s，“次做功期”和“主做功期”时间比σ应为2.37；通过采集10组受试者上肢肌肉群的表面肌电信号，客观分析积分肌电值(iEMG)和贡献率两个指标，研究出实施该推拿手法时的核心肌肉群，分别是拇短展肌、尺侧腕屈肌、肱三头肌、桡侧腕屈肌。通过采集10组受试者上肢核心肌肉群的表面肌电信号，客观分析不同实验阶段的MF和MPF，研究上肢核心肌肉群的疲劳状况，发现拇短展肌的疲劳程度变化最大。笔者所研究的膝关节骨性关节炎推拿手法的生物力学特征和生理学(表面肌电)特征，为后续的人因工程研究和研制可替代推拿医生手法的自动化装置奠定了良好的基础。

(致谢：感谢无偿为本研究做实验的志愿者们以及为实验提供指导的老师们)

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