一指禅推法生物力学模型设计及其运动学特性研究

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一指禅推法生物力学模型设计及其运动学特性研究

1 推拿手法的基本研究方法

自上个世纪80年代以来，国内学者利用推拿手法测力分析仪、三维测力平台[1]、压力传感器检测系统、三维运动分析系统等多种技术方法，研究推拿手法的生物力学特征，并取得了较好的研究成果。

王氏等[2] 分别作一实时监测于专家组、普通临床医生组和学生组，使用TN-2中医推拿手法测试仪采集手法图形作为参数，以研究其半定量化，作为滚法的规范量化依据。3 组测试者静息15分钟，排除精神因素，按照传统操作方法，在TN- 2 中医推拿手法测试仪上操作，每名测试者操作2次，每次5分钟，实时记录手法操作图形信号，以10分钟为间隔，确保同一条件和可重复性。结果表明，TN- 2中医推拿手法测试仪上峰值、谷值、冲量值、量效关系曲线等是描述手法操作特性的重要因素。

秦氏等构建3个三维测力传感器，5个压力传感器的测力平台，通过A/D转换，使用计算机采集数据和实时处理，并以扌衮法为例进行测试。此方法可测量扌衮法操作过程中各作用点所产生的力的大小、方向、作功大小以及累积数值等，并可用图形、数据等进行定量描述。结果表明在体手法测量系统可准确实时地记录手法操作过程中三维共6个自由度内力的大小及相关特征。

李氏等[3] 应用压力传感器检测系统，检测并记录旋转手法作用时出现咔哒声响时术者拇指推扳腰椎棘突的最大推扳力。研究腰椎定点旋转手法作用时咔哒声响与拇指最大推扳力的量效关系，为推拿手法提供定量化依据。以出现咔哒声响作为腰椎旋转手法成功的标志，操作者左、右手拇指的最大平均推扳力分别为：5.1±1.3kg与6.6±1.5kg。结论:利手对拇指的推扳力有显著的影响(P<0.001)，咔哒声响的发生与拇指推扳力的大小无直接关系。

吕氏等[4] 采用摄像技术，采集一指禅推法(屈指)的运动学数据，同时利用 FZ-I 型中医推拿手法测力分析仪采集作用力数据，依此建立手法的生物力学模型并计算各主要关节的作用力。建立了 4 杆件、5 结点的中医一指禅推法(屈指)生物力学模型，计算得到了拇指指间关节、拇指掌指关节、腕关节和肘关节的作用力，分析了各关节在手法运动中的作用。结果显示可用中医一指禅推法(屈指)的生物力学模型来计算推拿过程中各关节的作用力，并为推拿手法临床应用提供帮助，为教学研究开拓一个新的方向。

方氏等[5]利用摄像机与推拿手法测定仪对推拿专家进行扌衮法的运动学和力信号测试，建立包括手部、尺骨及桡骨的简化的生物力学模型和方程，求解手部桡骨和尺骨远端点处的受力。结果表明当扌衮法外推时，手部桡骨、尺骨远端点处X方向(扌衮动方向)受力方向不变，出现两个峰值，近外推结束时受力最大；收时两处受力大小和方向出现波动。手部桡骨和尺骨远端点处，Y方向和Z方向受力趋势相同，在逐步上升后出现了一个平缓变化的阶段，之后急骤下降。本实验的简化生物力学模型可对操作者手部受力进行较明确的定量分析。由于研究技术条件有限、学科交叉融合不够等多种因素的制约，当前的研究成果尚未全面反映推拿手法的运动规律，同时推拿手法生物力学研究中的生物力学建模技术、动作测试技术和数据处理等关键研究环节都需要进一步的完善和规范。 2 推法手法的国内外发展现状及趋势

国内学者始终将推拿手法的生物力学研究作为推拿学的研究重点，并且取得了大量的研究成果。例如，周氏[6]等利用FZ-I型中医推拿手法测力分析仪研究了扌衮法的合力作用点轨迹发现，由于手部着力部位的不同，可以形成“心”型、“葫芦”型、“8”字型、“棒椎”型等不同的作用点轨迹；秦氏[7]等利用三维测力平台和测力手套，研究了扌衮法操作时手掌不同部位的接触力，得到的总体比重分别为大鱼际点31.7%，小鱼际13.9%，小指点30.1%，无名指点8.2%，中指点16.1%。余氏等利用参照坐标系分析了9中推拿手法的自由度数、各个自由度


的施力情况、速度大小和动作频率；马氏等利用推拿手法测定仪、彩超等技术研究发现，扌衮法操作中力量3.5～4.5kg、频率105～135kg、时间8.75～11.25min的组合模式提高腘动脉血流量增益率的效果最显著；吕氏等利用摄像技术和推拿手法测试分析仪等，建立了4杠杆、5结点的中医一指禅推法生物力学模型，计算得到了拇指指间关节、拇指掌指关节、腕关节和肘关节的作用力，并分析了各个关节在手法运动中的作用。这些研究成果，从不同的角度研究了推拿手法的生物力学特征，并对推拿量化评价标准的建立起到了重要的促进作用。但是，由于研究技术条件有限、学科交叉融合不够等多种因素的制约，这些研究成果尚未全面反映推拿手法的运动规律，难以满足推拿学发展建设的需要。此外，国外学者虽然在四肢运动和脊柱的运动生物力学研究方面取得了显著的研究成果，同样由于很少采用多系统的研究方法，对相邻环节之间的相对运动关系研究较少，故也没有全面反映人体的运动学特征。 推拿手法操作是一个复杂的运动过程，包括神经系统、肌肉系统、骨骼系统等多系统共同参与，有许多因素、变量的变化。已有学者用简化人体运动的方法，从多方面、多角度建立了许多类型的运动分析模型。主要包括弹簧-阻尼-质量力学模型、多刚体生物力学模型、神经-肌肉-骨骼系统模型、数字化人体图像模型等。

弹簧-阻尼-质量力学模型不能体现运动中快速的关节角度和肌肉受力的改变，局限于人机工程中预测与评估人体的振动特性；神经-肌肉-骨骼系统模型能够更加接近人体的真实动作，是人体运动学研究的新领域，并将成为人体运动研究的主要方法，但是模型建立和计算方法均十分复杂，各项研究工作正在建设之中；数字化人体图像模型应用三维重构技术建立数字化的人体模型，能够构建更加精细的人体运动模型，但是此项技术也在发展建设之中。因此，上述三种人体运动建模技术均不适合中医推拿学的需要。多刚体生物力学模型几个刚体铰接构成的多刚体模型来研究人体，广泛用于步行、跑步、体操等规则运动研究及某些特殊规律的运动，且该方法理论成熟，是人体运动分析的常用研究方法，适合用于推拿手法生物力学的建模研究，国内已有学者利用此方法进行了部分手法的生物力学特征研究工作。 多刚体生物力学模型的建模方法主要有正向运动学和逆向运动学两种模型，正向运动学模型是根据人体相关关节和环节的运动参数，计算出人体的各个部位的位姿状态，具有计算简单、运算速度快的优势，但是容易造成运动误差和失真，国内多项推拿机械的研究就是依据这一原理进行设计。逆向运动学模型是根据人体的位姿状态，计算各关节和各环节的运动参数，确定其运动特征，其优点是只需要指定主要环节和关节点的位置，就能计算出所需的运动参数，但是存在计算模型比较复杂的缺陷，开发者需要精通机械运动和动力学、几何学和向量数学等方面的知识。因此，基于逆向运动学原理设计的推拿手法多刚体运动生物力学模型，是当前研究推拿手法运动生物学特征的理想生物力学模型。 3 多刚体模型适用于生物耦合行为及其运动耦合特性

国内学者率先提出了“生物耦合”的理论，并被广泛应用于仿生工程领域，该理论指出生物体由其自身的结构、组成和形态等多种生物耦元，形成多系统、多层次的综合协同作用，而产生独特的生物功能、生理现象和运动特性，构成神奇复杂的生物耦合行为。人体肌肉、骨骼和韧带的各独立部位并不具备运动特性，只有它们按一定方式耦合起来，才具有力学行为特性，只有通过耦合，才能表现出整体运动的杠杆系统。生物耦合行为是生物能表现为何种生物功能和生理现象、何种运动和动作等行为。上述的人体运动行为，是在生物耦合作用下产生的，研究这种运动特性，称之为人体运动的运动耦合特性。 4 小结

许多学者致力于人体运动的研究，在不同时代不同领域，取得了不少研究成果。但是由于人体结构的复杂性、人体运动的多样性、人体自身的生物局限性以及测量仪器的局限性等，某些参数或指标无法直接测量，对某些破坏性或特殊条件下的实验也无法进行真人实验，这些都限制了对人体运动规律的探索。因此，研究者们不得不建立一个与真实人体运动系统相类似的人体运动仿真模型，并结合相关实验和借助计算机仿真技术，通过对该模型的研究来揭示和掌握真实人体运动系统的特征和规律。这种方法现已成为研究人体运动的一个重要手

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