伤科手法治疗腰椎间盘突出症的运动学研究

王 玮 王冬梅* 李飞跃 薛 彬

1(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)2(上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 200025)

伤科手法治疗腰椎间盘突出症的运动学研究

王 玮1王冬梅1*李飞跃2薛 彬2

1(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)2(上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 200025)

为探索中医手法治疗腰椎间盘突出症的运动学规律和机制，选取上海交通大学附属瑞金医院魏氏伤科手法中的经典“悬足压膝”和“腰部提拉”手法动作作为研究对象。对10名健康青年男性施加手法动作，并通过三维运动捕捉系统采集手法作用时受试者的5次运动学数据，定义人体相对关节坐标系，并通过Visual3D软件建立人体三维运动模型。计算下肢髋关节、膝关节和踝关节的相对运动角度，并分解对应得到各关节的屈曲/伸展、外展/内收、轴向旋转运动，处理计算得到关节的平均运动角度和轨迹规律。统计各运动数据，分析运动的左右侧差异。结果表明，右侧髋关节的平均被动屈曲角度可达137.33°，被动伸展角度可达30.86°，这与解剖学上髋关节的被动最大角度以及其与膝关节位置相关的理论相一致，也验证了髋关节的极限屈曲/伸展角度与膝关节的位置有关，从而说明魏氏手法的运动学作用机理在于促进髋关节被动运动达到可达最大程度。同时发现，部分关节运动角度针对下肢惯用侧存在统计学上的左右侧差异(P<0.05)。该研究为手法的研究和定量评估提供新的研究方法。

魏氏手法；腰椎间盘突出症；运动捕捉；关节运动

引言

腰椎间盘突出症主要是由于椎间盘各部分病变，纤维环破裂，髓核组织挤压相邻脊神经根，最终导致腰腿部疼痛等一系列临床症状[1]，是骨伤科的常见病和多发病。中医手法治疗腰椎间盘突出症疗效显著，具有经济而无副作用、病人易于接受等特点，是非手术治疗腰椎间盘突出症的一种重要方法[2-4]。然而中医手法作为一门经验学科，缺乏规范和量化，存在误用或操作不当而引起的风险[5]。为研究手法的作用效果和作用机理，医学界已展开了多种形式的探索，有研究[6-7]通过建立仿真三维模型进行有限元分析研究手法作用下脊柱的受力情况，还有研究者[8]在离体腰椎施加循环载荷模拟椎间盘病理状态并进行扳法模拟以阐释手法的作用机制，此外，还有应用多关节等速测试系统和表面肌电图仪测试接受手法治疗的患者在治疗腰背伸肌群生物力学特性的变化情况[9]。手法作用的机制是通过直接或间接作用于脊椎及其周围软组织的运动学及力学的动态变化产生治疗作用。其生物力学作用具体体现在：调整脊椎的动力学平衡和静力学平衡；调整椎间盘粘弹性与应力分布；调整髓核内压力分布[10-13]。然而，针对手法作用的运动学规律和机制尚没有深入研究。现有的运动学分析仅着眼于施术者的部分肢体动作分析[14]或者局限于患者腰椎的表面位移[15]，没有考虑到人体作为一个整体，其运动链以及肌肉链在手法过程中的重要作用[16]。

为此，现选取上海交通大学附属瑞金医院魏氏伤科手法深入研究手法治疗腰椎间盘突出症时的运动学规律，通过三维运动捕捉系统采集研究魏氏手法中具有独特疗效和特点的“悬足压膝”和“腰部提拉”经典动作作用时的受试者的运动学数据，建立人体三维运动模型，处理得到关节运动情况并分析运动学机理，为中医手法的规范化和量化提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

选取10名健康的男性，受试者年龄为(23.8±1.0)岁，身高为(175.1±8.7)cm，体重为(67.18±10.39)kg。所有受试者均无脊椎病史，或者任何下肢神经病痛等情况。受试者在接受实验前被告知所有的实验内容并签署了知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 三维运动捕捉

本次实验采用英国VICON公司生产的VICON T40(Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, GBR)三维运动捕捉系统采集受试者在被动接受手法时的运动学数据，共使用16个400万像素的红外摄像头(采样频率200 Hz)，一套荧光反射标记追踪球共45个。追踪球布置基于VICON的plug-in gait模型，同时基于刚体补偿原则，在每个人体节段布置刚体块，补偿运动过程中不易被捕捉的骨性标记点的运动数据。为使追踪球尽可能贴合人体并且减少衣物摩擦移动产生的误差，受试者仅穿7分泳裤。

针对“悬足压膝”和“腰部提拉”两个手法动作，分别采取两套标记点布置。测量前受试者被要求自然站立然后采集静态位置时的追踪球数据。测量时受试者仰卧(悬足压膝时，见图1(a))或俯卧(腰部提拉时，见图1(b))，并去除会产生遮挡位置的骨性标记点的追踪球，其运动数据基于刚体补偿原则通过静态数据的相对位置关系计算得到。

图1 VICON追踪点布置及其实验过程。(a)悬足压膝；(b)腰部提拉Fig.1 VICON makers placement in the experiment. (a)FHKB；(b)WPO

1.2.2 施加临床手法

悬足压膝：受试者仰卧于床上。医师一手握住受试者单边足底部，一手放置在靠近医师身体侧的受试者膝部，抬起小腿，由小腿屈曲带动大腿前屈，直至到达极限位置，再拉动小腿与大腿成水平伸直。单次动作压膝5次，每次由低到高，压膝力度渐次加重。先采集右腿动作，再采集左腿动作。每个动作共重复采集5次有效数据。

腰部提拉：受试者仰卧于床上。医师左手向下按压住受试者腰椎，右手握住受试者踝关节上部，带动小腿与大腿向医师侧斜拉，而后在过伸的位置上，用力猛拉一下，以能够听到腰部有响声为度。先采集右腿动作，再采集左腿动作。每个动作共重复采集5次有效数据。

1.2.3 建立人体运动骨骼模型

采集的运动学数据经过Vicon Nexus 2.0(Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, GBR)软件处理以C3D文件的格式输出并导入Visual3D软件(C-Motion Inc., Germantown, MD, USA)处理以建立人体骨骼模型。定义人体关节局部坐标系，利用每个受试者静态下采集的骨性标记点数据及其身高体重基本信息建立人体骨骼节段，并结合其他刚体块追踪球进行骨骼模型的运动驱动和运动补偿。骨性标记点包括：左、右髂前上棘，左、右髂后上棘，左、右股骨大转子外侧粗隆，左、右股骨内外侧髁，左、右腓骨外侧踝，左、右胫骨内侧踝，左、右第一跖骨头背侧，左、右第五跖骨头背侧。人体下肢模型共包括骨盆、右大腿、左大腿、右小腿、左小腿、右足、左足这7个节段，根据各个节段计算下肢的髋关节、膝关节和踝关节的相对运动角度。各关节复合的关节运动角度分别分解在其对应的冠状面、矢状面和水平面上，相对于局部坐标系的X、Y、Z轴分别对应髋关节、膝关节和踝关节的屈曲/伸展、外展/内收、轴向旋转运动[17]。

1.2.4 数据处理及统计分析

每个受试者的同一动作路径经过滤波、归一化后由Visual3D软件以ASCII的格式导入到Origin软件(OriginLab Corporation, Hampton, USA)进行数据处理并画图。通过使用SAS 9.4软件(SAS Institute Inc., North Carolina, USA)统计分析各运动数据的均值和标准差，并且使用t配对检验各受试者下肢右侧和左侧的运动学数据有无差异。其中，P<0.05为差异有统计学意义；P<0.01为差异有显著统计学意义；P>0.05为差异无统计学意义。

2 结果

悬足压膝过程中下肢各关节三维运动角度见表1，其拟合角度平均轨迹曲线及其标准差偏离曲线(由平均值加减正负标准差得到)见图2。腰部提拉对应见表2及图3。

表1 悬足压膝过程中各关节平均运动范围

注：+表示左右两侧有统计学差异(P<0.05)。

Note：Symbol+: Significant differences between right and left sides (P<0.05).

图2 悬足压膝过程中各关节平均运动曲线(实线)及标准差偏离曲线(虚线)。(a)髋关节屈曲/伸展；(b)髋关节外展/内收；(c)髋关节轴向旋转；(d)膝关节屈曲/伸展；(e)膝关节外展/内收；(f)膝关节轴向旋转；(g)踝关节屈曲/伸展；(h)踝关节外展/内收；(i)踝关节轴向旋转Fig.2 FHKB mean angles (solid lines) and standard deviations (dashed lines) at the three joints in the three axial planes(FL/EX: flexion/extension; AB/AD: abduction/adduction; ER/IR: external/internal rotation). (a)Hip FL/EX; (b)Hip AB/AD; (c)Hip ER/IR; (d)Knee FL/EX; (e)Knee AB/AD; (f)Knee ER/IR; (g)Ankle FL/EX; (h)Ankle AB/AD; (i)Ankle ER/IR

实际在悬足压膝过程中，受试者因为平躺仰卧于床上，故髋关节的屈曲/伸展运动实际上只发生屈曲运动。而在腰部提拉过程中，受试者因为俯卧于床上，故髋关节的屈曲/伸展运动实际上只发生伸展运动。此处统一将绕冠状面轴线的运动记为屈曲/伸展运动，其他类同。

由图2、3可看出，髋关节、膝关节和踝关节屈曲/伸展的运动范围要比其余两个平面的运动都要大，并且其标准差相对于各关节运动范围的偏离程度要明显小于另外对应的外展/内收和轴向旋转运动的标准差偏离程度。

对于各受试者下肢左右两侧运动做差异性比较发现，在悬足压膝过程中，踝关节的轴向旋转运动具有统计学差异(P<0.000 7)，右侧为12.62°±3.26°，左侧为6.77°±2.28°，右侧普遍大于左侧。其余各关节的左右两侧的运动范围均没有统计学差异。在腰部提拉过程中，髋关节的屈曲/伸展运动(P<0.0036)、膝关节的屈曲/伸展运动(P<0.0119)和踝关节的轴向旋转运动具有统计学差异(P<0.0007)，均为右侧运动范围普遍大于左侧运动范围。其中，髋关节的屈曲/伸展运动右侧为30.86°±4.87°，左侧为22.99°±5.79°；膝关节关节的屈曲/伸展运动右侧为72.15°±16.50°，左侧为63.14°±18.45°；踝关节关节的轴向旋转运动右侧为4.98°±1.75°，左侧2.00°±0.74°。其余各关节的左右两侧的运动范围均没有统计学差异。

表2 腰部提拉过程中各关节平均运动范围

注：+表示左右两侧有统计学差异(P<0.05)。

Note：Symbol+: Significant differences between right and left sides (P<0.05).

由轨迹曲线可看出，在悬足压膝过程中，髋关节的屈曲/伸展角度的波峰(极大值)、波谷(极小值)位置与膝关节的屈曲/伸展角度的波谷、波峰位置具有一致性。在腰部提拉过程中，髋关节的屈曲/伸展角度的曲线也与膝关节的屈曲/伸展角度的曲线走向一致。

图3 腰部提拉过程中各关节平均运动曲线(实线)及标准差偏离曲线(虚线)。(a)髋关节屈曲/伸展；(b)髋关节外展/内收；(c)髋关节轴向旋转；(d)膝关节屈曲/伸展；(e)膝关节外展/内收；(f)膝关节轴向旋转；(g)踝关节屈曲/伸展；(h)踝关节外展/内收；(i)踝关节轴向旋转Fig.3 WPO mean angles (solid lines) and standard deviations (dashed lines) at the three joints in the three axial planes(FL/EX: flexion/extension; AB/AD: abduction/adduction; ER/IR: external/internal rotation). (a)Hip FL/EX; (b)Hip AB/AD; (c)Hip ER/IR; (d)Knee FL/EX; (e)Knee AB/AD; (f)Knee ER/IR; (g)Ankle FL/EX; (h)Ankle AB/AD; (i)Ankle ER/IR

3 讨论

魏氏伤科由著名中医骨伤科名家魏指薪先生创建，并经李国衡教授等传承发展的著名中医骨伤科流派。其治伤重视手法，认为手法可通达经络、调和气血、柔筋正骨，促进损伤机体功能恢复。“悬足压膝”和“腰部提拉”法是魏氏伤科治疗腰椎间盘突出症的经典特色手法。

通过对悬足压膝所得髋关节运动学数据进行分析，同时结合解剖学知识知，髋关节的屈曲运动可调动与脊椎相关的髂腰肌及周围韧带和软组织活动，可认为髋关节屈曲运动起到悬足压膝动作的首要作用。对于人体髋关节，其主动屈曲的运动范围小于被动屈曲，而膝关节处于屈曲位置时髋关节的屈曲幅度明显大于膝关节处于伸展位置时。膝关节屈曲位置时，髋关节主动屈曲约120°，被动屈曲可达145°[18]。这与本次采集的悬足压膝动作在最大程度屈曲膝关节情况下正常人髋关节屈曲为137.33°±10.35°(右侧)相一致，相应说明悬足压膝动作通过压膝、压髋可使髋关节达到人体最大运动范围。所以可认为悬足压膝的运动学作用机理主要在于髋关节的屈曲运动。腰部提拉运动则是髋关节伸展内收兼具轴向旋转运动的复合运动。髋关节主动伸展运动范围小于被动伸展运动，而膝关节处于伸展位置时的髋关节的伸展范围大于膝关节屈曲时的幅度。膝关节伸展位置时，髋关节主动伸展约20°，被动伸展可达30°。这也与本次采集的腰部提拉动作在最大程度拉伸膝关节情况下正常人髋关节伸展为30.86°±4.87°(右侧)相一致。

Andersson等在研究正常成年人在站立位、坐立位和仰卧位姿势时的一系列动作发现，随着髋关节和脊柱的运动范围的变化，髂腰肌的作用程度不同[19]。对于髋关节的屈曲，屈曲角度越大，腰肌的肌肉激活度越高。对于髋关节的伸展，伸展角度越大，髂肌的肌肉激活度越高。髋关节被动运动达到最大程度的可能作用机制在于可有效牵拉局部肌肉，缓解腰部肌肉痉挛状态，刺激局部循环，以神经肌肉机制强健肌力。间接起到治疗腰腿痛效果。单纯牵拉髋关节在一定程度上也可缓解腰椎间盘突出症缓解局部肌肉痉挛状态，但牵引的主要作用在于使病变部位椎间隙变大、利于使髓核复位，并没有使髋关节发生显著运动。冯利刚、劳迪涛等在对比研究牵引配合推拿手法治疗腰椎间盘突出症的临床效果时发现，缺少了其他手法操作，单纯牵引对肌肉起到的效果并不明显[2-21]。而本研究中考察的两个手法动作，相较于牵引，在屈髋屈膝的过程中，对肌肉的被动拉伸作用较大，募集肌肉(尤其是核心肌肉群)也较多。由此，可以认为本次所研究的悬足压膝和腰部提拉手法动作其治疗腰椎间盘突出症在运动学上的作用机制在于：促进髋关节被动运动达到自身可达最大程度。同时，由临床反馈可知，对于患有腰椎间盘突出症的病人而言，不管主动还是被动其实际可达运动范围相对正常人都大为有限，通过手法康复松懈粘连、滑利关节，髋关节的各个运动范围可逐渐增加，故所得的正常人的关节运动范围可提供作为康复后效果的一个量化的对比评估。

在手法作用过程中，下肢3个关节的作用是相辅相成的。首先，由运动角度轨迹曲线可看出，在悬足压膝过程中，髋关节的屈曲/伸展角度的波峰、波谷位置与膝关节的屈曲/伸展角度的波谷、波峰位置具有一致性。在腰部提拉过程中，髋关节的屈曲/伸展角度的曲线也与膝关节的屈曲/伸展角度的曲线走向一致。同时，又由骨关节功能解剖学知识知，膝关节处于屈曲位置时髋关节的屈曲幅度可达其最大可达程度，而膝关节处于伸展位置时的髋关节的伸展范围可达其最大可达程度。另外，从神经根卡压机制上考虑，Kapadnji在论述拉塞格征(指在患者仰卧时逐渐抬起并伸直下肢时牵拉坐骨神经或其中某个神经根时产生疼痛)时指出，若在伸膝状态下被动屈髋，易损伤坐骨神经，应保证在屈髋的同时膝关节屈曲才能放松坐骨神经[18]。故认为，该手法操作中髋关节和膝关节的运动关系是正确并有理论依据的。而踝关节运动在所研究的两个手法动作中主要作用在于辅助并引导髋关节、膝关节运动。

人体对称的解剖结构决定了正常人在步态等下肢运动过程中的对称性，但是具体不同人体情况和运动也会导致下肢运动的非对称性。Kwon等在研究正常人左右两侧的下肢运动学差异时通过李雅普诺夫指数指出左右两侧关节运动并无统计差异[22]，Cal等发现在不同年龄段下肢各关节的左右侧对称性有所不同[23]，而且在对比足球运动员和正常人的研究中发现，足球运动员表面的反力指标存在非对称性是因为其惯用侧的肌肉更为强健[24]。对比本次研究的手法操作过程中出现的受试者的下肢部分左右关节运动角度的非对称性，可以看出均是右侧的关节范围大于左侧的关节运动范围。而本次的受试者均为惯用下肢右侧者，故可以初步推断，产生的关节运动角度范围的非对称性与人体的惯用侧有关，惯用侧的关节运动范围相对更大。

关节运动角度范围的方差体现了人的个体差异性。由10名受试者的身高体重计算其BMI值，发现BMI值在18.5～22.9内(被认为是中国人正常体重指数区间段)的6名受试者在悬足压膝过程中的膝关节屈曲/伸展角度范围与BMI值呈现显著的负相关性(P<0.000 8)，即BMI值越大，运动角度范围越小，说明身体的相对肥胖度增大可能会降低关节的运动角度范围[25]。值得关注的是，不同的身高体重会对运动产生影响，也可能会对手法的治疗效果产生一定的影响，如对于脂肪层较厚的患者，医师操作手法会存在一定的困难。而具体的相关性仍需进一步临床研究。

4 结论

本研究对10名健康中国人施加手法动作，基于三维运动捕捉系统采集手法作用时受试者的运动学数据，建立人体三维运动模型并处理计算得到髋关节、膝关节和踝关节的运动角度和轨迹规律，发现手法通过带动膝关节运动可促进髋关节被动运动达到可达最大程度，并发现部分关节运动角度针对下肢惯用侧存在统计学上的左右侧差异。

本研究提出一种新的研究手法的方法和方式，基于三维运动捕捉系统研究传统中医手法操作时受试者的运动规律，为手法的量化和评估奠定基础。下一步研究时，可根据此技术路线追踪临床病人的治疗情况，探索伤科手法在临床治疗上的深入运动学机理。

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Kinematic Analysis of Traumatology Manipulation for Treatment of Lumbar Disc Herniation

Wang Wei1Wang Dongmei1*Li Feiyue2Xue Bin2

1(SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China)2(TheAffiliatedRuijinHospitalofShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200025,China)

To explore kinematic mechanism of Chinese traumatology manipulation for the treatment of lumbar disc herniation (LDH), two classic motions of Wei′s manipulation, “foot hanging and knee bending”(FHKB) and “waist pulling-over”(WPO), were selected as study subjects. Based on 3D motion capture system, kinematic data of 5 trials of 10 healthy men while receiving manipulation was collected. A local coordinate system was defined and 3D kinematic models were established using Visual3D. The means of the 3D angles of the hip, knee, and ankle joints were calculated and were decomposed to represent flexion/extension, abduction/adduction, and internal/external rotation of the joints. Statistical analysis was conducted and the bilateral difference was compared. At the right hip joint, the range of motion (ROM) of the flexion was 137.33°, the abduction reached 30.86°. This was consistent with the maximum passive ROM of hip joint which was related with the position of knee joint, suggesting the kinematic mechanism of manipulation was promoting the passive joint angle to the maximum extent. Differences of some joint motion were observed between the right and left side according to idiomatic side (P<0.05). The research was expected valuable in establishing new analysis method and quantitative evaluation of Chinese manipulation.

Wei′s manipulation; lumbar disc herniation; motion capture; joint motion

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.005

2016-01-25， 录用日期:2016-05-03

上海市中医药事业发展三年行动计划(ZY3-CCCX-1-1014)

R318

A

0258-8021(2016) 05-0541-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: dmwang@ sjtu.edu.cn