湖中大中医推拿学课件第6章 生物力学

第六章生物力学湖北中医药大学推拿教研室

推拿系列多媒体课件之第一节基本理论人体力学的定义是：描述和预测在外力作用时，人体静态和动态力学结构变化的一门学科。力学本身是一门物理学，但将物理学应用于人体时，即称为生物力学。生物的肢体运动

神经肌肉控制生物体内血液循环肌肉力学骨骼力学一、一些基本的力学概念二、移位三、载荷四、阻力(即组织结构的内部诸力)五、时间六、临床应用及意义一、一些基本的力学概念1．刚体：刚体是指这样一种物体，就是它的大小和形状对所讨论的问题来说，不能忽略；但它受到力的作用时，大小和形状都保持不变，即不发生变形。刚体转动综合演示仪一、一些基本的力学概念2．力：力是物体间的相互作用，这种作用使物体的运动状态或形状发生改变，力对物体的效应取决于力的大小、方向和作用点。一、一些基本的力学概念3．力矩：设有一作用于物体的力及一点，力与点至力的作用线的垂直距离的乘积为力矩，即力对一点的矩。一、一些基本的力学概念

4．笛卡儿坐标系：空间相互垂直的线交汇于一点，即原点，包括二维和三维坐标系。二维坐标系有X和Y轴，三维坐标系有X、Y、Z三条轴线。一、一些基本的力学概念5．平衡：作用在一个刚体上所有力的总和以及所有力矩的总和都等于零时，我们称刚体的这种状态为平衡。一、一些基本的力学概念6．平移：刚体运动时，如果其上任一直线始终与其初始位置平行，则这种运动称为平移。一、一些基本的力学概念7．旋转：刚体围绕某一固定轴(直线)做角位移。轴线可位于刚体之内或刚体之外。一、一些基本的力学概念8．自由度：是指该体系运动时，用来确定其位置所需独立坐标系的数目。即刚体沿着所有的轴做前后平移或绕着轴做旋转运动的总数。一、一些基本的力学概念9．运动学：属于力学的一个分支，在不考虑引起任何动作力的前提下，研究刚体运动学的一门学科。生物力学是研究力或能量作用于生物体、生物材料或生物系统时力的运动和形式的一门科学。刚体生物力学静力学动力学长度作用力时间质量加速度速度载荷阻力移位时间二、移位分类：动力型(由于运动造成的移位)静力型(偏歪)张力型(变形)。张力或变形。张力是表示物体在静力载荷条件下，物体内诸力相互作用时，物体的大小无改变。脊柱移位(偏斜和变形)是载荷克服阻力的结果。三、载荷载荷和张力可分为下列几种形式：轴向载荷(拉伸和压缩)、剪切力、侧曲力、扭力。载荷的大小载荷的方向载荷的作用线载荷的作用点。物体的线性运动或角速度轴向载荷剪切力扭力三、载荷1．重力：重力所产生的载荷(如人体的体重)作用于人体的组织结构有如下性质：①为连续均匀一致的作用②作用的单向性(重力线)③总作用力(体重)④重力作用时可集中于一点(重力点)。三、载荷2．生理性载荷：如果以脊柱作为参照物，体内的其他作用力对其产生的载荷有：①肌肉作用(如平衡、动力和运动)②韧带(弹性)③液压(如血压)④肺压(肺脏)。三、载荷3．功能性载荷：功能性载荷是指来自外部的动力所产生的载荷造成脊柱正负加速度的改变。这些载荷包括振动、压力和冲力。由外部载荷作用而出现的组织结构内部诸力小于组织结构结合力的情况下，在去除载荷后，组织将回复到原来相应的位置上。一旦作用力超过组织结构的结合力，组织结构将会发生永久性的变形。如果载荷量进一步增加，最终组织结构将发生破坏，如出现撕裂或骨折等。四、阻力(即组织结构的内部诸力)阻力是指组织结构内本身所具有的抵抗外部载荷作用时组织结构所产生的扭曲变形和移位。在临床上评价阻力时，很重要的一点是要考虑到一些因素可影响或改变组织结构的刚度，其中有：疾病、适应或训练、创伤、年龄、手术、代谢变化等。五、时间在所有的运动系统的研究中，时间是一项非常重要的因素。在评价单位时间内的力学因素时，应了解功能组成部分的3个力学因素，它们是：①单位时间内的载荷是用压力、冲力或振动来表示的②单位时间内的移位是用速度、速率或加速度来表示的③单位时间内的阻力可以表示为蠕变、应力松弛、滞后和粘弹性。一般认为与时间因素相关的生物学特征具有长短两种概念。五、时间1．与短时间概念相关(1)生理性反应：有反射活动、刺激和习惯养成等；(2)力学效应：蠕变、应力松弛(持续变形)、粘弹性(载荷量)和疲劳(反复载荷)。五、时间2．与长时间概念相关(1)适应(负反馈)包括组织结构大小的变化、密度的变化和纤维走行的变化。(2)退变(正反馈)包括组织结构特征的消失、结构的丧失(萎缩)和功能的丧失等。时间因素的范围很广，从零点几秒到几百万年。在静力学和动力学的定量化力学评价研究中，均要涉及时间这个概念。六、临床应用及意义移位、载荷、阻力和时间构成了半脱位的基础，借此可以描述脊柱半脱位。由此，可以进一步研究脊柱生物组织的力学特征以及脊柱推拿手法的作用机制，这有别于以往的相关研究，但其仍无法描述脊柱病变的病理学特征。许多学者研究了脊柱组织的力学性质，将脊柱组织结构的力学特征概述如下几个方面：六、临床应用及意义1．肌肉：①肌张力(代谢、化学和神经)②长度(收缩比和伸展能力)③大小(萎缩和肥大)④技巧。六、临床应用及意义2．骨骼：

①密度(应力、电现象、化学，如pH值、蛋白和矿物质等)②骨骼内部组织结构的走行(压电现象和电势)。六、临床应用及意义3．软骨(胶原和蛋白多糖)：①软化②纤维化③钙化④其他原因引起的变化，如创伤性、化学性(滑膜炎)和遗传性等。六、临床应用及意义4．肌腱(胶原和蛋白多糖)：①创伤可导致纤维连接的断裂②年龄③持续应力(蠕变)④持续张力(应力松弛)。六、临床应用及意义5．韧带(胶原和弹性蛋白)：①超过组织结构弹性范围的可塑性变形②纤维支架的自然断裂③较小弹性瘢痕组织的修复④持续应力所致的增生⑤创伤一纤维硬化一钙化一骨化；⑥损伤载荷的作用强度。六、临床应用及意义6．椎间盘：①力学性质包括骨和韧带的部分性质②疾病③化学(渗透压)。六、临床应用及意义7．关节：

①软组织，包括滑膜和韧带②硬组织，有骨和软骨③关节结构。第二节推拿手法应用手法是一种多关节、多肌肉参与的运动，完成一个特定的手部动作可以有多种不同的关节和肌肉运动的组合。正确的一指禅推法操作方式是以手臂发力，因手臂肌群是大肌肉，产生的力量大，又能持久地操作，不易疲劳，更不会引起关节肌肉的运动性劳损。沉肩垂肘悬腕指实掌虚推慢移腕手法量效关系手法物理量误区：许多临床工作者往往以药物治疗的规律来看待推拿手法治疗，以为推拿手法力的大小、手法刺激的强弱、手法操作时间的长短与治疗效果之间是一种简单的线性关系。每当推拿治疗效果欠佳的时候，会自觉或不自觉地以加大手法力度、强化手法刺激强度、增加关节运动幅度或延长手法治疗时间来寻求疗效的提高。十治疗效果建立推拿手法量效关系理论，已成为当前推拿基础研究的迫切任务。但由于推拿治疗作用的非特异性和多样性，作用对象的个体差异性，要从实验研究的角度进行手法量效关系研究，仍有许多技术和理论问题等待解决。与其他疗法相比，推拿是一种对人体基本无毒、副、损伤作用的自然疗法。但任何事物总是具有正反两个方面，推拿也不例外，推拿应用不当，或推拿的适应症选择不当，也会产生对人体不良的影响或推拿意外。推拿的不良作用导致患者主观的不适，而推拿意外则对患者健康造成一定的影响。因而防止推拿不良作用和推拿意外，是推拿临床应用研究中的重要方面，特别是脊柱手法，因其需要对患者躯体实施幅度和力度较大的被动运动，更容易造成脊柱及其附属结构的机械性损伤。故脊柱手法操作的安全性问题，已成为近年来推拿临床和实验研究的热点之一。推拿手法操作于人体体表，却能改变身体内部各种组织、器官和系统的功能状态，使之恢复健康。推拿为什么能够治疗不同的疾病，手法通过哪些作用途径影响疾病的转归，影响手法治病的内外因素有哪些，一直是广大专业工作者和患者所关心的问题。对推拿治病机理的认识，是推拿学研究的目的和归宿。作为一门为人类健康服务的医疗学科，不仅为满足人类探索未知领域的好奇心，更为通过对推拿治病机理本质的认识，掌握影响推拿疗效的内外因素，对临床难题进行理性分析，作出相应的临床处置，指导推拿手法在临床上的运用，以最大限度地提高推拿治疗效果，最大限度地减少手法的不良作用，最大限度地减少手法操作者的体力消耗。第三节手法作用机理一、手法作用层次二、手法动力学三、手法动力学研究展望一、手法作用层次传统中医理论认为，人体组成由外而内依次为皮部、络脉、经络、经筋、肉和骨，这与现代解剖学的认识相似，皮肤、皮下组织、肌肉和骨组织构建了人体的基本框架，神经和血管穿行其中。人的一切生命活动和生理功能，是以这些框架组织完整及功能正常为基础的。推拿手法直接作用于人体，以力为作用特征。手法分三步骤完成。①手法力的发动②手法力的传递③组织接受力后产生生物效应一、手法作用层次手法操作要求持久、有力、均匀、柔和，从而达到“渗透”。其中所谓“有力”，是指手法必须具有一定的力量，这种力量应根据患者的病症、体质、部位等相应情况来决定。具有良好“渗透”性的手法，不仅可达到很好的疗效，而且操作时，患者会感到非常舒适。手法“渗透”到的不同层次组织的生物特性所决定的。推拿手法直接作用所涉及到的组织层次该层次所能接收的作用力能+一、手法作用层次病因发病途径手法作用的关键部位和层次

一、手法作用层次手法之于人体组织存在“手法最佳作用层次、次要作用层次、辅助作用层次、不适宜作用层次”的多样性这里便牵涉到推拿手法的分类问题。五版《推拿学》教材手法作用层次认识一、手法作用层次可作用于人体不同层次的手法有①表层作用手法，如摩法，推法，擦法等②浅层作用手法，如揉法，捻法等③深层作用手法，如滚法，一指禅推法，按法，拿法，搓法，弹拨法等④运动关节类手法，如拔伸法，摇法，扳法，抖法等合理地选择手法、分配体力、掌握时间，以达到最佳功效。二、手法动力学(一)概述推拿以不同手法组合作用于相应穴位、部位和关节，通过手法的直接力、经络系统介导的生物学作用，来治疗疾病或提高人体的健康水平。因此，手法研究是推拿研究中最基础的方面。由于科技水平、认识方法和手段等主客观诸多因素的限制，推拿手法的作用机理目前仍存在诸多疑惑。手法力作用于机体机械感受器，引起感受器发放动作电位，向中枢传人感觉性冲动信号，从而发挥对人体调整功能的激活作用。手法力作用于关节骨骼，导致骨关节结构空间位置的改变，从而消除对滑膜、关节囊、周围韧带、神经、血管的压迫或牵拉刺激，消除病理状态。推拿治疗同一疾病，不同医生实施时，可能存在着千差万别的效果，其主要原因之一就在于各个医生手法作用力的差异。手法力是其治疗效果发挥的始动因素，手法动力形式的变化决定和影响着推拿临床治疗效果。故从20世纪60年代起，推拿学界就开始设想研究推拿手法，但由于实验技术的限制，这一设想直到70年代末期才开始起步。推拿手法的作用和应答过程，大致可分为三步：①施术者力的发动；②受术者力的接受；③受力后局部及全身的生物反应。手法动力学研究是应答过程的前二步，其研究结果对于应答过程的第三步是至关重要的。手法动力学是传统推拿医学与现代生物力学相互交叉渗透的结果，主要利用生物力学等现代实验技术来观察、分析和研究推拿施术过程中手法力学特性的动态变化。它要求在对推拿手法正确理解和掌握的前提下，借助于电子测试技术、光弹性技术、电子计算机等科技手段来探讨推拿疗效的手法作用机制，以使我们对于推拿这门古老的无创伤性非药物疗法有一个更为深入的理性认识。(二)手法动力学研究现状1．推拿手法运动学研究

2．手法力的测定

1．推拿手法运动学研究推拿手法就其生物学本质而言，是具有特定运动规范的肢体运动，通过不同时间、空间序列上不同肌肉、关节的复杂动作而产生具有不同时间、空间变化的动力曲线。这一不同时间、空间序列上不同肌肉、关节的复杂动作是发动手法三维动力曲线变化的源泉，推拿手法运动学研究也构成了动力学研究的基础。手法运动学研究可从生物电子技术和力学工程技术两个不同技术角度进行研究。(1)生物电子技术肌肉是人体运动的动力系统，而关节则提供了肢体运动的轨道，因而通过观测肌电的时间一空间变化序列，可基本估计手法的运动学规律。通过应用皮肤表面电极测试一指禅推法、滚法、振法等常用推拿操作时上肢肌肉运动的时间一空间序列，发现肱二头肌、肱三头肌在一指禅推法操作中起着主要的动力作用，由于肱二头肌、肱三头肌交替地兴奋收缩，带动着前臂、腕部和拇指在动作起始位的两侧进行往复的内外摆动；而在滚法操作中，前臂的旋后肌群和旋前肌群也作为主要动力肌群参与了肢体运动。首先由肱三头肌发力，使肘略伸展，随后前臂旋后肌群和肱三头肌协同收缩，使前臂旋后至约450，腕关节向前折屈，完成前滚运动，接着肱三头肌、肱二头肌和旋后肌群同时放松，旋前肌群收缩，使前臂旋前内摆，完成回滚动作；而在振法操作中，前臂的腕伸肌和腕屈肌则发生快速的交替收缩和放松，使伸屈肌群在每一短促的振动终了时，迅速地发生逆转，于是就产生了持续的振颤。通过生物电子技术，使得对推拿手法操作方式的描述从经验和观察方式向客观检测方式转化，修正了传统描述方式的不足之处，提高了对手法运动规律的认识。(2)力学工程技术即使是一个最简单的手法动作，从动力学角度看，它也是施术者肢体的多组不同屈伸肌群带动多个关节完成的多个杠杆组效应的综合结果。各种推拿手法都具有一定的作用力，具体体现在手法作用形式、用力的大小、用力的方向、用力的持续时间和操作频率等几个方面。手法操作的用力，不外乎直接用力、间接用力和混合用力。对于具体的每一肌肉或关节作动力学分析，在目前仍有很大的困难。限于现有的观测方法和手段，我们只能把施术者的肢体近似地看作为一个刚体，把多个不同大小、方向和作用点的分力作用，近似为一个总的合力作用，用定性的，最多是半定量的实验分析结果来对手法“力”作用的动态状况予以描述。许世雄等在研究中医推拿摆动类手法中的滚法时作了计算机三维分析。其方法是选择上肢肩、肘、腕关节适当的运动参考点，贴上标志，用摄像机从不同的角度拍摄滚法操作中各关节的运动状态，然后输入计算机进行分析。研究结果表明，手法操作时上肢关节的运动学特征与滚法合力轨迹的变化存在着密切的关系：当操作者的第五掌指关节及小鱼际吸附于治疗部位，前臂主动摆动，带动手臂手背来回滚动时，产生“心型”合力轨迹；当操作者以基本相同的运动方式操作，但腕关节摆动幅度较大，以致在前臂前摆时第5掌指关节略提起，则产生“葫芦型”的合力轨迹；若操作者在滚动过程中小鱼际完全吸附于治疗部位，或来回摆动时力量不足，则出现“8字型”的合力轨迹；而以掌指关节滚动时，出现“棒棰型”的合力轨迹。2．手法力的测定手法“力”是推拿治疗的前提，没有力的发动，也就谈不上应力接受和生物效应。经典力学理论对力的描述有三要素，即作用力的大小、方向和作用点。但由于人体是个复杂的多杠杆复合生物体，其材料特性也不能以经典的牛顿线性力学性质所描绘，不可能通过经典力学得到圆满的解释。现代生物力学的产生，使我们有了正确分析手法作用的思路和方法，通过手法动力学的研究，我们有可能最终探明推拿手法的作用机制，而且对于手法力的量化、规范化和客观化，将产生深远的影响。(1)手法力测定的一般技术①力传感器：力传感器是将手法力转换成电信号的关键元件，最常用的是应变电阻测量技术。应变电阻测量元件目前最广泛应用的是金属丝电阻应变计及半导体电阻应变计。金属丝电阻应变计的优点是元件的价格较低，同批号元件性能之间的一致性较好，应变的线性范围较大。其不足之处在于灵敏系数较低(2～2.6)，输出信号小，故必须配以应变电阻仪才能进行力测试工作。而半导体电阻应变计的优点是灵敏系数较高(100～180)，输出信号大，以较简单的电子放大线路即可应用于力测试工作。其不足之处则在于元件的价格很高，同批号之间性能的一致性较差。压电薄膜是一种新型的有机复合材料，其特点是在外界动态载荷的作用下迅速改变材料的电学特性。中国科学院上海分院有机化学研究所生产的聚丙乙烯(PVDF)压电薄膜就是其中的一种，可供制造压力传感器。压电薄膜的优点是质地较柔软，能制造成柔性传感器。其缺点则是电压信号不稳定，零漂很大，适宜于测定动态压力信号，但对直流信号或超低频振动信号的测定难以控制测试精度。②信号转换、放大：力传感器的输出信号十分微弱，且电阻变化信号不能直接通过电子放大电路加以放大，故手法力学测定系统必须要有一信号转换、放大电路，以便对该点信号进一步予以显示、记录和分析。③测试信号显示和记录：动力学测试信号为一电信号，该电信号必须通过一定的仪器加以显示、记录，才能为研究者所观察、分析。显示是把电信号以便于观察的方式表现出来，以获得对信号的直观印象。传统的显示设备是示波器。利用计算机图形技术，则可把电信号以动态曲线的方式在计算机屏幕上显示，甚至可提供动态的二维、三维曲线显示方式，这是传统的示波器显示所不能达到的。记录是把瞬时即流失的电信号以某种固态的方式保存下来，以供进一步分析之用。传统的记录方式有多导生理记录仪、心电图机、光线记录仪等。④计算机数据处理技术：数据采集和转换。来自传感器的电信号是一种在时间上连续、在强度上不确定的模拟物理量。而目前广泛应用的微型计算机是属于数字计算机，只能处理在时间上离散、在强度上确定的数据量。要使计算机能处理来自力换能器的电信号，必须将模拟信号转换成数据信号．这一过程成为模数转换或A/D转换。实现模数转换可以设计制造专用的模数转换卡(A/D卡)，但一般都采用现成的商品A/D卡。储存。储存是把瞬时即失的电信号以磁信号记录保存下来，目前主要采用磁盘记录，也可用可录式光盘记录各种数据。手法力是一种动态力，而要描述某一特定的手法动力，需确定力的峰值、力的时间变化轨迹及在三维空间轴的不同投影。前已述及，经过A／D转换输入微机内存的手法动力信号是一连串的数字数据，这一连串的数字并不方便人们观察和理解手法操作的状态，须将其用动力轨迹曲线的方式显示出来，以便于直观地研究和分析。数据处理软件通过向显示内存读写数据，可以方便地把某一矢量轴上手法动力信号序列以动态曲线的方式显示出来。数据分析。图形处理方式的优点是可以直观观察曲线的变化，而其短处则是处理结果的模糊性。当不同操作者的手法操作技能相差很小时，难以判断其间的差别。故手法动力信号还必须通过数据的统计分析和模式识别技术加以进一步的处理，以得出更为准确的处理结果。(2)推拿手法测定仪测定手法的动力学变化的特定仪器称为推拿手法测定仪。20世纪80年代初期，山东中医学院与山东工学院合作，上海中医学院推拿系与同济大学合作，相继研制成功推拿手法测定仪。以后山东中医学院又应用手法测定仪对当时在世的推拿界前辈的代表性手法进行了测定和曲线分析。推拿手法测定仪的研制成功为推拿手法动力学研究及手法操作评价提供了一种客观性的现代实验工具，在推拿手法教学中发挥了重要的作用。把应变电阻计用环氧树脂等粘接材料固定在按三维方向排列的弹性构件的表面，当各构件受到外力作用时，出现变形，电阻应变计也随之出现伸长或缩短的形状变化，引起其电阻值的变化。这一电阻值变化经过信号的放大处理，可以模拟信号或数据信号显示或记录下来，供人们观测和研究手法动力之用。推拿手法测定仪就是根据以上原理设计制造的，手法测定仪是由传力装置、力换能器及信号放大线路组成的。传力装置为平台和沿前后、左右和向下方向安装的悬臂梁。推拿手法在测定仪的平台上操作，手法力在时间和三维空间上的变化通过平台传递到由弹簧钢所制成的悬臂梁上，引起悬臂梁的弯曲变形。悬臂梁的弯曲变形，又进一步引起粘附在其两侧的应变电阻计一方伸长、一方缩短，使电阻值发生相应变化，将力信号变化转换成电信号的变化。

如朱春霆式一指禅推法动态曲线图的特点是周期短、频率快，手法垂直波幅值较低，回摆波与前摆波振幅接近，呈双峰型；王纪松式一指禅推法动态曲线图特点是周期较长、频率适中，垂直曲线舒