基于运动捕捉技术的蒙医震脑术手法操作特征量化研究*
时间：2023-02-13 22:15:04 来源：千叶帆 本文已影响人
姜沙秋荣，朝鲁门 ，白香春 ，白 雪 ，张少杰
(1.包头市蒙医中医医院，内蒙古 包头 014040；
2.包头医学院第一附属医院；
3.内蒙古医科大学)
蒙医震脑术是治疗脑震荡的一种外治疗法，通过适当的震动疗法，来调节有关脑组织间的紊乱，使脑组织间不协调的力学关系得到改变，促进局部气血循环和改善脑功能，改善因脑震荡引起的局部气血受阻，达到消除头晕、头痛等症状的目的[1]。前期围绕蒙医震脑术的力学原理、临床疗效评价、器械规范、安全性评价、行为学、免疫功能调节等方面做了大量研究[2]，但是对蒙医震脑术操作手法的运动学参数及生物力学机制尚未理清，需要系统地开展深层次、跨学科的研究，使蒙医震脑术理论、实验数据和临床应用紧密结合。
三维运动测量系统是指在人体的关键解剖标记点粘贴红外发光标识点(简称Marker点)，利用定位传感器实时捕捉Marker点的三维运动位置，记录人体的运动轨迹，再通过Visual 3D、Anybody等软件构建人体运动三维仿真模型，可以对人体运动过程中的各关节位移、幅度、速度、角度、时间等运动学参数进行分析[3]。三维运动捕捉系统的精确度可达到0.1 mm或0.4 mm，可以准确测量研究对象的运动轨迹，因此运动捕捉是量化手法的主要技术之一，为量化手法及深入研究手法操作的现代生物力学作用机制提供了有利条件。目前三维运动捕捉技术已被用于运动医学、康复医学及中医推拿手法等运动学特征的研究中。
本文应用NDI 3D Investigator运动测量系统采集“蒙医震脑术优化方法”的运动学参数及运动轨迹，使用Anybody软件计算该手法的运动规律及各关节运动角度变化范围，总结蒙医震脑术手法操作特征，为蒙医震脑术手法操作规范和研究生物力学作用机制提供数据支持。
1.1对象 邀请内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院蒙医科主任朝鲁门教授进行震脑术操作(简称熟练者)；
1名蒙医传统疗法博士研究生(简称初学者)；
25 位自愿参与本项目研究的健康志愿者(简称受试者)，试验前口头及书面告知受试者试验过程及相关风险，签署知情同意书。
1.2实验设备 实验使用加拿大NDI(Northern Digital Inc，NDI)公司研发的NDI 3D Investigator运动测量系统，包括3台定位传感器(精确度0.4 mm RMS，分辨率0.1 mm RMS，本实验采集频率为74 Hz)和51个Marker点(Marker标识点为主动式红外发光球)。数据采集及刚体制作软件为NDI公司的NDI First Principle和NDI 6D Architect软件，三维运动模型建立及运动数据分析软件为Anybody公司开发的Anybody 7.0.1版本软件，实验使用的硬件设备及软件均由内蒙古医科大学数字医学中心提供，实验步骤分5步进行操作。见图1。
图1 运动捕捉操作的实验步骤
1.3方法
1.3.1Marker点的标定 由经验丰富的解剖教师通过触诊在施术者的全身标记解剖标记点，解剖标记点共32个，Marker点位置根据Plug-in-Gait模型粘贴[4]。在震脑术操作的过程中，由于一些Marker点被遮挡无法被镜头捕捉，分别在骨盆、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿等节段制作了5个刚体。见表1。
表1 Marker点采集位置
1.3.2震脑术优化方法 依据阿古拉教授的“蒙医治疗脑震荡的临床疗效评价”科技成果得出的“蒙医震脑术优化方法”进行规范操作。本次实验对震脑术优化方法的捣捶手法进行捕捉及分析。具体步骤如下：受试者仰卧在启震床垫上，四肢伸直，手掌朝内，枕在一个装满细沙的木碗上，施术者用启震杵在受试者头顶部的启震点(头顶旁开10 cm处)捣捶启震垫上的启震点[5]。见图2。
图2 蒙医震脑术手法操作
1.3.3数据采集 将3台定位传感器分别放置于施术者的正后方、左前方、右前方，并对场地进行校准，使用4个Marker点的探针建立全局坐标系。运用NDI 3D Investigator 运动测量系统对蒙医震脑术动作进行动态捕捉，由施术者对25位受试者进行“蒙医震脑术优化方法”，采集施术者操作蒙医震脑术手法的运动轨迹，将捕捉到的运动数据同步到NDI First Principles 软件进行处理，将运动轨迹保存为C3D格式文件。
1.3.4模型建立 将保存的C3D文件导入到Anybody软件，使用Anybody 软件系统中的MoCapModel来建立蒙医震脑术人体三维运动模型，根据施术者静态下采集的解剖标记点数据及身高、体重、骨盆宽度及躯干、前臂、上臂、大腿、小腿长度等参数，对MoCapModel进行缩放[6]，建立蒙医震脑术三维人体运动仿真模型。计算腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节和踝关节的相对运动角度，各关节的复合运动角度分别分解在其对应的坐标系X、Y、Z轴上(矢状面、冠状面、水平面)，分别对应腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节的前屈/后伸、外展/内收、内旋/外旋运动[7]。见图3。
图3 蒙医震脑术三维人体运动模型
1.4观察指标
本试验采集了熟练者对25位受试者进行“蒙医震脑术优化方法”的运动轨迹，并对震脑术运动轨迹进行了周期划分，计算得出的时间、位移、频率、角度、角速度等运动学参数的平均值，试验主要对施术者右手的运动数据进行分析，并将初学者和熟练者的操作进行了对比。
2.1蒙医震脑术运动周期划分 本试验通过RWRB在Z轴的位移变化和速度变化曲线图对蒙医震脑术运动周期进行定义，结合震脑术运动学规律将震脑术的1个完整动作周期分为3个阶段：上举期(启震杵从地面到达最高点的时期)、施震期(启震杵从最高点落到地面的时期)和恢复期(启震杵在地面的时期)。震脑术操作过程中RWRB在Z轴的位移和速度变化曲线图中，横坐标为时间(单位：帧，1s = 74帧)，为了便于比较纵坐标为RWRB在Z轴的位移及速度。第Ⅰ阶段上举期：从A点到B点的时间段，A点为位移最低点坐标，速度方向为正且速度从趋于零开始增大的时刻；
B点为位移最高点坐标，速度趋于零的坐标且速度方向变为负的时刻。第Ⅱ阶段施震期：启震杵B点到C点的时间段，C点为位移最低点坐标，速度趋于零的时刻；
第Ⅲ阶段恢复期：C点到A’点的时间段，A’点为下一个周期的起点，计算方法同A点。见图4。
图4 蒙医震脑术运动周期定义曲线图RWRB在Z轴的运动速度根据公式(△s是Z轴方向上的位移变化，△t是时间变化，单位：m/s)得出
2.2蒙医震脑术运动学参数
2.2.1蒙医震脑术手法操作时间、位移、频率 在蒙医震脑术操作过程中，在1个启震点完成蒙医震脑术手法操作时所需时间为(1.77±0.073)s，操作频率为(0.56±0.021 )Hz，启震杵垂直方向的位移为(28.99±1.523) cm。蒙医震脑术手法操作过程可分为上举期、施震期、恢复期三个阶段，第Ⅰ阶段所占比例为(43±2.27 )%，第Ⅱ阶段所占比例为(35±2.37 )%，第Ⅲ阶段所占比例为(22±3.24)%，三个阶段所需时间分别为(0.76±0.05) s、(0.61±0.03) s、(0.36±0.06) s。见表2、3。
表2 震脑术平均操作时间、频率、位移
表3 震脑术各阶段比例及操作时间
表4 震脑术操作过程中各关节平均运动范围
表5 三个阶段各关节屈曲运动参数表
图5 各关节平均运动曲线(实线)及标准差偏离曲线(虚线)
2.2.3蒙医震脑术手法关节角度、角速度参数比较 与初学者相比，熟练者腕关节、肘关节、肩关节、髋关节屈曲角度差异有统计学意义(P<0.01)。熟练者腕关节、肘关节、肩关节的运动角度、角速度较大，其中肘关节角度、角速度变化最明显，而髋关节的运动角度、角速度较小。虽然在震脑术手法操作过程中，熟练者与初学者肘关节、髋关节屈曲运动角度有差异，但关节角度的运动形态是一致的。试验表明初学者在震脑术操作过程中动作幅度和力度与熟练者还存在较大差距，需要通过如三维运动捕捉系统等运动学及力学设备对初学者的操作进行规范，以保证震脑术的临床疗效。见表6、图6。
表6 施术者1个动作周期各关节屈曲运动参数比较
图6 施术者各关节平均运动曲线(实线)及标准差偏离曲线(虚线)a：初学者关节平均运动曲线图；
b：熟练者关节平均运动曲线图
蒙医震脑术手法操作主要由上肢的肘关节、腕关节、肩关节和髋关节协作来完成，通过曲线变化图可以看出，每个周期的形态变化基本一致，曲线变化有节律性、均匀性，体现了震脑术操作过程中，手法的频率、周期、时间、位移、作用力等运动学参数始终处于稳定的水平，动作连续、手法稳定，说明震脑术手法具有“稳定、均匀、连续”等特点。手法操作重复性并不惟一，尤其腕关节二维活动角度和肘关节屈曲角度的离散度较明显，这说明手法操作过程中，一方面可能腕关节各向活动和肘关节屈曲活动受到的外在因素较多(如施术者身高、握启震杵的位置、疲劳等因素)；
另一方面，可能手法操作时上肢关节活动具备较大的自我调整空间。整体运动数据结果显示，4个关节的运动轨迹趋势一致，其中肩关节和髋关节各活动角度离散度较小，说明肩关节和髋关节的稳定性对手法的顺利操作有着重要的影响。腕关节、肘关节屈曲运动大于外展运动，说明腕关节、肘关节在屈曲过程中产生肌群收缩，从而产生力和角速度(加速度)的增加，达到“以震治震”的目的。根据图4和表5可以看出在施震期，随着角速度的增加产生瞬间的冲击力，作用于启震垫上，产生振波引起共振，间接或直接地传播到头部，从而纠正脑组织间的紊乱。
从上举期、施震期、恢复期3个阶段的运动数据来看，这3个阶段是由施术者上举启震杵达到最高点，通过各关节来控制瞬间冲击力度后启震杵下落到启震垫上的动作切换，同时也是力量切换的3个阶段。在3个阶段里，上肢关节的运动角度、角速度均大于髋关节的角度、角速度，表明蒙医震脑术手法是由上肢关节来控制发力，其中施震期的腕关节、肘关节的角度、角速度变化较大，恢复期的各个关节角度、角速度变化不明显。因蒙医震脑术手法为施术者手持启震杵通过适当的力量来敲击启震垫，对启震垫形成冲击力，引起振波来调整失调的大脑功能，所以必须通过灵活性较高的腕关节、肘关节角速度来控制瞬间的冲击力度，从而达到手法的基本要求“以震治震、震静结合”的原理，使脑组织间不协调的力学关系得到改变，促进局部气血循环和改善脑功能，消除头晕、头痛等症状。同时，在震脑术手法操作过程中，腕关节、肩关节、髋关节屈曲角度的波谷、波峰位置与肘关节屈曲角度的波峰、波谷位置具有一致性，说明该手法为腕肘肩髋关节耦合效应手法操作。此外初学者与熟练者各关节屈曲运动参数比较来看，2位施术者各关节角度的运动形态总体上虽然相似，但熟练者上肢动作比较灵活，髋关节相对处于稳定的水平，还通过调整腕关节和肘关节的运动角度、角速度来控制对启震垫的冲击力度。
蒙医震脑术以“以震治震、震静结合、先震后静”学说为临床指导思想，通过适当的震动疗法，来调节有关脑组织间的紊乱，使脑组织间不协调的力学关系得到改变，促进局部气血循环和改善脑功能[8]。目前对蒙医震脑术的机制原理尚未明确，认为蒙医震脑术是通过适当的震动给予头部受冲击时的反方向作用力，创造“逆向震荡”环境，从而在“以力对力，以震治震”状态下缓解血脉、肌肉痉挛，促进赫依血运行，纠正脑组织间的紊乱，达到消除头痛、头晕、恶心、呕吐等症状[9]。
本研究的意义在于应用NDI 3D Investigator运动测量系统对蒙医震脑术操作手法的运动轨迹进行捕捉，首次对蒙医震脑术手法进行了运动周期的划分及获取了蒙医震脑术运动学参数，对运动学参数进行量化并总结出蒙医震脑术手法的操作特征，这对蒙医震脑术手法的操作规范化、手法传承及进一步的作用机制研究提供了数据资料。
本实验首次对蒙医震脑术运动轨迹及手法的运动学参数进行捕捉和分析，缺乏一定的基础研究，且样本量小；
在受试者方面选取了健康志愿者；
只对施术者的运动学参数进行了分析，动力学及影响因素方面未进行研究。今后，需要加大样本量的基础上对蒙医震脑术动力学参数及影响因素等方面进行分析，开展更进一步的细化研究，受试者可以选取临床患者，探讨各考察因素对蒙医震脑术手法操作特征的相关性，有利于辨证施治，提高临床疗效。
