传统中医推拿滚法生物动力学实验的研究方法及装置研制

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.42.013

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (42): 6789-6794.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.42.013

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传统中医推拿滚法生物动力学实验的研究方法及装置研制

徐军¹，李开宾²，曲庆³，黄忠¹，张宏³

1上海医疗器械高等专科学校，上海市 200093
2上海理工大学，上海市 200093
3上海中医药大学附属岳阳医院，上海市 200437

修回日期:2014-09-13 出版日期:2014-10-08 发布日期:2014-10-08
通讯作者: 张宏，博士，主任医师，教授，上海中医药大学附属岳阳医院，上海市 200437
作者简介:徐军，男，1967年生，上海市人，汉族，2001年上海第二工业大学毕业，工程师，主要从事临床工程技术教学与科研工作。
基金资助:
国家自然科学基金(81173359)

A biodynamic experiment of traditional rolling massage and its experimental device development

Xu Jun¹, Li Kai-bin², Qu Qing³, Huang Zhong¹, Zhang Hong³

1Shanghai Medical Instrument College, Shanghai 200093, China
2University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
3Yueyang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200437, China

Revised:2014-09-13 Online:2014-10-08 Published:2014-10-08
Contact: Zhang Hong, M.D., Chief physician, Professor, Yueyang Hospital Affiliated to Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200437, China
About author:Xu Jun, Engineer, Shanghai Medical Instrument College, Shanghai 200093, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81173359

摘要/Abstract

摘要：

背景：手法力学刺激能经过与各种细胞结合产生多类型丰富的转换结果从而启动机体多种生理调节功能。
目的：分析推拿滚法能够提高细胞Ca²⁺通道的原因。
方法：建立通过一套生物动力学实验装置，由压力发生装置、压强形成装置、压强显示装置以及相关的压强数据记录装置构成。通过压强显示、数据传输及数据记录、信号采集及处理、压强信号的采集、信号采集的控制及处理、信号无线传输及接收系统、显示系统、存储系统、系统实现功能及系统软件工作设计等环节完成推拿滚法应用生物力学对骨骼肌正常细胞和损伤细胞内Ca²⁺浓度的影响。
结果与结论：实验结果表明，滚法样刺激对于骨骼肌正常细胞和损伤细胞内Ca²⁺浓度均有降低效果。提示由于滚法样刺激干预，使损伤细胞中细胞内的Ca²⁺超载得以改善，细胞内Ca²⁺浓度降低。在滚法样刺激与正弦力学刺激比较中，滚法样刺激的作用效果明显优于正弦力学刺激。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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关键词: 组织构建, 组织工程, 滚法, 推拿, 生物动力学, 实验装置, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Methods after mechanical stimulation can be combined with various kinds of cells to produce many conversion types so as to start the various physiological functions of the body.
OBJECTIVE: To analysis the reason why rolling massage can improve the intracellular concentration of Ca²⁺.
METHODS: A biodynamic experimental device was set up, composed of pressure generating device, pressure forming device, pressure display device and related data recording device. We detected the effects of rolling massage on Ca²⁺ concentration in normal skeletal muscle cells and damaged cells through the different functions of the experimental device and system software. These functions consisted of pressure display, data transmission and recording, signal acquisition and processing, pressure signal acquisition, control and processing of signal acquisition, wireless signal transmission and receiving system, display system, storage system, system implementation function.
RESULTS AND CONCLUSION: The experiment results showed that rolling massage could reduce the Ca²⁺ concentration in the normal skeletal muscle cells and damaged cells. These findings suggest that rolling massage can improve the overload of intracellular Ca²⁺ in damaged cells, and it is superior to the sinusoidal mechanical stimulus.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Key words: biomechanics, cells, calcium

中图分类号:

R318

徐军，李开宾，曲庆，黄忠，张宏. 传统中医推拿滚法生物动力学实验的研究方法及装置研制[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(42): 6789-6794.

Xu Jun, Li Kai-bin, Qu Qing, Huang Zhong, Zhang Hong. A biodynamic experiment of traditional rolling massage and its experimental device development[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(42): 6789-6794.

图/表（结果） 2

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引言

推拿治疗这种中医治疗的方法已经逐渐被医学界所接受，但是对其手法作用机制研究的滞后，严重制约了推拿科学的发展。目前手法作用机制的研究涉及到生理、生化、电生理、生物力学等诸多学科，研究内容涉及软组织^[1]、骨关节、神经、血管、镇痛效应等。推拿滚法是推拿中一种重要的治疗手法，而且是一种重要的推拿手法，临床实验已经证明其有效性，但是在相关的推拿手法的使用上，施加的不同力对治疗效果的差别也是显而易见的。

目前研究细胞力学加载装置主要有流体剪切力加载技术^[2]、离心力加载技术^[3-4]、基底应变应力加载技术^[5-6]、四点弯曲细胞加力和空气液体传导静力加载装置^[7]。通过分析，发现空气液体传导静力加载装置较为简单且可行，故本研究主要采用空气液体传导静压力加载技术这种方法来完成有关装置的设计^[8]。要完成这样的实验装置，首先要对采用滚法治疗中所施加力的相关参数有较好的研究，经过建立的滚法动力学指标后大量的实验比较，得出在施加压力为4 kg，频率为120次/min，时间为10 min的滚法动力学组合模式，得到的治疗效果为最佳^[9]。为进一步对临床治疗进行指导，需要通过现代生理、解剖、病理学等基础理论对该问题进行研究。在已有的滚法研究基础上，目前已经进行了大量的实验和论证，有采用滚法的接触面积与图像的研究，滚法的晶格玻尔模型研究等多种的研究方法^[10-11]，都证实了滚法的疗效。

从目前的研究来看，细胞微观学研究是解释手法对治疗效果的重要方法^[12]，手法力学刺激能经过与各种细胞结合产生多类型丰富的转换结果从而启动机体多种生理调节功能，为从细胞学角度解释手法作用机制提供依据。手法作用的核心在于如何将力信号转变为生化信号，即力学信号转导过程，这其中一个重要的方式就是激活钙离子通道^[13]。目前对滚法的生物力学研究没有合适的实验装置来完成相应的工作，因此通过建立相关的实验平台，按照相关细胞研究的要求，对细胞施加合适的符合滚法要求的力学参数，再对细胞进行分析，以确认是否通过相关力学参数的加载，达到相关目的。此研究为进一步对滚法的量化指标建立有重要的指导意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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材料方法

根据资料，Torzilli等^[14]通过气动装置对软骨外植体施加无侧限轴向压力载荷，研究动/静载作用下关节软骨代谢响应针对部前对推拿滚法的部分研究已经完成，同时有报道，成骨细胞在收到机械刺激后，细胞形态、细胞(质)骨架乃至细胞核骨架均发生变化，第二信使系统活化并最终引发细胞生物学特性的改变^[15]。在滚法对细胞的研究中主要是对滚法的细胞信号启动机制研究，对此需要有一套完整的实验硬件装置来进行相关的实验。首先，从滚法动力学的要求来看，该实验必须要有一个力的施加装置、对力施加的时间控制系统以及施加在细胞上的有关压强及对相关的数据进行记录的存储装置，同时，为了能够得到恒定的压力，必须要有一个密闭的腔体，所研究的细胞存放于腔体中，建立的模拟压力按照手法施加在细胞上，按照压力要求，达到的结果，完成相关实验。

1.1 实验方案设计 手法作用的核心在于如何将力学信号转变为生化信号，即力学信号转导过程，这其中一个重要的方式就是激活钙离子通道^[16]。钙离子是力信号转导中重要的信使，Ca²⁺动员增强可致细胞增殖。门志涛等^[17]研究发现推拿舒筋作用主要通过激活骨骼肌细胞的信号通路、调节细胞内Ca²⁺浓度，对肌细胞的形态和功能产生影响来实现的。马惠异等^[15]发现推拿行气活血功效是通过激活钙通道，促使胞内游离Ca²⁺的浓度升高，释放血管舒张因子，启动扩血管效应所致。钙离子将胞外的各种信号传递至细胞内，引起细胞内信号的级联反应，进而调节细胞增殖及分化^[18]。骨骼肌损伤的关键是骨骼肌胞浆内Ca²⁺稳态失调^[19]，生理状态下骨骼肌细胞内外Ca²⁺在一个很小的范围波动是通过钙通道(DHPR)和钙酶的共同作用下呈现平衡状态，病理状态下骨骼肌代谢指标的显著变化引发细胞内外本系统Ca²⁺稳态失调，最终导致肌细胞结构和功能的破坏^[20-21]。手法力学刺激不同于一般的力学刺激，其干预显著特征是以周期性变化压力刺激为主，操作要领具备特定技巧和标准化的动作。目前，在推拿手法研究领域最深入，也最具代表力的是丁季峰老中医的“滚法”。以其“滚法”研究为例，其操作的手法力学曲线显著特征是：力学曲线纵向波形振幅高，波形上升支曲线陡峭，上升角大，整个手法曲线波峰尖锐，曲线下降支振幅回摆波高出主波(前摆波)的1/3-1/2，曲线波峰尖锐^[22]。因此，在诸多“手法”操作过程的实验研究中，常规的实验技术很难完全模拟多细胞力学随时间不断变化的力量过程。

为实现相关实验的最终目标必须要有以下几部分：压力发生及压强形成装置、相应的人体损伤骨骼肌细胞及正常骨骼肌细胞，后续部分通过生化分析仪进行相应的Ca²⁺浓度的检测。

1.2 压力发生及压强形成装置系统组成 实验系统由压力发生装置、压强形成装置、压强显示装置以及相关的压强数据记录装置构成。其中压力发生装置采用的是MTS858拉力机作为动力源，该动力源按照一定频率运动，运动的基本参数选取滚法最佳动力学参数(力量4 kg、频率120次/min、时间10 min)^[23]，利用MTS的波形编辑程序，将经过实验的丁季峰滚法动态曲线装入MTS控制器，以该曲线为基准，按照相关的时间、压力频率等力学相关参数控制其运动曲线。见图1。

要达到实验所需要的压强，必须有相关的压力形成腔来完成最终的压力。其形成装置是采用一个密闭容器，采用不锈钢材料制成，缸体内采用一个活塞，活塞在拉力机的作用下能在缸体内往复运动，最终能产生一个类似滚法手法的曲线。由于腔体是一个密闭空间，根据实验的方法，腔体中的压力，可以根据理想气体的状态方程：PV=nRT=mRT/M(式中：P为压强；V为腔体的容积；n为气体的量；R是气体常数，此处为空气；T为环境标准温度；M为该理想气体的摩尔质量)。在实验状态下，密闭腔内的气体在摩擦力足够小的情况下，气体的温度变化忽略不计，故认为产生的压力的值是根据MTS拉力机所施加的力的变化而腔体中压强也产生相应的变化。密闭测试箱采用304不锈钢，缸体内经160 mm，高度为220 mm，因采用不锈钢体，能承受较大压力，能测试细胞在不同压强下的情况。实验测试系统见图2A。

1.3 压强显示、数据传输及数据记录 本系统中形成的压强必须按照手法曲线的要求严格控制，系统温度以37 ℃为标准温度，经测试，压强显示装置的作用是及时显示实时压强，以保证建立的压强在设定的压强范围内。生成的压强数据最后能记录以保证分析细胞相关情况的需要。压强测试、数据显示及数据存储原理图见图2B。

1.4 信号采集及处理部分 本系统为保证有良好的稳定的实验状态，要求能将实时的压强在外部及时显示，故本系统采用单片机开发，MC51编程，传感器的使用上采用成品模块来进行硬件连接，减少了相对误差，系统完成后，进行相应的计量，以保证该系统在实验时的数值正确，通过蓝牙无线传输，操作者在操作台上操作拉力机的时候，实时压力能通过传感器及信号传输接收系统能实时显示在数显屏幕上，操作者能及时知晓实时压强，为减少系统的排线，采用无线传输的方法将采集处理后的信号，传输到显示屏。信号采集、处理及显示线路连接图见图3。该系统简便，有效，而且数据显示稳定。

1.4.1 压强信号的采集 因系统产生的是压力信号，为得到相关的压强，首先需要得到有关的即时压力，采用GY-65气压模块，使用芯片为BMP085，BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03 hPa，经过测算，完全能满足测试的需要，并且耗电极低，只有3 μA。BMP085采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装，可以通过I²C总线直接与各种微处理器相连。压力范围：300- 1 100 hPa(海拔9 000 m至-500 m)，反应时间：7.5 ms，待机电流：0.1 μA，无需外部时钟电路，芯片内置AD转换器。

1.4.2 信号采集的控制及处理 相应的信号控制及处理由中央控制单元完成，采用ATMEL公司生产的AVR系列中的ATMEGA32单片机，该单片机一款带10位A/D的高性能单片机^[24]，内部32 K字节的系统内可编程Flash，2 K字节片内SRAM，1 024字节的EEPROM。采用TQFP44封装。具有比较小型化的特点，运行速度比较快，而且比较稳定。

1.4.3 信号无线传输及接收系统 装置信号传输采用蓝牙无线传输，数据的发送接收采用蓝牙模块，蓝牙模块采用英国CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.1+EDR蓝牙规范，模块内置8Mbit Flash，支持USART，USB，SPI，PCM，SPDIF等接口，支持主从一体，支持软硬件控制主从模块，并支持SPP蓝牙串口协议，成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许外围元件就能实现其强大功能^[25-27]。

1.4.4 显示系统 显示模块采用型号为YB12232ZB的双行显示带有中文字库的LCD液晶屏，122*32点阵，可以将实际测量的压强数值实时显示。

1.4.5 存储系统 采用专用单片机读写SD卡模块，可以将相关测量数据实时写入SD卡，建立一个以TXT后缀结尾的纯文本文件，存储速度为每秒6个数据。

1.4.6 相关电路 本系统CPU采用TMEL公司生产的AVR系列中的ATMEGA32单片机，外围电路较少，而且采用模块式开发，所用元件也较少。系统电路见图4。

1.5 系统实现功能 按照实际实验要求，MTS858拉力机按照相关的滚法以及正弦法，施加两种不同的力，按照频率为120次/min，4 kg压力的模拟手法以及按照正弦规律实施的同频率同压力的力后，经过实际计算，测得腔体内的压强为3.2 N/cm²，通过记录后，可以得到相关的实验环境的数据，按照实验环境的数据，再进行相关的研究分析，可以得到相关的实验结论。本实验按照滚法的正规手法和标准正弦法两种方法来进行实验。

1.6 系统软件工作设计 当系统上电后，对相关的系统进行初始化，数据进行匹配，如果数据符合传输的要求，开始进行数据传输，设定PE1口输出，上拉电压为高电平有效，此时对USART初始化，整个系统数据清零，同时，开始对传感器传来的数据进行记录，此时，对相关的数使能RXC中断，接收允许，发送允许。系统工作程序流程图见图5。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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