定量超聲與肌電圖在下背痛評估中的應用

周光泉，鄭永平，陳淑德

1.香港理工大學醫(yī)療科技及資訊學系，香港；2.馬薩諸塞州總醫(yī)院Athinoula A.Martinos 生物醫(yī)學成像中心，美國

圖片由香港理工大學 紡織及制衣學系 研究生姚運茵 提供

0 引言

下背痛（Low Back Pain）即下背部的疼痛，多發(fā)于第4和第5腰椎或第5腰椎和第1椎間，疼痛可不同程度地限制腰部肌肉活動，造成肌肉功能退化。Low Back Pain不是一種疾病，而是以背部疼痛為代表的一種的臨床癥狀。Low Back Pain根據背部疼痛的持續(xù)時間可以分為急性下背痛（Acute Low Back Pain），次急性下背痛（Subacute Low Back Pain）和慢性下背痛（Chronic Low Back Pain）。Acute Low Back Pain是指背部疼痛持續(xù)時間小于6周。Subacute Low Back Pain是指背部疼痛時間持續(xù)6～12周。Chronic Low Back Pain是指背部疼痛持續(xù)12周以上。90% Acute Low Back Pain（Subacute Low Back Pain）在6周內可自然恢復，但是2%～7%會發(fā)展成Chronic Low Back Pain。75%～85% Acute Low Back Pain（Subacute Low Back Pain）會復發(fā)或者發(fā)展成Chronic Low Back Pain[1-2]。

Low Back Pain是現代社會非常常見的問題。據統(tǒng)計，大約80%的人，一生中都會有Low Back Pain的經歷，許多人更是因其喪失勞動能力，從而被迫離開工作崗位，對國家的經濟造成影響。因此，找到Low Back Pain的成因，提高康復率和減少復發(fā)率是當前最具挑戰(zhàn)性的工作。Low Back Pain多與高負荷體力勞動、頻繁彎腰、扭轉動作、拉推抬動作、重復性動作、長期保持靜態(tài)姿勢和頻繁抖動相關[1-6]。如Low Back Pain高發(fā)人群有護士、飛行員、出租車司機等。這類人群需要在工作中長期保持坐姿或者頻繁彎腰，腰部易處于疲勞狀態(tài)，從而導致Chronic Low Back Pain[4-6]?？梢哉f，大多數Low Back Pain來源于肌骨骼問題[3]。如Acute Low Back Pain多是由支撐背部的肌肉痙攣或者肌肉韌帶的突然損傷觸發(fā)。但是Low Back Pain的真正成因非常復雜，仍然是一個亟待解決的問題。脊柱系統(tǒng)的結構不穩(wěn)定被視為造成Low Back Pain最可能的原因[7]。腰背肌肉是整個腰背脊柱系統(tǒng)結構穩(wěn)定的重要構成，腰背肌功能的研究對于理解Low Back Pain的真正成因具有重要的指導意義。Hodges等[11]以證明腹橫?。═ransversus Abdominis）和腹內斜?。↖nternal Oblique Muscles）在脊柱穩(wěn)定中有著最關鍵的作用。肌電圖學（Electromyography，EMG）是最早用于評估肌肉的方法，已經被廣泛地應用于Low Back Pain中腰背肌肉的評估和研究。但是肌電信號容易受到各種潛在因素的影響，如電極位置，放大器，肌肉類型等。除此之外，對于深層肌肉肌電無法實現無創(chuàng)的檢測。這些都制約了肌電信號在腰背肌肉評估中的應用。而定量超聲（Quantitative Ultrasound）作為一種可靠的逐步成熟的研究方法，可以實現無創(chuàng)的深層肌肉測量，在肌肉功能的評估中正扮演著越來越重要的角色。本文總結了研究Low Back Pain的主要問題，并且介紹EMG和Quantitative Ultrasound在其中的應用現狀。

1 脊柱系統(tǒng)穩(wěn)定性與Low Baok Pain

脊柱系統(tǒng)的基本生物力學功能包括：支持身體不同部分之間的相對運動、負重和保護脊髓與神經根[8]。脊柱的機械穩(wěn)定性在整個脊柱系統(tǒng)有著至關重要的作用。有大量的研究[7-12]試圖確認脊柱的結構不穩(wěn)定及其與Low Back Pain之間的關系。Panjabi[7]指出，脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)構成：被動肌骨骼m(xù)usculoskeletal system 肌肉骨系統(tǒng)。肌肉骨骼系統(tǒng)子系統(tǒng)，主動肌骨骼子系統(tǒng)和神經子系統(tǒng)，見圖1。被動肌骨骼子系統(tǒng)包含脊椎、椎間盤、脊柱韌帶和椎間小關節(jié)。主動肌骨骼子系統(tǒng)由圍繞脊柱的肌肉和肌腱組成，用以對脊柱施加需要的力。神經子系統(tǒng)由神經和中樞神經系統(tǒng)構成，通過監(jiān)控生物傳感信號來決定脊柱結構穩(wěn)定所需條件，并且指導主動肌骨骼子系統(tǒng)施加力以滿足結構穩(wěn)定。這3個子系統(tǒng)互相交互，共同協(xié)作，最終確保了整個脊柱的結構穩(wěn)定。任何一個子系統(tǒng)的功能退化都可能影響或損傷其他兩個子系統(tǒng)，并可能影響整個脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的功能。如腰背肌收縮能力的下降可直接影響脊柱的結構穩(wěn)定性, 造成椎間小關節(jié)或者椎間盤的損傷, 從而造成Low Back Pain。因此，理解整個脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)對于Low Back Pain的診斷、治療和康復有著重要的意義。Panjabi發(fā)現[12]，Low Back Pain患者的身體易于搖擺，預示著神經肌肉控制系統(tǒng)對維護整個脊柱穩(wěn)定較缺乏效率，同時，他還發(fā)現，脊柱活動中立區(qū)（Neutral Zone）會直接影響疼痛的程度。

圖1 脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)

腰背肌是主動肌骨骼子系統(tǒng)的重要組成部分，在整個脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)中起著至關重要的作用[13-17]。Panjabi[12]利用體外實驗和數學模型表明，脊柱肌肉對于脊柱穩(wěn)定性有著關鍵的作用。因此，理解腰背肌功能對于Low Back Pain的診斷和治療具有十分重要的價值。van Dieen等[9]發(fā)現，Low Back Pain患者為了維持脊柱穩(wěn)定使得肌肉反應模式與正常人有著明顯的區(qū)別。占飛等[16]發(fā)現，可以針對Chronic Low Back Pain患者腰屈伸肌存在屈伸肌力的下降及失衡進行肌力訓練以恢復屈伸肌對腰椎主動穩(wěn)定和功能性活動的作用和避免Low Back Pain的反復發(fā)作。有大量研究試圖去理解疼痛與肌肉收縮活動之間的關系。兩種模型已經被提出用以理解軀干肌的肌肉收縮活動與Low Back Pain的聯(lián)系[13]：疼痛-痙攣-疼痛模型和疼痛適應模型。在疼痛-痙攣-疼痛模型中，疼痛造成肌肉的過度活躍，如肌肉痙攣，進一步引起疼痛，從而形成一個惡性循環(huán)[14]。與之相對的，在疼痛適應模型中，疼痛將會根據肌肉活動的類型（對抗或協(xié)同）來加重或者減輕肌肉的收縮活動[15]。大量研究者試圖去驗證這兩種不同模型的正確性?，F在，疼痛適應模型是應用較廣泛的一種模型。

肌肉收縮和功能評估在Low Back Pain研究中是不可或缺的重要一環(huán)。目前，可以通過EMG、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）、近紅外光譜（Near infrared spectroscopy）、活組織檢查（Muscle Biopsy）和超聲成像的方法來評估腰背肌肉功能[18]。其中，只有EMG和超聲成像可以提供實時便捷的肌肉功能評估，所以EMG和超聲成像是使用最廣泛的兩種測量方法。

2 肌電圖在Low Back Pain研究中的應用

肌電圖原理是記錄肌肉收縮和靜止狀態(tài)時產生的生物電信號，并且以此來評估肌肉的功能狀態(tài)。根據使用方法，肌電圖可以分為表面肌電圖（無創(chuàng)）和肌肉針極肌電圖（有創(chuàng)）。通過提取腰背肌肉的原始肌電信號的特性參數，肌電信號已經廣泛的應用在下背痛各個階段研究中[11,19-32]。最普遍使用的肌電參數是幅度均方根（Root Mean Square，RMS）、初始的中值頻率（Initial Median Frequency，IMF）、中位頻率（Median Frequency，MF），平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）和瞬時中值頻率（Instantaneous Median Frequency，IMDF）。RMS是一段時間內（512或者256個采樣點）瞬間肌電圖振幅平方平均的平方根，取決于力量負荷和肌肉本身的特性。其他頻率參數需要對原始肌電信號應用傅立葉變換，一般用頻率參數的相對下降值判別肌肉疲勞度。IMDF是最近用來在運動時實現可重復檢測的一個重要肌電參數[22]。

肌電圖已經被大量地應用在脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的生物力學模型的建模中。Cholewicki等[23]采用肌電來分析肌肉的力量和硬度，并以此作為整個脊柱模型的參數，進而分析脊柱結構穩(wěn)定與Chronic Low Back Pain直接的聯(lián)系。通過這些模型的分析，越來越多的研究表明，肌肉的收縮功能對Low Back Pain的形成和康復有著關鍵作用。Low Back Pain患者對疼痛的感覺和懼怕還會造成在實際測量中低估肌肉的最大隨意收縮（Maximal Voluntary Contraction）[25]。王健等[20]證明，在運動負荷實驗過程中，Low Back Pain患者腰部肌肉的肌電信號有多種不同于正常人的信號特征。Hodges等[11]發(fā) 現，Chronic Low Back Pain的 Transversus Abdomins的收縮比正常人有明顯的延遲。肌電信號還被大量應用在腰背肌肉疲勞的測量中，在不需要最大隨意收縮的情況下，耐力測試的肌電信號可以有效實現定量測試肌肉疲勞度。受試者在實驗中一般被要求臥倒并固定臀部與腿部，同時需要維持固定姿勢或者保持腰背肌肉最大隨意收縮[26]。Oddsen等[22]用BAS背部分析系統(tǒng)（The Back Analysis System）系統(tǒng)發(fā)現，Chronic Low Back Pain的腰背肌肉收縮效率較低和不易感覺疲勞，并且對側的腰背肌肉的RMS較正常人大。這是因為Low Back Pain患者因疼痛感低估自身肌肉最大隨意收縮，造成實際腰背肌肉收縮達不到“真正”最大隨意收縮。同時，Roy[27]也利用BAS系統(tǒng)發(fā)現，Low Back Pain患者在維持固定收縮時的肌電信號MF變化比正常人大，這說明該病患者腰背肌肉本身的易疲勞特性。這預示著肌肉類型可能發(fā)生了變化，而實際的活體檢測也證明了這個論斷[28]。而通過針對特定肌肉進行4周的康復練習，可以有效地改善肌肉的易疲勞特性。以上研究都表明，Low Back Pain和肌肉收縮有著相當大的聯(lián)系，可以針對對Low Back Pain患者的相關肌肉進行特定治療，從而有效提高其康復率。已經有研究者采用肌電信號作為Low Back Pain康復運動的生物反饋信號來輔助康復運動和評估實際效果。肌電信號還被應用在Low Back Pain患者的步態(tài)分析中。Arendt-Nielsen等[24]應用肌電信號對Chronic Low Back Pain患者進行步態(tài)分析，他們發(fā)現，疼痛適應模型可以用來解釋Low Back Pain患者的行走中肌肉收縮的作用和反應。除此之外，研究者還試圖采用肌電信號幫助區(qū)分Low Back Pain患者，提高診斷效率。Poosapadi-Arjunan等[30]建議，使用表面肌電信號的方差區(qū)分正常人和Low Back Pain患者的步態(tài)。

在實際實驗中，表面肌電圖可以實現大多數腰背肌肉功能的測量。電極一般附著在脊柱附近位置，比較常用的標志位置是L1，L2和L5。但是腰背肌肉構成比較復雜和肌電信號容易受到各種潛在因素的影響，所以難以單獨定位某一塊特定肌肉的肌電信號。同時，對于腹腔內的深層肌肉，Transversus Abdomins和Internal Oblique Muscles，必須采用有創(chuàng)的肌肉針極肌電圖以實現較為精確的測量。Quantitative Ultrasound作為一種新的測量方法，可以有效的克服這些限制，已經被應用在Low Back Pain的研究中。

3 Quantitative Ultrasound在Low Back Pain研究中的應用

超聲成像是一種無創(chuàng)實時的成像方法，超聲是第一種可以輔助診斷肌肉疾病的成像技術[33]。隨著超聲技術的趨于成熟，大量的研究者利用二維超聲圖像去定量的評估肌肉的功能狀態(tài)，并把結果應用在生物力學的研究領域[34-37]。Quantitative Ultrasound主要是利用二維的超聲圖像去評估分析肌肉活動時的狀態(tài)變化。其作為一種可靠的逐步成熟的研究發(fā)法，在Low Back Pain的研究中正扮演著越來越重要的角色。

在二維超聲圖像中，Quantitative Ultrasound主要采用肌肉橫斷面積（Cross-Sectional Area）、橫斷面厚寬比（Thickness-width Ratio）、肌纖維長（Fascicle Length）、肌肉厚度（Muscle Thickness）和羽狀角（Pennation Angle）等結構性參數來表述肌肉的狀態(tài)變化?；谘臣∪獾念愋停∪夂穸茸兓亲畛１挥迷贚ow Back Pain肌肉功能研究中的Quantitative Ultrasound參數[38-40]。實驗中，受試者一般被要求躺或坐在實驗桌上并固定臀部與腿部，超聲圖像只在受試者放松和最大隨意收縮時采集。McMeeken等[38]證實，Transversus Abdomins的肌肉厚度變化與其Transversus Abdomins電信號變化有很好的相關性。John和Beith[39]也證實，在等距扭轉腰背時，腹外斜肌肌肉厚度變化和肌電信號變化有很好的相關性。在執(zhí)行相同的等距伸腿時，Low Back Pain患者的Transversus Abdomins肌肉厚度變化較正常人小，這和肌電的測量結果相似[41]。這些預示，在下背痛研究中可以用肌肉厚度變化反映肌肉收縮活動。許多可靠性和差異性分析實驗也證明，Quantitative Ultrasound可以可靠地應用在Low Back Pain研究中[42-45]。越來越多的研究表明，深層肌肉（Transversus Abdomins、Internal Oblique Muscles和多裂?。S持脊柱穩(wěn)定有著關鍵的作用[46-48]。研究表明[47]，在不同坐姿下（坐在椅子上或坐在瑜伽球上），Low Back Pain患者的Transversus Abdomins肌肉厚度差異比正常人明顯，這預示著為了維持脊柱穩(wěn)定Low Back Pain患者的Transversus Abdomins需要更大限度的收縮。Hides等[49]發(fā)現，Acute Low Back Pain的疼痛感消失后，多裂肌并沒有恢復正常，這也從另一個側面說明了Low Back Pain復發(fā)率高的原因。有研究者[48,50]指出，Low Back Pain的康復活動需要特別針對深層肌肉（Transversus Abdomins、Internal Oblique Muscles和多裂?。┮越档蛷桶l(fā)率。經過特定的肌肉康復練習Transversus Abdomins和多裂肌的厚度和大小會有非常明顯的減小，而且Low Back Pain的復發(fā)率有明顯下降[48]。在現階段的研究中，Quantitative Ultrasound作為一種直觀可視的生物反饋信號來指導肌肉康復練習和評估肌肉康復練習效率[51-53]。Van等[51]采用超聲圖像輔助多裂肌鍛煉，有超聲輔助的受試者多裂肌的自愿收縮比沒有超聲輔助的有更好增強，并且鍛煉持續(xù)的有效時間也長于沒有超聲輔助的受試者。Teyhen等[53]采用超聲圖像評估6種腰背加強練習（Trunk-strengthening Exercises）的效果，他們發(fā)現，仰臥起坐（Abdominal Crunch）和水平正撐（Horizontal Side-Support）對 Transversus Abdomins和 Internal Oblique Muscles鍛煉效果更好，同時，年齡不會影響這些練習的效果。

Quantitative Ultrasound在Low Back Pain的研究還處于起步階段，仍然存在一些不足之處。首先，Quantitative Ultrasound只在靜止狀態(tài)下測量肌肉厚度，這不足以反應整個肌肉收縮活動的過程。需要把Quantitative Ultrasound進一步的擴展到運動時的肌肉功能測量。其次，現階段大多數研究者都是通過手工手工提取超聲參數這是一項繁重的工作，嚴重限制Quantitative Ultrasound在Low Back Pain研究中的推廣應用。最后，研究者已經開始試圖用超聲結合生物力學測試去分析腰背痛患者的肌肉肌肉硬度和疲勞程度，而超聲作為一種實時便捷的手段，可以實現定量分析肌肉硬度和疲勞程度[54-56]。

4 小結

Low Back Pain的成因非常復雜，而脊柱結構不穩(wěn)定是最可能的成因。腰背肌肉是構成脊柱穩(wěn)定系統(tǒng)的主要組成部分，且對脊柱穩(wěn)定和Low Back Pain有著重要的研究意義。EMG已經被廣泛的應用在Low Back Pain的研究中，但是EMG有著自身的缺點和不足。Quantitative Ultrasound作為一種新的測量手段，已經逐漸被應用于腰背肌肉功能評估中。其能有效的幫助我們理解肌肉收縮和Low Back Pain之間的關系，輔助解決骨骼系統(tǒng)問題，提高Low Back Pain的康復率和降低其復發(fā)率。Quantitative Ultrasound測量仍然需要改進以便更高效和更便捷地應用在Low Back Pain研究中。

志謝

作者感謝香港研究資助局（PolyU5354/08E）和香港理工大學（J-BB69, 5-ZD64）基金對本研究的資助。

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