坐骨神經(jīng)損傷后大鼠臀大肌、小腿三頭肌固有頻率測(cè)定的實(shí)驗(yàn)研究

史智君，嚴(yán)雋陶，楊斌堂，楊詣坤，孔亞敏，盧新剛，伍丹丹

1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，上海200437；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

前言

固有頻率是系統(tǒng)固有的物理參數(shù)，其振動(dòng)的頻率與初始條件無(wú)關(guān)而是由物體本身的剛度、質(zhì)量等固有特性決定的，一般可由沖擊激勵(lì)測(cè)得［1-2］。對(duì)機(jī)體而言，通常將肌肉、骨骼等組織等效為質(zhì)量、彈簧及阻尼以研究其各部分的固有頻率［3］。不同組織存在其相應(yīng)的固有頻率，而當(dāng)接近或等同于該組織固有頻率的振動(dòng)激勵(lì)時(shí)則會(huì)產(chǎn)生最大的幅值，從而引發(fā)一定的生物效應(yīng)［4］。研究表明：施加適宜的外在振動(dòng)刺激使之與肌肉組織的固有頻率達(dá)到和諧狀態(tài)，能夠提高肌肉的興奮性，促進(jìn)肌力低下患者的下肢訓(xùn)練效果［2,5-6］。在外周神經(jīng)損傷中，坐骨神經(jīng)損傷較為常見(jiàn)，其所導(dǎo)致的肢體功能障礙是臨床及康復(fù)治療亟需解決的重點(diǎn)問(wèn)題［7-8］。由于外在振動(dòng)激勵(lì)作用于機(jī)體時(shí)，頻率是影響神經(jīng)肌肉系統(tǒng)反應(yīng)幅度的最主要因素［9］。因此，本實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)損傷側(cè)大鼠臀大肌、小腿三頭肌的固有頻率，并觀(guān)察不同狀態(tài)下的固有頻率變化，為之后康復(fù)振動(dòng)治療頻率的參數(shù)選擇提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組

選取2月齡健康清潔級(jí)Sprague-Dawley 大鼠24只，體質(zhì)量（180±10）g，由上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供并飼養(yǎng)。飼養(yǎng)條件：溫度24～26 ℃，濕度55%～65%，12 h：12 h 光暗周期，自由攝食和飲水。

本次實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)數(shù)字法，將大鼠分為空白組、模型組、麻醉組，每組各8 只。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)大鼠的處置嚴(yán)格遵守動(dòng)物倫理準(zhǔn)則和指南的相關(guān)規(guī)定。

1.2 主要儀器及試劑

SXP-1C 手術(shù)顯微鏡（上海醫(yī)光儀器有限公司），10%水合氯醛（上海西唐生物科技有限公司），手術(shù)直剪、彎止血鉗、彎頭組織鑷（浦東金環(huán)），顯微止血鉗（上海金鐘），11/0顯微外科帶針縫合線(xiàn)（寧波靈橋），新標(biāo)1號(hào)-尼龍縫合線(xiàn)（浦東金環(huán)），半弧正角針（浦東金環(huán)），眼科手術(shù)直剪（蘇州市施強(qiáng)醫(yī)療器械有限公司），大鼠固定器（自制），DLSA Neuromatic-2000C型神經(jīng)電圖儀（丹麥），固有頻率檢測(cè)平臺(tái)（上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）。

1.3 模型制備

坐骨神經(jīng)損傷模型：參照Gigo-Benato［10］將SD大鼠分別以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，常規(guī)備皮，碘伏消毒后，于右下肢后外側(cè)縱行切開(kāi)皮膚，鈍性分離股二頭肌，于距離梨狀肌下緣5 mm 處，游離出約2 cm 坐骨神經(jīng)，用長(zhǎng)14 cm-JZ06Cr 號(hào)止血鉗完全閉合鉗夾坐骨神經(jīng)3次，每次10 s，中間間隔10 s（鉗夾力為46 N），鉗夾段長(zhǎng)度約2 mm，寬度1 mm，松開(kāi)血管鉗后見(jiàn)鉗夾段神經(jīng)完全透明，但神經(jīng)外膜處未見(jiàn)出血，造成Sunderland III度損傷［11］。術(shù)后30 min檢測(cè)損傷側(cè)坐骨神經(jīng)動(dòng)作電位潛伏期、波幅［12］，刺激強(qiáng)度約1～20 mA，一般以波形達(dá)最大振幅且不引起周?chē)鸁o(wú)關(guān)肌肉組織收縮為宜，刺激時(shí)間0.1～0.2 ms，刺激頻率1 Hz。記錄：將鉤形針電極分別置于損傷點(diǎn)標(biāo)記處和損傷點(diǎn)遠(yuǎn)端，兩電極間距離測(cè)定采用精度為0.2 mm 的游標(biāo)尺直接測(cè)量約為10 mm，記錄電極置于神經(jīng)入肌點(diǎn)處，記錄時(shí)以綜合肌電出現(xiàn)的峰波前緣為準(zhǔn)［13］。當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度（Motor Conduction Velocity,MCV）降至10 m/s 以下時(shí)，認(rèn)為坐骨神經(jīng)軸索、髓鞘及神經(jīng)內(nèi)膜損傷斷裂［14］，確定神經(jīng)損傷模型造模成功（圖1），生理鹽水沖洗傷口，常規(guī)分層縫合肌肉、皮膚。麻醉模型：將大鼠以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，余不做任何處理。

圖1 坐骨神經(jīng)傳導(dǎo)速度（MCV）Fig.1 Sciatic nerve motor conduction velocity

1.4 檢測(cè)方法

神經(jīng)損傷第7天，將實(shí)驗(yàn)大鼠俯臥位固定于大鼠固定器并置于振動(dòng)測(cè)試臺(tái)，應(yīng)用沖擊測(cè)量?jī)x器（錘擊法）于每只大鼠腿部臀大肌、小腿三頭肌肌腹中央位置施加沖擊振動(dòng)激勵(lì)，通過(guò)振動(dòng)響應(yīng)檢測(cè)模塊測(cè)得大鼠兩部位振動(dòng)響應(yīng)，將采集到的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)快速傅里葉變換轉(zhuǎn)至頻域數(shù)據(jù)，可體現(xiàn)于頻譜、自功率譜及時(shí)頻譜中。每只大鼠臀大肌、小腿三頭肌沖擊測(cè)量10 次，取平均值，確定固有頻率。（Matlab軟件的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)分析得到響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)關(guān)系的傳遞函數(shù)，對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行去直流分量和加窗處理，從而去掉傳遞函數(shù)中由于及離譜能量太低而造成的假峰）（圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能框解圖Fig.2 System function block diagram

單自由度系統(tǒng)在脈沖激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)方程為：

其中δ(t)為脈沖振動(dòng)激勵(lì)，其振動(dòng)響應(yīng)的解為：

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 25.0軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。計(jì)量資料用均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最小值、最大值表示，組間比較采用單因素方差分析，組內(nèi)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 大鼠臀大肌、小腿三頭肌頻率峰值

施加沖擊振動(dòng)激勵(lì)于大鼠臀大肌、小腿三頭肌肌腹中央各10次響應(yīng)測(cè)得，通過(guò)時(shí)頻分析等方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)每個(gè)部位有兩個(gè)峰值可能是其固有頻率值（表1和圖3）。

2.2 大鼠臀大肌、小腿三頭肌第一峰值固有頻率差異

表1 峰值頻率（Hz）Tab.1 Peak frequency(Hz)

圖3 臀大肌、小腿三頭肌固有頻率峰值圖Fig.3 Peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of calf

空白組、模型組、麻醉組臀大肌第一峰值固有頻率無(wú)顯著性差異（P＞0.05），空白組、模型組、麻醉組小腿三頭肌第一峰值固有頻率無(wú)顯著性差異（P＞0.05），臀大肌、小腿三頭肌在相同組別中其固有頻率無(wú)明顯差異（P＞0.05）（表2）。

2.3 大鼠臀大肌、小腿三頭肌第二峰值頻率差異

空白組、模型組、麻醉組臀大肌第二峰值頻率無(wú)顯著性差異（P＞0.05），空白組、模型組、麻醉組小腿三頭肌第二峰值頻率無(wú)顯著性差異（P＞0.05），臀大肌、小腿三頭肌在相同組別中其第二峰值頻率無(wú)明顯差異（P＞0.05）（表3）。

3 討論

自然界以及日常生命活動(dòng)中，普遍存在物體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)或狀態(tài)的循環(huán)變化，這類(lèi)現(xiàn)象稱(chēng)為振蕩，例如鐘擺的擺動(dòng)、心臟的跳動(dòng)等都具有明顯的振蕩特性。振動(dòng)則是振蕩的一種特殊表現(xiàn)形式，是平衡位置附近微小或有限的振蕩。振動(dòng)問(wèn)題主要涉及系統(tǒng)、激勵(lì)及響應(yīng)3 個(gè)方面［1］，振動(dòng)系統(tǒng)主要是研究者所選定的研究對(duì)象；激勵(lì)則是外界對(duì)系統(tǒng)的初始干擾及強(qiáng)迫力等；響應(yīng)是系統(tǒng)在激勵(lì)作用下所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。

表2 臀大肌、小腿三頭肌第一峰值固有頻率（Hz）Tab.2 The first peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of the calf(Hz)

當(dāng)人體受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí)會(huì)以復(fù)雜的方式響應(yīng)，由于復(fù)雜系統(tǒng)本身會(huì)存在多個(gè)峰值，根據(jù)本研究測(cè)試結(jié)果（表1和圖3）顯示每個(gè)受試部位均有兩個(gè)規(guī)律性明顯的峰值，其臀大肌、小腿三頭肌兩個(gè)部位同一峰值基本一致且無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表2和表3），針對(duì)此情況認(rèn)為臀大肌、小腿三頭肌頻率是一致的，其各自的第一峰值判定為其固有頻率（分別是8.25、8.12 Hz），而頻率較高的第二峰值則可能與其骨骼或骨骼肌肉連接處等剛度相對(duì)較高的響應(yīng)有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)僅關(guān)注于固有頻率，認(rèn)為其應(yīng)是外部激勵(lì)作用于肌肉組織時(shí)影響最明顯的頻率值，并能夠在最短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大效應(yīng)［15-18］。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，振動(dòng)激勵(lì)后正常組、模型組、麻醉組3 組不同狀態(tài)下的大鼠相同部位的固有頻率其均值有差異但不構(gòu)成統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此可認(rèn)為肌肉組織固有頻率是其本身的響應(yīng)，其不隨所處狀態(tài)的不同而發(fā)生很大的變化；而同一組別中臀大肌、小腿三頭肌上下兩個(gè)部位的固有頻率亦無(wú)明顯差異，這可能是由于臀大肌、小腿三頭肌同屬于同一下肢肌肉組織，其組織結(jié)構(gòu)基本一致所致。

機(jī)械振動(dòng)是機(jī)械和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)，各種機(jī)械設(shè)備、人體等都可以看成是一種結(jié)構(gòu)物。將機(jī)械振動(dòng)作為一種治療方法作用于人體時(shí)是利用振動(dòng)因素使人體局部組織或全身發(fā)生周期性或非周期性的往復(fù)變化以產(chǎn)生治療效果［19］。一定頻率的振動(dòng)作用下能夠促使患處的神經(jīng)肌肉性能產(chǎn)生急性及恒久效應(yīng)［20］，適宜的外部機(jī)械振動(dòng)作用于人體能夠最大程度激活神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，使病理狀態(tài)下的神經(jīng)肌肉能夠恢復(fù)至正常狀態(tài)［21］。將固有頻率作為參考頻率，設(shè)置不同頻率的振動(dòng)治療對(duì)照組，圍繞本實(shí)驗(yàn)研究方向探討外部機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)對(duì)坐骨神經(jīng)損傷的最佳振動(dòng)頻率，以期產(chǎn)生最佳治療效果。