非特異性腰痛患者腰背肌群延遲激活的研究

鄭依莉 ，胡浩宇，劉曉晨，董煜琳，張娟，龔迪，宋歌，王雪強(qiáng),3

1.上海體育學(xué)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)康復(fù)中心，上海市 200438；2.上海市第二康復(fù)醫(yī)院治療部，上海市 200438；3.上海上體傷骨科醫(yī)院康復(fù)科，上海市 200438

非特異性腰痛(nonspecific low back pain,NLBP)不僅影響健康、生活質(zhì)量和工作，也造成沉重醫(yī)療負(fù)擔(dān)和間接社會成本[1?2]。盡管NLBP 找不到確切的病因[3?4]，但目前多項研究通過對比下肢肌群與腹部核心肌群的肌肉激活時序，認(rèn)為腰部核心肌群延遲激活是引起腰椎不穩(wěn)定的重要因素之一[5?7]。

本研究通過表面肌電信號(surface electromyogra?phy,sEMG)分析，探究在靜態(tài)平衡模式改變時，NLBP 患者與正常人的上肢肌群和腰背部核心肌群激活時間的差異，并對比肌肉激活模式，從而為NLBP的發(fā)病機(jī)制研究提供新的證據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2017年9月至12月在上海上體傷骨科醫(yī)院就診并自愿參與本研究的NLBP 患者21 例(NLBP 組)，年齡19～37 歲，視覺模擬評分(Visual Analogue Score,VAS)(2.86±1.01)分，病程(23.5±10.3)個月。

NLBP組納入標(biāo)準(zhǔn)：①生命體征穩(wěn)定，意識清醒，無認(rèn)知障礙；②年齡18～60 歲，能聽懂語言且愿意配合；③病程≥3個月。

NLBP 組排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重的心、肝、腎、肺功能不全，腫瘤、孕婦、術(shù)后功能障礙；②既往有智力障礙；③既往有精神疾病或長期使用鎮(zhèn)靜劑；④既往有心腦血管疾病；⑤有影響肌肉骨骼系統(tǒng)方面的疾病，如椎間盤突出、脊柱骨折、嚴(yán)重的關(guān)節(jié)炎，骨性椎管狹窄、強(qiáng)直性脊柱炎等。

2017年11月至12月通過網(wǎng)絡(luò)招募自愿參與本研究的正常受試者21例(正常組)，年齡18～28歲。

正常組納入標(biāo)準(zhǔn)：①無慢性腰痛病史；②無腰部外傷史；③無中樞神經(jīng)病史；④無既往脊柱手術(shù)史；⑤非妊娠期婦女。

兩組年齡、身高、體質(zhì)量和體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)均無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

本研究經(jīng)上海體育學(xué)院科學(xué)研究倫理委員會批準(zhǔn)，受試者通過實驗員了解實驗過程及潛在風(fēng)險后，簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1實驗儀器

本研究采用銀/氯化銀一次性使用心電電極(上海乾康醫(yī)療)與Noraxon16導(dǎo)遙測肌電DTS系統(tǒng)(美國No?raxon Inc.,采樣頻率1500 Hz)進(jìn)行表面肌電信號采集。

1.2.2表面肌電放置位置

將電極片置于右側(cè)三角肌前束、中束，雙側(cè)豎脊肌，雙側(cè)多裂肌的對應(yīng)體表位置。實驗時剃除測試區(qū)域毛發(fā)，并用細(xì)砂紙和75%醫(yī)用酒精擦拭皮膚。電極片的具體貼放位置如下：豎脊肌，于L1棘突旁開2 cm放置一測量電極，另一電極貼放于該電極片上方，并與脊柱中線平行；多裂肌，在L4?5間隙旁開2 cm 放置一電極，另一電極貼放于該電極下方，并與脊柱中線平行；三角肌中束，受試者抗阻外展，電極片沿手臂長軸方向貼放于三角肌中束肌腹肌肉最豐厚的位置；三角肌前束，受試者抗阻前屈，將電極片沿手臂長軸方向，置于三角肌前束肌腹的位置。

表1 兩組一般資料比較

1.2.3實驗流程

受試者自然站立，兩腳分開與肩同寬，雙手自然下垂，右手握持0.5 kg[8]的啞鈴，兩眼平視前方，脊柱處于中立位，重心線位于兩腿間中點。實驗人員待觀察各肌肉肌電信號平穩(wěn)之后，給予聲音信號，令受試者以平穩(wěn)速度完成右側(cè)上肢運(yùn)動，運(yùn)動過程中盡量避免軀干旋轉(zhuǎn)及聳肩動作，并記錄肌電信號。所有受試者均完成上肢前屈(約170°)、外展(約170°，囑受試者外展超過90°時，肩關(guān)節(jié)外旋)，每個動作間隔30 s，實驗重復(fù)2次。

1.3 評價指標(biāo)

1.3.1疼痛

采用VAS 評價腰痛程度。在長度100 mm 的線段兩端標(biāo)注“0”和“10”，0 表示無痛，10 表示難以忍受的劇痛。受試者根據(jù)主觀感受，標(biāo)出腰痛發(fā)作時的疼痛程度在線段上的所在位置。

1.3.2相對激活時間

首先，將所有肌電信號通過帶通濾波(10～500 Hz)，并采用平均值進(jìn)行平滑處理(remove mean)，隨后進(jìn)行全波整流，最后采用低通濾波(10 Hz)對肌電信號進(jìn)行處理。

其次，取每個肌電通道的前400 幀信號作為基準(zhǔn)噪聲，計算其平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。將超過平均值2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的信號值定義為肌肉激活閾值。

再次，確定肌肉激活時間，將肌電信號連續(xù)超過該閾值50 ms的起始時間定義為肌肉激活時間[9]。

最后，計算主動肌與其他肌肉間的相對激活時間[10]。相對激活時間=其他肌肉激活時間-主動肌(三角肌前束/中束)激活時間。若差值為正，表明目標(biāo)肌肉在主動肌之后激活；反之，則在主動肌之前激活。本實驗中，右臂前屈的主動肌為三角肌前束，外展的主動肌為三角肌中束。

以上數(shù)據(jù)通過MATLAB 2016a 軟件編寫程序與Microsoft Excel 2013函數(shù)計算進(jìn)行處理。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。所有計量資料采用(xˉ±s)表示。組內(nèi)比較采用重復(fù)測量方差分析，采用事后檢驗(Post Hoc Tests)觀察組內(nèi)各個肌肉間相對激活時間的差異；組間比較采用獨立樣本t檢驗，觀察兩組對應(yīng)肌肉的相對激活時間的差異。對腰痛受試者的疼痛程度、病程與各個肌肉間相對激活時間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 上肢前屈時各肌肉相對激活時間的差異

上肢前屈時，兩組左側(cè)多裂肌、右側(cè)三角肌中束在主動肌(三角肌前束)之后激活，而右側(cè)多裂肌、雙側(cè)豎脊肌則提前激活。見表2。

正常組各個肌肉間相對激活時間比較有顯著性差異(P＜0.05)，NLBP 組各個肌肉間相對激活時間無顯著性差異(P＞0.05)。正常組左側(cè)多裂肌所需的相對激活時間顯著長于右側(cè)多裂肌、雙側(cè)豎脊肌和右側(cè)三角肌中束(P＜0.05)；且右側(cè)三角肌中束所需的相對激活時間顯著長于雙側(cè)豎脊肌(P＜0.05)。見表2。

NLBP 組左側(cè)多裂肌的延遲激活時間小于正常組(P＜0.05)；NLBP 組右側(cè)豎脊肌的相對激活時間則大于正常組(P＜0.05)。見表2。

2.2 上肢外展時各肌肉相對激活時間的差異

上肢外展時，正常組右側(cè)三角肌前束在主動肌(三角肌中束)之后激活，雙側(cè)多裂肌和雙側(cè)豎脊肌則提前激活；NLBP 組雙側(cè)多裂肌、右側(cè)豎脊肌在主動肌之后激活，左側(cè)豎脊肌和右側(cè)三角肌前束則在主動肌之前激活。見表3。

表2 上肢前屈時兩組肌肉相對激活時間比較(s)

兩組內(nèi)各個肌肉間相對激活時間比較均無顯著性差異(P＞0.05)。見表3。

NLBP 組和正常組對應(yīng)肌肉的相對激活時間均無顯著性差異(P＞0.05)。見表3。

2.3 NLBP 患者疼痛程度、病程與各肌肉相對激活時間的相關(guān)性

NLBP 組疼痛程度與左側(cè)多裂肌的相對激活時間呈正相關(guān)(P＜0.05)，與前屈時左側(cè)豎脊肌(P＜0.05)、外展時右側(cè)三角肌前束(P＜0.05)呈正相關(guān)。NLBP 組病程與右側(cè)多裂肌的相對激活時間呈正相關(guān)(P＜0.05)。見表4。

3 討論

本實驗?zāi)Ｐ蛠碜杂贐elen'ki? 的一個經(jīng)典研究，通過讓受試者快速向前平舉手臂，發(fā)現(xiàn)腿和軀干的肌肉會因手臂的自主運(yùn)動而提前發(fā)生活動，從而提出肌肉預(yù)先激活的概念[11]。在手臂發(fā)生活動前，腰腿部肌肉就產(chǎn)生激活，這被認(rèn)為是面對可能發(fā)生的姿勢干擾時，神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)的代償反應(yīng)[12?13]；是隨意運(yùn)動造成的內(nèi)部干擾發(fā)生時，姿勢肌肉基于心理預(yù)期活動的前饋控制(feed?forward mechanism)的典型表現(xiàn)[14?15]。本實驗將手臂向前平舉的速度減慢，以一個穩(wěn)定均勻的速度將小質(zhì)量啞鈴平舉過頭，同樣得出相似的結(jié)論。健康受試者兩側(cè)豎脊肌和同側(cè)多裂肌均在主動肌(三角肌前束)之前激活，而對側(cè)多裂肌及三角肌中束在主動肌之后激活。

Sadeghi 等[8]通過表面肌電結(jié)合腦電圖研究在右側(cè)上臂快速屈伸過程中的前饋反應(yīng)及身體姿勢的預(yù)調(diào)整，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NLBP 受試者相較于正常受試者，其對側(cè)腹外斜肌及雙側(cè)腹內(nèi)/腹橫肌表現(xiàn)出延遲激活，但背部肌肉未見明顯延遲。但是有研究表明[16]，腰痛受試者腰骶區(qū)域肌肉活動增強(qiáng)，尤其是豎脊肌，導(dǎo)致腰椎和髖部運(yùn)動減少，進(jìn)而在平衡模式改變時，髖策略執(zhí)行減少。本研究發(fā)現(xiàn)，NLBP 組與正常組相比，在上肢外展時，背部多裂肌及豎脊肌的相對激活時間未發(fā)現(xiàn)顯著差異，我們推測腰痛患者可能更傾向于使用踝策略來對抗上臂外展引起的姿勢體位變化。

Aruin 等[12]研究不同舉臂方向和不同負(fù)重對肌肉預(yù)期姿勢調(diào)節(jié)(anticipatory postural adjustments,APAs)和補(bǔ)償姿勢調(diào)節(jié)(compensatory postural adjustments,CPAs)的影響，發(fā)現(xiàn)前后方向的舉臂活動造成的前饋控制效應(yīng)強(qiáng)于側(cè)位方向。這與本研究結(jié)果相符，本研究發(fā)現(xiàn)健康受試者手臂外展時，與主動肌(三角肌中束)相比，除三角肌前束外，其余肌肉(雙側(cè)豎脊肌和雙側(cè)多裂肌)均提前激活，但不同肌肉之間的相對激活時間不存在顯著性差異。而前屈時，與主動肌(三角肌前束)相比，受試者對側(cè)多裂肌激活時間顯著長于其他肌肉，三角肌中束激活時間顯著長于雙側(cè)豎脊肌。

本研究的主要目的是研究當(dāng)人體的靜態(tài)平衡改變時，NLBP 患者和正常人群的腰背部和上肢的肌肉激活時間是否存在差異。我們發(fā)現(xiàn)NLBP 患者的上肢前屈時，其右側(cè)豎脊肌較正常人群延遲激活，而左側(cè)豎脊肌和右側(cè)多裂肌則存在延遲激活的趨勢。在上肢外展時，NLBP 患者的雙側(cè)多裂肌和豎脊肌的激活時間與正常人群相比，雖然沒有統(tǒng)計學(xué)意義，但存在延遲激活的趨勢。

多裂肌的功能是通過產(chǎn)生壓力的同時產(chǎn)生使腰椎伸展的力矩來穩(wěn)定腰椎和骨盆區(qū)域[17?19]。有研究通過記錄受試者在俯臥伸髖時，臀大肌、半腱肌、股直肌、闊筋膜張肌、多裂肌、豎脊肌的肌電信號，分析各肌肉在運(yùn)動過程中的激活時間及激活程度，并結(jié)合骨盆的運(yùn)動學(xué)測量，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)多裂肌與豎脊肌的延遲激活與骨盆前傾的增加呈顯著相關(guān)；髖部的主動肌和拮抗肌之間激活程度的不平衡會增加腰椎?骨盆區(qū)域的活動[20]，以上兩個因素均增加了骨盆前傾的風(fēng)險。另外，多裂肌對脊柱運(yùn)動控制的精細(xì)調(diào)整有著重要作用[18,21?22]。因此，NLBP 患者多裂肌的延遲激活會在姿勢變化時降低腰椎的穩(wěn)定性，而腰椎的不穩(wěn)定反過來又加重腰痛癥狀[23?24]，形成惡性循環(huán)。

表3 上肢外展時兩組的肌肉相對激活時間比較(s)

表4 NLBP組VAS評分、病程與各肌肉相對激活時間的相關(guān)性分析(n=21)

本研究發(fā)現(xiàn)NLBP 患者的背部核心肌群的激活時間有延遲的趨勢，因此，在臨床實踐中，建議治療師考慮采用改變NLBP 患者肌肉激活模式的干預(yù)方案，增加多裂肌的訓(xùn)練。因為有研究指出，對某塊肌肉進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練可以提高肌肉的激活時間[25?27]。

同時本研究存在以下局限。第一，受試者的年齡范圍較窄，多集中在18～35 歲，因此實驗結(jié)果不能完全反映不同年齡層的NLBP 患者腰背肌群的激活情況，在后續(xù)的研究中，可以完善受試者的招募，擴(kuò)大樣本量，注意各個年齡層分布比。第二，本實驗NLBP 患者的疼痛多為雙側(cè)疼痛(13 例雙側(cè)疼痛，6 例右側(cè)疼痛，2 例左側(cè)疼痛)，需在后續(xù)的實驗中進(jìn)一步研究疼痛側(cè)別對腰背肌群的激活時間的影響。第三，本研究僅對比在站立位靜態(tài)平衡改變時，NLBP 患者與正常人的腰背肌群的激活時間的差異，未來可采集不同體位不同姿勢，使人體平衡模式發(fā)生變化時，收集NLBP 患者腰背部核心肌群表面肌電信號，分析其激活時間的變化及差異。盡管存在這些局限，本研究數(shù)據(jù)表明，腰痛人群的腰背部核心肌群的激活時間有延遲的趨勢，對康復(fù)從業(yè)人員制定治療腰痛的運(yùn)動處方，提供了理論依據(jù)。

綜上所述，正常人群通過上肢的前屈和外展來改變靜態(tài)平衡時，腰背部核心肌群會提前激活，而NLBP患者的核心肌群則有延遲激活的趨勢。