慢性非特異性下背痛患者豎脊肌等長收縮時空間活動特征

李霞 郝增明 王曉東 陳曉軍

1 浙江中醫(yī)藥大學第三臨床醫(yī)學院（杭州310053）

2 浙江大學教育學院（杭州310028）

慢性非特異性下背痛（chronic nonspecific low back pain，CNLBP）以腰骶臀部疼痛或不適為主要癥狀，嚴重影響患者的日常工作和生活。CNLBP 持續(xù)或復(fù)發(fā)的潛在因素之一是軀干神經(jīng)肌肉控制的改變[1.2]。表面肌電圖（surface electromyograpy，sEMG）是一種了解神經(jīng)肌肉控制的手段[3，4]，其無創(chuàng)、無痛，廣泛用于測量肌肉活動。應(yīng)用sEMG測試時，電極覆蓋一小塊肌肉區(qū)域，可以獲取的信息有限[5]，空間分辨率低[6]。高密度表面肌電（high density surface EMG，HDsEMG）整合了針極肌電和sEMG 的優(yōu)勢，電極覆蓋面積較大，可以量化肌肉活動空間分布的變化，從二維空間角度整體分析肌肉性能，解決傳統(tǒng)sEMG電極放置位置等方面的局限。

評價腰背肌功能常用的是等長運動負荷試驗（Biering-Sorensen testing，BST）。大多數(shù)研究通過BST試驗增加負荷達到力竭，以觀察CNLBP 患者與健康受試者疲勞耐受時間和肌電參數(shù)的差異[4，7]。BST試驗負荷增加，CNLBP患者耐受時間明顯縮短，且常常受主觀因素影響無法達到實驗要求。da Silva等[7]改良BST疲勞試驗，縮短腰背肌等長收縮的時間為1 min，利用sEMG 觀察到CNLBP 患者中位頻率斜率（median fre?quency slope，MFs）較健康受試者更低。在疲勞早期，CNLBP患者腰背肌空間活動變化如何鮮有研究。本研究改良BST 測試，不施加負重，利用HDsEMG 比較CN?LBP患者和健康人豎脊肌持續(xù)等長收縮1min時的時空活動差異，為CNLBP 患者肌肉功能評價及康復(fù)治療提供依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

患者納入標準：①符合美國國立衛(wèi)生研究院（Na?tional Institutes of Health，NIH）下背痛預(yù)防指南[8]中關(guān)于非特異性下背痛的診斷標準；②疼痛持續(xù)時間≥3個月；③年齡20～60歲；④經(jīng)體格檢查及影像學檢查排除骨折、腰椎間盤突出等腰椎特異性疾病；④簽署知情同意書。排除標準：①有嚴重心、肺、肝、腎等疾病者；②孕產(chǎn)婦或哺乳期女性；③有認知障礙或其他原因，無法配合者。

將符合上述標準的CNLBP患者15例作為實驗組，另選取與實驗組相匹配的健康成年人15 名作為對照組。實驗組男性8名，女性7名；對照組男性7名，女性8名。兩組入選者性別、年齡、身高、體重、BMI、疼痛視覺模擬評分（visual analogue scale，VAS）、Oswestry 功能障礙指數(shù)（Oswestry disability index，ODI）等一般資料比較，差異均不具有統(tǒng)計學意義（P>0.05），具有可比性，詳見表1。本研究獲浙江中醫(yī)藥大學附屬第三醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。

表1 兩組一般資料比較

1.2 實驗方法

兩組受試者均采用改良BST 進行HDsEMG 測試。實驗組采用ODI、VAS 進行臨床評估，對照組健康人無功能障礙，不做ODI、VAS評估。

采用改良BST[7]。受試者俯臥于羅馬椅（椅面與地面呈45°）上，髂前上棘與羅馬椅墊前緣對齊，下半身固定，雙臂交叉在胸前，保持上身呈水平姿勢，軀干懸空，保持無支撐狀態(tài)1 min。

HDsEMG采用浙江大學金文光等研制的高密度陣列式表面肌電采集與分析系統(tǒng)[9]（采樣頻率為1000 Hz，帶通濾波的截止頻率為20～350 Hz）。HDsEMG表面電極的電極縱向間距為8 mm，電極橫向間距為10 mm。測試前用75%酒精棉球擦拭皮膚，去除油脂。陣列式高密度電極貼于受試者腰椎棘突外側(cè)2 cm，L3水平，豎脊肌肌腹處，實驗組貼于痛側(cè)，對照組貼于右側(cè)；接地電極置于T12棘突。受試者進行改良BST試驗同時進行HDsEMG測試。

采用VAS 評定疼痛程度，紙上印有0～10 cm 長線段，0 分表示無痛，10 分滿分，10 分表示最劇烈疼痛?；颊吒鶕?jù)自身疼痛情況計分。

采用ODI評估患者功能障礙情況，包括疼痛強度、生活自理、提物、步行、坐位、站立、干擾睡眠、性生活、社會生活、旅游10個方面。總分最低0分，最高50分，得分越高，表明功能障礙越重。

1.3 評價指標

本研究使用軟件Matlab 對采集的HDsEMG 數(shù)據(jù)進行處理與分析。對所有數(shù)據(jù)段計算均方根值（root mean square，RMS）和中位頻率（media frenquency，MF）的特征值序列。采用MFs 評價肌肉疲勞。根據(jù)32 通道表面肌電信號RMS 特征值計算豎脊肌肌電活動的重心和分散度。重心表示豎脊肌RMS 的重心坐標，坐標值增大，代表重心向近端移動。分散度表示重心的位移，分散度越大，代表運動變異越大。對所有HDsEMG數(shù)據(jù)，分別取收縮初期（開始20 s ）、收縮中期（中間20 s）和收縮末期（最后20 s）相應(yīng)RMS特征值的平均值。研究不同收縮時段豎脊肌重心及分散度，比較實驗組和對照組豎脊肌的時空活動差異，并分析實驗組不同收縮時段，豎脊肌肌電活動重心和分散度與ODI、VAS的相關(guān)性。

1.4 統(tǒng)計學分析

使用SPSS20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計量資料比較采用±s，實驗組及對照組HDsEMG數(shù)據(jù)比較采用雙因素重復(fù)測量方差分析（ANOVA），測試收縮時段、分組對HDsEMG 各參數(shù)的影響采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）進行兩兩比較，P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。分析ODI、VAS 與肌電相關(guān)指標的相關(guān)性，采用pearson 相關(guān)性分析，P<0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

MFs 實驗組和對照組組間比較，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），見表2。

實驗組和對照組肌電活動重心，組內(nèi)不同收縮時段兩兩比較，差異均具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），兩組重心坐標值均隨收縮時間延長逐漸減小，實驗組和對照組豎脊肌肌電活動表現(xiàn)一致，隨疲勞進展向遠端移動。不同收縮時段肌電活動重心，實驗組和對照組組間比較，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），實驗組均大于對照組，說明實驗組豎脊肌肌電活動更靠近近端。見表2、圖1。

圖1 實驗組和對照組重心比較（n=15）

實驗組和對照組肌電活動的分散度，組內(nèi)不同時段兩兩比較，差異均具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），兩組分散度隨收縮時間延長均逐漸增大，實驗組和對照組均表現(xiàn)為運動變異逐漸增加。不同收縮時段分散度實驗組和對照組組間比較，差異均具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），實驗組分散度均較對照組小，實驗組運動變異小于對照組。見表2、圖2。

圖2 實驗組和對照組分散度比較（n=15）

表2 兩組HDsEMG參數(shù)比較（n=15）

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，ODI 與收縮初期、中期、末期豎脊肌肌電活動重心均具有明顯正相關(guān)性（r=0.55、0.58、0.56，P<0.05），ODI 越大，重心坐標值越大，說明功能障礙越重，肌電活動重心越靠近近端；ODI 與收縮初期、中期、末期分散度均具有明顯負相關(guān)性（r=－0.54、－0.53、－0.59，P<0.05），即ODI 越大，分散度越小，說明功能障礙越重，運動變異越小。

疼痛VAS評分與收縮初期、中期、末期肌電活動重心成明顯正相關(guān)（r=0.58、0.56、0.56，P<0.05），VAS越大，重心坐標值越大，說明疼痛越重，肌電活動重心越靠近近端；VAS 與收縮初期、中期、末期分散度具有明顯負相關(guān)性（r=－0.54、－0.53、－0.57，P<0.05），VAS評分越大，分散度越小，說明疼痛越重，運動變異越小。

3 討論

在疲勞測試過程中，與疲勞相關(guān)的重要的肌電信號時頻變化特征是：所有電極的線性方程斜率為負[10]。本研究利用HDsEMG 進行疲勞測試發(fā)現(xiàn)，對照組和實驗組豎脊肌MFs 均為負值，且實驗組和對照組相比，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），說明兩組受試者都存在豎脊肌疲勞，CNLBP 患者疲勞程度較健康受試者更為明顯，與da Silva 等[7]應(yīng)用sEMG 進行疲勞測試的研究結(jié)果一致。

HDsEMG可以反映肌肉活動在不同條件下的空間異質(zhì)性，表明運動單位的空間分布變化[11]，這是sEMG所不能完成的。HDsEMG有2個常用變量：肌電活動的重心和分散度[10]。重心表示豎脊肌RMS振幅最大的位置，反映肌肉收縮活動最強的部分；分散度代表重心的位移，表示運動變異的大小，可用于評估持續(xù)或動態(tài)收縮期間肌肉活動分布的變化[3]。這兩個變量，特別是重心，在肌電圖的基礎(chǔ)研究中應(yīng)用廣泛[4，12]。Abboud等[10]使用HDsEMG 對健康受試者進行疲勞測試，采用BST方法，增加負荷來誘發(fā)疲勞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，健康受試者因肌肉疲勞引起的肌電活動的重心向豎脊肌遠端區(qū)域偏移。Tucker 等[13]對健康受試者站立位前傾20°時豎脊肌持續(xù)靜態(tài)收縮過程進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌電活動的重心在持續(xù)收縮期間隨疲勞向遠端移動。本實驗改良BST 試驗，不增加受試者負荷，測試時間限制為1 min，觀察到CNLBP 患者和健康受試者豎脊肌肌電活動重心均向遠端移動。豎脊肌疲勞時肌電活動分布變化的特征是：肌電活動重心向遠端移動。這種肌肉活動的重新分配，激活肌肉的不同區(qū)域來維持疲勞任務(wù)需求[10]，避免了任務(wù)早期相同肌纖維的超載[5]。從生物力學角度分析，豎脊肌收縮活動重心向遠端移動，可以形成更長的杠桿臂，較長的杠桿臂能夠使維持肌肉收縮所需的力量最小化[14]，從而減少肌肉疲勞、延長耐力[5]，更具生物力學優(yōu)勢。肌肉疲勞時時空活動特性的變化可能是肌肉適應(yīng)疲勞的一種表現(xiàn)。

本研究通過改良BST 測試發(fā)現(xiàn)，CNLBP 患者與健康受試者相比，肌電活動重心更靠近豎脊肌近端，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05）。Sanderson等[14]采用Ito疲勞測試，與本研究結(jié)果測試方法不同，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，CN?LBP 患者較健康受試者豎脊肌激活重心更傾向于近端。CNLBP 患者和健康受試者肌電活動分布的差異，說明在肌肉疲勞時CNLBP 患者與健康受試者使用不同的運動策略來完成耐力任務(wù)[10，14]。當運動引起疼痛時，CNLBP患者調(diào)整肌肉活動，在肌肉之間重新分配活動，優(yōu)先激活更靠近近端的肌群，改變了腰部豎脊肌活動對運動的正常適應(yīng)[5]，避免進一步的疼痛或損傷[15]。

運動變異在控制脊柱運動和穩(wěn)定性方面起著重要作用，可以用來探索新的運動方案，應(yīng)對外部干擾以及影響肌肉骨骼系統(tǒng)的生理和生物力學變化[16]。HD?sEMG能夠辨識出不同的神經(jīng)肌肉模式，如肌肉疲勞時肌電活動重心向遠端偏移，運動變異增加[4]。本研究通過HDsEMG 研究發(fā)現(xiàn)，豎脊肌等長收縮時，健康人和CNLBP 患者豎脊肌分散度均隨收縮時間延長逐漸增大，說明豎脊肌肌肉活動的再分配程度與耐力時間之間存在關(guān)聯(lián)，且隨疲勞逐漸增大；CNLBP患者豎脊肌肌電活動分散度小于健康對照組，差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.05），說明CNLBP 患者的運動變異少于健康受試者，健康受試者豎脊肌活動的再分配程度比CNLBP 患者更高。Abboud 等[4]研究發(fā)現(xiàn)，肌肉疲勞導(dǎo)致CNLBP患者與健康受試者的運動變異增加，但CNLBP 患者的運動變異仍然較低。Sanderson 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，與CN?LBP 組相比，健康對照組肌電振幅重心位置的變異增加，再分配的數(shù)量在疲勞任務(wù)期間逐漸增加。在疲勞情況下，肌肉會尋找新的運動方案以保存肌肉性能[17]。在肌肉疲勞早期，可供招募的運動單位選擇廣泛，可用的運動單位及肌纖維數(shù)量較多，在局部區(qū)域內(nèi)招募的可能性越大，重心位移范圍較小[10]。在疲勞接近尾聲時，局部大多數(shù)肌纖維已經(jīng)被募集，而重復(fù)交替募集的可能性有限[10]，因此，維持耐力任務(wù)需要募集更多的肌纖維，激活更大的肌肉面積，將負荷有效地分散在更多的肌纖維上[14]，從而減輕疲勞，延長耐力時間。所以，肌肉疲勞初始階段肌電活動的變化范圍較小，分散度較小，而疲勞后期則以肌電活動范圍的增加和可重復(fù)模式為特征[10]。適當?shù)倪\動變異能夠優(yōu)化運動性能，延緩肌肉疲勞。CNLBP患者無法募集更多肌纖維，運動變異較健康受試者低，活動再分配的數(shù)量較健康受試者減少，導(dǎo)致“解決方案”數(shù)量減少[4]，耐力下降。

本研究相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，肌電活動重心與VAS 和ODI 均呈顯著正相關(guān)，說明CNLBP 患者疼痛和功能障礙越重，重心越靠近近端；分散度與ODI、VAS 均呈顯著負相關(guān)，表明功能障礙越重、疼痛程度越高的CNLBP患者運動變異越少。Falla 等[3]研究發(fā)現(xiàn)，疼痛越嚴重肌電活動范圍越小，與本研究結(jié)果一致。HDsEMG 采集的肌電活動參數(shù)和VAS、ODI 顯著相關(guān)，說明HD?sEMG 可用于CNLBP 患者的疼痛和功能障礙評估，可作為臨床量表評估的輔助手段。HDsEMG能夠更加客觀準確地評價CNLBP 患者的肌肉功能，有望取代臨床半定量的量表評估。HDsEMG 應(yīng)用于臨床，還需要更多的病例研究、測試方法的改進以及信度和效度檢驗。應(yīng)用HDsEMG 幫助早期監(jiān)測出CNLBP 患者肌肉激活位置的變化、運動變異的差異，從而及早發(fā)現(xiàn)患者的功能障礙，及時采取有效的針對性的干預(yù)措施，通過運動、手法治療或人體工學設(shè)計的方法，管理糾正錯誤的軀干肌肉神經(jīng)行為，使CNLBP 患者的肌肉激活模式趨于正常的空間分布，從而減少脊柱負荷或疼痛[6]，改善預(yù)后。如何應(yīng)用HDsEMG 早期做好CNLBP 患者的肌肉功能監(jiān)測，在康復(fù)過程中量化患者的康復(fù)效果，精準指導(dǎo)康復(fù)治療，值得進一步研究。

4 總結(jié)

豎脊肌等長收縮時，運動變異增加，肌電活動重心向遠端移動；CNLBP患者較健康人運動變異減小，向遠端移動減少。CNLBP患者能夠在肌肉疲勞的情況下尋找新的運動解決方案，通過改變肌肉激活的重心位置和范圍、重新分配肌肉活動，以預(yù)防、延緩肌肉疲勞和潛在的肌肉骨骼損傷。HDsEMG可以用來評估肌肉持續(xù)收縮期間肌肉活動空間分布的變化，為CNLBP 患者的肌肉功能評估提供依據(jù)。