周強(qiáng)，劉煊文，劉婷，趙丹，蒲春燕，何文倩，漆小松，王英

(三六三醫(yī)院 1.骨科，2.康復(fù)科,四川成都 610041)

腰痛(low back pain，LBP)指肋緣以下、臀橫紋以上及兩側(cè)腋中線之間區(qū)域內(nèi)的疼痛與不適，伴或不伴大腿牽涉痛[1]。研究顯示，LBP患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)的肌肉控制發(fā)生變化，表現(xiàn)為皮質(zhì)脊髓興奮性降低、神經(jīng)支配功能的降低及軀體肌肉體積和肌肉纖維類(lèi)型等解剖學(xué)變化，導(dǎo)致軀體活動(dòng)時(shí)活動(dòng)模式功能變化、肌肉強(qiáng)度和耐力降低[2]。肌電圖(electro myo gram，EMG)包括肌電圖時(shí)間和光譜特征，已廣泛用于研究肌肉功能，既往研究顯示，肌電圖信號(hào)的頻率分布與潛在的肌肉纖維類(lèi)型特征相關(guān)[3]。小波變換是一種時(shí)頻信號(hào)分析，比短時(shí)傅立葉變換(short time fourier transform，STFT)更適于表面肌電分析[4]。本研究采用連續(xù)小波變換(continuous wavelet transform，CWT)獲得椎旁肌的肌電特征，觀察LBP肌電特征與臨床癥狀、功能障礙的關(guān)系，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2018年1月-2019年3月在本院就診的34例慢性非特異性腰痛(chronic nonspecific low back pain，CNSLBP)患者作為研究組，所有患者均符合CNSLBP的診斷標(biāo)準(zhǔn)，LBP時(shí)間≥3個(gè)月，經(jīng)影像學(xué)和體格檢查排除器質(zhì)性疾病引發(fā)的腰痛；年齡18～65歲，患者對(duì)研究知情并簽署知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：脊柱滑脫、風(fēng)濕、強(qiáng)直性脊柱炎、脊柱外傷等器質(zhì)性疾病相關(guān)的LBP患者；精神疾病或嚴(yán)重認(rèn)知功能障礙患者；平行參加其他研究。納入同期在本院健康體檢的受試者34例作為對(duì)照組。研究組中，男14例，女20例；年齡23～61歲，平均(44.53±9.26)歲；體質(zhì)量指數(shù)(23.85±3.18)kg/m2；優(yōu)勢(shì)手：右手31例，左手3例；患者腰痛VAS評(píng)分為(5.3±1.3)分；Roland-Morris功能障礙調(diào)查表評(píng)分(roland morris disability questionnaire，RMDQ)為(11.48±6.23)分。對(duì)照組中，男16例，女18例；年齡24～59歲，平均(43.38±10.29)歲；體質(zhì)量指數(shù)(23.62±3.29)kg/m2；優(yōu)勢(shì)手：右手30例，左手4例。2組患者性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)、優(yōu)勢(shì)手等一般資料比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

1.2 研究方法

采用Cybex Norm等速測(cè)試系統(tǒng)和可伸縮輸入杠桿臂測(cè)量后伸肌等距扭矩，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Power 1401+和Spike2 v5)以500 Hz頻率對(duì)Cybex輸出采樣，并連接到筆記本電腦，用于后續(xù)離線分析。雙側(cè)肌電圖記錄T12和L4層面ES信號(hào)，成對(duì)Ag/AgCl電極放置于棘突兩側(cè)3 cm，與ES肌肉的纖維方向平行，電極間距2 cm，接地電極置于左髂上棘前上方，EMG信號(hào)經(jīng)濾波(10 Hz～1 KHz)和放大(1000×)，然后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以4 KHz采樣，同時(shí)收集扭矩和肌電數(shù)據(jù)。所有受試者俯臥于工作臺(tái)，手臂置于兩側(cè)，髂骨頂部與測(cè)試系統(tǒng)杠桿臂的樞軸對(duì)齊。受試者腳踝和臀部綁于長(zhǎng)凳，以隔離背部肌肉運(yùn)動(dòng)并限制髖關(guān)節(jié)伸肌運(yùn)動(dòng)。杠桿臂位于肩胛骨下緣，熱身后對(duì)軀干伸肌行3次短暫(約3 s)的最大自主等長(zhǎng)收縮(maximal voluntary isometric contraction，MVIC)，每次收縮間隔>10 s。每次收縮后，受試者記錄改良Borg量表所用力量(0～10，得分越高力量越大)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

記錄3次MVIC期間達(dá)到的峰值扭矩，計(jì)算峰值扭矩為中心的200 ms窗口中背部肌肉在MVIC期間獲得的EMG信號(hào)為均方根振幅(root-mean-square electromygraphy,rmsEMG)，應(yīng)用Matlab R2014將處理的CWT分解為各自的時(shí)頻空間強(qiáng)度，選擇多貝西小波(特別是db4小波)進(jìn)行CWT分解。對(duì)時(shí)間波行執(zhí)行CWT，會(huì)產(chǎn)生按比例和時(shí)間計(jì)算的歸一化系數(shù)矩陣。將表面肌電的公共信號(hào)帶寬從5-300(對(duì)應(yīng)于595.29～9.92 Hz)進(jìn)行標(biāo)度測(cè)試，得到每個(gè)尺度下200 ms窗口的小波系數(shù)能量之和，然后將刻度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率，以進(jìn)一步分析得到峰值功率及其相應(yīng)頻率的參數(shù)。既往報(bào)道顯示，ES中Ⅰ型和Ⅱ型肌纖維的比例近似于將能量矩陣分解為≤1.8的比例(低到高的頻率)，從對(duì)照組中識(shí)別每塊肌肉的低到高頻率。然后使用標(biāo)度將從LBP組獲得的能量矩陣分為兩部分，分別表示較低和較高的能量，計(jì)算LBP組每塊肌肉的能量矩陣中比兩部分的比率。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 23.0軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料采用“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，采用t檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布則采用非參數(shù)檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用“率或百分比”表示，采用x2檢驗(yàn)，相關(guān)性分析采用斯皮爾曼相關(guān)性分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組患者M(jìn)VIC扭矩比較

研究組MVIC扭矩(正常化為體重)為(2.73±1.03)Nm/kg，對(duì)照組為(4.25±1.18)Nm/kg，2組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-3.792，P<0.001)。

2.2 rmsEMG

在T12和T4水平，左右椎旁肌的平均rmsEMG均低于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表1。

表1 T12和L4椎旁肌最大等距背部伸展時(shí)的rmsEMG值(mV)

2.3 2組EMG功率譜相比較

2組轉(zhuǎn)化EMG的峰值功率和相應(yīng)頻率存在差異，研究組T12水平椎旁肌轉(zhuǎn)化EMG的峰值功率和相應(yīng)頻率均低于對(duì)照組，L4水平峰值功率低于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；2組L4水平相應(yīng)頻率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表2。對(duì)照組平均標(biāo)度將能量矩陣分解為低能量與高能量之比≤1.8時(shí)T12水平(平均比率，1.72±0.06)和L4水平(平均比率，1.74±0.03)分別為(36.87±10.52)和(34.13±6.82)，T12和L4水平椎旁肌對(duì)應(yīng)頻率分別為87 Hz和96 Hz。根據(jù)對(duì)照組為參照，研究組中T12的分解量表為37，L4的分解量表為34，兩個(gè)量表中T12的平均比率(低/高)為(3.62±2.63)，與對(duì)照組相比較，Z=-2.293，P=0.032，L4水平的平均比率為(4.32±3.93)，與對(duì)照組相比較，Z=-1.936，P=0.051。相關(guān)性分析顯示，研究組患者椎旁肌T12水平比率與RMDQ存在相關(guān)性(r=0.672，P=0.003)，見(jiàn)圖1，但椎旁肌L4的比率與RMDQ分?jǐn)?shù)無(wú)相關(guān)性(r=0.208，P=0.103)，椎旁肌T12和L4水平比率與VAS評(píng)分均無(wú)相關(guān)性(r=0.103、0.082，P均>0.05)。

表2 2組EMG功率譜相比較

圖1 LBP患者T12水平低-高頻率能量比與RMDQ的相關(guān)性

3 討論

本研究應(yīng)用CWT分解了受試者在最大等長(zhǎng)背部伸展過(guò)程中椎旁肌記錄的表面肌電信號(hào)，結(jié)果顯示，在LBP患者中，椎旁肌T12和L4水平峰值功能降低，且椎旁肌T12水平總能力分布比較正常受試者更低，LBP患者的低頻-高頻能力比與RMDQ存在正相關(guān)，提示，基于小波變換的肌電圖在LBP病情進(jìn)展和療效的監(jiān)測(cè)方面有潛在臨床價(jià)值。

頻率分析已廣泛用于LBP患者椎旁肌肌電圖信號(hào)分析，多數(shù)研究采用STFT進(jìn)行分析，部分研究顯示，STFT與小波變換分析背部肌肉肌電圖活動(dòng)可提供相似的信息[5]；另外的研究顯示，小波變換可更早檢測(cè)肌肉疲勞的變化，較STFT更為敏感[6]。本研究結(jié)果顯示，LBP患者與健康受試者表現(xiàn)出不同的肌電圖特征，如較低的峰值功能(T12和L4水平)及相應(yīng)的頻率(T12)、較高的低頻和高頻能量比(T12)，結(jié)果提示，慢性LBP患者背部肌肉能量分布總體向低頻轉(zhuǎn)化。本研究進(jìn)一步根據(jù)椎旁肌T12計(jì)算能量分布與RMDQ之間的相關(guān)性，結(jié)果顯示，患者肌肉功能與功能障礙之間存在相關(guān)性；腰椎肌體積減少可能部分解釋椎旁肌T12和L4水平之間肌電圖的差異。有研究顯示，椎旁肌肌電圖信息可預(yù)測(cè)患者2年內(nèi)LBP的患病風(fēng)險(xiǎn)[7]，結(jié)合本研究結(jié)果，提示肌電圖特征可用于臨床監(jiān)測(cè)LBP的進(jìn)展及治療干預(yù)的有效性。

研究顯示，肌電信號(hào)的小波變換得到的瞬時(shí)頻譜與電神經(jīng)刺激、自發(fā)性收縮等不同肌纖維類(lèi)型的活動(dòng)有關(guān)[8]。傳統(tǒng)STFT的結(jié)果顯示，疲勞運(yùn)動(dòng)期間，椎旁肌的中頻變化與健康受試者Ⅰ型纖維所占肌肉相對(duì)面積之間存在相關(guān)性[9]。采用抽搐插值評(píng)估中樞神經(jīng)對(duì)肌肉控制的研究[10]顯示，隨著自發(fā)性收縮水平的、重疊抽搐的時(shí)間-峰值振幅的降低，反映了不同類(lèi)型運(yùn)動(dòng)單位募集。考慮到LBP患者在MVIC期間出現(xiàn)較長(zhǎng)的抽搐峰值時(shí)間，這些證據(jù)支持LBP患者肌肉纖維成分發(fā)生變化的論點(diǎn)。本研究中LBP患者獲得的頻譜在峰值功率上向低頻轉(zhuǎn)化，可能反映了運(yùn)動(dòng)控制或肌肉纖維類(lèi)型的變化。肌電圖頻譜特征與RMDQ之間的相關(guān)性提示，患者運(yùn)動(dòng)控制能力或椎旁肌纖維類(lèi)型改變可通過(guò)患者自我評(píng)定的功能障礙評(píng)分體現(xiàn)出來(lái)，提示恢復(fù)LBP患者肌肉功能可降低患者的功能障礙，減少殘疾發(fā)生。