郭 偉，趙 頎，周天一，曾 浩

慢性腰痛在飛行員人群十分常見[1]，且對(duì)飛行員的工作與日常生活造成不小困擾，甚者迫使飛行員離開飛行崗位，造成國家飛行員人才隊(duì)伍的損傷，值得引起相關(guān)領(lǐng)域的重視與研究。筆者認(rèn)為客觀的分析評(píng)估飛行員慢性腰痛（chronic low back pain, CLBP）的臨床特點(diǎn)是合理有效治療的首要，因此本次研究設(shè)計(jì)從主觀量表角度、外周電生理角度、中樞腦電信號(hào)角度對(duì)飛行員CLBP的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learing，ML）[2]的方法建立了區(qū)分飛行員CBLP和正常人的分類模型，為更加客觀與精確地區(qū)分開飛行員慢性腰背痛狀態(tài)與健康狀態(tài)，大大降低了主觀因素的影響，對(duì)現(xiàn)有的飛行員CLBP臨床評(píng)估方法進(jìn)行補(bǔ)充，研究過程如下所示。

1 對(duì)象與方法

1.1 對(duì)象 收集2017年4月—2018年1月由于腰椎間盤突出癥在空軍特色醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行住院治療的飛行員CBLP患者30例（研究組），選取社會(huì)招募的健康志愿者30人作為對(duì)照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：①腰痛伴下肢疼痛＞3個(gè)月；②椎旁壓痛；③活動(dòng)時(shí)癥狀加重；④根性征（+）：直腿抬高實(shí)驗(yàn)或仰臥挺腹實(shí)驗(yàn)（+）；⑤腰椎核磁診斷有腰椎間盤突出；排除標(biāo)準(zhǔn)：①脊柱骨折；②脊柱損傷伴脊髓損傷；③合并腰椎腫瘤、結(jié)核、骨髓炎及嚴(yán)重骨質(zhì)疏松；④患有嚴(yán)重的心、肺、腦及血液系統(tǒng)疾病；⑤接受手術(shù)治療或腰椎畸形；⑥不接受檢查者。研究組男28例，女2例，平均年齡（36.83±7.70）歲，平均病史（3.53±3.18）年，平均病程（3.26±2.87）個(gè)月。對(duì)照組男16例，女14例，平均年齡（38.66±5.45）歲。2組年齡、病史、病程時(shí)間比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

1.2 腦電信號(hào)采集 先按照正確腦區(qū)電極分布為受試者戴上64導(dǎo)電極的腦電帽，用醫(yī)用注射器向參考和接地電極內(nèi)注入導(dǎo)電膏，打開軟件，觀察軟件采集界面參考和接地電極的阻抗變化。當(dāng)兩電極阻抗降至10 kΩ以下時(shí)，依次按順序向64導(dǎo)電極注入導(dǎo)電膏，并調(diào)節(jié)異常電極，待全部電極阻抗均降到10 kΩ以下時(shí)，進(jìn)行腦電信號(hào)采集。整個(gè)采集過程持續(xù)18 min，其中前8 min要求受試者目視前方，采集睜眼靜息態(tài)腦電信號(hào)，時(shí)間到后讓受試者休息2 min后，再采集受試者閉眼靜息態(tài)腦電信號(hào)8 min。采集2組左枕葉、右枕葉、左顳葉、右顳葉、左額葉和右額葉的β波、γ波、α波、θ波、δ波腦電信號(hào)。

1.3 主觀量表指標(biāo)采集 關(guān)于評(píng)估功能障礙程度的臨床指標(biāo)——腰椎Oswestry功能障礙指數(shù)（ODI指數(shù)）（下腰痛患者功能評(píng)定最為廣泛使用的評(píng)定表之一）。健康調(diào)查簡表（SF-36）：選取其中軀體疼痛程度（body pain，BP）和精神心理健康狀態(tài)（mental health, MH）進(jìn)行臨床評(píng)估指標(biāo)。

1.4 外周電生理指標(biāo)采集 本試驗(yàn)使用感覺神經(jīng)定量檢測儀（Neurometer公司，美國）采集外周電生理指標(biāo)。完成準(zhǔn)備工作后，將醫(yī)用導(dǎo)電膏涂抹在一對(duì)一次性金制電極上，并貼在所測試部位的皮膚上。在5、200、250 Hz 3種頻率下使用感覺神經(jīng)定量檢測儀依次測量雙側(cè)的L4、L5、S1神經(jīng)根支配皮區(qū)周圍神經(jīng)的電流感覺閾值（current perception threshold，CPT）。

1.5 分類模型建立 應(yīng)用Matlab平臺(tái)中的fieldtrip工具包[4]分析腦電信號(hào)及功率譜。建立分類模型的方法：機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning，ML）的計(jì)算方法：建立分類模型需要錄入受試者的特征（特征的數(shù)量可變）及相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽（教會(huì)計(jì)算機(jī)去自我識(shí)別需要區(qū)分對(duì)象的一個(gè)描述），輸入分類對(duì)象的“特征”，經(jīng)過特定的分類器算法處理后可得出一個(gè)或多個(gè)特征對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽即分類模型，最終選擇精確度最高的分類模型作為具有可信度的分類模型。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以±s表示，符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布采用t檢驗(yàn)分析，非正態(tài)分布采用Mann-Whitney U秩和檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床評(píng)估指標(biāo)比較 2組CPT值、BP值、MH值組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表1）。

表1 飛行員慢性腰痛患者與正常人群臨床評(píng)估指標(biāo)比較

2.2 腦電信號(hào)比較與分析 將研究組和對(duì)照組的左枕葉、右枕葉、左顳葉、右顳葉、左額葉和右額葉的δ波、θ波、α波、β波、γ波腦電信號(hào)兩兩比較，結(jié)果顯示，2組左前額β波、γ波比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表2）。

表2 飛行員慢性腰痛患者和正常人群的腦電信號(hào)組間比較

2.3 CPT與異常腦波相關(guān)性分析 研究組CPT值與其特征性的異常腦電波進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，患者的CPT值與特征性異常腦波均無相關(guān)性（圖1～2）。

圖1 研究組CPT值與γ波相關(guān)性分析

圖2 研究組CPT值與β波相關(guān)性分析

2.4 BP與特征腦波相關(guān)性 結(jié)果顯示，研究組左前額γ波與BP評(píng)分之間存在相關(guān)性（圖3～4）。

圖3 研究組BP與γ波相關(guān)性分析

圖4 研究組BP與β波相關(guān)性分析

2.5 MH與特征腦波相關(guān)性 研究組MH值與其特征性異常腦電波“左額葉β、γ波”進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，研究組MH值與左前額β波之間有相關(guān)性（圖5～6）。

圖5 研究組MH與β波相關(guān)性分析

圖6 研究組MH與γ波相關(guān)性分析

2.6 分類模型建立 本次試驗(yàn)為客觀描述飛行員慢性腰痛狀態(tài)，并建立能與正常人群鑒別的模型，考慮到長期慢性腰痛與腦內(nèi)相關(guān)疼痛回路建立有關(guān)，所以在納入常規(guī)臨床評(píng)估指標(biāo)外特別外，采集受試者的腦電信號(hào)同時(shí)又作為客觀指標(biāo)，對(duì)比提取飛行員CLBP患者的腦電特征，并與臨床評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。選擇納入分類模型的特征有“特征性腦電信號(hào)”“CPT值”“BP”“MH”，分類模型建立上選擇支持向量機(jī)（SVM）和線性判別分析（LDA）2種分類器對(duì)比。以“額葉特征腦波”和“CPT值”作為分類模型的特征，以BP和MH作為標(biāo)簽，對(duì)于每個(gè)特征集采用10折交叉驗(yàn)證，重復(fù)30次，為了達(dá)到較為準(zhǔn)確的分類精度。飛行員CLBP患者特征選擇β波、γ波、CPT值，分類器分類精確度結(jié)果及特征納入過程顯示：飛行員使用SVM作為分類器，以γ波、CPT_5 Hz作為特征，最高精確度為82.21%（表3）。

表3 飛行員慢性腰痛患者分類模型建立及精確度分析（%）

3 討論

腦電活動(dòng)發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。腦電圖在臨床上的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在發(fā)現(xiàn)多種大腦疾病中具有重要作用，例如癲癇、腦卒中、腦腫瘤、腦退化性疾病、昏迷等[5]。由于腦電信號(hào)隨時(shí)間的波動(dòng)性、不平衡性，導(dǎo)致很難研究明確腦電信號(hào)的規(guī)律。但腦電信號(hào)又有其他測量指標(biāo)所不具備的優(yōu)勢與特點(diǎn)，即時(shí)間分辨高可以達(dá)到毫秒級(jí)別，腦電信號(hào)中可能包含的大量生理與病理信息，深入研究腦電信號(hào)可以為醫(yī)師提供十分有意義的臨床診斷依據(jù)。當(dāng)前許多研究發(fā)現(xiàn)腦電信號(hào)可以作為觀察測量和評(píng)估慢性疼痛重要工具[6]，本研究選取腦電信號(hào)作為客觀評(píng)估指標(biāo)。

本研究采集的腦電信號(hào)屬于靜態(tài)腦電信號(hào)，不同于機(jī)體在接受外界刺激時(shí)大腦皮層所產(chǎn)生的誘發(fā)腦電信號(hào)[7]，其特點(diǎn)時(shí)由大腦皮層自發(fā)引起。該測量可以客觀反映受試者的疼痛性質(zhì)，程度和特點(diǎn)。不同于外界刺激誘導(dǎo)下的疼痛，可能與腦內(nèi)相關(guān)疼痛回路建立有關(guān)。分別采集并處理飛行員CLBP患者與正常受試者的腦電頻譜作為客觀指標(biāo)，結(jié)合主觀性評(píng)估指標(biāo)，通過分類器建立分類模型，補(bǔ)充當(dāng)前對(duì)于飛行員腰痛患者的診斷方法。

本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行員CLBP患者和正常人群的腦電信號(hào)組間比較飛行員異常腦電活動(dòng)為“左前額葉β、γ波”，分類模型依據(jù)精確度排序，精確度最高是選擇γ波、CPT_5Hz作為特征。額葉左右皮層功能具有不對(duì)稱性，左前額葉可能與積極情緒有關(guān)，右前額葉可能與消極情緒有關(guān)，有研究讓受試者觀看帶有消極色彩圖片并同時(shí)記錄下受試者腦電信號(hào)顯示：在觀看到消極圖片時(shí)右額葉皮層激活強(qiáng)于左側(cè)[8]。在研究抑郁癥患者時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分抑郁癥患者存在左側(cè)額葉損傷，腦電信號(hào)提示，長時(shí)間左側(cè)額葉處于異常抑制狀態(tài)，推測左額葉損傷可與積極情感體驗(yàn)缺失相關(guān)[9]。進(jìn)而對(duì)兩側(cè)額葉皮層的功能進(jìn)行相關(guān)性分析，得出結(jié)論“積極情緒與左側(cè)額葉皮層相關(guān)，消極情緒與右側(cè)額葉皮層相關(guān)”。本研究對(duì)2組進(jìn)行臨床指標(biāo)評(píng)估，對(duì)于MH這項(xiàng)，飛行員CLBP患者與正常人群差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在進(jìn)一步研究文獻(xiàn)，分析左側(cè)額葉β波振蕩活動(dòng)增強(qiáng)與受試者處于高興情緒有關(guān)，而本次試驗(yàn)分析也得出飛行員CLBP患者的情感心理狀態(tài)與左額葉β波活動(dòng)強(qiáng)度呈正相關(guān)，進(jìn)一步說明飛行員CLBP患者群體情緒狀態(tài)是較正常人群更加積極。左前額葉γ波在以往的研究中發(fā)現(xiàn)與疼痛刺激相關(guān)。一項(xiàng)研究對(duì)局灶性癲癇患者施加傷害性刺激，結(jié)果表明γ波與傷害性刺激從外周到中樞疼痛感知整合[10]，在痙攣性肌肉疼痛患者中疼痛強(qiáng)度也與額葉γ波相關(guān)[11]，有使用激光誘導(dǎo)慢性疼痛發(fā)生試驗(yàn)，激發(fā)時(shí)檢測到γ波出現(xiàn)明顯增強(qiáng)[12]。另有項(xiàng)研究也提到γ波直接參與到疼痛感知的處理，腦電信號(hào)功率譜強(qiáng)度與疼痛強(qiáng)度呈正相關(guān)[13]，之前多數(shù)試驗(yàn)中所研究的是誘發(fā)態(tài)腦電信號(hào)，而本次試驗(yàn)采集靜息態(tài)腦電信號(hào)，對(duì)于疼痛強(qiáng)度的主觀評(píng)估采用的是簡明健康量表的BP，結(jié)合腦電信號(hào)相關(guān)性分析表明γ波活動(dòng)與主觀軀體疼痛強(qiáng)度呈正相關(guān)。

慢性腰痛在飛行員群體中十分常見，排在飛行員疾病譜中的首位[14]，而飛行員的慢性腰痛特征又區(qū)別于正常人群，筆者發(fā)現(xiàn)飛行員CLBP患者較正常人群具有以下特點(diǎn)：①飛行員慢性疼痛程度往往較高，這與飛行員群體日常訓(xùn)練時(shí)長期處于高載荷，腰部所需要承受的壓力高，損傷發(fā)生率與程度更高，同時(shí)飛行員所要面臨工作任務(wù)重，工作環(huán)境特殊，精神長期處于緊張狀態(tài)，可能與腦內(nèi)疼痛回路建立相關(guān)，形成“慢性疼痛狀態(tài)”。②飛行員CLBP患者群體情緒狀態(tài)優(yōu)于正常人群體，更加積極樂觀。本次實(shí)驗(yàn)使用機(jī)器學(xué)習(xí)將采集到的腦電特征及相關(guān)臨床評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分類器處理，為能獲得精確度高的飛行員慢性腰痛鑒別診斷分類模型。機(jī)器學(xué)習(xí)建立分類模型在臨床領(lǐng)域里已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，之前有研究關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的診斷與鑒別診斷，運(yùn)用分類模型，達(dá)到大約86%的精確度，大大降低了臨床該疾病的誤診，漏診率[15]。另有研究基于核磁共振影像早期診斷阿爾茲海默癥，主要是采集大腦海馬區(qū)特征紋理數(shù)據(jù)，經(jīng)過機(jī)器算法處理，得出較高準(zhǔn)確度的分類預(yù)測模型[16]。針對(duì)于慢性疼痛也有研究進(jìn)行多通道腦電信號(hào)分析，提取更多有效的腦電信號(hào)特征，使用機(jī)器學(xué)習(xí)處理為臨床醫(yī)學(xué)診斷和腦認(rèn)知科學(xué)研究提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本研究應(yīng)用分類器算法以“左額葉γ波”和“CPT_5Hz”為特征組精確度最高，具有臨床應(yīng)用價(jià)值，在臨床中可通過采集就診者腦電信號(hào)和外周神經(jīng)CPT值，在不依據(jù)就診者的主訴、主觀量表與影像學(xué)檢查的情況下，也能客觀地診斷該就診者是否屬于飛行員CLBP患者，如果符合標(biāo)準(zhǔn)，在治療選擇上就應(yīng)該不單單關(guān)注對(duì)腰椎間盤突出神經(jīng)壓迫的解除，腰部局部損傷的治療，還應(yīng)當(dāng)考慮如何解除慢性疼痛在中樞形成的疼痛回路，臨床上有使用經(jīng)顱磁刺激解除慢性疼痛患者的慢性疼痛狀態(tài)[17]，解除“慢性疼痛狀態(tài)”對(duì)于飛行員而言尤為關(guān)鍵，可大大減少疼痛相關(guān)性的焦慮，抑郁與失眠，改善飛行員生活質(zhì)量，對(duì)提高飛行部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重要意義。