定量超声与肌电图在下背痛评估中的应用

周光泉，郑永平，陈淑德

1.香港理工大学医疗科技及资讯学系，香港；2.马萨诸塞州总医院Athinoula A.Martinos 生物医学成像中心，美国

图片由香港理工大学 纺织及制衣学系 研究生姚运茵 提供

0 引言

下背痛（Low Back Pain）即下背部的疼痛，多发于第4和第5腰椎或第5腰椎和第1椎间，疼痛可不同程度地限制腰部肌肉活动，造成肌肉功能退化。Low Back Pain不是一种疾病，而是以背部疼痛为代表的一种的临床症状。Low Back Pain根据背部疼痛的持续时间可以分为急性下背痛（Acute Low Back Pain），次急性下背痛（Subacute Low Back Pain）和慢性下背痛（Chronic Low Back Pain）。Acute Low Back Pain是指背部疼痛持续时间小于6周。Subacute Low Back Pain是指背部疼痛时间持续6～12周。Chronic Low Back Pain是指背部疼痛持续12周以上。90% Acute Low Back Pain（Subacute Low Back Pain）在6周内可自然恢复，但是2%～7%会发展成Chronic Low Back Pain。75%～85% Acute Low Back Pain（Subacute Low Back Pain）会复发或者发展成Chronic Low Back Pain[1-2]。

Low Back Pain是现代社会非常常见的问题。据统计，大约80%的人，一生中都会有Low Back Pain的经历，许多人更是因其丧失劳动能力，从而被迫离开工作岗位，对国家的经济造成影响。因此，找到Low Back Pain的成因，提高康复率和减少复发率是当前最具挑战性的工作。Low Back Pain多与高负荷体力劳动、频繁弯腰、扭转动作、拉推抬动作、重复性动作、长期保持静态姿势和频繁抖动相关[1-6]。如Low Back Pain高发人群有护士、飞行员、出租车司机等。这类人群需要在工作中长期保持坐姿或者频繁弯腰，腰部易处于疲劳状态，从而导致Chronic Low Back Pain[4-6]。可以说，大多数Low Back Pain来源于肌骨骼问题[3]。如Acute Low Back Pain多是由支撑背部的肌肉痉挛或者肌肉韧带的突然损伤触发。但是Low Back Pain的真正成因非常复杂，仍然是一个亟待解决的问题。脊柱系统的结构不稳定被视为造成Low Back Pain最可能的原因[7]。腰背肌肉是整个腰背脊柱系统结构稳定的重要构成，腰背肌功能的研究对于理解Low Back Pain的真正成因具有重要的指导意义。Hodges等[11]以证明腹横肌（Transversus Abdominis）和腹内斜肌（Internal Oblique Muscles）在脊柱稳定中有着最关键的作用。肌电图学（Electromyography，EMG）是最早用于评估肌肉的方法，已经被广泛地应用于Low Back Pain中腰背肌肉的评估和研究。但是肌电信号容易受到各种潜在因素的影响，如电极位置，放大器，肌肉类型等。除此之外，对于深层肌肉肌电无法实现无创的检测。这些都制约了肌电信号在腰背肌肉评估中的应用。而定量超声（Quantitative Ultrasound）作为一种可靠的逐步成熟的研究方法，可以实现无创的深层肌肉测量，在肌肉功能的评估中正扮演着越来越重要的角色。本文总结了研究Low Back Pain的主要问题，并且介绍EMG和Quantitative Ultrasound在其中的应用现状。

1 脊柱系统稳定性与Low Baok Pain

脊柱系统的基本生物力学功能包括：支持身体不同部分之间的相对运动、负重和保护脊髓与神经根[8]。脊柱的机械稳定性在整个脊柱系统有着至关重要的作用。有大量的研究[7-12]试图确认脊柱的结构不稳定及其与Low Back Pain之间的关系。Panjabi[7]指出，脊柱稳定系统由3个子系统构成：被动肌骨骼musculoskeletal system 肌肉骨系统。肌肉骨骼系统子系统，主动肌骨骼子系统和神经子系统，见图1。被动肌骨骼子系统包含脊椎、椎间盘、脊柱韧带和椎间小关节。主动肌骨骼子系统由围绕脊柱的肌肉和肌腱组成，用以对脊柱施加需要的力。神经子系统由神经和中枢神经系统构成，通过监控生物传感信号来决定脊柱结构稳定所需条件，并且指导主动肌骨骼子系统施加力以满足结构稳定。这3个子系统互相交互，共同协作，最终确保了整个脊柱的结构稳定。任何一个子系统的功能退化都可能影响或损伤其他两个子系统，并可能影响整个脊柱稳定系统的功能。如腰背肌收缩能力的下降可直接影响脊柱的结构稳定性, 造成椎间小关节或者椎间盘的损伤, 从而造成Low Back Pain。因此，理解整个脊柱稳定系统对于Low Back Pain的诊断、治疗和康复有着重要的意义。Panjabi发现[12]，Low Back Pain患者的身体易于摇摆，预示着神经肌肉控制系统对维护整个脊柱稳定较缺乏效率，同时，他还发现，脊柱活动中立区（Neutral Zone）会直接影响疼痛的程度。

图1 脊柱稳定系统

腰背肌是主动肌骨骼子系统的重要组成部分，在整个脊柱稳定系统中起着至关重要的作用[13-17]。Panjabi[12]利用体外实验和数学模型表明，脊柱肌肉对于脊柱稳定性有着关键的作用。因此，理解腰背肌功能对于Low Back Pain的诊断和治疗具有十分重要的价值。van Dieen等[9]发现，Low Back Pain患者为了维持脊柱稳定使得肌肉反应模式与正常人有着明显的区别。占飞等[16]发现，可以针对Chronic Low Back Pain患者腰屈伸肌存在屈伸肌力的下降及失衡进行肌力训练以恢复屈伸肌对腰椎主动稳定和功能性活动的作用和避免Low Back Pain的反复发作。有大量研究试图去理解疼痛与肌肉收缩活动之间的关系。两种模型已经被提出用以理解躯干肌的肌肉收缩活动与Low Back Pain的联系[13]：疼痛-痉挛-疼痛模型和疼痛适应模型。在疼痛-痉挛-疼痛模型中，疼痛造成肌肉的过度活跃，如肌肉痉挛，进一步引起疼痛，从而形成一个恶性循环[14]。与之相对的，在疼痛适应模型中，疼痛将会根据肌肉活动的类型（对抗或协同）来加重或者减轻肌肉的收缩活动[15]。大量研究者试图去验证这两种不同模型的正确性。现在，疼痛适应模型是应用较广泛的一种模型。

肌肉收缩和功能评估在Low Back Pain研究中是不可或缺的重要一环。目前，可以通过EMG、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging）、近红外光谱（Near infrared spectroscopy）、活组织检查（Muscle Biopsy）和超声成像的方法来评估腰背肌肉功能[18]。其中，只有EMG和超声成像可以提供实时便捷的肌肉功能评估，所以EMG和超声成像是使用最广泛的两种测量方法。

2 肌电图在Low Back Pain研究中的应用

肌电图原理是记录肌肉收缩和静止状态时产生的生物电信号，并且以此来评估肌肉的功能状态。根据使用方法，肌电图可以分为表面肌电图（无创）和肌肉针极肌电图（有创）。通过提取腰背肌肉的原始肌电信号的特性参数，肌电信号已经广泛的应用在下背痛各个阶段研究中[11,19-32]。最普遍使用的肌电参数是幅度均方根（Root Mean Square，RMS）、初始的中值频率（Initial Median Frequency，IMF）、中位频率（Median Frequency，MF），平均功率频率（Mean Power Frequency，MPF）和瞬时中值频率（Instantaneous Median Frequency，IMDF）。RMS是一段时间内（512或者256个采样点）瞬间肌电图振幅平方平均的平方根，取决于力量负荷和肌肉本身的特性。其他频率参数需要对原始肌电信号应用傅立叶变换，一般用频率参数的相对下降值判别肌肉疲劳度。IMDF是最近用来在运动时实现可重复检测的一个重要肌电参数[22]。

肌电图已经被大量地应用在脊柱稳定系统的生物力学模型的建模中。Cholewicki等[23]采用肌电来分析肌肉的力量和硬度，并以此作为整个脊柱模型的参数，进而分析脊柱结构稳定与Chronic Low Back Pain直接的联系。通过这些模型的分析，越来越多的研究表明，肌肉的收缩功能对Low Back Pain的形成和康复有着关键作用。Low Back Pain患者对疼痛的感觉和惧怕还会造成在实际测量中低估肌肉的最大随意收缩（Maximal Voluntary Contraction）[25]。王健等[20]证明，在运动负荷实验过程中，Low Back Pain患者腰部肌肉的肌电信号有多种不同于正常人的信号特征。Hodges等[11]发 现，Chronic Low Back Pain的 Transversus Abdomins的收缩比正常人有明显的延迟。肌电信号还被大量应用在腰背肌肉疲劳的测量中，在不需要最大随意收缩的情况下，耐力测试的肌电信号可以有效实现定量测试肌肉疲劳度。受试者在实验中一般被要求卧倒并固定臀部与腿部，同时需要维持固定姿势或者保持腰背肌肉最大随意收缩[26]。Oddsen等[22]用BAS背部分析系统（The Back Analysis System）系统发现，Chronic Low Back Pain的腰背肌肉收缩效率较低和不易感觉疲劳，并且对侧的腰背肌肉的RMS较正常人大。这是因为Low Back Pain患者因疼痛感低估自身肌肉最大随意收缩，造成实际腰背肌肉收缩达不到“真正”最大随意收缩。同时，Roy[27]也利用BAS系统发现，Low Back Pain患者在维持固定收缩时的肌电信号MF变化比正常人大，这说明该病患者腰背肌肉本身的易疲劳特性。这预示着肌肉类型可能发生了变化，而实际的活体检测也证明了这个论断[28]。而通过针对特定肌肉进行4周的康复练习，可以有效地改善肌肉的易疲劳特性。以上研究都表明，Low Back Pain和肌肉收缩有着相当大的联系，可以针对对Low Back Pain患者的相关肌肉进行特定治疗，从而有效提高其康复率。已经有研究者采用肌电信号作为Low Back Pain康复运动的生物反馈信号来辅助康复运动和评估实际效果。肌电信号还被应用在Low Back Pain患者的步态分析中。Arendt-Nielsen等[24]应用肌电信号对Chronic Low Back Pain患者进行步态分析，他们发现，疼痛适应模型可以用来解释Low Back Pain患者的行走中肌肉收缩的作用和反应。除此之外，研究者还试图采用肌电信号帮助区分Low Back Pain患者，提高诊断效率。Poosapadi-Arjunan等[30]建议，使用表面肌电信号的方差区分正常人和Low Back Pain患者的步态。

在实际实验中，表面肌电图可以实现大多数腰背肌肉功能的测量。电极一般附着在脊柱附近位置，比较常用的标志位置是L1，L2和L5。但是腰背肌肉构成比较复杂和肌电信号容易受到各种潜在因素的影响，所以难以单独定位某一块特定肌肉的肌电信号。同时，对于腹腔内的深层肌肉，Transversus Abdomins和Internal Oblique Muscles，必须采用有创的肌肉针极肌电图以实现较为精确的测量。Quantitative Ultrasound作为一种新的测量方法，可以有效的克服这些限制，已经被应用在Low Back Pain的研究中。

3 Quantitative Ultrasound在Low Back Pain研究中的应用

超声成像是一种无创实时的成像方法，超声是第一种可以辅助诊断肌肉疾病的成像技术[33]。随着超声技术的趋于成熟，大量的研究者利用二维超声图像去定量的评估肌肉的功能状态，并把结果应用在生物力学的研究领域[34-37]。Quantitative Ultrasound主要是利用二维的超声图像去评估分析肌肉活动时的状态变化。其作为一种可靠的逐步成熟的研究发法，在Low Back Pain的研究中正扮演着越来越重要的角色。

在二维超声图像中，Quantitative Ultrasound主要采用肌肉横断面积（Cross-Sectional Area）、横断面厚宽比（Thickness-width Ratio）、肌纤维长（Fascicle Length）、肌肉厚度（Muscle Thickness）和羽状角（Pennation Angle）等结构性参数来表述肌肉的状态变化。基于腰背肌肉的类型，肌肉厚度变化是最常被用在Low Back Pain肌肉功能研究中的Quantitative Ultrasound参数[38-40]。实验中，受试者一般被要求躺或坐在实验桌上并固定臀部与腿部，超声图像只在受试者放松和最大随意收缩时采集。McMeeken等[38]证实，Transversus Abdomins的肌肉厚度变化与其Transversus Abdomins电信号变化有很好的相关性。John和Beith[39]也证实，在等距扭转腰背时，腹外斜肌肌肉厚度变化和肌电信号变化有很好的相关性。在执行相同的等距伸腿时，Low Back Pain患者的Transversus Abdomins肌肉厚度变化较正常人小，这和肌电的测量结果相似[41]。这些预示，在下背痛研究中可以用肌肉厚度变化反映肌肉收缩活动。许多可靠性和差异性分析实验也证明，Quantitative Ultrasound可以可靠地应用在Low Back Pain研究中[42-45]。越来越多的研究表明，深层肌肉（Transversus Abdomins、Internal Oblique Muscles和多裂肌）对维持脊柱稳定有着关键的作用[46-48]。研究表明[47]，在不同坐姿下（坐在椅子上或坐在瑜伽球上），Low Back Pain患者的Transversus Abdomins肌肉厚度差异比正常人明显，这预示着为了维持脊柱稳定Low Back Pain患者的Transversus Abdomins需要更大限度的收缩。Hides等[49]发现，Acute Low Back Pain的疼痛感消失后，多裂肌并没有恢复正常，这也从另一个侧面说明了Low Back Pain复发率高的原因。有研究者[48,50]指出，Low Back Pain的康复活动需要特别针对深层肌肉（Transversus Abdomins、Internal Oblique Muscles和多裂肌）以降低复发率。经过特定的肌肉康复练习Transversus Abdomins和多裂肌的厚度和大小会有非常明显的减小，而且Low Back Pain的复发率有明显下降[48]。在现阶段的研究中，Quantitative Ultrasound作为一种直观可视的生物反馈信号来指导肌肉康复练习和评估肌肉康复练习效率[51-53]。Van等[51]采用超声图像辅助多裂肌锻炼，有超声辅助的受试者多裂肌的自愿收缩比没有超声辅助的有更好增强，并且锻炼持续的有效时间也长于没有超声辅助的受试者。Teyhen等[53]采用超声图像评估6种腰背加强练习（Trunk-strengthening Exercises）的效果，他们发现，仰卧起坐（Abdominal Crunch）和水平正撑（Horizontal Side-Support）对 Transversus Abdomins和 Internal Oblique Muscles锻炼效果更好，同时，年龄不会影响这些练习的效果。

Quantitative Ultrasound在Low Back Pain的研究还处于起步阶段，仍然存在一些不足之处。首先，Quantitative Ultrasound只在静止状态下测量肌肉厚度，这不足以反应整个肌肉收缩活动的过程。需要把Quantitative Ultrasound进一步的扩展到运动时的肌肉功能测量。其次，现阶段大多数研究者都是通过手工手工提取超声参数这是一项繁重的工作，严重限制Quantitative Ultrasound在Low Back Pain研究中的推广应用。最后，研究者已经开始试图用超声结合生物力学测试去分析腰背痛患者的肌肉肌肉硬度和疲劳程度，而超声作为一种实时便捷的手段，可以实现定量分析肌肉硬度和疲劳程度[54-56]。

4 小结

Low Back Pain的成因非常复杂，而脊柱结构不稳定是最可能的成因。腰背肌肉是构成脊柱稳定系统的主要组成部分，且对脊柱稳定和Low Back Pain有着重要的研究意义。EMG已经被广泛的应用在Low Back Pain的研究中，但是EMG有着自身的缺点和不足。Quantitative Ultrasound作为一种新的测量手段，已经逐渐被应用于腰背肌肉功能评估中。其能有效的帮助我们理解肌肉收缩和Low Back Pain之间的关系，辅助解决骨骼系统问题，提高Low Back Pain的康复率和降低其复发率。Quantitative Ultrasound测量仍然需要改进以便更高效和更便捷地应用在Low Back Pain研究中。

志谢

作者感谢香港研究资助局（PolyU5354/08E）和香港理工大学（J-BB69, 5-ZD64）基金对本研究的资助。

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