家兔颈腰肌长期受力下电阻抗和生物指标变化规律研究

王 航，王春晨，代 静，文治洪，杨 琳

（空军军医大学航空航天医学系，西安710032）

0 引言

颈腰痛是一种常见的临床综合征，也是现代社会中面临的一个重要的公共卫生问题，尤其是对于特殊环境下的工作人员，颈腰痛更是影响其健康的重要因素[1]。例如飞行员颈腰痛发病率较高，其中颈痛患病率为28%～47%，腰痛的患病率为38%～89%[2-3]。由于工作需要长时间保持同一姿势被认为是颈腰痛的高危险因素之一[4-5]。姿势的固定会改变脊柱周围肌肉和软组织的弹性，长期下去不仅会影响脊柱的活动度，对颈腰椎造成慢性损害，还会导致小关节的退变、紊乱和炎症。

目前可用于诊断颈腰痛的方法包括X 射线成像、椎间盘造影、CT 扫描、MRI、肌电信号检测、骨扫描和超声成像等[6-8]。然而，大多数颈腰痛主要是由颈腰肌问题引起的[9-10]，而这些诊断方法中大部分对颈腰椎的病变诊断很有效，但对肌肉问题不敏感。

生物组织的电阻抗特性能够提供有关组织中电化学变化信息[11]，可用于表征组织的生理状态或监测生理变化。有研究表明电阻抗特性能够反映肌肉的生理特性[12]，并在神经肌肉疾病的评估中产生有效的作用[13]。因此，本研究希望以生物电阻抗特性为基础，通过将家兔长时间保持同一姿势的方法建立动物颈腰肌肉痛模型，研究长期受力保持同一姿势过程中相关生物学指标（生化指标、细胞形态学指标）和生物电阻抗特性指标的变化规律，为下一步通过生物电阻抗特性研究人体固定不良姿势所造成的颈腰肌肉痛奠定基础。

1 方法

1.1 家兔颈腰肌受力固定模型的建立

实验对象为健康成年家兔，体质量为（2.5±0.5）kg。具体固定方法：（1）将砝码系于固定架圆环上；（2）将家兔安放于固定架中，调整颈部卡环固定家兔颈部；（3）调整基底高低使家兔背部接近上挡板；（4）将后挡板推至家兔背部拱起；（5）使上挡板内部胶条对应于兔背最高处，如图1（a）所示；（6）将上挡板盖住，用锁扣住；（7）将砝码绕过家兔颈部后自然下垂，如图1（b）所示。每日上下午各固定2 h。

图1 家兔颈腰部固定方法

1.2 实验流程

将家兔分成3 组，每组6 只。所有家兔每天颈腰部强迫受力并保持固定姿势4 h。实验共进行9 周，其流程及干预措施如图2 所示。

3 组家兔分别在第3 周、第6 周、第9 周处死。相关检测包括：每周一、周五检测生化指标肌酸激酶（CK）和乳酸脱氢酶（LDH）（CK 和LDH 是肌肉损伤的敏感指标[14-16]）。每周五测量家兔颈、腰、腿3 个部位的电阻抗特性。每3 周拍摄一组家兔X 射线片，观察颈腰椎变化，确保颈腰椎不发生病变。由于整个实验过程只针对颈腰部肌肉，如果颈腰椎发生变化则停止实验。拍摄X 射线片的家兔通过耳缘静脉注射空气处死，并对颈、腰、腿部肌肉做HE 染色，观察肌肉细胞形态变化。其中，颈腰部肌肉一直处于受力压迫状态，腿部肌肉未受到压迫。选择腿部肌肉进行电阻抗测量和HE 染色，作为颈腰部肌肉的对照。

图2 实验流程及干预措施

1.3 生化指标采集

生化指标采集步骤：（1）将家兔安放于固定架中，调整颈部卡环固定家兔颈部；（2）用酒精棉球擦拭兔子耳缘静脉，使其扩张；（3）用采血针沿耳缘静脉末端刺入血管，收集1 ml 左右血液，取血后用棉球压迫止血；（4）将血液静置后取上清并将上清放入生化仪检测CK 和LDH 2 个指标。

1.4 细胞形态及X 射线分析

首先，根据家兔质量，肌肉注射适量10%水合氯醛进行麻醉。其次，将家兔横卧和俯卧在X 射线拍摄台，背面和侧面分别拍摄X 射线片，主要拍摄颈椎和脊椎。最后，将麻醉状态下的家兔通过耳缘静脉注射空气处死后，取颈部、腰部和腿部3 处组织，每个部位取3 个肌肉样本进行HE 染色。

1.5 电阻抗测量

采用基于高精度阻抗测量芯片AD5933 为核心搭建的便携式阻抗测量仪进行在体电阻抗测量[17-19]，片上集成频率发生器与12 位、1 MSPS 的模数转换器（ADC）。用频率发生器产生的信号激励外部复阻抗，外部阻抗的响应信号由片上ADC 进行采样，然后由片上数字信号处理器（digital signal processing，DSP）进行离散傅里叶变换（discrete Fourier transform，DFT）处理。DFT 算法在每个频率上返回一个实部（R）数据字和一个虚部（I）数据字。校准之后，很容易算出各扫描频率点的阻抗幅度和相对相位。该测量仪经前期测量不同浓度生理盐水实验验证，在1～30 kHz范围内，对0.01～0.09 mol/L 的NaCl 溶液测量得到的相对误差小于7%，基本与Solartron 1260 阻抗分析仪在体测量精度相似，因此本研究采用便携式阻抗测量仪进行阻抗测量。测量时先将家兔固定，用剃毛器将家兔颈部（压迫处）、腰部（压迫处）、腿部（左后腿臀大肌处）3 个部位剃毛。然后连接测量仪与计算机，探头短接后打开测量仪开关，测试的短路阻抗和相位均为0，待自检通过后开始测量。测量时要确保测量探头与家兔颈部、腰部和腿部接触良好。

1.6 统计学分析

采用SPSS 13.0 进行统计学分析，采用Pearson相关分析比较生化指标和不同部位电阻抗间的相关关系，P＜0.05 被认为有显著差异。

2 结果

2.1 生化指标变化规律

生化指标CK 和LDH 的变化规律如图3 所示。从图3 可以看出，CK 在第1 周基本不变，约600 U/L，第2～4 周逐渐增加，从655 U/L 增加至880 U/L 左右，随后出现一个2 周左右的平台期，然后数值又开始增加，最终第9 周结束时，CK 大约为1 310 U/L。LDH 的变化也是逐渐增加，但与CK 变化略有不同，其前4 周数值基本不变，维持在100 U/L 左右，随后出现小幅提升后又维持在125 U/L 左右，直到第8 周才开始快速提升，最终第9 周结束时达到176 U/L。

图3 CK 和LDH 随家兔固定姿势时间增长的变化规律

实验结果表明，血液中CK、LDH 浓度随颈腰部压迫时间增长而增加。结合细胞形态，颈腰部肌肉损伤会导致血液中的CK 和LDH 升高。当骨骼肌组织发生一定程度损伤时，肌细胞膜通透性增加，血液中CK 释放入血增多，且这种转变是不可逆转的。LDH是糖原无氧酵解代谢途径的关键酶。家兔在静态负荷一定时间后，血清中LDH 显著升高，说明静态负荷时骨骼肌的代谢增强。同时由于LDH 的升高，骨骼肌的无氧酵解水平相应增加，证明骨骼肌发生了损伤性变化。

2.2 细胞形态指标变化规律

通过HE 染色能够反映出颈、腰和腿3 个部位在第3 周、第6 周和第9 周的细胞形态的变化，如图4 所示。

图4 家兔颈、腰、腿3 个部位肌肉组织在第3 周、第6 周和第9 周的HE 染色结果（HE 染色，200×）

从图4 中可以看出，第3 周：家兔肌肉结构基本正常，无组织坏死，无异常增生；第6 周：家兔颈部肌肉排列紊乱，出现坏死，腰部肌肉部分断裂，腿部肌肉无明显变化；第9 周：家兔颈腰部肌肉整体上排列紊乱，颈部肌肉出现坏死、增生和变性，腰部肌肉断裂，而腿部肌肉无明显变化。由此可以得出：经过9周强迫受力，颈腰部肌肉发生细胞形态学变化，而无强迫受力的腿部基本没有变化。

2.3 影像学变化规律

对侧卧和俯卧位2 种姿势的家兔进行X 射线拍摄，结果如图5 所示。

从图5 中可以看出，第3 周、第6 周和第9 周的X 射线图像均未看出颈腰椎出现病理性改变，可以认为在当前负荷条件和持续时间条件下，无骨病变，符合研究颈腰肌肉痛预期。随强迫压力持续周数增加，颈部负重处肌肉出现增生，腰部持续受力处肌肉层增厚。由此可以得出，经过9 周强迫受力，在颈腰椎出现病变之前，骨骼肌增厚，结合细胞形态学分析，可以判定肌细胞出现坏死、增生和变性的情况。

图5 家兔颈腰部保持受力固定姿势第3 周、第6 周和第9 周的X射线图像

2.4 电阻抗特性变化规律

测量颈、腰、腿3 处电阻抗特性，如图6 所示，其中颈腰部肌肉一直处于受力压迫状态，腿部肌肉未受力，选择腿部肌肉作为颈腰部肌肉的对照。

从图6 的电阻抗频谱特性上看，颈、腰、腿部所测数据随频率变化规律一致，证明测试部位性质一致。

腿部没有进行压迫受力，电阻抗值在9 周内几乎没有变化，颈腰部均有受力压迫，电阻抗值均增加，综合生物学和影像学指标，验证了颈腰部电阻抗值的变化与内部肌肉变性、增生坏死有关。

从电阻抗大小看，在体电阻抗值由肌肉、脂肪和皮肤电特性综合反映，皮肤和脂肪层厚度在3 个部位基本相同，而肌肉分布不同。因此初始阶段颈部电阻抗大于腰部，腰部电阻抗大于腿部，证明探头设计尺寸能够有效穿过脂肪层达到肌肉层。

从变化情况看，颈部和腰部电阻抗随压迫时间的增长均呈现增加趋势，幅度近似，从X 射线图像看出颈部肌肉增生更显著。

2.5 统计分析

将生化指标和不同部位的电阻抗值进行相关分析，结果见表1。从表1 中可以看出：腿部没有进行压迫受力，其电阻抗值在9 周内基本没有变化，因此其与CK、LDH、颈腰部电阻抗均无相关性。颈部电阻抗与CK、LDH 均相关，腰部电阻抗与CK 相关，颈部和腰部电阻抗同样存在相关性。因此，电阻抗信息与生物学信息有内在联系，这为通过电阻抗特性变化反映颈腰痛发生、发展过程提供了可能。

图6 家兔颈腰部保持受力固定姿势9 周的过程中颈、腰、腿3 处电阻抗变化规律

表1 生化指标与不同部位的电阻抗值的Pearson 相关系数

3 讨论

当机体长期受到强迫体位影响时，颈腰部生理状态就会发生改变，研究电阻抗特性和颈腰痛的相关关系有利于建立电阻抗特性及组织的生理、病理和形态特征等功能状态的紧密关系，有利于更深层次的理解生物组织的内部特性，并通过电阻抗特性及时分析、判断出颈腰痛的病程状态。

3.1 细胞形态的变化对颈腰部电阻抗特性的影响

通过细胞形态学随颈腰部受压迫时间增长的变化，可以解释部分电阻抗特性产生变化的原因。实验结果可以看出，频率越低，电阻抗特性随压迫时间变化越显著。主要原因在于低频时细胞膜的容性成分阻碍了电流的流通，电流主要从细胞外液流过。组织不断受到挤压，细胞会出现肿胀，从而导致了电流流通困难，电导率略微下降，电阻抗增加，所以低频时电阻抗特性随受压迫时间变化敏感[20]。高频时细胞膜对电流的阻碍作用较小，电流可直接通过细胞膜，细胞形变对电流影响作用较小，所以高频时电阻抗特性随受压迫时间变化影响不大。因此细胞形态的改变对于电阻抗特性的影响是直接的，研究电阻抗特性与细胞形态变化关系，能更好地阐述电阻抗特性和颈腰痛发生发展变化的相互关系。

3.2 颈腰压迫造成的酶活性变化对电阻抗特性变化的影响

酶活性的变化对电阻抗特性有两方面的影响：一方面，酶通过催化组织内的生化反应影响组织活性从而间接与介电特性的变化相关。本研究中涉及的CK和LDH 位于细胞质和线粒体上，是肝组织能量代谢和糖代谢的关键酶。其活性的改变会影响肌肉组织能量和糖代谢，导致细胞功能障碍、细胞形态改变以及内外液离子浓度失衡，从而影响到肌肉组织的电阻抗特性。另一方面，酶是蛋白质属于大分子物质，自身也会影响着高频范围的组织电阻抗特性[21]，因此，酶活性变化同样与电阻抗特性的变化相关。

本研究分别从细胞形态变化、酶活性变化、影像学变化以及电阻抗变化4 个方面对压迫固定颈腰部造成的颈腰肌肉损伤发展变化规律进行了探索性分析，研究了不同类型指标对电阻抗特性的影响，为进一步研究颈腰部电阻抗特性和颈腰痛的相关关系奠定了生物学基础。但是在本文的分析中，未提取细胞形态学和影像学的定量指标与电阻抗特性建立直接联系，下一步将深入挖掘电阻抗特性与生物学特性的联系，争取发现与颈腰部肌肉病理性变化密切相关的电阻抗特征参数，从而实现通过电阻抗变化及时反映颈腰部肌肉病理性改变。