青少年特发性脊柱侧弯椎旁肌表面肌电信号对称性及与侧弯角度的相关性研究

贺 晨，李 琳，李彦乐，徐流芳，吴会东

脊柱侧弯是一种病因复杂、发病率较高的脊柱疾病，其中以青少年特发性脊柱侧弯最为常见。脊柱侧弯的发病可能与基因遗传、内分泌、神经系统和椎旁肌的异常等多种原因有关[1]，其中椎旁肌的异常被认为是脊柱侧弯发生、发展的重要因素[2]。脊柱侧弯患者的椎旁肌与正常人椎旁肌相比构成成分、肌电图、微结构和影像学均会有所不同[3]。研究表明脊柱侧弯患者椎旁肌Ⅰ、Ⅱ型肌纤维凹凸侧分布是不平衡的，而正常人脊柱周围Ⅰ、Ⅱ型肌纤维的分布应该是大致相同的。Shao X等[2]发现凸侧Ⅰ型肌纤维的分布要高于凹侧，约占80%～90%；吴亮等[4]发现凹侧中Ⅱ型肌纤维的比例要高于凸侧，肌纤维的分布与Cobb角的大小也有关系，并且他们推断当维持平衡的Ⅰ型肌纤维不够时，Ⅱ型肌纤维会转变为Ⅰ型肌纤维。由此可见，脊柱侧弯患者椎旁肌凸侧和凹侧的肌纤维分布、功能状态等是不平衡的，这种不平衡在顶椎区表现的更加明显[5]，这些研究为研究脊柱侧弯患者的表面肌电信号（surface electromyography，sEMG）的特点提供了理论基础。

sEMG是一种可以在体表进行无创伤地检测肌肉活动情况的方法，sEMG监测系统通过电极片和传感器采集肌纤维收缩时产生的微弱的电位差，并将这种电位差以幅值和时间的波形图表示出来。董振宇等[6]、Cheung J等[7]研究了脊柱侧弯患者sEMG凸侧和凹侧的比值，发现患者椎旁肌顶椎区sEMG比值增大，即两侧更不平衡；当凸凹侧sEMG比值＞2时，脊柱侧弯发生的可能性就会变大。也有研究发现，脊柱侧弯患者两侧的椎旁肌的sEMG并无明显的不对称[8]。目前，脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG对称性研究的结论各异。脊柱侧弯的角度越大，椎旁肌的畸形也可能越大，sEMG就可能越不对称，但是脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG对称性与侧弯角度的相关性尚不明确。因此笔者旨在探索青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG的对称性，以及椎旁肌sEMG对称性与Cobb角的相关性。

1 材料与方法

1.1 临床材料

选择2021年2月至8月在中山市小榄人民医院就诊的青少年特发性脊柱侧弯患者18例，均符合脊柱侧弯诊断标准[9]。其中男性1例，女性17例；年龄10～18岁，平均年龄13.56岁（标准差3.00岁）；身高140.31～169.24 cm，平均身高157.30 cm（标准差14.16 cm）；体质量33.50～51.50 kg，平均体质量43.43 kg（标准差11.02 kg）；坐高75.60～91.72 cm，平均坐高83.51 cm（标准差7.21 cm）；Cobb角18.50°～45.70°，平均Cobb角32.54°（标准差10.83°）；Risser征0～4；S型8例[年龄10～18岁，平均年龄13.63岁（标准差1.69岁）；身高151.84～169.24 cm，平均身高162.39 cm（标准差7.86 cm）；体质量40.50～51.50 kg，平均体质量48.68 kg（标准差7.91 kg）；坐高82.40～91.72 cm，平均坐高86.52 cm（标准差4.29 cm）；Cobb角21.50°～45.70°，平均Cobb角33.69°（标准差12.22°）]，顶椎位于T8～9和L2～3；C型10例[年龄10～17岁，平均年龄13.50岁（标准差3.84岁）；身高140.31～166.18 cm，平均身高153.23 cm（标准差17.00 cm）；体质量33.50～49.50 kg，平均体质量39.41 kg（标准差11.76 kg）；坐高75.60～88.63 cm，平均坐高81.10 cm（标准差8.32 cm）；Cobb角18.50°～45.70°，平均Cobb角30.70°（标准差8.41°）]，顶椎位于T12～L2；年龄<15岁11例，≥15岁7例；Cobb角＜30°7例，Cobb角≥30°11例。

选择标准：诊断为青少年特发性脊柱侧弯；Cobb角<60°；年龄10～18岁；Risser征0～5。

排除标准：先天性脊柱畸形的患者；习惯性（姿势性）脊柱侧弯患者；非原发性青少年特发性脊柱侧弯患者，如神经系统异常等结构性脊柱侧弯。

1.2 方法

1.2.1 表面肌电信号采集方法

采用NORAXON人体表面肌电监测系统，采集患者顶椎区椎旁肌的sEMG数据。

（1）电极片的贴放：用75%乙醇溶液棉片顺着肌肉的纤维擦拭皮肤，清除皮肤表面的油脂，以确保皮肤和电极片之间有良好的接触面，减少皮肤阻力和其他因素的干扰。对于“C型”患者，贴2个电极片；分别贴在脊柱侧弯顶椎左右2 cm处，即竖脊肌的位置。电极片的贴放位置要与椎旁肌纵轴基本一致，2个电极片之间的间距约为3～4 cm。对于“S型”患者，贴4个电极片；2个贴在最大Cobb角对应的顶椎左右2 cm处，2个贴在最小Cobb角对应的顶椎左右2 cm处，粘贴位置要与椎旁肌纵轴基本一致，2个电极片之间的间距约为3～4 cm。将传感器贴在电极片旁边1 cm处，连接传感器和电极片。

（2）sEMG的检测：让患者保持竖直站立位，放松身体，双腿保持直立，记录此时静息状态sEMG；患者双臂平举2 kg的重物并保持水平状态，记录此时负重状态患者椎旁肌的sEMG。

1.2.2 分析指标与分析方法

主要分析了sEMG的均方根值（root mean square，RMS）。sEMG RMS可以反映sMEG的肌电幅值大小，即sMEG的振幅大小，因此用来研究肌肉在收缩过程中的变化情况。定义RMS凸凹侧比值为脊柱侧弯椎旁肌sEMG对称性指标，若比值越接近1说明对称性越好，越远离1说明对称性越差。

1.3 统计学方法

使用SPSS统计学软件进行数据分析。所有的数据都以均数±标准差的形式表示。计算分析sEMG时域参数的RMS值。采用配对t检验，比较患者椎旁肌顶椎区sEMG凹凸侧RMS的差异；采用Pearson相关性，分析研究sEMG凹凸侧RMS比值与患者Cobb角的相关性。

2 结果

2.1 测得的椎旁肌表面肌电信号

对患者的椎旁肌顶椎区sEMG凸凹侧的RMS进行统计分析（表1、图1）。结果显示，在静息、负重状态下，RMS凸侧＞RMS凹侧，RMS负重状态＞RMS静息状态，差异有显著统计学意义（P=0.000＜0.01）。站立时负重状态较之于静息状态，RMS凸凹侧比值的差值会进一步加大，由6.362μV提高到38.048μV。两侧比值也会进一步变大，由1.38提高到1.84。

表1 椎旁肌顶椎区sEMG凸凹侧RMS比较Tab.1 Comparison of convex RMS and concave RMS of sEMG at the apex level of paravertebral muscles

根据患者年龄分为＜15岁组（11例）和≥15岁组（7例），比较两组脊柱侧弯患者sEMG RMS对称性发现：站立时，不论是静息状态还是负重状态，两组患者的sEMG RMS对称性比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。根据侧弯角度将侧弯脊柱分为Cobb角＜30°组与Cobb角≥30°组，比较两组sEMG RMS对称性发现：站立时，不论是静息状态还是负重状态，两组的sEMG RMS对称性比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。根据侧弯类型将患者分为“C型”组（10例）和“S型”组（8例），比较两组患者sEMG RMS对称性发现，站立时，不论是静息状态还是负重状态，两组患者的sEMG RMS对称性差异无统计学意义（P＞0.05）。由此可见，患者年龄、侧弯角度、侧弯类型对脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG的不对称性没有显著影响。

站立时在静息状态下，椎旁肌sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r为-0.253，P=0.096＞0.05，差异无统计学意义。站立时在负重状态下，椎旁肌sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r为0.034，P=0.971＞0.05，差异无统计学意义。

2.2 表面肌电信号的分析

2.2.1 不同年龄表面肌电信号凸凹侧RMS比值与Cobb角相关性的分析

对于15岁以下患者，静息和负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r分别为-0.401和0.270，P＞0.05。说明两种状态下二者都没有显著的相关性。对于15岁以上患者，静息和负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r分别为0.044和-0.123，P＞0.05。说明两种状态下二者都没有显著的相关性。见表2。

表2 不同年龄sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角相关性分析Tab.2 Correlation analysis of convexity ratio of sEMG RMS and Cobb angle in different ages

2.2.2 不同侧弯角度表面肌电信号RMS凸凹侧比值与Cobb角相关性的分析

Cobb角＜30°患者，在静息状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r为0.525，P=0.634＞0.05。说明二者可能存在相关性，但这种相关性无统计学意义。Cobb角＜30°患者，在负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r为0.337，P＞0.05。说明二者都没有显著的相关性。Cobb角≥30°患者，静息和负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r分别为-0.428和0.153，P＞0.05。说明两种状态下二者都没有显著的相关性。见表3。

表3 不同侧弯角度患者椎旁肌顶椎区凸凹侧sEMG RMS比值与Cobb角相关性分析Tab.3 Correlation analysis of sEMG RMS ratio of paravertebral parietal and Cobb angle in different angles

2.2.3 不同侧弯类型的表面肌电信号RMS凸凹侧比值与Cobb角的相关性分析

C型患者，在静息和负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r分别为-0.057和0.261，P＞0.05。说明两种状态下二者都没有显著的相关性。S型患者，在静息和负重状态下，sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角的Pearson相关系数r分别为-0.357和-0.026，P＞0.05。说明两种状态下二者都没有显著的相关性。见表4。

表4 不同侧弯类型患者椎旁肌顶椎区凸凹侧sEMG RMS比值与Cobb角相关性分析Tab.4 Correlation analysis of sEMG RMS ratio of paravertebral parietal and Cobb angle in different types

3 讨论

笔者研究发现，站立时不论是在静息状态还是在负重状态下，青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG RMS值两侧不对称，凸侧明显大于凹侧，且在负重状态时这种不对称进一步加大。这与梁崎等[10]研究结果一致，他们发现青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG RMS凸侧要大于凹侧。该试验选取脊柱侧弯患者25例、正常健康对照组14例，在进行腰背肌负荷耐力试验（biering-sorensen testing，BST）和抬物试验的时候采集sEMG，最后分析患者的平均肌电波幅和频谱面积发现青少年特发性脊柱侧弯患者顶椎区椎旁肌凸侧平均肌电波幅和频谱面积明显高于凹侧。Lu WW等[11]利用sEMG研究了青少年特发性脊柱侧弯患者脊柱融合手术前后脊柱肌肉的功能变化。他们招募了19例脊柱融合术术后患者和15例健康受试者，记录了所有受试者的sEMG，发现青少年特发性脊柱侧弯患者的椎旁肌肌电信号是失衡的，并且与健康受试者比较，手术后这种不平衡会消失，但是EMG并没有恢复到对照组的水平。Feipel V等[12]研究了青少年特发性脊柱侧弯患者背部和腹部EMG，招募了10例青少年特发性脊柱侧弯患者和10例健康受试者为对照组，对他们椎旁肌（18个位置）和腹部（4个位置）的肌肉活动情况进行了测量和记录，发现sEMG可以用来作为青少年特发性脊柱侧弯患者手术前的一个非侵入式、非辐照性的评定指标。

对于笔者研究中的青少年特发性脊柱侧弯患者，发现椎旁肌RMS凸凹侧比值与Cobb角没有显著的相关性。Cobb角是评估脊柱侧弯严重程度的重要指标，研究Cobb角与青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌sEMG RMS凸凹侧比值的相关性可以分析脊柱侧弯病情严重程度与sEMG的关系。关春雷等[13]记录了64例青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌两侧的肌电信号，分析凸凹侧肌电和Cobb角的相关性，发现凸凹侧的肌力差异随着Cobb角度的增大而增大，即脊柱侧弯的严重程度与患者sEMG呈线性相关。而笔者研究发现青少年特发性脊柱侧弯患者凸凹侧肌电比值与Cobb角没有显著的相关性。出现不同的研究结果的原因可能是招募患者的年龄和侧弯角度不同，该研究中受试者Cobb角[12°～43°（22.65°±6.74°）]比笔者研究中受试者Cobb角[18°～60°（32.54°±10.83°）]略小。笔者研究也观察到，轻度脊柱侧弯患者（Cobb角＜30°）sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角相关性略高（r=0.525），但无统计学意义（P＞0.05）。由于笔者研究中Cobb角＜30°的患者只有7例（11条侧弯弧度），后续还需要更多患者数据进一步验证该现象。郑斌等[14]利用针极肌电研究了青少年特发性脊柱侧弯患者凸凹侧肌电活动，发现小年龄组（7～10岁）与对照组相比凹凸侧针极肌电信号无显著性差异，而大年龄组（11～14岁）与对照组比较有显著差异，特别是凸侧椎旁肌。可能的解释是随着脊柱侧弯患者年龄增加，侧弯角度变大，凸侧肌肉所承载的负荷也越大，因此两侧肌电活动的不对称就会更加显著。笔者将患者按照不同年龄分组分析后，发现青少年特发性脊柱侧弯患者sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角都没有显著的相关性，也就是这种相关性并不受到年龄的影响。这可能是不同的研究方法和研究参数导致的（郑斌等采集的是针极肌电信号，笔者研究采集的是sEMG）。另外，笔者研究按照不同侧弯角度、不同侧弯类型分组分析后，发现各组患者sEMG RMS凸凹侧比值与Cobb角都没有显著的相关性，后续应进行大样本量的长期随访试验来研究凸凹侧肌电对称性和Cobb角的相关性及其影响因素。

笔者研究通过采集和分析青少年特发性脊柱侧弯患者在站立时静息状态和手上负重状态时侧弯椎旁肌顶椎区的sEMG，研究了青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌凸凹侧sEMG RMS的对称性及其与Cobb角的相关性。结果发现，青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌顶椎区sEMG凸侧明显大于凹侧，负重状态时这种差异会进一步加大。此外，笔者研究中的青少年特发性脊柱侧弯患者椎旁肌RMS凸凹侧比值与Cobb角无显著相关性。