青少年特发性脊柱侧凸椎旁肌表面肌电研究进展

李香兰 廖八根 张晓辉

(广州体育学院运动医学实验室 广东广州 515500)

脊柱侧弯（Scoliosis）是一种三维畸形，其定义是脊柱在冠状面上弯曲大于10°。根据发病类型可以分为先天性脊柱侧弯、综合性脊柱侧弯以及特发性脊柱侧弯［1-2］。青少年特发性脊柱侧弯（Adolescence Idiopathic Scoliosis，AIS）是指脊柱结构性横向并伴随旋转的弯曲，出现在青春期或青春期前后的健康儿童身上［3］。文献中常报道AIS 的发病率在2%～3%之间，男女发病比例为1：7［4］。在亚洲地区发生的概率大概在0.4%～3%之间［5］，我国中小学生发生率为0.11%～2.64%［6］。AIS的病因至今仍未被阐明，只是当前针对其发病机制存在几种假说，并涉及遗传学、中枢神经系统（CNS）、骨骼生长和骨代谢、代谢途径、生物力学等［5，7］。其中，生物力学因素被广泛认为在脊柱侧弯的发展中有着重要的作用［8］。脊柱的三维变化极其复杂，生物力学虚拟仿真模型很难反映脊柱在三维空间上的变化［9］，而对脊柱侧弯进行生物力学评估，有助于脊柱侧弯的治疗与管理。对脊柱侧弯患者的生物力学研究包括运用三维运动捕捉技术进行动力学研究，以及运用表面肌电技术对相关肌肉进行运动学研究等。

1 表面肌电技术介绍

表面肌电技术自诞生以来，因具有探测性好、灵敏度高、无创伤以及安全可靠等特点而被广泛应用。运用软件可分析中枢控制的特征变化规律、准确反映肌肉活动状态和功能状态、肌肉活动的持续时间以及各肌肉激活的顺序等［10-11］。由于表面肌电反应迅速且无创，在康复领域应用广泛，特别是在神经肌肉系统疾病的诊断、后续评估，以及康复训练过程中，能非常方便地监测肌肉活动，评估治疗效果。近些年，国内外不少学者在青少年特发性脊柱侧弯的表面肌电研究方面发表了高质量文章。

AIS患者随着生长发育，脊柱和胸廓都会发生复杂的变化。椎旁肌位于脊柱两侧，对脊柱的稳定有着不可代替的作用，与AIS 的发生与发展密切相关。对脊柱侧弯患者椎旁肌的研究主要集中在脊柱旁1～2cm内。虽然有很多文章对脊柱侧弯患者椎旁肌进行了表面肌电的研究，但是其变化规律有各种原因，目前也并不清楚。目前，对青少年特发性脊柱侧弯椎旁肌表面肌电的系统综述较少，该文旨在归纳AIS 患者椎旁肌表面肌电与冠状位Cobb角的关联性，探究不同动作模式下表面肌电的改变以及手术矫正前后的变化，梳理用表面肌电来预测脊柱侧弯椎旁肌活动特征的进展，从而为探索青少年特发性脊柱侧弯的复杂性三维畸形的发病机制、诊疗研究提供更详尽的信息。

2 AIS患者椎旁肌表面肌电与冠状位Cobb角的关联性

AIS中的椎旁肌与健康人相比，其对称性具有很大的差异。大多数研究发现AIS患者椎旁肌在凹凸两侧有差异性，例如，凸侧含有更多的Ⅰ型肌纤维，线粒体数量、血管分布密集度、代谢活动都比凹侧高。凹侧则有更多的Ⅱ型肌纤维。无论凹侧还是凸侧，二者都存在着很大程度的萎缩［12］。

我国有不少的学者对不同类型的青少年脊柱侧弯患者都进行过椎旁肌表面肌电的研究。但是弯弧不同，表面肌电的位置也有所差异。其中，许轶等人［13］研究了C型弯和S型弯，C型弯电极在顶锥和下端锥脊柱两侧旁开2cm，S弯的电极贴在顶锥两侧。然后进行腰背肌耐力负荷实验，收集表面肌电的时域指标，计算凹凸侧表面肌电的比值与冠状面Cobb 角之间的关系。结果发现，凸凹两侧的表面肌电信号比值随Cobb角度增大而增大，表明Cobb 角度越大，凸凹侧的肌力差异越大，失衡越明显。这个结论与关春雷等人［14］的研究结果一致，凸侧椎旁肌肌电活动与AIS 严重程度呈正相关，与凹侧呈负相关。而脊柱的侧弯程度由Cobb角直接反映，Cobb角越大，脊柱侧弯程度以及椎体畸形越严重，椎旁肌两侧肌电活动也明显不对称。但是也有一些与之不一样的结果，比如贺晨等人［15］也对青少年特发性脊柱侧弯患者进行了椎旁肌研究，发现无论是静息站立还是双手水平持物站立，椎旁肌凸侧与凹侧的比值都是大于1的，双手持物后，这种比值的差异更大了。但是他们未得出椎旁肌均方根值凸凹侧比值与Cobb角有显著的相关性这个结论。尽管有了很多椎旁肌表面肌电与冠状位之间关系的研究，但这仅仅是一维研究，目前未见椎旁肌表面肌电特征与三维畸形相关性的分析。

3 不同动作下AIS患者椎旁肌表面肌电研究

脊柱侧弯患者在不同体位运动时，椎旁肌表面肌电的表现也不一样。Farahpour［16］研究了正常人和AIS患者T6、T10、L3水平的椎旁肌在不同动作下的激活状态，发现同为右胸弯或胸腰弯的脊柱侧弯患者在站立位左侧屈时，右侧T6水平的竖脊肌的激活程度明显高于左侧同水平竖脊肌。但在右侧屈时，并没有表现出与上述类似的激活特征。Feipel［17］也在右胸腰弯的 AIS 患者中得出相似的结论，即在向左弯曲的过程中，顶锥两侧的椎旁肌，凸侧比凹侧的激活程度更高，同时也比健康人更高。而在健康人中不存在这种不对称的改变。Farahpour还发现，这些患者在俯卧位左侧屈，T6和L3 锥体水平的竖脊肌表面肌电远大于正常人。这些动作都能清晰地显示出侧弯区域的肌肉异常情况。

Park等人［18］采集了不同侧弯型的侧凸患者在俯卧位椎旁肌等长收缩的表面肌电。在双弯、胸腰弯和腰弯类型的AIS 患者中，T12、L3（都为顶锥）凹侧的均方根值都明显低于凸侧，在非顶点处并无不对称表现；但是在单胸弯和双胸弯的患者中，顶点处凹凸侧之间却无明显改变。这个结论与之前大部分学者都不同。相关分析还表明，胸腰弯型和腰弯型的脊柱侧弯患者在腰3水平的椎旁肌不对称率与Cobb角呈线性相关。

Garcia Kwok 等人［19］则对AIS 患者最常用的姿势（坐和站）进行了研究，同时也研究了建议站姿和建议坐姿患者椎旁肌的凹凸侧比值。从他们的研究来看，IA期和IIC期的脊柱侧弯患者的习惯性站姿和坐姿，凸侧的肌肉激活程度都比凹侧大，这与前人的研究是相似的。与习惯性的姿势相比，建议站姿和坐姿椎旁肌的均方根肌电比更接近于1，脊柱两侧则更平衡。IB期受试者中发现了一种矛盾的情况，与IA 期和IIC 期受试者不同的是，IB 期受试者凹侧肌肉区域的均方根肌电值大于凸侧的均方根值。这可能是由于IB期受试者的脊柱弯曲程度相对较小。具有单一胸弯或胸腰弯的IA期和IIC期受试者，采用建议的坐姿和站姿更能使脊柱平衡。这表明在对称运动中，单弯患者受益更多，脊柱两侧的椎旁肌平衡程度会比双弯患者更好。

在脊柱侧弯的运动治疗中，以矫形动作训练为主的脊柱侧弯特定运动疗法最为重要，并已经在南欧、东欧得到了广泛运用，但这些矫形动作对不同患者是否均有益处，尚无定论［20］。但是锻炼作为保守治疗的手段，是可以提高治疗效果的，尤其是特定运动疗法，比普通的电疗或者牵引更有用［21-22］。目前，这些脊柱侧弯特定运动疗法在我国也有一定的发展，但是也缺乏表面肌电在脊柱侧弯特定运动疗法中改变椎旁肌的研究。所以这方面还有一定的研究空间。

4 矫正手术前后椎旁肌表面肌电的变化

当脊柱侧弯患者的Cobb角大于45°，Risser征小于等于2或者Cobb角大于50°，Risser征大于等于3时，就建议进行手术治疗［23］。虽然手术治疗可以改善脊柱平衡的同时，阻止侧弯继续发展，但是在术前计划中需要考虑很多因素，包括侧弯的类型和度数、脊柱平衡、灵活性和骨骼发育成熟度水平等［24］。其中，椎旁肌对脊柱的稳定起着重要的作用，而表面肌电可以用来评估术前椎旁肌的活动。这种动态活动数据采集有助于对患者进行术前评估、制订手术计划和术后的随访。需要手术矫正的AIS患者，与健康对照组相比，在不同的侧屈过程中，椎旁肌的活动发生了显著的变化。这些变化主要发生在接近脊柱侧弯顶锥的椎旁肌，AIS患者在左侧屈曲过程中，顶锥右侧椎旁肌活动比健康人更明显。此外，在患者的胸椎椎旁肌中，在左侧屈过程中，右侧的活动更强烈，变化更明显。这种不对称性在健康人的测试中是不存在的［25］。

脊柱侧弯手术矫正后进行脊柱融合是最基本的方法，但脊柱融合术后椎旁肌功能变化尚不清楚，有学者对此进行了研究。他们采集了健康人和AIS患者术前术后的上胸段（T3-T4）、下胸段（T10-T11）和腰椎段（L2-L3）区域左右两侧的椎旁肌的表面肌电，术后采集是在2 年后，这期间会对患者一直进行随访调查。与正常人及术前侧弯患者相比，融合术后脊柱侧弯患者的均方根值在胸椎区域较低，在腰椎区域增高［26］。这表明，侧弯患者在融合术后，手术区域的肌肉可能发生萎缩，腰部均方根值增高可能是代偿原因导致。但是就整体来说，脊柱融合后会减小椎旁肌激活水平，即使融合能缓解脊柱的不平衡，但手术也不能帮助脊柱两侧恢复到正常值。表面肌电能够检测到术后腰部的异常情况，由此可以用表面肌电来评估肌肉的改变，为物理治疗师对患者进行术后康复提供更好的参考。

5 椎旁肌表面肌电预测AIS的进展

目前普遍认为，椎旁肌不对称是导致特发性脊柱侧弯发生发展的一个因素。可以通过测量椎旁肌的肌电活动，来评估特发性脊柱侧弯患者的肌电活动与脊柱侧弯曲线的进展是否存在关系［27-28］。椎旁肌的活动度可以反映出AIS 患者活动过程中肌肉参与度的差异，这可能与脊柱侧弯的发展程度相关。研究发现［29］，无论是进展性脊柱侧弯还是非进展性脊柱侧弯，在凸侧与凹侧顶点处的椎旁肌，其肌电活动的比值都是大于1 的，根本不能区分肌电不对称是凹侧活动减少的结果还是凸侧活动增加的结果，反而在侧弯的下端椎发现了肌电活动不对称与脊柱侧弯的发展程度有关。侧弯患者初始角度越大，侧弯的发展程度就越深。而且脊柱侧弯的发展程度不仅仅跟椎旁肌有关系，还与患者的性别、年龄、生长发育潜能、地域等都有关系。而维持或者阻止侧弯的发展，对患者来说，治疗就成功了一半。所以在保守治疗的过程中，一定要观察患者的侧弯发展情况，减少对患者的伤害。

6 结论

目前所知的关于青少年脊柱侧弯椎旁肌的表面肌电研究，有各种不同的方式，但也有很多局限性。总体来说，已知的关于脊柱侧弯表面肌电研究的文献综述，其证据的质量不高。总的局限性表现在以下几个方面：招募的受试者数量较少、分型不够完善、侧弯度数差异过大、没有做长期随访的比较等。而结论的差异性则有可能是参与研究的脊柱侧弯受试者没有受到足够的损害，或者没有表现出肌肉功能或肌肉纤维的变化。

大量的研究表明，脊柱侧弯患者凸侧的整体激活水平大于凹侧，这种侧弯是原发性还是继发性的，或是二者之间相互影响的，其原因未知。大部分的结果表明，Cobb 角越大，凸侧与凹侧的均方根比值就越大，它们之间呈正相关。肌电信号幅值随力的增大而增大。但是也有研究者提出，肌电幅度的差异不是由于凸侧肌肉活动的增加引起，而是由于凹侧肌肉活动的减少引起。与凹侧相比，凸侧由于负荷更高，该肌肉的疲劳率也更高［30］。无论凹侧肌肉萎缩是原因还是结果，人们认为加强凹侧的椎旁肌可以平衡背部肌肉的张力，这对脊柱侧弯的治疗有帮助。做过脊柱融合术的患者，更应该接受长期随访调查，以便观察肌肉功能和运动变化，以及是否有肌肉无力或者萎缩现象等。因此，利用表面肌电技术研究脊柱侧弯术后的神经肌肉活动变化，对于制定有效的康复方案，以防止脊柱融合后肌肉的恶化具有重要意义。此外，由于不对称的类型不同，脊柱旁的不对称也会影响到曲线的邻近节段，考虑到曲线类型和不对称模式，通过表面肌电确认不对称模式，对加强背部肌肉力量是有帮助的。

7 结语

综上，表面肌电有助于进一步阐明椎旁肌的功能特征，从而帮助有关学者更深入了解这一疾病。对三维畸形骨骼与肌肉的形态与功能的全面分析，将有利于AIS诊断、治疗与管理。