非特异性腰痛患者腰背肌群延迟激活的研究

郑依莉 ，胡浩宇，刘晓晨，董煜琳，张娟，龚迪，宋歌，王雪强,3

1.上海体育学院运动医学康复中心，上海市 200438；2.上海市第二康复医院治疗部，上海市 200438；3.上海上体伤骨科医院康复科，上海市 200438

非特异性腰痛(nonspecific low back pain,NLBP)不仅影响健康、生活质量和工作，也造成沉重医疗负担和间接社会成本[1‑2]。尽管NLBP 找不到确切的病因[3‑4]，但目前多项研究通过对比下肢肌群与腹部核心肌群的肌肉激活时序，认为腰部核心肌群延迟激活是引起腰椎不稳定的重要因素之一[5‑7]。

本研究通过表面肌电信号(surface electromyogra‑phy,sEMG)分析，探究在静态平衡模式改变时，NLBP 患者与正常人的上肢肌群和腰背部核心肌群激活时间的差异，并对比肌肉激活模式，从而为NLBP的发病机制研究提供新的证据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2017年9月至12月在上海上体伤骨科医院就诊并自愿参与本研究的NLBP 患者21 例(NLBP 组)，年龄19～37 岁，视觉模拟评分(Visual Analogue Score,VAS)(2.86±1.01)分，病程(23.5±10.3)个月。

NLBP组纳入标准：①生命体征稳定，意识清醒，无认知障碍；②年龄18～60 岁，能听懂语言且愿意配合；③病程≥3个月。

NLBP 组排除标准：①严重的心、肝、肾、肺功能不全，肿瘤、孕妇、术后功能障碍；②既往有智力障碍；③既往有精神疾病或长期使用镇静剂；④既往有心脑血管疾病；⑤有影响肌肉骨骼系统方面的疾病，如椎间盘突出、脊柱骨折、严重的关节炎，骨性椎管狭窄、强直性脊柱炎等。

2017年11月至12月通过网络招募自愿参与本研究的正常受试者21例(正常组)，年龄18～28岁。

正常组纳入标准：①无慢性腰痛病史；②无腰部外伤史；③无中枢神经病史；④无既往脊柱手术史；⑤非妊娠期妇女。

两组年龄、身高、体质量和体质量指数(body mass index,BMI)均无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

本研究经上海体育学院科学研究伦理委员会批准，受试者通过实验员了解实验过程及潜在风险后，签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1实验仪器

本研究采用银/氯化银一次性使用心电电极(上海乾康医疗)与Noraxon16导遥测肌电DTS系统(美国No‑raxon Inc.,采样频率1500 Hz)进行表面肌电信号采集。

1.2.2表面肌电放置位置

将电极片置于右侧三角肌前束、中束，双侧竖脊肌，双侧多裂肌的对应体表位置。实验时剃除测试区域毛发，并用细砂纸和75%医用酒精擦拭皮肤。电极片的具体贴放位置如下：竖脊肌，于L1棘突旁开2 cm放置一测量电极，另一电极贴放于该电极片上方，并与脊柱中线平行；多裂肌，在L4‑5间隙旁开2 cm 放置一电极，另一电极贴放于该电极下方，并与脊柱中线平行；三角肌中束，受试者抗阻外展，电极片沿手臂长轴方向贴放于三角肌中束肌腹肌肉最丰厚的位置；三角肌前束，受试者抗阻前屈，将电极片沿手臂长轴方向，置于三角肌前束肌腹的位置。

表1 两组一般资料比较

1.2.3实验流程

受试者自然站立，两脚分开与肩同宽，双手自然下垂，右手握持0.5 kg[8]的哑铃，两眼平视前方，脊柱处于中立位，重心线位于两腿间中点。实验人员待观察各肌肉肌电信号平稳之后，给予声音信号，令受试者以平稳速度完成右侧上肢运动，运动过程中尽量避免躯干旋转及耸肩动作，并记录肌电信号。所有受试者均完成上肢前屈(约170°)、外展(约170°，嘱受试者外展超过90°时，肩关节外旋)，每个动作间隔30 s，实验重复2次。

1.3 评价指标

1.3.1疼痛

采用VAS 评价腰痛程度。在长度100 mm 的线段两端标注“0”和“10”，0 表示无痛，10 表示难以忍受的剧痛。受试者根据主观感受，标出腰痛发作时的疼痛程度在线段上的所在位置。

1.3.2相对激活时间

首先，将所有肌电信号通过带通滤波(10～500 Hz)，并采用平均值进行平滑处理(remove mean)，随后进行全波整流，最后采用低通滤波(10 Hz)对肌电信号进行处理。

其次，取每个肌电通道的前400 帧信号作为基准噪声，计算其平均值与标准差。将超过平均值2 倍标准差的信号值定义为肌肉激活阈值。

再次，确定肌肉激活时间，将肌电信号连续超过该阈值50 ms的起始时间定义为肌肉激活时间[9]。

最后，计算主动肌与其他肌肉间的相对激活时间[10]。相对激活时间=其他肌肉激活时间-主动肌(三角肌前束/中束)激活时间。若差值为正，表明目标肌肉在主动肌之后激活；反之，则在主动肌之前激活。本实验中，右臂前屈的主动肌为三角肌前束，外展的主动肌为三角肌中束。

以上数据通过MATLAB 2016a 软件编写程序与Microsoft Excel 2013函数计算进行处理。

1.4 统计学分析

采用SPSS 20.0 进行数据分析。所有计量资料采用(xˉ±s)表示。组内比较采用重复测量方差分析，采用事后检验(Post Hoc Tests)观察组内各个肌肉间相对激活时间的差异；组间比较采用独立样本t检验，观察两组对应肌肉的相对激活时间的差异。对腰痛受试者的疼痛程度、病程与各个肌肉间相对激活时间进行Pearson相关性分析。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 上肢前屈时各肌肉相对激活时间的差异

上肢前屈时，两组左侧多裂肌、右侧三角肌中束在主动肌(三角肌前束)之后激活，而右侧多裂肌、双侧竖脊肌则提前激活。见表2。

正常组各个肌肉间相对激活时间比较有显著性差异(P＜0.05)，NLBP 组各个肌肉间相对激活时间无显著性差异(P＞0.05)。正常组左侧多裂肌所需的相对激活时间显著长于右侧多裂肌、双侧竖脊肌和右侧三角肌中束(P＜0.05)；且右侧三角肌中束所需的相对激活时间显著长于双侧竖脊肌(P＜0.05)。见表2。

NLBP 组左侧多裂肌的延迟激活时间小于正常组(P＜0.05)；NLBP 组右侧竖脊肌的相对激活时间则大于正常组(P＜0.05)。见表2。

2.2 上肢外展时各肌肉相对激活时间的差异

上肢外展时，正常组右侧三角肌前束在主动肌(三角肌中束)之后激活，双侧多裂肌和双侧竖脊肌则提前激活；NLBP 组双侧多裂肌、右侧竖脊肌在主动肌之后激活，左侧竖脊肌和右侧三角肌前束则在主动肌之前激活。见表3。

表2 上肢前屈时两组肌肉相对激活时间比较(s)

两组内各个肌肉间相对激活时间比较均无显著性差异(P＞0.05)。见表3。

NLBP 组和正常组对应肌肉的相对激活时间均无显著性差异(P＞0.05)。见表3。

2.3 NLBP 患者疼痛程度、病程与各肌肉相对激活时间的相关性

NLBP 组疼痛程度与左侧多裂肌的相对激活时间呈正相关(P＜0.05)，与前屈时左侧竖脊肌(P＜0.05)、外展时右侧三角肌前束(P＜0.05)呈正相关。NLBP 组病程与右侧多裂肌的相对激活时间呈正相关(P＜0.05)。见表4。

3 讨论

本实验模型来自于Belen'kiĭ 的一个经典研究，通过让受试者快速向前平举手臂，发现腿和躯干的肌肉会因手臂的自主运动而提前发生活动，从而提出肌肉预先激活的概念[11]。在手臂发生活动前，腰腿部肌肉就产生激活，这被认为是面对可能发生的姿势干扰时，神经肌肉控制系统的代偿反应[12‑13]；是随意运动造成的内部干扰发生时，姿势肌肉基于心理预期活动的前馈控制(feed‑forward mechanism)的典型表现[14‑15]。本实验将手臂向前平举的速度减慢，以一个稳定均匀的速度将小质量哑铃平举过头，同样得出相似的结论。健康受试者两侧竖脊肌和同侧多裂肌均在主动肌(三角肌前束)之前激活，而对侧多裂肌及三角肌中束在主动肌之后激活。

Sadeghi 等[8]通过表面肌电结合脑电图研究在右侧上臂快速屈伸过程中的前馈反应及身体姿势的预调整，结果发现NLBP 受试者相较于正常受试者，其对侧腹外斜肌及双侧腹内/腹横肌表现出延迟激活，但背部肌肉未见明显延迟。但是有研究表明[16]，腰痛受试者腰骶区域肌肉活动增强，尤其是竖脊肌，导致腰椎和髋部运动减少，进而在平衡模式改变时，髋策略执行减少。本研究发现，NLBP 组与正常组相比，在上肢外展时，背部多裂肌及竖脊肌的相对激活时间未发现显著差异，我们推测腰痛患者可能更倾向于使用踝策略来对抗上臂外展引起的姿势体位变化。

Aruin 等[12]研究不同举臂方向和不同负重对肌肉预期姿势调节(anticipatory postural adjustments,APAs)和补偿姿势调节(compensatory postural adjustments,CPAs)的影响，发现前后方向的举臂活动造成的前馈控制效应强于侧位方向。这与本研究结果相符，本研究发现健康受试者手臂外展时，与主动肌(三角肌中束)相比，除三角肌前束外，其余肌肉(双侧竖脊肌和双侧多裂肌)均提前激活，但不同肌肉之间的相对激活时间不存在显著性差异。而前屈时，与主动肌(三角肌前束)相比，受试者对侧多裂肌激活时间显著长于其他肌肉，三角肌中束激活时间显著长于双侧竖脊肌。

本研究的主要目的是研究当人体的静态平衡改变时，NLBP 患者和正常人群的腰背部和上肢的肌肉激活时间是否存在差异。我们发现NLBP 患者的上肢前屈时，其右侧竖脊肌较正常人群延迟激活，而左侧竖脊肌和右侧多裂肌则存在延迟激活的趋势。在上肢外展时，NLBP 患者的双侧多裂肌和竖脊肌的激活时间与正常人群相比，虽然没有统计学意义，但存在延迟激活的趋势。

多裂肌的功能是通过产生压力的同时产生使腰椎伸展的力矩来稳定腰椎和骨盆区域[17‑19]。有研究通过记录受试者在俯卧伸髋时，臀大肌、半腱肌、股直肌、阔筋膜张肌、多裂肌、竖脊肌的肌电信号，分析各肌肉在运动过程中的激活时间及激活程度，并结合骨盆的运动学测量，发现双侧多裂肌与竖脊肌的延迟激活与骨盆前倾的增加呈显著相关；髋部的主动肌和拮抗肌之间激活程度的不平衡会增加腰椎‑骨盆区域的活动[20]，以上两个因素均增加了骨盆前倾的风险。另外，多裂肌对脊柱运动控制的精细调整有着重要作用[18,21‑22]。因此，NLBP 患者多裂肌的延迟激活会在姿势变化时降低腰椎的稳定性，而腰椎的不稳定反过来又加重腰痛症状[23‑24]，形成恶性循环。

表3 上肢外展时两组的肌肉相对激活时间比较(s)

表4 NLBP组VAS评分、病程与各肌肉相对激活时间的相关性分析(n=21)

本研究发现NLBP 患者的背部核心肌群的激活时间有延迟的趋势，因此，在临床实践中，建议治疗师考虑采用改变NLBP 患者肌肉激活模式的干预方案，增加多裂肌的训练。因为有研究指出，对某块肌肉进行强化训练可以提高肌肉的激活时间[25‑27]。

同时本研究存在以下局限。第一，受试者的年龄范围较窄，多集中在18～35 岁，因此实验结果不能完全反映不同年龄层的NLBP 患者腰背肌群的激活情况，在后续的研究中，可以完善受试者的招募，扩大样本量，注意各个年龄层分布比。第二，本实验NLBP 患者的疼痛多为双侧疼痛(13 例双侧疼痛，6 例右侧疼痛，2 例左侧疼痛)，需在后续的实验中进一步研究疼痛侧别对腰背肌群的激活时间的影响。第三，本研究仅对比在站立位静态平衡改变时，NLBP 患者与正常人的腰背肌群的激活时间的差异，未来可采集不同体位不同姿势，使人体平衡模式发生变化时，收集NLBP 患者腰背部核心肌群表面肌电信号，分析其激活时间的变化及差异。尽管存在这些局限，本研究数据表明，腰痛人群的腰背部核心肌群的激活时间有延迟的趋势，对康复从业人员制定治疗腰痛的运动处方，提供了理论依据。

综上所述，正常人群通过上肢的前屈和外展来改变静态平衡时，腰背部核心肌群会提前激活，而NLBP患者的核心肌群则有延迟激活的趋势。