表面肌电技术在青少年特发性脊柱侧凸中的应用进展

胡丽杰，李耀民，王连成

青少年特发性脊柱侧凸 （adolescent idiopathic scoliosis，AIS） 是指从10 岁开始直至骨骼成熟期间，脊柱侧凸角度（Cobb 角）≥10°且没有明确病因所引起的脊柱畸形[1]。该疾病的发病率在1.5%～3.0%，女性多于男性[2～4]，且在生长期有持续进展的风险[5，6]，是严重危害青少年身心健康的骨科疾病之一。目前，治疗AIS 有多种手段，对于轻度、骨骼接近成熟的AIS患者可采取定期观察、运动体操、电刺激等预防措施，对轻中度、外观畸形明显的AIS 患者多采用支具治疗，而对于度数较大且持续进展的患者则采取手术治疗[7～9]。一旦诊断为脊柱侧凸，患者则需长时间定期拍摄X 射线片以监测侧凸进展变化。同时运动疗法、推拿牵引等是否有效、支具治疗是否可以延缓其进展、手术治疗后能否会持续保持效果等存在一定的争议。AIS 治疗难度大，具有挑战性是因其发病及进展因素不明，AIS 患者基因染色体、生长发育、激素代谢、神经肌肉系统等存在异常，可能是多种因素综合作用引起的一种复杂性疾病[10，11]。尽管AIS 被定义为在没有任何相关肌肉骨骼疾病情况下的脊柱弯曲，但多数关于AIS 病因假说和推测都涉及神经肌肉理论。其中有学者发现AIS 患者的椎旁肌与同龄正常人在结构功能存在不同[11]，因此椎旁肌结构功能的改变可能会诱发和加重脊柱侧凸，而这需要一个简便、精密、安全、客观的指标评价椎旁肌的功能活动。

目前，表面肌电（surface electromyography，sEMG）技术多应用于偏瘫、下腰痛、脑瘫、尿失禁等疾病，其他系统的疾病研究较少。近年来，sEMG 技术在AIS领域的研究日益增多，并受到广泛关注。在中国国内，利用此技术在AIS 领域尚处于起步阶段，鲜见相关文献综述。笔者通过查阅国内外关于sEMG 技术对AIS患者的相关研究，希望能为国内的相关研究提供一定参考，并为临床评估治疗提供新思路。

1 肌肉失衡假说

椎旁肌改变被认为是AIS 发病和进展的可能因素之一[10，11]。椎旁肌主要是由背阔肌、棘肌、多裂肌等肌肉组成，有着维持运动功能、辅助呼吸、保证脊柱柔韧性等作用。因此椎旁肌的改变会影响脊柱功能。有学者提出在AIS 患者侧凸角度进展中的可能机制为肌肉平衡力量维持脊柱稳定性，当发生AIS 时，凸侧肌肉处于恒定张力下，出现纤维化，而凹侧肌肉过度拉伸脊柱，使得肌肉出现塌陷、肌浆溶解及肌纤维断裂等改变，以顶椎部位最为明显。凹凸侧肌肉过度消耗，打破肌力均衡状态。而当力量不足时，侧弯由于内在的旋转不稳定性使角度增大[12]。而随着不平衡加剧，侧凸进展，继而引起高低肩、肋骨隆凸等一系列体态变化，对青少年造成腰背部疼痛、外观畸形等问题。早在20世纪60年代，已有学者首先证实了AIS 患者椎旁肌存在神经电生理方面的不对称性问题[13]。多数研究认为AIS 椎旁肌肌电活动增加主要表现在凸侧[14，15]。而在组织形态上也存在同样表现，Stetkarova I 等[14]在AIS 患者的组织学检查中发现椎旁肌的肌纤维再分布发生了显著变化，脊柱弯弧凸侧的优势纤维为Ⅰ型纤维（慢肌纤维）。通过超声检查测量，发现行矫正手术前的AIS 患者中，凹侧椎旁肌周长及横截面积显著高于凸侧[16]。此外较低的骨骼肌体积和较高的多裂肌、竖脊肌脂肪变性与AIS 患者在成年期的胸腰/腰曲线进展有关[17]。研究提示AIS 患者存在椎旁肌不平衡现象，在电生理、纤维含量、组织形态等也多有表现。椎旁肌不对称改变及活动异常导致脊柱姿势和运动控制不协调，继而影响青少年的活动能力，活动能力的降低则会加剧肌肉的不平衡性和失调，从而形成恶性循环。sEMG 技术可定量、定性分析肌肉活动变化，从而制定更具有针对性的治疗方案。

2 表面肌电技术概述

sEMG 技术通过表面电极采集目标肌肉活动下原始神经肌电信号，再用不同的转化方式，从而得出目标肌肉的募集能力、疲劳程度、收缩能力等特征，从而记录肌肉的活动状态，对肌肉活动进行定性、定量分析。早在19世纪早期，Carlo M 使用检流计检测并证实蛙类肌肉收缩时存在动作电位。1922年，美国神经生理学家采用新发明的阴极射线示波器在肌肉活动观察到生物电的变化，证实肌肉活动与肌电有着密切的联系[18]。在随后的发展中，sEMG 技术有着持续的改进。电极引导方法主要发展为针极肌电图（needle electromyogram） 和表面肌电图 （surface electromyogram）两种；检测技术由有线传输到无线传输，由“点探测”的信号采集到“面探测”的阵列式sEMG；信号分析由传统的线性分析到非线性及图象分析；测试方法也更加多样化，应用范围更是涉及到临床医学、康复医学、人体工程等领域，并联合其他检测手段如步态分析、平衡测试、脑电图等共同探测神经肌肉活动。

sEMG 信号分析和特征提取主要集中在时域指标和频域指标。时域指标主要包括标准化平均表面肌电（average surface electromyography，AEMG）值、积分肌电 （integrated electromyogram，iEMG） 值、均方根（root mean square，RMS）值等，这些参数的变化主要反映外周运动单位参与肌肉活动的数量、激活模式、肌肉协调性及同步化等。频域指标分析主要应用了快速傅里叶转换而获得的肌电信号的频谱或者功率谱，然后通过计算获取其中的参数，如中位频率（median frequency，MF）、平均功率频率（mean power frequency，MPF）及衍生指标MF 斜率、MPF 斜率，这些参数则反映了外周神经的疲劳性和不同类型运动单位参与活动的比例等[19]。

3 表面肌电技术在青少年特发性脊柱侧凸中的应用

3.1 预测青少年特发性脊柱侧凸进展风险

AIS 广泛发生于青少年生长发育阶段，且在骨骼发育成熟前，侧凸角度有增大的风险[20]。因此预测患者进展风险，以进行治疗干预，避免曲线进一步发展，具有较好的临床意义。Cheung J 等[21]对27 例AIS 患者进行阶段性的X 射线片和sEMG 检测，发现患者顶椎水平都显示凸侧肌肉的sEMG 活动增加。并得出当凸侧和凹侧的肌电活动比率为1.25 时，进展的可能性为68.9%。而当脊柱生长速度为15 mm/年，且肌电比值为2 时，其进展的可能性为89%。且只有进展型AIS 患者存在下端椎水平两侧肌电活动的差异，而未进展的患者肌电比值无明显差异[22]。因此将脊柱生长率和肌电信号差异率相结合可以预测AIS 进展情况，避免产生更大的危害。患者多表现凸侧肌电活动高于凹侧，有学者[14]认为这种现象可能是对凸侧肌肉更高负荷需求的二次适应，且与曲线进展有关。椎旁肌肌电活动不平衡同时也是脊柱侧凸的预测因子[23，24]，AIS 患者椎旁肌AEMG 比值与Cobb 角呈正相关，Cobb 角越大，凹凸侧的肌电差异越大，失衡越明显。Cobb 角的大小影响腰背部肌肉的协调性，凸侧sEMG肌电数值会随着Cobb 角的增大而加强[25～27]。

通过sEMG 监测椎旁肌肌电的比值变化，预估AIS 进展力，可为患者提供合理的治疗计划，同时也可减少患者拍摄X 射线片的频率。但AIS 的进展受生长速率、激素、内分泌等多种因素的影响，因此将sEMG 与其他影响因素相结合，可有效地评估其进展力。

3.2 青少年特发性脊柱侧凸平衡能力分析

AIS 患者脊柱形态发生改变，这同时影响了脊柱两侧的肌肉活动模式与协调能力，在身体平衡稳定活动中肌肉激活及发力次序有异于健康同龄人。AIS 患者稳定性及平衡能力降低，有中等跌倒的风险[28，29]。杜青等[29]研究发现当去除视觉、听觉干扰时的不稳定站立位，更易激活AIS 患者凸侧顶椎水平椎旁肌的活动水平。此外，骨盆高度的不同及脊柱侧凸的区域和方向也会影响压力分布，造成腹外斜肌、竖脊肌、腰多裂肌的不对称肌肉活动模式[30]。椎旁肌是被认为是脊柱姿势的感应和效应装置，在维持脊柱的生理状态和适应病理状态中起重要作用，具有稳定脊柱平衡、调节脊柱活动的能力[31]。而AIS 患者凹凸侧肌肉活动不对称改变了肌肉活动模式，导致AIS 患者平衡能力的降低。同样，步态运动也会发生相应的改变。Garg B 等[32]在步态过程中观察到，AIS 患者步速、步幅、步长、步态偏差指数（gait deviation index，GDI）和步态轮廓分数（gait profile score，GPS）均低于健康受试者，同时竖脊肌和下肢肌肉的肌电激活峰值与健康同龄人存在差异。但术后AIS 患者下肢的步态运动没有受到手术的影响，并且腰部椎旁肌的双侧肌电激活持续时间显著缩短[33]。步态的改变源于脊柱结构的改变，由于AIS患者病史不一，因此病程的长短及侧凸严重程度可能对步态产生一定影响。

脊柱畸形会引起骨盆及下肢步态的变化，从而影响AIS 患者的平衡能力。sEMG 技术可分析竖脊肌及下肢肌肉功能变化从而发现AIS 平衡能力的改变。但AIS 患者平衡功能异常是疾病继发性结果还是疾病原发性因素，目前尚无定论。

3.3 监测青少年特发性脊柱侧凸治疗效果

sEMG 能够反映疗法在治疗前后肌肉功能活动的状态，可通过时域指标AEMG、iEMG、RMS 等比值计算两侧椎旁肌的协调性。目前，AIS 的治疗方法主要有运动疗法、功能性锻炼、牵引、支具、中医推拿和手术等[34～37]。每种方法有其自身的特点和优势，而sEMG 可作为评估治疗效果的手段之一。Lu WW 等[38]用sEMG 评估手术前后肌电信号的变化，发现术前脊椎两旁肌肉明显不对称，在手术治疗后能够减少肌肉的不对称性，但并没有恢复正常。表现为胸段脊椎旁肌肉有较低的肌电信号，而腰段的肌电信号较高。在脊柱手术过程中，sEMG 同时也可作为一种监护手段，最大限度保护脊髓神经功能[39]。宋圣阁[40]则采取中医综合疗法（脊柱平衡导引、脊柱平衡推拿、小针刀），对106 例AIS 患者进行肌电检测，在治疗2年后AEMG 比值持续减小，趋向于1，表明凹凸两侧的肌张力趋于平衡，而佩戴支具的患者AEMG 比值增加。支具作为疗法之一，其治疗效果是肯定的。支具根据侧凸曲线对身体外部施加压力，以此矫正侧凸，重获身体平衡。因其压力的施加，躯干肌为对抗压力在短期内发生变化，而对于中度AIS 患者，支具治疗配合康复训练是保守治疗中相对安全且有效的选择。目前还未有文献利用sEMG 技术对牵引、功能性锻炼等疗法进行评估。

当前，对AIS 腰背部肌肉评估姿势未统一化，常用的方法有Biering Sφrensen 测试（Biering-Sφrensen test，BST）、头后顶墙[25]等静态耐力性试验目的是使肌肉做最大等长收缩。此外，还有拾物动作、臀桥等动作测试目的是评估肌肉的协调力和控制力。电极片的贴片位置、贴片组数、测试设备也不尽相同，这限制了不同个体间结果的比较。采用何种手段和如何贴放电极片来评估AIS 患者椎旁肌功能目前尚无定论，但有学者提出，应采取两种及以上的检测方法及采用多组电极片对AIS 患者椎旁肌进行评估和检测，以此得到更为可靠客观的结果[27]。

3.4 辅助青少年特发性脊柱侧凸康复治疗

AIS 患者常常会出现高低肩、长短腿、骨盆侧倾及背部隆起等体态现象，这对正处于青春期的患者造成心理负担。有学者提出自我矫正训练，从而纠正AIS 患者异常的姿势活动、提高身体稳定性和运动控制能力，但这需通过特定的方式来学习[41]。表面肌电图与生物反馈系统相联合可将sEMG 信号放大，并以视觉、听觉等方式反馈受试者，从而监测肌肉活动，辅助康复治疗[42]，又被称为表面肌电生物反馈（surface electromygraphic biofeedback，sEMGBF）。Kwok HCG[43]开发了基于sEMG 信号同步的传感背心，用于早期AIS 患者的姿势训练。鼓励患者通过使用与姿势监测传感器同步的sEMG 信号训练软件来管理肌肉活动。在经过30 d 的姿势训练后，大多数患者能够以较低的肌肉活动信号参与活动，脊柱两侧肌肉相对更加平衡，从而更有效地提高其运动控制和协调能力。此外，有学者对日常生活动作进行分析，以此观察AIS 患者分别在习惯性姿势与矫正姿势下的肌电数值的变化。Kwok G 等[44]利用sEMG 对26 例AIS 患者习惯性站立和静坐时的肌肉活动进行了全面的评价，发现习惯性姿势中椎旁肌的凸侧往往比凹侧具有更强的肌电值，而凹侧具有较低的生物电活动。这影响了椎旁肌的活动，造成了肌肉损伤。但是当要求患者进行治疗师建议的站姿和坐姿，保持身体端正笔直，并记录椎旁肌的肌电信号，发现脊柱两侧的脊柱旁肌肉能够达到更平衡的状态。在动作选择中，Ko JY 等[45]做了一项测试，对AIS 患者非对称性脊柱稳定训练中双侧竖脊肌、腹直肌、腹外斜肌的肌肉激活模式进行了监测研究，发现非对称运动可引发加强一侧椎旁肌和腹部肌肉活动，故认为可以根据AIS 患者曲线模式选择性地加强弱侧肌肉，从而使两侧椎旁肌力量达到平衡。sEMGBF 作为一种非侵入性干预，通过监测自身肌肉活动来训练特定区域肌群以改善症状是具有可行性的[46]。

AIS 患者在日常生活中可通过使用sEMGBF 作为肌肉康复工具学习正确的姿势或特定的运动[47]，从而使脊柱两侧肌肉达到平衡，改善异常。但目前对sEMGBF 的文献研究较少，不能确定其有效性。但可以作为辅助治疗AIS 的一种方法。因为反馈不能直接影响目标身体功能，所以在治疗中提高效率、保持患者的积极性和依从性是非常有必要的。同时也存在设备损耗、不便捷等问题。如何利用肌电辅助患者训练，需要进一步探讨及深入研究。

4 展望

现有的研究肯定了sEMG 技术的应用价值，但目前对AIS 患者肌电的相关研究多为低证据研究，缺乏高质量的随机对照试验，因此sEMG 技术的临床应用价值需要进一步验证。但其作为一种无创检查，能够动态监测肌肉收缩时电生理活动，定量分析肌肉的功能状态，为临床医生和研究人员提供了便利。通过对AIS 患者腰背部及腹部肌肉的检测能够分析肌肉活动状态，从而预测进展风险，强化肌肉训练，指导日常生活活动等。另外，sEMG 技术还可以联合步态分析、平衡仪等共同检测分析AIS 患者的运动机制。sEMG技术的最终目的是指导康复和治疗，利用此技术制定个体化的最优康复治疗方案是需要解决的问题。