基于竖脊肌高密度表面肌电变化的军事训练性下腰痛核心稳定训练疗效评价

侯振海,陈宣辰,金文光,郝增明,周爱斌,葛云林,赵志芳,卢一生,姚 远

1.解放军联勤保障部队第903医院骨科,杭州 310004; 2.浙江大学信息与电子工程学院,杭州 310027; 3.中山大学第一附属医院,广州 510275; 4.94865部队医院,杭州 310002; 5.解放军联勤保障部队第903医院急诊科,杭州 310004

下腰痛(low back pain,LBP)是以腰骶部及两侧臀部区域疼痛为主要症状的综合征,是所有健康问题中最常见和造成功能障碍最多的问题之一[1],同时也是我军官兵军事训练中最常见的疾病之一[2-3]。腰部肌肉是维持脊柱动态稳定的重要因素,腰部肌肉稳定系统的破坏与腰部慢性疼痛及腰痛反复发作有关。表面肌电(surface electromyography,sEMG)作为一种简单、无创性的肌肉活动检测技术,已经广泛应用于腰痛患者,但传统的电极片收集的肌电信号较少,不能克服电极片位置和电极间距等因素对腰部肌肉功能评价的影响。近年来高密度表面肌电信号(high density surface electromyography,HDsEMG)朝向多通道、阵列式发展[4-5],通过紧密相连的电极阵列来获取表面肌电信号的空间拓扑分布,提供肌纤维兴奋传导速度和肌肉活动的空间分布等重要信息,从而更准确地评价神经肌肉系统的功能状态。本研究前瞻性分析核心稳定性训练对地面机务人员竖脊肌HDsEMG的影响,为建立客观有效的LBP疗效评价方法提供依据。

资料与方法

1 一般资料

本研究时间为 2021年5—10月,选择某空军飞行旅219名机务人员(机务人员担负着战斗机维修、保养及保障飞行训练安全的重要任务,工作强度大,下腰痛发病率较高),自制下腰痛问卷调查表,进行集中填写问卷,记录一般情况及下腰痛相关内容。发放问卷219份,回收219份,回收率100%(合格率100%)。共有52名机务人员诊断为非特异性下腰痛[6](诊断标准:排除已知疾病或病理变化所导致的腰部、骶部疼痛或不适感并可伴或不伴有下肢放射痛的疾病),发病率为23.7%。随机数字表法选取其中40名患者纳入本研究(便于开展训练分组及统计分析)。纳入标准:(1)年龄≥18岁;(2)正常参加军事训练和机务工作。排除标准:(1)X线片、CT及MRI检查诊断为腰椎间盘疾患、腰椎滑脱、峡部裂等脊柱疾患;(2)由肿瘤、感染、代谢性疾病、盆腔内脏疾病、骨折等引起的下腰痛;(3)腰椎手术史。按随机数字表法分为核心稳定性训练组及对照组各20例。两组患者一般资料比较差异无统计学意义(P>0.05),见表1。本研究获解放军联勤保障部队第903医院医学伦理委员会批准(20210308/03/01/002),所有患者签署知情同意书。

表1 两组患者一般资料比较

2 训练方法

所有人员参加军事训练大纲中共同科目的正常训练,训练组在共同科目的训练之后,再增加核心稳定性训练,而对照组则不进行核心稳定性训练。本课题研究人员到驻地部队给带兵班长及医院军医进行讲课培训,传授核心稳定性训练的方法,同时定期到干预现场进行指导。自行设计的核心稳定性训练具体方法如下:(1)俯卧床上去枕,双手向前平举,用力挺胸抬头,使头胸离开床面;同时膝关节伸直,两大腿用力向后也离开床面(图1a),持续5s后放松休息5s,重复10次。(2)仰卧床上,去枕屈膝,双肘部及背部顶住床,腹部及臀部向上抬起,依靠头部、双肘部和双脚这五点支撑起整个身体的重量(图1b),维持5s后放松躺平休息5s,重复10次。(3)多裂肌平衡训练:膝手跪位,同时抬高一侧下肢和对侧上肢并与躯干呈同一水平面(图1c),维持30s,放松在对侧重复此动作,每侧各做10次。(4)侧方搭桥运动:侧卧位,下方肘关节屈曲90°作为支撑,上方的手自然伸直置于体侧,双下肢伸直,以下方手、肘和足部作为支点,缓慢撑起躯干,至双下肢、躯干和头在同一直线上(图1d),维持10s后缓慢复位,重复10次。每天训练1次,时间约30min,于每日的20:30—21:30间进行,持续12周。训练期间两组均不给与非甾体类抗炎药物及其他镇痛药物,不接受物理治疗及其他腰背肌训练。

图1 a～d.核心稳定性训练示意图

3 测试指标

受试者做1min的Biering-Sorensen测试,尽量保持躯干平行于地面,骨盆及以下部位固定,两手置于身体两侧,上身悬空,竖脊肌对抗受试者自身髂前上棘以上体质量(图2a)。使用自行设计的高密度表面肌电电极阵列(专利号ZL 2014 1 0469846.X)分别置于左右两侧竖脊肌,远端边缘对应髂棘水平,内侧边缘距脊柱中线20mm(图2b),收集1min肌电信号。视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)[7]评定受试者腰痛疼痛程度(0～10分)。Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability index,ODI)[8]评定受试者功能障碍情况,本研究删除性生活状况选项,所得分数越高表明功能障碍越严重。所有受试者在训练开始前及12周后各进行1次评估。

图2 a.Biering-Sorensen测试示意图;b.高密度表面肌电电极位置

4 统计学分析

采用自行研制的“多通道生物肌电监测软件 V2.5”(登记号 2016SR028677)对每一个通道的肌电信号特征值进行线性回归分析,计算各自的变化斜率并进行标准化,然后对左右两侧分别进行平均化,获得中位频率斜率(median frequency slope,MFs)以评估竖脊肌疲劳特性。应用SPSS 22.0统计软件对训练前后两组的MFs、VAS及ODI进行重复测量资料方差分析,比较两组间差异,并采用两组间多重比较方法,比较特定时间点两组间差异。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

两两比较显示,训练前两组MFs、VAS、ODI比较差异无统计学意义(P>0.05)。重复测量资料方差分析及组间多重比较显示,训练后两组MFs、VAS、ODI比较差异有统计学意义(P<0.05),时点、组间、交互比较,差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

表2 两组患者训练前、后MFs、VAS、ODI比较

讨 论

空军地面机务人员担负着战斗机维修、保养及保障飞行训练安全的重要任务,工作强度大,下腰痛发病率较高,关于机务人员下腰痛防治措施的报道较少,局限于药物治疗、物理治疗及腰背肌锻炼等。目前认为腰部核心肌群失活或延迟激活是引起腰椎不稳定、产生下腰痛的重要因素之一[9]。竖脊肌为脊柱后方的长肌,起自骶骨背面、腰椎棘突、髂嵴后部及腰背筋膜,上达枕骨后方,填于棘突与肋角间的沟内。肌束向上,由内到外逐渐分为并列的三个纵行肌束,内侧为棘肌,中部为最长肌,外侧为髂肋肌。竖脊肌为腰背肌中最长最强有力的脊柱伸肌,是腰背浅层核心肌群,主要作用是牵引脊柱后伸和加强椎骨之间的稳定性,是维持脊柱稳定、人体直立姿势的重要结构。针对其功能评估多采用Biering-Sorensen测试:受试者上身悬空,骨盆及以下部位固定,两手置于身体两侧,利用竖脊肌的等长收缩尽量保持躯干平行于地面,本测试具有良好的可信度[10-11]。

sEMG是神经肌肉系统活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,作为一种简单、无创性的检测肌肉活动的技术,已经广泛应用于腰痛患者的检测[12],但具有较大的随机性和不稳定性。使用传统的电极片不能克服电极位置和电极间距等因素对腰部肌肉功能评价的影响,无法清楚地获取腰部肌肉活动的空间分布及变化信息。HDsEMG基于其高分辨率的优点,可以很好地解决电极放置位置和电极间距等问题,而且还提供肌纤维兴奋传导速度和肌肉活动的空间分布等重要信息,从而更准确地评价神经肌肉系统的功能状态[13-14]。本研究中HDsEMG采集系统基于模块化分层架构、异步采集和同步聚合方法、双缓存和时隙切换的实时肌电采集模式,实现了128通道1kHz采样率的16位精度的sEMG信号的实时采集、处理和传输,在通信周期为50ms条件下,通道之间的同步误差<320μs,刷新率可达20Hz,系统的平均延时<80ms,提高空间分辨率,弥补了传统表面肌电的不足。MFs指标反映了肌肉活动的抗疲劳性,MFs的绝对值越小代表肌肉的抗疲劳性越强[15]。本研究显示:12周核心稳定性训练可以提高下腰痛患者的竖脊肌抗疲劳性。在目前缺乏定量观察指标的情况下,HDsEMG有望成为下腰痛诊断和疗效评价的客观指标。

在腰痛的治疗中,运动疗法扮演着重要的角色,核心稳定性训练是针对核心区域肌群(腹部、下背部、骨盆部肌群)及其深层小肌群进行的力量、稳定、平衡等能力的训练,可以增加腰背部和腹部核心肌群肌梭的反射性活动,并通过Ⅰa型感觉神经纤维迅速传入脊髓的α运动神经元,提高大脑运动皮层的兴奋性,激活潜在的运动单位,募集更多运动单位参与肌肉收缩,提高肌肉间协调能力,缓解腰背部肌肉群的紧张状态,减轻腰部疼痛[16]。有不借助器械的单人练习,也可以使用各种辅助器械如瑞士球、悬吊带等。在部队的日常训练和工作中开展器械训练难度较大,如何保证官兵有足够的时间和精力来完成核心肌群训练具有一定难度。为此笔者制定了核心肌群锻炼方法,每次不超过30min,包括俯卧位、仰卧位、竖脊肌平衡和侧方搭桥四个动作,简便易行,强调将躯干部作为一个圆柱体,对躯干前方、后方和两侧肌肉开展核心肌群力量训练,注重强度渐增、由静态到动态的训练方法,要求严格控制身体姿态。本研究选用的VAS和ODI是目前公认的评估腰痛的两种不同方法,VAS侧重自我感觉疼痛水平,将患者的主观感觉量化;ODI反映患者的功能障碍情况,两者结合可以较为全面地评估治疗效果[7-8]。本研究结果可以看出,核心肌群训练组在12周训练后VAS和ODI得分均明显下降,运动干预可以很好地降低下腰痛患者的疼痛程度,提高他们的日常生活能力。

本研究由于受测单位人员的限制,样本量较小,在后续研究中笔者拟在更多不同军事训练单位开展相关研究,增加样本量以得到更加准确的研究结论。同时在本研究进行过程中,笔者针对基层卫生队提出帮助建设、完善功能康复室的建议,对基层军医及卫生员进行定期培训,以期能够时刻为官兵提供康复指导。

作者贡献声明：侯振海:研究设计、数据收集整理、论文撰写;陈宣辰:数据统计分析、论文撰写;金文光、郝增明:数据收集、统计分析;周爱斌、葛云林、赵志芳、卢一生:收集整理病例资料;姚远:研究设计、论文审定