基于仿真技術的腰椎間盤突出癥“經筋失衡”的研究

劉慧，沈國權，張喜林，周楠，楊曉偉，黃文杰

（1.青島大學附屬醫院中醫科，山東青島 266000；2.上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院推拿科，上海 200437；3.上海中醫藥大學附屬龍華醫院，上海 200032；4.上海交通大學，上海 200240）

腰椎間盤突出癥（lumbar disc herniation，LDH）為臨床常見病，是指腰椎間盤發生退行性變或外力作用引起纖維環破裂，導致椎間盤的髓核突出壓迫神經根和/或馬尾神經根而引起相應的臨床癥狀，如疼痛和運動功能異常等。中醫骨傷科學簡潔地將LDH發病機制概括為“筋骨失衡”理論[1]。《素問·痿論》說：“宗筋主束骨而利機關也”，認為經筋可起到維系、聯綴、支撐骨關節的作用，可見“經筋失衡”在LDH的發病中起主要作用。中醫的筋，為現代解剖學中的肌肉、韌帶、筋膜的合稱[2-3]，而中醫的經筋理論定位模糊，歧義較多，目前許多學者認為肌筋膜理論與經筋學說存在明顯相關性[4-5]，因此，本文從肌筋膜鏈角度入手進行整體研究。

人是一個統一的整體，骨、關節與肌肉組成人體運動系統，在神經支配下，完成人體的各種動作[6]，結構失衡會引起功能紊亂，表現為運動模式異常，如LDH患者的神經肌肉障礙及骨結構異常，導致肌肉募集模式及關節運動模式紊亂，臨床上多表現為步態異常[7-9]。LDH患者步態參數與功能障礙之間存在相關性[10]，步態參數可以反映肌肉功能異常，但由于實驗條件及技術的限制，目前對LDH步態分析的研究主要集中于運動學、足底動力學的研究[11-12]，對于步態過程中肌肉失衡的情況研究較少，表面肌電只能顯示部分肌肉的激活情況。因此，本研究擬通過現代仿真技術逆向分析LDH患者步態過程中的肌肉激活情況，以期進一步了解LDH患者的“經筋失衡”模式，以指導臨床康復和治療。

1 對象與方法

1.1 研究對象選取2015年8月～2016年10月在上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院推拿科門診及住院部接受治療的，經普通X線和臨床查體排除腰椎骨盆腫瘤、感染、畸形及先天性和外傷性等異常情況的20例LDH患者作為LDH組。另選取5例同期體檢正常的上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院職工（健康志愿者）作為正常組。

1.2 病例選擇標準

1.2.1 診斷標準 參照《中醫病證診斷療效標準》[13]中有關LDH的診斷標準：①有腰部外傷、慢性勞損或受寒濕史；②腰痛向臀部及下肢放射，腹壓增加如咳嗽、噴嚏時疼痛加重；③脊柱側彎，腰生理弧度消失，病變部位椎旁有壓痛，并向下肢放射，腰椎活動受限；④下肢受累神經支配區有感覺過敏或遲鈍，病程長者可出現肌肉萎縮，直腿抬高或加強試驗陽性，膝、跟腱反射減弱或消失，拇趾背伸或趾屈肌力減弱；⑤X線攝片檢查顯示脊柱側彎，腰生理前凸消失，病變椎間隙可能變窄，相鄰邊緣有骨贅增生；⑥CT或MRI檢查可顯示椎間盤突出的部位及程度。

1.2.2 納入標準 ①符合上述LDH診斷標準；②年齡在20～50歲之間，性別不限；③腰椎病變部位在腰4-5椎間盤和腰5-骶1椎間盤；④屬于后外側型LDH；⑤以腰部及單側下肢癥狀為主；⑥知情并同意參加本研究的患者。

1.2.3 排除標準 ①患有腰椎骨盆腫瘤、感染、畸形及先天性和外傷性疾病的患者；②妊娠期和哺乳期婦女；③患有精神性疾病，不能配合研究的患者；④不愿意參加本研究的患者。

1.3 實驗設備步態采集軟件：美國Motion Analysis公司的三維紅外步態測試系統及美國AMTI公司三維測力臺，由上海市岳陽中西醫結合醫院步態分析室提供。肌骨模型建模軟件：AnyBody 6.0.5人體建模仿真系統（丹麥Aalborg大學開發），由上海硅步科技有限公司提供。

1.4 研究方法

1.4.1 采集步態數據 測試前，受試者穿貼身背心和短褲，盡量暴露四肢和軀干，由同一工作人員在受試者身上取點，放置標志球，標志點（marker）位置參照美國Vicon公司Plug-in-Gait model選取。根據研究目的，減去胸骨劍突下標志點，增加腰椎骶骨周圍3個標志點（第3腰椎棘突左右各5 cm處及骶中棘中點），共計41個標志點。受試者在三維測力臺上自然來回行走，完整記錄受試者每側腳從著地至離地時地反力的數據；同時，三維紅外步態測試系統根據標志點采集受試者步態動作；數據存儲為C3D格式。

1.4.2 AnyBody骨骼肌肉模型建立與分析 采用AnyBody 6.0.5自帶模型庫中的Standing Model為基礎進行修改，根據患者的身高、體質量，利用考慮質量和脂肪比例的中國成人人體尺寸標準縮放函數Scaling Length Mass Fat進行模型的比例縮放，建立個性化模型。

將步態分析采集的C3D運動學數據中的每個點與已建好的AnyBody人體模型上的點建立關聯，驅動AnyBody人體模型，系統會自動計算每個關節處的關節凈力矩。由于關節凈力矩是關節周圍參與收縮肌肉力矩的矢量和，AnyBody系統會通過特定的關節周圍肌肉力量分配算法計算出每塊肌肉的張力。以AnyBody求解肌肉力，利用系統提供的最優化方案解決肌肉募集冗余問題[18]。優化標準以Hill模型為基礎，基于肌肉疲勞與其活動度直接相關的假設，保證最小疲勞程度。通過逆動力學計算，分別輸出步態過程中腰、骨盆及下肢相關肌肉力的生物力學參數。

1.4.3 觀察指標 肌肉力即運動過程中肌肉的激活狀態，用于表示肌肉的收縮情況；肌肉力峰值表示步態過程中肌肉最大收縮力，可反映肌肉功能狀態。選取肌肉中肌肉力最大的一束代表此肌肉的肌肉力。為減小體質量對肌肉力的影響，均取肌肉力與體質量的比值（N/kg）以減小誤差。為方便對眾多肌肉的觀察，根據肌肉鏈[14]及經筋理論，本研究將腰、骨盆及下肢觀察肌肉分為以下4組：①背側鏈肌群：比目魚肌[比目魚肌外側（SL）、比目魚肌內側（SM）]、腓腸肌[腓腸肌外側（GAL）、腓腸肌內側（GAM）]、半腱肌（SeT）、半膜肌（SeM）、股二頭肌[股二頭肌長頭（BFL）、股二頭肌短頭（BFB）]；②外側鏈肌群：腓骨短肌（PeB）、腓骨長肌（PeL）、臀小肌（GMi）、臀中肌（GMe）、臀大肌（GMa）、闊筋膜張肌（TF）、梨狀肌（Pir）、腰方肌（QL）、腹內斜肌（OIA）、腹外斜肌（OEA）；③前表鏈肌群：脛前肌（TA）、股內側肌（VaM）、股外側肌（VaL）、股中間肌（VaI）、股直肌（RF）；④深鏈肌群：脛骨后肌（TP）、髂腰肌（ILL）、長收肌（AdL）、大收肌（AdM）、短收肌（AdB）、閉孔內肌（ObI）、閉孔外肌（ObE）、背闊肌（Lad）。

1.5 統計方法采用SPSS 25.0統計軟件進行數據的統計分析。本研究計量資料呈非正態分布，故用中位數和四分位間距[M（P25，P75）]表示，組間比較采用非參數檢驗。所有檢驗均采用雙側檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 2組受試者的基線資料比較LDH組20例患者中，男11例，女9例；年齡為25～50歲。正常組5例受試者中，男3例，女2例；年齡為27～35歲。2組受試者的性別、年齡、身高、體質量、體質量指數（body mass index，BMI）比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。

2.2 正常組與LDH組兩側背側鏈肌群肌肉力峰值比較LDH組中，20例患者根據其癥狀可將其觀察肌肉分為健側肌肉和患側肌肉，以疼痛側為患側；正常組中，5例受試者均為右利手，故以此將觀察肌肉分為左側肌肉和右側肌肉，雙側進行組內和組間比較。正常受試者的左側肌肉和右側肌肉、LDH受試者的健側肌肉和患側肌肉步態周期中的肌肉力峰值比較如表1和圖1所示。結果顯示：正常組中，右側比目魚肌外側（SL）、比目魚肌內側（SM）肌肉力峰值小于左側（P＜0.05）。LDH組中，患側腓腸肌外側（GAL）、腓腸肌內側（GAM）、股二頭肌短頭（BFB）、半膜肌（SeM）肌肉力峰值小于健側（P＜0.05），且LDH組患側背側鏈肌群肌肉力峰值有小于健側的趨勢。

表1 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側背側鏈肌群肌肉力峰值比較Table 1 Comparison of the peak muscle force of the bilateralsuperficial back muscle chains in the normalgroup and LDH group [M（P25，P75），N·kg-1]

圖1 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側背側鏈肌群肌肉力峰值比較Figure 1 Comparison of the peak muscle force of the bilateralsuperficialback muscle chains in the normal group and LDH group

2.3 正常組與LDH組兩側外側鏈肌群肌肉力峰值比較圖2和表2結果顯示：正常組中，左右兩側外側鏈肌群肌肉力峰值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。LDH組中，健側與患側外側鏈肌群肌肉力峰值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；但外側鏈大部分肌肉如腓骨長肌（PeL）、腓骨短肌（PeB）、闊筋膜張肌（TF）、腰方肌（QL）、臀中肌（GMe）、腹內斜肌（OIA）的肌肉力峰值有較健側增大的趨勢。組間比較，LDH組的健側、患側QL均小于正常組左側（P＜0.05）。

表2 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側外側鏈肌群肌肉力峰值比較Table 2 Comparison of the peak muscle force of the bilaterallateralmuscle chains in the normalgroup and LDH group [M（P25，P75），N·kg-1]

圖2 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側外側鏈肌群肌肉力峰值比較Figure 2 Comparison of the peak muscle force of the bilaterallateralmuscle chains in the normalgroup and LDH group

2.4 正常組與LDH組兩側前表鏈肌群肌肉力峰值比較表3和圖3結果顯示：正常組中，左右側前表鏈肌群肌肉力峰值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。LDH組中，健側與患側前表鏈肌群肌肉力峰值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05），但患側前表鏈肌群肌肉力峰值均有大于健側的趨勢。組間比較，LDH組患側股外側肌（VaL）、股內側肌（VaM）、股直肌（RF）肌肉力峰值大于正常組右側，差異有統計學意義（P＜0.05）。

表3 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側前表鏈肌群肌肉力峰值比較Table 3 Comparison of the peak muscle force of the bilateralsuperficialfront muscle chains in the normalgroup and LDH group [M（P25，P75），N·kg-1]

2.5 正常組與LDH組兩側深鏈肌群肌肉力峰值比較表4和圖4結果顯示：正常組中，左右兩側深鏈肌群肌肉力峰值比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。LDH組中，除患側脛骨后肌（TP）肌肉力峰值小于健側（P＜0.05）外，其余深鏈肌群肌肉力峰值健患側比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。

表4 正常組與腰椎間盤突出癥（LDH）組兩側深鏈肌群肌肉力峰值比較Table 4 Comparison of the peak muscle force of the bilateraldeep front muscle chains in the normalgroup and LDH group [M（P25，P75），N·kg-1]

3 討論

3.1 中醫經筋理論對腰椎間盤突出癥（LDH）的指導意義《黃帝內經》曰：“骨為干，脈為營，筋為剛，肉為墻”；又曰：“宗筋主束骨而利機關也”，可見經筋起到維系、聯綴、支撐骨骼及運動關節的作用。根據中醫經筋理論，經筋是人體肌肉沿著身體經線而自組織起來的子系統，經筋之間“急縱失衡”可導致關節運動異常，出現運動模式改變。足三陽經筋、足三陰經筋均起于足，向上至腰，與LDH的發生有關。足少陰經筋有一段“循脊內挾膂上至項”，其分布區域包涵了部分維持脊柱功能的深層肌肉及韌帶，與椎間盤退變有關[18]。《靈樞·經筋篇》曰：“足少陰之筋……其病足下轉筋，及所過而結者皆痛及轉筋……故陽病者腰反折，不能俯，陰病者，不能仰”；“足太陽之筋……其病小趾支跟腫痛，腘攣，脊反折”；“足少陽之筋……其病小指次指支轉筋，引膝外轉筋，膝不可屈伸，腘筋急，前引髀，后引尻”；“足陽明之筋……其病足中指支脛轉筋，腳跳堅，伏兔轉筋，髀前腫”，這些描述與LDH腰腿痛的癥狀完全契合。故從筋骨理論角度，LDH其病之本在筋，病之標在骨，病位在脊柱，發病與經筋關系密切[15]。由此可見，中醫經筋理論可指導LDH的臨床辨證。

基于此，本課題組從肌筋膜理論角度入手研究經筋，將研究的肌肉從肌筋膜鏈[14]的角度進行經筋分類（如圖5所示）：其中足太陽經筋與背側鏈大部分重合，足陽明經筋與前表鏈基本重合，足少陽經筋與外側鏈大部分重合，足少陰經筋與前深鏈大部分重合。

圖5 人體肌筋膜線示意圖Figure 5 Illustration of the human myofascial muscle chains

3.2 LDH患者存在“經筋（肌肉鏈）失衡”模式對足太陽經筋（背側鏈）肌群的研究結果顯示，LDH患者患側背側鏈肌群均有減小趨勢，其中腓腸肌內外側、半膜肌、股二頭肌短頭兩側肌肉失衡顯著（表1和圖1）。肌電圖常用于輔助LDH的診斷，了解神經根損害程度和神經肌肉功能狀態，用來反映神經肌肉功能狀態[16]。穆景頌等[17]通過表面肌電發現L5/S1的LDH患者患側腰部豎脊肌和腓腸肌內側頭肌力和抗疲勞程度下降。柳三鳳等[18]通過肌電發現LDH患者趾短伸肌、腓腸肌內側、脛前肌、腓腸肌、股二頭肌、半腱肌、比目魚肌、脛后肌、臀中肌、臀大肌等肌肉出現不同程度的神經功能異常，表明LDH患者可出現腰及下肢神經肌肉功能異常。本研究結果顯示背側鏈肌肉功能降低，說明這可能與坐骨神經功能障礙有關。

對足少陽經筋（外側鏈）和足陽明經筋（前表鏈）肌群的研究結果顯示，LDH患者患側外側鏈肌群大部分肌肉（腓骨長肌、腓骨短肌、闊筋膜張肌、腰方肌、臀中肌、腹內斜肌）和患側前表鏈肌群肌肉力峰值有較健側增大的趨勢（表2、3和圖2、3），且LDH患者兩側股四頭肌肉力均有較正常人增大趨勢。Lund J P等[19]認為，急性疼痛時局部穩定肌代償以保護受傷部位，通過動作代償而對疼痛產生保護性適應會造成關節活動度降低和動作模式改變，因此提出了疼痛適應模式。實驗證明，疼痛可引起拮抗肌肌電圖活性增高和激動肌活性降低，表明這可能是肌肉疼痛的保護性適應[20]。LDH患者腘繩肌疼痛，腘繩肌后伸髖關節，闊筋膜張肌、臀中肌屈曲髖關節是其拮抗肌，故張力增大以維持髖關節屈曲狀態，而梨狀肌以外旋、外展髖關節為主，所以梨狀肌有活性降低趨勢。股四頭肌與腘繩肌分別位于股骨的前后側，維持大腿冠狀面的平衡，互為拮抗肌；LDH患者股四頭肌肌肉活性增強，可使髖關節屈曲。臨床亦發現，LDH患者患側髖關節有屈曲內旋的表現，而健側股四頭肌亦增強，這也證明肌肉功能紊亂既可發生在出現癥狀的一側，又可發生在對側[21]。LDH患者兩側腰方肌肌肉功能均較正常人降低，可能與LDH患者腰部保護性側彎減少活動有關。

對足少陰經筋（深鏈）肌群的研究結果顯示：LDH患者深鏈肌群中脛骨后肌肌肉力有減小趨勢（表4和圖4），LDH患者肌電檢查可有異常表現[18]。臨床發現，LDH患者脛后肌常存在激痛點。深鏈肌群對于穩定身體的支撐功能起重要作用，本研究正常組受試者均為右利手，即左側為穩定側，LDH患者由于疼痛，健側多起支撐穩定作用，結果顯示正常人左側和LDH患者健側深鏈肌群長收肌、閉孔外肌、閉孔內肌肌肉力均有較對側增大的趨勢。

另外，右利手[22]、優勢足問題可使運動性能參數在人體中產生正常傾向性變化，并出現運動學特征差異[23-24]，這解釋了正常受試者的兩側肌肉力亦存在一定程度差異的原因。

綜上所述，LDH患者兩側肢體存在肌肉失衡狀態，以患側足太陽經筋（背側鏈）和足少陰經筋（脛骨后肌）肌群肌肉力減小、足少陽經筋（外側鏈）和足陽明經筋（前表鏈）肌群肌肉力增大為特征。

3.3 本研究對臨床的啟示臨床發現LDH患者恢復期癥狀恢復較慢，或會遺留慢性腰痛。這可能與疼痛引起肌肉適應性變化有關，即動作模式改變，在急性疼痛向慢性疼痛過渡的過程中常常被忽略[20]。本研究總結了LDH患者肌肉失衡模式的一般規律，為臨床診療過程提供了新的思路。根據中醫經筋理論中的經筋病，研究顯示LDH表現為足太陽經筋“筋弛”，足陽明經筋、足少陽經筋和足少陰經筋存在一定程度的“筋急”；肌肉功能在經筋理論中常以“筋急”和“筋弛縱”來表示，前者是對肌張力或肌收縮力增高的表述，而后者則是對肌張力或肌收縮力降低的描述。手法治療的實施是為調整肌肉失衡或經筋失衡，那么根據中醫辨證施治的“損有余，補不足”原則，對于“筋急”的肌肉應采用抑制性手法，而對于“筋馳”的肌肉則應采用興奮性手法，才能取得更好的治療效果。目前手法治療主要作用于足太陽經筋，卻忽視了疾病發展過程中其他經筋循行上激活性增高的肌肉。若不及時處理這些肌肉，異常運動模式可能很難糾正，即可導致病程的遷延。本課題的研究方法可以更好地分析LDH患者肌肉失衡情況，能對受試者做出客觀、量化、細致、準確的評定，有著重要的實用價值和廣泛的應用前景。