基于EIM的腰肌狀態(tài)對稱性檢測技術(shù)研究

史婧婷，徐攀，莊源東，高躍明

福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116 ；2.福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 神經(jīng)外科，福建 福州 350001

引言

流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，下腰痛（Low Back Pain，LBP）是全球主要致殘慢性病之一，終生流行率高達65%～85%，嚴重增加了社會負擔(dān)[1-2]。腰肌不對稱性可能加重脊柱不穩(wěn)，并加速腰部病情發(fā)展[3]。腰肌不對稱狀態(tài)檢測可以幫助預(yù)防早期沒有明顯病理體征的LBP。對早期LBP實施適當(dāng)?shù)闹委熁蚩祻?fù)措施可以防止疼痛惡化[4]。因此，檢測腰肌不對稱狀態(tài)對LBP的預(yù)防與康復(fù)具有重要意義。

現(xiàn)有腰部肌肉狀態(tài)檢測的相關(guān)技術(shù)較多，如MRI等臨床影像學(xué)方法可為臨床診斷提供客觀影像學(xué)依據(jù)，但腰痛剛形成或處于初期階段時，難以通過影像學(xué)方法檢測出來[5]。而表面肌電信號信號微弱、受外界影響干擾大，必要時需采用有創(chuàng)針肌電圖[6]。研究表明，新技術(shù)肌阻抗圖（Electrical Impedance Myography，EIM）可通過四電極將高頻、低強度電流施加到感興趣的肌肉或肌群上，并測量產(chǎn)生的電壓幅度、相位，非侵入式的評估神經(jīng)肌肉疾病和肌肉疲勞程度[7-8]，是腰肌功能評估與腰肌健康狀態(tài)檢測的有效手段。

由于EIM依賴組織層的局部電流流動[9]，電極會影響電流密度在其中的分布，因此電極是影響EIM檢測的重要因素之一。目前對于EIM電極的優(yōu)化大多數(shù)是針對肢體部分[10-12]，肢體與軀干解剖結(jié)構(gòu)的差異較大，而且腰部脂肪人體差異性較大，對腰肌阻抗值檢測會產(chǎn)生影響。因此，本文擬通過建立人體腰部有限元電場分析模型（Finite Element Method，F(xiàn)EM），采用靈敏度分析方法優(yōu)化電極間距，并開展EIM不對稱腰肌在體疲勞實驗，旨在通過無創(chuàng)生物阻抗檢測技術(shù)EIM檢測腰肌不對稱狀態(tài)，以期輔助診斷評估LBP。

1 材料與方法

因電極擺放位置會影響EIM檢測結(jié)果，為找到合適腰部EIM測量的電極間距，需建立人體腰部幾何模型，然后使用靈敏度分析法分別計算模型每層阻抗值，以最大化肌肉層對視在阻抗的貢獻度為指標進行電極間距優(yōu)化，獲得穩(wěn)定的腰部肌阻抗測量值，最后將該電極配置方式應(yīng)用于腰肌狀態(tài)對稱性研究。

1.1 有限元模型建立

1.1.1 受試者生理信息與檢測參數(shù)

在仿真軟件COMSOL中選擇AC/DC 模塊下的電流場，建立電場模型。由于電阻抗特性具有頻率依賴性，所以模型的研究模式選擇“頻域”。分層組織模型的厚度參數(shù)根據(jù)飛依諾TM（蘇州）掌上超聲診斷儀Q5-7LMIX520在受試者豎脊肌腰椎段進行組織超聲成像所獲。受試者納入標準為身體健康，近期無劇烈運動，無肌肉損傷等疾病。以體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）為區(qū)分指標選擇受試者，以保證受試者之間腰部脂肪厚度的差距。受試者的生理信息與檢測參數(shù)如表1所示。

表1 受試者生理信息

1.1.2 腰部幾何有限元模型的構(gòu)建

根據(jù)表格參數(shù)構(gòu)建腰部3層幾何有限元模型，如圖1所示，模型整體長為30 cm，寬為20 cm，從上到下分別是皮膚層、脂肪層、肌肉層。皮膚較薄，個體之間的皮膚厚度差異不明顯[13]，T皮膚層設(shè)定為0.23 cm。依據(jù)BMI，本文將受試者分為瘦（17.0～20.0 kg/m2）、正常（20.1～25.0 kg/m2）、超重（25.1～30.0 kg/m2）3 種狀態(tài)，T脂肪層分別設(shè)定為0.5、0.7、0.9 cm來代表這3種人群，T肌肉層設(shè)定為3.4 cm（為消除脂肪的影響，脂肪設(shè)置不同厚度，肌肉厚度取平均值，以控制變量）。因為骨頭層靈敏度較低，對仿真阻抗貢獻度低，所以忽略該組織層的建立。電極設(shè)定為空心圓柱體，外徑1.6 cm，內(nèi)徑0.3 cm，高1 cm。

圖1 人體腰部有限元模型

1.1.3 有限元模型中各層的電特性參數(shù)

人體組織構(gòu)成復(fù)雜，肌肉被認定為各向異性組織[14]，而皮膚和脂肪為各向同性[15]。有限元模型引入了各層的電特性參數(shù)，包括電導(dǎo)率（σ）和相對介電常數(shù)（?），參數(shù)設(shè)置是根據(jù)Gabriel等[15]研究結(jié)果。

在有限元模型中，EIM研究選取的頻率范圍為10～1000 kHz，滿足準靜態(tài)近似的要求[16]。符合準靜態(tài)電場的有限元控制方程如公式（1）所示[17]。

式中，J為電流密度，Qj為總電流源，σ為電導(dǎo)率，ω為角頻率，Je為電流源密度，E為電場強度，V為電勢，σ和εr分別為電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。

1.2 靈敏度分析法原理

靈敏度分析用于計算每層的阻抗，并用于后續(xù)優(yōu)化4個電極的位置。視在阻抗值Z如公式（2）表示。

式中，R為電阻值，Xc為電抗值，j為虛數(shù)單位，JI和JV是分別通過皮膚表面上的2個電流激勵電極之間和兩個電壓感應(yīng)電極之間施加單位電流而產(chǎn)生的局部電流密度矢量；Zs、Zf、Zm分別代表皮膚、脂肪、肌肉區(qū)域；其由皮膚、脂肪、肌肉3個子域組成人體腰部組織；K(ω)是計算域的阻抗率[18]，其計算方式如公式（3）所示。

式中，σ為電導(dǎo)率，ω為角頻率，Je為電流源密度，E為電場強度，V為電勢，σ和εr分別為電導(dǎo)率和相對介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)。

皮膚層、脂肪層和肌肉層3個域的阻抗靈敏度可以使用公式（4）計算。

式中，SenmT和SenmL分別是肌肉層中的橫向靈敏度和縱向靈敏度；x和z是肌纖維的橫向，y是縱向。結(jié)合有限元仿真的控制方程，通過靈敏度分析得到各層的阻抗值。引入?yún)?shù)Seli表示視在阻抗對目標區(qū)域i的選擇性，定義如公式（5）所示。

式中，Zi為目標區(qū)域的阻抗，Z為視在阻抗，Ri為目標區(qū)域的電阻，R為視在電阻，ki和vi分別為目標區(qū)域的阻抗率和體積，k和v分別是總阻抗率和總積，目標區(qū)域包括皮膚層、脂肪層和肌肉層。

1.3 電極優(yōu)化仿真實驗與驗證方法

基于人體腰部有限元模型，通過設(shè)置人體腰部有限元模型不同的T脂肪層，探討EIM參數(shù)隨激勵電極與感應(yīng)電極之間中心間距（S）的變化規(guī)律。整個電極配置全程長度應(yīng)控制在人體腰部區(qū)域長度范圍內(nèi)，即20 cm左右。實驗時保持L=4 cm不變，通過移動感應(yīng)電極改變S，S以步長為1 cm增長。

驗證在體實驗在受試者豎脊肌腰椎段進行在體阻抗測量，腰部在體實驗平臺如圖2所示。實驗操作與仿真方案一致。選取7名受試者，納入標準為身體健康、無LBP及其他腰部疾病的成年人，年齡（25±2）歲，身高（166±5）cm，體質(zhì)量（60±10）kg。在體實驗前對受試者進行皮膚簡單處理，用酒精溶液消毒該區(qū)域，并用棉花干燥。氯化銀定制測量時配合使用導(dǎo)電膏，并利用ImpTMSFB7人體阻抗分析儀（澳大利亞）測量人體腰部組織響應(yīng)電壓信號。受試取俯臥位，保持肌肉放松。每次每側(cè)重復(fù)測量3次，每個受試者共做2次實驗，2次間隔期間內(nèi)保證受試者不發(fā)生劇烈運動，避免影響EIM數(shù)據(jù)測量。每次在體測量值進行平均處理。

圖2 腰部在體實驗示意圖

1.4 腰肌不對稱在體實驗方法

基于上述在體實驗平臺，采用Biering-Sorensen （BS）test[19]動作讓受試者腰部肌肉產(chǎn)生等長收縮（圖3），即讓受試者俯臥于健身椅上，保持上半身軀干懸空，將其腳踝和臀部固定于健身椅上，雙手放置于頭部。然后再讓受試者的軀干往身體左、右水平旋轉(zhuǎn)30°，使兩側(cè)肌肉不對稱收縮，測量豎脊肌的EIM參數(shù)并分析，每側(cè)每次重復(fù)測量兩側(cè)3次。實驗停止標準是受試者無法使軀干保持與地面水平，肌力明顯下降，并伴有強烈酸痛感。每個受試者共進行2次完整在體實驗。

圖3 腰部在體測量實驗示意圖

為避免個別點的波動帶來的影響，同時讓數(shù)據(jù)分布范圍集中和便于觀察，將所有受試者的EIM測量結(jié)果取平均值后，再進行相對值處理，相對值的計算采用同一負重下，當(dāng)前參數(shù)值除以該負重下參數(shù)平均值的方式，如公式（6）所示。

式中，Y代表不同EIM參數(shù)值，Y＇代表相對值，i代表不同負重狀態(tài)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

本文采用SPSS 12.0軟件進行計算，對不同EIM參數(shù)收縮狀態(tài)與拉伸狀態(tài)比較，進行獨立樣本t檢驗，使用Origin 2016進行數(shù)據(jù)可視化展示。

2 結(jié)果

2.1 電極優(yōu)化結(jié)果與驗證

實驗頻率選取50 kHz（該頻率下EIM參數(shù)對于肌肉變化更具敏感性）。固定L=4 cm時，Selm受S變化影響的仿真結(jié)果如圖4所示，Selm隨著S增大而增大，且不斷趨近于1，T脂肪層=0.5 cm時，上升的最快，T脂肪層=0.9 cm時，上升的最慢，即當(dāng)脂肪層厚度較大時，需要增加S來減小脂肪增厚帶來的影響。當(dāng)S=4 cm時，不同脂肪層厚度的Selm都大于0.8，表示肌肉層對視在阻抗貢獻程度達到80%以上。因此在后續(xù)的實驗中，S應(yīng)≥4 cm。

圖4 不同脂肪層厚度下S對Selm的影響

仿真電阻（Rsim）與在體平均電阻（Rmea）對比結(jié)果如圖5所示，S從2 cm增加到10 cm，Rsim與Rmea都隨著S的增大而減小，但Rsim比Rmea下降的快，總體下降趨勢一致，其一致性如表2所示，兩者的相關(guān)系數(shù)達到0.95以上，擬合優(yōu)度r2達到0.91以上。故認為仿真與在體實驗結(jié)果有較好的一致性，由此驗證基于靈敏度分析法的電極間距優(yōu)化方案的有效性。

表2 不同脂肪厚度的仿真Rsim與在體平均Rmea擬合程度

圖5 仿真R與在體實驗平均R受S影響對比曲線

由圖6所示，檢測電極與激勵電極之間的中心距S應(yīng)選取≥4.0 cm的長度。而整個電極配置長度范圍應(yīng)控制在20.0 cm范圍內(nèi)，不超過健康成年人腰椎長度，因此檢測電極中心距L應(yīng)選擇6.0 cm為優(yōu)，此配置能夠在有限范圍內(nèi)最大化肌肉層對視在阻抗的貢獻量，消除脂肪個體差異對結(jié)果影響，使EIM檢測更具穩(wěn)定性。

圖6 仿真研究得出的最終電極優(yōu)化結(jié)果

2.2 腰肌不對稱在體實驗結(jié)果

電阻相對值（R＇）、電抗相對值（Xc＇）分別如圖7所示。如圖7可知，隨著受試者腰肌的持續(xù)性發(fā)力，平均電阻R整體呈下降趨勢，平均電阻Xc呈上升趨勢。向左偏時，左側(cè)R＇比右側(cè)下降更快，左側(cè)斜率k更小，約為-3.78×10-4；向右偏時，右側(cè)R＇比左側(cè)下降更快，右側(cè)斜率更小，約為-4.51×10-4。收縮側(cè)k平均約為-4.15×10-4；對于Xc’，向左偏時左側(cè)Xc＇上升更快，左側(cè)k更大為12×10-4；向右偏時，右側(cè)Xc＇上升更快，右側(cè)k更大約為15×10-4。收縮側(cè)k平均約為13.5×10-3。所有受試者腰肌收縮側(cè)與拉伸側(cè)的相對值R＇變化速度差異（t=-5.931，P＜0.001）和相對值Xc＇變化速度差異（t=7.547，P＜0.001）均有統(tǒng)計學(xué)意義，見表3。表明EIM可以有效檢測腰肌不對稱狀態(tài)的變化趨勢。

表3 EIM參數(shù)相對值的擬合斜率k（×10-4）

圖7 EIM相對值隨時間變化曲線

實驗前后EIM變化幅值如圖8所示，由圖8可知，左右兩側(cè)的參數(shù)初始值有微小差異，但收縮側(cè)幅值變化明顯大于拉伸側(cè)。受試者普遍表示收縮側(cè)的腰肌產(chǎn)生的酸痛更明顯。收縮側(cè)的電阻降幅在2.12～5.29 Ω的范圍內(nèi)波動，平均降幅ΔR為4.15 Ω，拉伸側(cè)電阻降幅在0.42～3.25 Ω的范圍內(nèi)波動，平均降幅ΔR為2.15 Ω。收縮側(cè)的電抗升幅在0.89～1.43 Ω的范圍內(nèi)波動，平均升幅 ΔXc為1.14 Ω，拉伸側(cè)電抗升幅在0.18～0.70 Ω的范圍內(nèi)波動，平均升幅ΔXc為0.45 Ω。表明，EIM參數(shù)的幅值變化可以反映腰肌不對稱持續(xù)性發(fā)力前后差別。

圖8 不同負重下實驗前后EIM參數(shù)變化

3 討論

EIM是一種新型、非侵入性的四電極生物電阻抗測量的技術(shù)，可以評估局部肌肉或肌肉群的組織特性，是檢測肌肉健康狀態(tài)的有效手段。EIM與目前檢測腰肌狀態(tài)的方式不同的是，其非有創(chuàng)性的分析肌肉的肌電活動[20]，亦非滯后性的觀察醫(yī)學(xué)圖像病灶與病變[21]，而是擁有無創(chuàng)觀察肌纖維的完善性以及肌肉生理與病理變化的潛力，EIM是一個可靠、定量、無痛、便捷的診斷工具。EIM的視在阻抗值來源各個組織層，許多因素會影響EIM阻抗檢測結(jié)果，比如解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、電極配置等，目前對于EIM電極的優(yōu)化大多數(shù)是針對肢體部分的[12]，針對軀干尤其是腰部的研究較少，肢體與軀干解剖結(jié)構(gòu)的差異較大，所以目前已有電極間距不適合腰部檢測。本文創(chuàng)新性的使用靈敏度分析法優(yōu)化腰肌檢測的電極間距，提高肌肉層阻抗值對視在阻抗的貢獻度大小。對稱性在EIM檢測分區(qū)LBP患者中具有顯著意義[22]，EIM可通過快速、無痛、準確的方式彌補腰肌狀態(tài)檢測臨床需求的空白，給予有價值的穩(wěn)定數(shù)據(jù)進行肌肉狀態(tài)評估。

本文系統(tǒng)地探討了EIM檢測腰部肌肉對稱性的可行性問題，但由于人體系統(tǒng)的復(fù)雜性，仿真模型的構(gòu)建仍值得改進。本研究主要針對低腰區(qū)域的肌肉狀態(tài)檢測，在腰部建模時未考慮相鄰?fù)尾课恢镜姆蔷鶆蛐?，會造成仿真值與真實值一定的差異。腰臀在組織上聯(lián)系緊密，可以在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，增加臀部組織幾何模型，使模型仿真更為合理。

4 結(jié)論

本文針對EIM腰肌狀態(tài)對稱性檢測的需求做了相關(guān)研究并得出電極間距優(yōu)化結(jié)果為激勵電極中心距應(yīng)小于20 cm（不超過腰椎長度），且感應(yīng)電極中心距不小于4 cm，這樣能有效減少腰部脂肪對結(jié)果的影響；驗證性在體實驗中在體平均R與不同脂肪厚度下仿真R的相關(guān)性達到0.95以上，在體結(jié)果與仿真結(jié)果一致性證實電極優(yōu)化仿真的有效性。R和Xc的變化速度與幅值能反映腰肌的不對稱性，尤其是電阻R變化情況更為顯著，因此EIM能夠為腰部疾病的預(yù)防和康復(fù)提供相應(yīng)的狀態(tài)檢測。