基于EIM的腰肌状态对称性检测技术研究
时间：2023-04-08 09:05:07 来源：千叶帆 本文已影响人
史婧婷，徐攀，庄源东，高跃明
福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350116 ；
2.福建医科大学附属协和医院 神经外科，福建 福州 350001
流行病学调查发现，下腰痛（Low Back Pain，LBP）是全球主要致残慢性病之一，终生流行率高达65%～85%，严重增加了社会负担[1-2]。腰肌不对称性可能加重脊柱不稳，并加速腰部病情发展[3]。腰肌不对称状态检测可以帮助预防早期没有明显病理体征的LBP。对早期LBP实施适当的治疗或康复措施可以防止疼痛恶化[4]。因此，检测腰肌不对称状态对LBP的预防与康复具有重要意义。
现有腰部肌肉状态检测的相关技术较多，如MRI等临床影像学方法可为临床诊断提供客观影像学依据，但腰痛刚形成或处于初期阶段时，难以通过影像学方法检测出来[5]。而表面肌电信号信号微弱、受外界影响干扰大，必要时需采用有创针肌电图[6]。研究表明，新技术肌阻抗图（Electrical Impedance Myography，EIM）可通过四电极将高频、低强度电流施加到感兴趣的肌肉或肌群上，并测量产生的电压幅度、相位，非侵入式的评估神经肌肉疾病和肌肉疲劳程度[7-8]，是腰肌功能评估与腰肌健康状态检测的有效手段。
由于EIM依赖组织层的局部电流流动[9]，电极会影响电流密度在其中的分布，因此电极是影响EIM检测的重要因素之一。目前对于EIM电极的优化大多数是针对肢体部分[10-12]，肢体与躯干解剖结构的差异较大，而且腰部脂肪人体差异性较大，对腰肌阻抗值检测会产生影响。因此，本文拟通过建立人体腰部有限元电场分析模型（Finite Element Method，FEM），采用灵敏度分析方法优化电极间距，并开展EIM不对称腰肌在体疲劳实验，旨在通过无创生物阻抗检测技术EIM检测腰肌不对称状态，以期辅助诊断评估LBP。
因电极摆放位置会影响EIM检测结果，为找到合适腰部EIM测量的电极间距，需建立人体腰部几何模型，然后使用灵敏度分析法分别计算模型每层阻抗值，以最大化肌肉层对视在阻抗的贡献度为指标进行电极间距优化，获得稳定的腰部肌阻抗测量值，最后将该电极配置方式应用于腰肌状态对称性研究。
1.1 有限元模型建立
1.1.1 受试者生理信息与检测参数
在仿真软件COMSOL中选择AC/DC 模块下的电流场，建立电场模型。由于电阻抗特性具有频率依赖性，所以模型的研究模式选择“频域”。分层组织模型的厚度参数根据飞依诺TM（苏州）掌上超声诊断仪Q5-7LMIX520在受试者竖脊肌腰椎段进行组织超声成像所获。受试者纳入标准为身体健康，近期无剧烈运动，无肌肉损伤等疾病。以体质量指数（Body Mass Index，BMI）为区分指标选择受试者，以保证受试者之间腰部脂肪厚度的差距。受试者的生理信息与检测参数如表1所示。
表1 受试者生理信息
1.1.2 腰部几何有限元模型的构建
根据表格参数构建腰部3层几何有限元模型，如图1所示，模型整体长为30 cm，宽为20 cm，从上到下分别是皮肤层、脂肪层、肌肉层。皮肤较薄，个体之间的皮肤厚度差异不明显[13]，T皮肤层设定为0.23 cm。依据BMI，本文将受试者分为瘦（17.0～20.0 kg/m2）、正常（20.1～25.0 kg/m2）、超重（25.1～30.0 kg/m2）3 种状态，T脂肪层分别设定为0.5、0.7、0.9 cm来代表这3种人群，T肌肉层设定为3.4 cm（为消除脂肪的影响，脂肪设置不同厚度，肌肉厚度取平均值，以控制变量）。因为骨头层灵敏度较低，对仿真阻抗贡献度低，所以忽略该组织层的建立。电极设定为空心圆柱体，外径1.6 cm，内径0.3 cm，高1 cm。
图1 人体腰部有限元模型
1.1.3 有限元模型中各层的电特性参数
人体组织构成复杂，肌肉被认定为各向异性组织[14]，而皮肤和脂肪为各向同性[15]。有限元模型引入了各层的电特性参数，包括电导率（σ）和相对介电常数（ɛ），参数设置是根据Gabriel等[15]研究结果。
在有限元模型中，EIM研究选取的频率范围为10～1000 kHz，满足准静态近似的要求[16]。符合准静态电场的有限元控制方程如公式（1）所示[17]。
式中，J为电流密度，Qj为总电流源，σ为电导率，ω为角频率，Je为电流源密度，E为电场强度，V为电势，σ和εr分别为电导率和相对介电常数，ε0为真空介电常数。
1.2 灵敏度分析法原理
灵敏度分析用于计算每层的阻抗，并用于后续优化4个电极的位置。视在阻抗值Z如公式（2）表示。
式中，R为电阻值，Xc为电抗值，j为虚数单位，JI和JV是分别通过皮肤表面上的2个电流激励电极之间和两个电压感应电极之间施加单位电流而产生的局部电流密度矢量；
Zs、Zf、Zm分别代表皮肤、脂肪、肌肉区域；
其由皮肤、脂肪、肌肉3个子域组成人体腰部组织；
K(ω)是计算域的阻抗率[18]，其计算方式如公式（3）所示。
式中，σ为电导率，ω为角频率，Je为电流源密度，E为电场强度，V为电势，σ和εr分别为电导率和相对介电常数，ε0为真空介电常数。
皮肤层、脂肪层和肌肉层3个域的阻抗灵敏度可以使用公式（4）计算。
式中，SenmT和SenmL分别是肌肉层中的横向灵敏度和纵向灵敏度；
x和z是肌纤维的横向，y是纵向。结合有限元仿真的控制方程，通过灵敏度分析得到各层的阻抗值。引入参数Seli表示视在阻抗对目标区域i的选择性，定义如公式（5）所示。
式中，Zi为目标区域的阻抗，Z为视在阻抗，Ri为目标区域的电阻，R为视在电阻，ki和vi分别为目标区域的阻抗率和体积，k和v分别是总阻抗率和总积，目标区域包括皮肤层、脂肪层和肌肉层。
1.3 电极优化仿真实验与验证方法
基于人体腰部有限元模型，通过设置人体腰部有限元模型不同的T脂肪层，探讨EIM参数随激励电极与感应电极之间中心间距（S）的变化规律。整个电极配置全程长度应控制在人体腰部区域长度范围内，即20 cm左右。实验时保持L=4 cm不变，通过移动感应电极改变S，S以步长为1 cm增长。
验证在体实验在受试者竖脊肌腰椎段进行在体阻抗测量，腰部在体实验平台如图2所示。实验操作与仿真方案一致。选取7名受试者，纳入标准为身体健康、无LBP及其他腰部疾病的成年人，年龄（25±2）岁，身高（166±5）cm，体质量（60±10）kg。在体实验前对受试者进行皮肤简单处理，用酒精溶液消毒该区域，并用棉花干燥。氯化银定制测量时配合使用导电膏，并利用ImpTMSFB7人体阻抗分析仪（澳大利亚）测量人体腰部组织响应电压信号。受试取俯卧位，保持肌肉放松。每次每侧重复测量3次，每个受试者共做2次实验，2次间隔期间内保证受试者不发生剧烈运动，避免影响EIM数据测量。每次在体测量值进行平均处理。
图2 腰部在体实验示意图
1.4 腰肌不对称在体实验方法
基于上述在体实验平台，采用Biering-Sorensen （BS）test[19]动作让受试者腰部肌肉产生等长收缩（图3），即让受试者俯卧于健身椅上，保持上半身躯干悬空，将其脚踝和臀部固定于健身椅上，双手放置于头部。然后再让受试者的躯干往身体左、右水平旋转30°，使两侧肌肉不对称收缩，测量竖脊肌的EIM参数并分析，每侧每次重复测量两侧3次。实验停止标准是受试者无法使躯干保持与地面水平，肌力明显下降，并伴有强烈酸痛感。每个受试者共进行2次完整在体实验。
图3 腰部在体测量实验示意图
为避免个别点的波动带来的影响，同时让数据分布范围集中和便于观察，将所有受试者的EIM测量结果取平均值后，再进行相对值处理，相对值的计算采用同一负重下，当前参数值除以该负重下参数平均值的方式，如公式（6）所示。
式中，Y代表不同EIM参数值，Y＇代表相对值，i代表不同负重状态。
1.5 统计学分析
本文采用SPSS 12.0软件进行计算，对不同EIM参数收缩状态与拉伸状态比较，进行独立样本t检验，使用Origin 2016进行数据可视化展示。
2.1 电极优化结果与验证
实验频率选取50 kHz（该频率下EIM参数对于肌肉变化更具敏感性）。固定L=4 cm时，Selm受S变化影响的仿真结果如图4所示，Selm随着S增大而增大，且不断趋近于1，T脂肪层=0.5 cm时，上升的最快，T脂肪层=0.9 cm时，上升的最慢，即当脂肪层厚度较大时，需要增加S来减小脂肪增厚带来的影响。当S=4 cm时，不同脂肪层厚度的Selm都大于0.8，表示肌肉层对视在阻抗贡献程度达到80%以上。因此在后续的实验中，S应≥4 cm。
图4 不同脂肪层厚度下S对Selm的影响
仿真电阻（Rsim）与在体平均电阻（Rmea）对比结果如图5所示，S从2 cm增加到10 cm，Rsim与Rmea都随着S的增大而减小，但Rsim比Rmea下降的快，总体下降趋势一致，其一致性如表2所示，两者的相关系数达到0.95以上，拟合优度r2达到0.91以上。故认为仿真与在体实验结果有较好的一致性，由此验证基于灵敏度分析法的电极间距优化方案的有效性。
表2 不同脂肪厚度的仿真Rsim与在体平均Rmea拟合程度
图5 仿真R与在体实验平均R受S影响对比曲线
由图6所示，检测电极与激励电极之间的中心距S应选取≥4.0 cm的长度。而整个电极配置长度范围应控制在20.0 cm范围内，不超过健康成年人腰椎长度，因此检测电极中心距L应选择6.0 cm为优，此配置能够在有限范围内最大化肌肉层对视在阻抗的贡献量，消除脂肪个体差异对结果影响，使EIM检测更具稳定性。
图6 仿真研究得出的最终电极优化结果
2.2 腰肌不对称在体实验结果
电阻相对值（R＇）、电抗相对值（Xc＇）分别如图7所示。如图7可知，随着受试者腰肌的持续性发力，平均电阻R整体呈下降趋势，平均电阻Xc呈上升趋势。向左偏时，左侧R＇比右侧下降更快，左侧斜率k更小，约为-3.78×10-4；
向右偏时，右侧R＇比左侧下降更快，右侧斜率更小，约为-4.51×10-4。收缩侧k平均约为-4.15×10-4；
对于Xc’，向左偏时左侧Xc＇上升更快，左侧k更大为12×10-4；
向右偏时，右侧Xc＇上升更快，右侧k更大约为15×10-4。收缩侧k平均约为13.5×10-3。所有受试者腰肌收缩侧与拉伸侧的相对值R＇变化速度差异（t=-5.931，P＜0.001）和相对值Xc＇变化速度差异（t=7.547，P＜0.001）均有统计学意义，见表3。表明EIM可以有效检测腰肌不对称状态的变化趋势。
表3 EIM参数相对值的拟合斜率k（×10-4）
图7 EIM相对值随时间变化曲线
实验前后EIM变化幅值如图8所示，由图8可知，左右两侧的参数初始值有微小差异，但收缩侧幅值变化明显大于拉伸侧。受试者普遍表示收缩侧的腰肌产生的酸痛更明显。收缩侧的电阻降幅在2.12～5.29 Ω的范围内波动，平均降幅ΔR为4.15 Ω，拉伸侧电阻降幅在0.42～3.25 Ω的范围内波动，平均降幅ΔR为2.15 Ω。收缩侧的电抗升幅在0.89～1.43 Ω的范围内波动，平均升幅 ΔXc为1.14 Ω，拉伸侧电抗升幅在0.18～0.70 Ω的范围内波动，平均升幅ΔXc为0.45 Ω。表明，EIM参数的幅值变化可以反映腰肌不对称持续性发力前后差别。
图8 不同负重下实验前后EIM参数变化
EIM是一种新型、非侵入性的四电极生物电阻抗测量的技术，可以评估局部肌肉或肌肉群的组织特性，是检测肌肉健康状态的有效手段。EIM与目前检测腰肌状态的方式不同的是，其非有创性的分析肌肉的肌电活动[20]，亦非滞后性的观察医学图像病灶与病变[21]，而是拥有无创观察肌纤维的完善性以及肌肉生理与病理变化的潜力，EIM是一个可靠、定量、无痛、便捷的诊断工具。EIM的视在阻抗值来源各个组织层，许多因素会影响EIM阻抗检测结果，比如解剖学结构、电极配置等，目前对于EIM电极的优化大多数是针对肢体部分的[12]，针对躯干尤其是腰部的研究较少，肢体与躯干解剖结构的差异较大，所以目前已有电极间距不适合腰部检测。本文创新性的使用灵敏度分析法优化腰肌检测的电极间距，提高肌肉层阻抗值对视在阻抗的贡献度大小。对称性在EIM检测分区LBP患者中具有显著意义[22]，EIM可通过快速、无痛、准确的方式弥补腰肌状态检测临床需求的空白，给予有价值的稳定数据进行肌肉状态评估。
本文系统地探讨了EIM检测腰部肌肉对称性的可行性问题，但由于人体系统的复杂性，仿真模型的构建仍值得改进。本研究主要针对低腰区域的肌肉状态检测，在腰部建模时未考虑相邻臀部位脂肪的非均匀性，会造成仿真值与真实值一定的差异。腰臀在组织上联系紧密，可以在现有模型基础上，增加臀部组织几何模型，使模型仿真更为合理。
本文针对EIM腰肌状态对称性检测的需求做了相关研究并得出电极间距优化结果为激励电极中心距应小于20 cm（不超过腰椎长度），且感应电极中心距不小于4 cm，这样能有效减少腰部脂肪对结果的影响；
验证性在体实验中在体平均R与不同脂肪厚度下仿真R的相关性达到0.95以上，在体结果与仿真结果一致性证实电极优化仿真的有效性。R和Xc的变化速度与幅值能反映腰肌的不对称性，尤其是电阻R变化情况更为显著，因此EIM能够为腰部疾病的预防和康复提供相应的状态检测。
