坐骨神經損傷后大鼠臀大肌、小腿三頭肌固有頻率測定的實驗研究

史智君，嚴雋陶，楊斌堂，楊詣坤，孔亞敏，盧新剛，伍丹丹

1.上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院，上海200437；2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240

前言

固有頻率是系統固有的物理參數，其振動的頻率與初始條件無關而是由物體本身的剛度、質量等固有特性決定的，一般可由沖擊激勵測得［1-2］。對機體而言，通常將肌肉、骨骼等組織等效為質量、彈簧及阻尼以研究其各部分的固有頻率［3］。不同組織存在其相應的固有頻率，而當接近或等同于該組織固有頻率的振動激勵時則會產生最大的幅值，從而引發一定的生物效應［4］。研究表明：施加適宜的外在振動刺激使之與肌肉組織的固有頻率達到和諧狀態，能夠提高肌肉的興奮性，促進肌力低下患者的下肢訓練效果［2,5-6］。在外周神經損傷中，坐骨神經損傷較為常見，其所導致的肢體功能障礙是臨床及康復治療亟需解決的重點問題［7-8］。由于外在振動激勵作用于機體時，頻率是影響神經肌肉系統反應幅度的最主要因素［9］。因此，本實驗主要檢測損傷側大鼠臀大肌、小腿三頭肌的固有頻率，并觀察不同狀態下的固有頻率變化，為之后康復振動治療頻率的參數選擇提供實驗基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

選取2月齡健康清潔級Sprague-Dawley 大鼠24只，體質量（180±10）g，由上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院實驗動物中心提供并飼養。飼養條件：溫度24～26 ℃，濕度55%～65%，12 h：12 h 光暗周期，自由攝食和飲水。

本次實驗采用隨機數字法，將大鼠分為空白組、模型組、麻醉組，每組各8 只。實驗過程中對大鼠的處置嚴格遵守動物倫理準則和指南的相關規定。

1.2 主要儀器及試劑

SXP-1C 手術顯微鏡（上海醫光儀器有限公司），10%水合氯醛（上海西唐生物科技有限公司），手術直剪、彎止血鉗、彎頭組織鑷（浦東金環），顯微止血鉗（上海金鐘），11/0顯微外科帶針縫合線（寧波靈橋），新標1號-尼龍縫合線（浦東金環），半弧正角針（浦東金環），眼科手術直剪（蘇州市施強醫療器械有限公司），大鼠固定器（自制），DLSA Neuromatic-2000C型神經電圖儀（丹麥），固有頻率檢測平臺（上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室）。

1.3 模型制備

坐骨神經損傷模型：參照Gigo-Benato［10］將SD大鼠分別以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，常規備皮，碘伏消毒后，于右下肢后外側縱行切開皮膚，鈍性分離股二頭肌，于距離梨狀肌下緣5 mm 處，游離出約2 cm 坐骨神經，用長14 cm-JZ06Cr 號止血鉗完全閉合鉗夾坐骨神經3次，每次10 s，中間間隔10 s（鉗夾力為46 N），鉗夾段長度約2 mm，寬度1 mm，松開血管鉗后見鉗夾段神經完全透明，但神經外膜處未見出血，造成Sunderland III度損傷［11］。術后30 min檢測損傷側坐骨神經動作電位潛伏期、波幅［12］，刺激強度約1～20 mA，一般以波形達最大振幅且不引起周圍無關肌肉組織收縮為宜，刺激時間0.1～0.2 ms，刺激頻率1 Hz。記錄：將鉤形針電極分別置于損傷點標記處和損傷點遠端，兩電極間距離測定采用精度為0.2 mm 的游標尺直接測量約為10 mm，記錄電極置于神經入肌點處，記錄時以綜合肌電出現的峰波前緣為準［13］。當運動神經傳導速度（Motor Conduction Velocity,MCV）降至10 m/s 以下時，認為坐骨神經軸索、髓鞘及神經內膜損傷斷裂［14］，確定神經損傷模型造模成功（圖1），生理鹽水沖洗傷口，常規分層縫合肌肉、皮膚。麻醉模型：將大鼠以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，余不做任何處理。

圖1 坐骨神經傳導速度（MCV）Fig.1 Sciatic nerve motor conduction velocity

1.4 檢測方法

神經損傷第7天，將實驗大鼠俯臥位固定于大鼠固定器并置于振動測試臺，應用沖擊測量儀器（錘擊法）于每只大鼠腿部臀大肌、小腿三頭肌肌腹中央位置施加沖擊振動激勵，通過振動響應檢測模塊測得大鼠兩部位振動響應，將采集到的時域振動信號數據通過快速傅里葉變換轉至頻域數據，可體現于頻譜、自功率譜及時頻譜中。每只大鼠臀大肌、小腿三頭肌沖擊測量10 次，取平均值，確定固有頻率。（Matlab軟件的數據處理和系統分析得到響應點和激勵點關系的傳遞函數，對傳遞函數進行去直流分量和加窗處理，從而去掉傳遞函數中由于及離譜能量太低而造成的假峰）（圖2）。

圖2 系統功能框解圖Fig.2 System function block diagram

單自由度系統在脈沖激勵下的動力學方程為：

其中δ(t)為脈沖振動激勵，其振動響應的解為：

1.5 統計學方法

采用SPSS 25.0軟件包進行數據分析與處理。計量資料用均值、標準差、最小值、最大值表示，組間比較采用單因素方差分析，組內比較采用配對t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 大鼠臀大肌、小腿三頭肌頻率峰值

施加沖擊振動激勵于大鼠臀大肌、小腿三頭肌肌腹中央各10次響應測得，通過時頻分析等方法，結果發現每個部位有兩個峰值可能是其固有頻率值（表1和圖3）。

2.2 大鼠臀大肌、小腿三頭肌第一峰值固有頻率差異

表1 峰值頻率（Hz）Tab.1 Peak frequency(Hz)

圖3 臀大肌、小腿三頭肌固有頻率峰值圖Fig.3 Peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of calf

空白組、模型組、麻醉組臀大肌第一峰值固有頻率無顯著性差異（P＞0.05），空白組、模型組、麻醉組小腿三頭肌第一峰值固有頻率無顯著性差異（P＞0.05），臀大肌、小腿三頭肌在相同組別中其固有頻率無明顯差異（P＞0.05）（表2）。

2.3 大鼠臀大肌、小腿三頭肌第二峰值頻率差異

空白組、模型組、麻醉組臀大肌第二峰值頻率無顯著性差異（P＞0.05），空白組、模型組、麻醉組小腿三頭肌第二峰值頻率無顯著性差異（P＞0.05），臀大肌、小腿三頭肌在相同組別中其第二峰值頻率無明顯差異（P＞0.05）（表3）。

3 討論

自然界以及日常生命活動中，普遍存在物體的往復運動或狀態的循環變化，這類現象稱為振蕩，例如鐘擺的擺動、心臟的跳動等都具有明顯的振蕩特性。振動則是振蕩的一種特殊表現形式，是平衡位置附近微小或有限的振蕩。振動問題主要涉及系統、激勵及響應3 個方面［1］，振動系統主要是研究者所選定的研究對象；激勵則是外界對系統的初始干擾及強迫力等；響應是系統在激勵作用下所產生的運動。

表2 臀大肌、小腿三頭肌第一峰值固有頻率（Hz）Tab.2 The first peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of the calf(Hz)

當人體受到振動激勵時會以復雜的方式響應，由于復雜系統本身會存在多個峰值，根據本研究測試結果（表1和圖3）顯示每個受試部位均有兩個規律性明顯的峰值，其臀大肌、小腿三頭肌兩個部位同一峰值基本一致且無統計學差異（表2和表3），針對此情況認為臀大肌、小腿三頭肌頻率是一致的，其各自的第一峰值判定為其固有頻率（分別是8.25、8.12 Hz），而頻率較高的第二峰值則可能與其骨骼或骨骼肌肉連接處等剛度相對較高的響應有關。本實驗僅關注于固有頻率，認為其應是外部激勵作用于肌肉組織時影響最明顯的頻率值，并能夠在最短時間內產生最大效應［15-18］。

本實驗結果顯示，振動激勵后正常組、模型組、麻醉組3 組不同狀態下的大鼠相同部位的固有頻率其均值有差異但不構成統計學意義，因此可認為肌肉組織固有頻率是其本身的響應，其不隨所處狀態的不同而發生很大的變化；而同一組別中臀大肌、小腿三頭肌上下兩個部位的固有頻率亦無明顯差異，這可能是由于臀大肌、小腿三頭肌同屬于同一下肢肌肉組織，其組織結構基本一致所致。

機械振動是機械和結構產生的振動，各種機械設備、人體等都可以看成是一種結構物。將機械振動作為一種治療方法作用于人體時是利用振動因素使人體局部組織或全身發生周期性或非周期性的往復變化以產生治療效果［19］。一定頻率的振動作用下能夠促使患處的神經肌肉性能產生急性及恒久效應［20］，適宜的外部機械振動作用于人體能夠最大程度激活神經肌肉系統，使病理狀態下的神經肌肉能夠恢復至正常狀態［21］。將固有頻率作為參考頻率，設置不同頻率的振動治療對照組，圍繞本實驗研究方向探討外部機械振動激勵對坐骨神經損傷的最佳振動頻率，以期產生最佳治療效果。