郭 偉，趙 頎，周天一，曾 浩

慢性腰痛在飛行員人群十分常見[1]，且對飛行員的工作與日常生活造成不小困擾，甚者迫使飛行員離開飛行崗位，造成國家飛行員人才隊(duì)伍的損傷，值得引起相關(guān)領(lǐng)域的重視與研究。筆者認(rèn)為客觀的分析評估飛行員慢性腰痛（chronic low back pain, CLBP）的臨床特點(diǎn)是合理有效治療的首要，因此本次研究設(shè)計(jì)從主觀量表角度、外周電生理角度、中樞腦電信號角度對飛行員CLBP的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learing，ML）[2]的方法建立了區(qū)分飛行員CBLP和正常人的分類模型，為更加客觀與精確地區(qū)分開飛行員慢性腰背痛狀態(tài)與健康狀態(tài)，大大降低了主觀因素的影響，對現(xiàn)有的飛行員CLBP臨床評估方法進(jìn)行補(bǔ)充，研究過程如下所示。

1 對象與方法

1.1 對象 收集2017年4月—2018年1月由于腰椎間盤突出癥在空軍特色醫(yī)學(xué)中心進(jìn)行住院治療的飛行員CBLP患者30例（研究組），選取社會招募的健康志愿者30人作為對照組。納入標(biāo)準(zhǔn)：①腰痛伴下肢疼痛＞3個月；②椎旁壓痛；③活動時癥狀加重；④根性征（+）：直腿抬高實(shí)驗(yàn)或仰臥挺腹實(shí)驗(yàn)（+）；⑤腰椎核磁診斷有腰椎間盤突出；排除標(biāo)準(zhǔn)：①脊柱骨折；②脊柱損傷伴脊髓損傷；③合并腰椎腫瘤、結(jié)核、骨髓炎及嚴(yán)重骨質(zhì)疏松；④患有嚴(yán)重的心、肺、腦及血液系統(tǒng)疾?。虎萁邮苁中g(shù)治療或腰椎畸形；⑥不接受檢查者。研究組男28例，女2例，平均年齡（36.83±7.70）歲，平均病史（3.53±3.18）年，平均病程（3.26±2.87）個月。對照組男16例，女14例，平均年齡（38.66±5.45）歲。2組年齡、病史、病程時間比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

1.2 腦電信號采集 先按照正確腦區(qū)電極分布為受試者戴上64導(dǎo)電極的腦電帽，用醫(yī)用注射器向參考和接地電極內(nèi)注入導(dǎo)電膏，打開軟件，觀察軟件采集界面參考和接地電極的阻抗變化。當(dāng)兩電極阻抗降至10 kΩ以下時，依次按順序向64導(dǎo)電極注入導(dǎo)電膏，并調(diào)節(jié)異常電極，待全部電極阻抗均降到10 kΩ以下時，進(jìn)行腦電信號采集。整個采集過程持續(xù)18 min，其中前8 min要求受試者目視前方，采集睜眼靜息態(tài)腦電信號，時間到后讓受試者休息2 min后，再采集受試者閉眼靜息態(tài)腦電信號8 min。采集2組左枕葉、右枕葉、左顳葉、右顳葉、左額葉和右額葉的β波、γ波、α波、θ波、δ波腦電信號。

1.3 主觀量表指標(biāo)采集 關(guān)于評估功能障礙程度的臨床指標(biāo)——腰椎Oswestry功能障礙指數(shù)（ODI指數(shù)）（下腰痛患者功能評定最為廣泛使用的評定表之一）。健康調(diào)查簡表（SF-36）：選取其中軀體疼痛程度（body pain，BP）和精神心理健康狀態(tài)（mental health, MH）進(jìn)行臨床評估指標(biāo)。

1.4 外周電生理指標(biāo)采集 本試驗(yàn)使用感覺神經(jīng)定量檢測儀（Neurometer公司，美國）采集外周電生理指標(biāo)。完成準(zhǔn)備工作后，將醫(yī)用導(dǎo)電膏涂抹在一對一次性金制電極上，并貼在所測試部位的皮膚上。在5、200、250 Hz 3種頻率下使用感覺神經(jīng)定量檢測儀依次測量雙側(cè)的L4、L5、S1神經(jīng)根支配皮區(qū)周圍神經(jīng)的電流感覺閾值（current perception threshold，CPT）。

1.5 分類模型建立 應(yīng)用Matlab平臺中的fieldtrip工具包[4]分析腦電信號及功率譜。建立分類模型的方法：機(jī)器學(xué)習(xí)（machine learning，ML）的計(jì)算方法：建立分類模型需要錄入受試者的特征（特征的數(shù)量可變）及相對應(yīng)的標(biāo)簽（教會計(jì)算機(jī)去自我識別需要區(qū)分對象的一個描述），輸入分類對象的“特征”，經(jīng)過特定的分類器算法處理后可得出一個或多個特征對應(yīng)的標(biāo)簽即分類模型，最終選擇精確度最高的分類模型作為具有可信度的分類模型。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以±s表示，符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布采用t檢驗(yàn)分析，非正態(tài)分布采用Mann-Whitney U秩和檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床評估指標(biāo)比較 2組CPT值、BP值、MH值組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表1）。

表1 飛行員慢性腰痛患者與正常人群臨床評估指標(biāo)比較

2.2 腦電信號比較與分析 將研究組和對照組的左枕葉、右枕葉、左顳葉、右顳葉、左額葉和右額葉的δ波、θ波、α波、β波、γ波腦電信號兩兩比較，結(jié)果顯示，2組左前額β波、γ波比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（表2）。

表2 飛行員慢性腰痛患者和正常人群的腦電信號組間比較

2.3 CPT與異常腦波相關(guān)性分析 研究組CPT值與其特征性的異常腦電波進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，患者的CPT值與特征性異常腦波均無相關(guān)性（圖1～2）。

圖1 研究組CPT值與γ波相關(guān)性分析

圖2 研究組CPT值與β波相關(guān)性分析

2.4 BP與特征腦波相關(guān)性 結(jié)果顯示，研究組左前額γ波與BP評分之間存在相關(guān)性（圖3～4）。

圖3 研究組BP與γ波相關(guān)性分析

圖4 研究組BP與β波相關(guān)性分析

2.5 MH與特征腦波相關(guān)性 研究組MH值與其特征性異常腦電波“左額葉β、γ波”進(jìn)行相關(guān)性分析顯示，研究組MH值與左前額β波之間有相關(guān)性（圖5～6）。

圖5 研究組MH與β波相關(guān)性分析

圖6 研究組MH與γ波相關(guān)性分析

2.6 分類模型建立 本次試驗(yàn)為客觀描述飛行員慢性腰痛狀態(tài)，并建立能與正常人群鑒別的模型，考慮到長期慢性腰痛與腦內(nèi)相關(guān)疼痛回路建立有關(guān)，所以在納入常規(guī)臨床評估指標(biāo)外特別外，采集受試者的腦電信號同時又作為客觀指標(biāo)，對比提取飛行員CLBP患者的腦電特征，并與臨床評估指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。選擇納入分類模型的特征有“特征性腦電信號”“CPT值”“BP”“MH”，分類模型建立上選擇支持向量機(jī)（SVM）和線性判別分析（LDA）2種分類器對比。以“額葉特征腦波”和“CPT值”作為分類模型的特征，以BP和MH作為標(biāo)簽，對于每個特征集采用10折交叉驗(yàn)證，重復(fù)30次，為了達(dá)到較為準(zhǔn)確的分類精度。飛行員CLBP患者特征選擇β波、γ波、CPT值，分類器分類精確度結(jié)果及特征納入過程顯示：飛行員使用SVM作為分類器，以γ波、CPT_5 Hz作為特征，最高精確度為82.21%（表3）。

表3 飛行員慢性腰痛患者分類模型建立及精確度分析（%）

3 討論

腦電活動發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。腦電圖在臨床上的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在發(fā)現(xiàn)多種大腦疾病中具有重要作用，例如癲癇、腦卒中、腦腫瘤、腦退化性疾病、昏迷等[5]。由于腦電信號隨時間的波動性、不平衡性，導(dǎo)致很難研究明確腦電信號的規(guī)律。但腦電信號又有其他測量指標(biāo)所不具備的優(yōu)勢與特點(diǎn)，即時間分辨高可以達(dá)到毫秒級別，腦電信號中可能包含的大量生理與病理信息，深入研究腦電信號可以為醫(yī)師提供十分有意義的臨床診斷依據(jù)。當(dāng)前許多研究發(fā)現(xiàn)腦電信號可以作為觀察測量和評估慢性疼痛重要工具[6]，本研究選取腦電信號作為客觀評估指標(biāo)。

本研究采集的腦電信號屬于靜態(tài)腦電信號，不同于機(jī)體在接受外界刺激時大腦皮層所產(chǎn)生的誘發(fā)腦電信號[7]，其特點(diǎn)時由大腦皮層自發(fā)引起。該測量可以客觀反映受試者的疼痛性質(zhì)，程度和特點(diǎn)。不同于外界刺激誘導(dǎo)下的疼痛，可能與腦內(nèi)相關(guān)疼痛回路建立有關(guān)。分別采集并處理飛行員CLBP患者與正常受試者的腦電頻譜作為客觀指標(biāo)，結(jié)合主觀性評估指標(biāo)，通過分類器建立分類模型，補(bǔ)充當(dāng)前對于飛行員腰痛患者的診斷方法。

本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行員CLBP患者和正常人群的腦電信號組間比較飛行員異常腦電活動為“左前額葉β、γ波”，分類模型依據(jù)精確度排序，精確度最高是選擇γ波、CPT_5Hz作為特征。額葉左右皮層功能具有不對稱性，左前額葉可能與積極情緒有關(guān)，右前額葉可能與消極情緒有關(guān)，有研究讓受試者觀看帶有消極色彩圖片并同時記錄下受試者腦電信號顯示：在觀看到消極圖片時右額葉皮層激活強(qiáng)于左側(cè)[8]。在研究抑郁癥患者時，發(fā)現(xiàn)部分抑郁癥患者存在左側(cè)額葉損傷，腦電信號提示，長時間左側(cè)額葉處于異常抑制狀態(tài)，推測左額葉損傷可與積極情感體驗(yàn)缺失相關(guān)[9]。進(jìn)而對兩側(cè)額葉皮層的功能進(jìn)行相關(guān)性分析，得出結(jié)論“積極情緒與左側(cè)額葉皮層相關(guān)，消極情緒與右側(cè)額葉皮層相關(guān)”。本研究對2組進(jìn)行臨床指標(biāo)評估，對于MH這項(xiàng)，飛行員CLBP患者與正常人群差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在進(jìn)一步研究文獻(xiàn)，分析左側(cè)額葉β波振蕩活動增強(qiáng)與受試者處于高興情緒有關(guān)，而本次試驗(yàn)分析也得出飛行員CLBP患者的情感心理狀態(tài)與左額葉β波活動強(qiáng)度呈正相關(guān)，進(jìn)一步說明飛行員CLBP患者群體情緒狀態(tài)是較正常人群更加積極。左前額葉γ波在以往的研究中發(fā)現(xiàn)與疼痛刺激相關(guān)。一項(xiàng)研究對局灶性癲癇患者施加傷害性刺激，結(jié)果表明γ波與傷害性刺激從外周到中樞疼痛感知整合[10]，在痙攣性肌肉疼痛患者中疼痛強(qiáng)度也與額葉γ波相關(guān)[11]，有使用激光誘導(dǎo)慢性疼痛發(fā)生試驗(yàn)，激發(fā)時檢測到γ波出現(xiàn)明顯增強(qiáng)[12]。另有項(xiàng)研究也提到γ波直接參與到疼痛感知的處理，腦電信號功率譜強(qiáng)度與疼痛強(qiáng)度呈正相關(guān)[13]，之前多數(shù)試驗(yàn)中所研究的是誘發(fā)態(tài)腦電信號，而本次試驗(yàn)采集靜息態(tài)腦電信號，對于疼痛強(qiáng)度的主觀評估采用的是簡明健康量表的BP，結(jié)合腦電信號相關(guān)性分析表明γ波活動與主觀軀體疼痛強(qiáng)度呈正相關(guān)。

慢性腰痛在飛行員群體中十分常見，排在飛行員疾病譜中的首位[14]，而飛行員的慢性腰痛特征又區(qū)別于正常人群，筆者發(fā)現(xiàn)飛行員CLBP患者較正常人群具有以下特點(diǎn)：①飛行員慢性疼痛程度往往較高，這與飛行員群體日常訓(xùn)練時長期處于高載荷，腰部所需要承受的壓力高，損傷發(fā)生率與程度更高，同時飛行員所要面臨工作任務(wù)重，工作環(huán)境特殊，精神長期處于緊張狀態(tài)，可能與腦內(nèi)疼痛回路建立相關(guān)，形成“慢性疼痛狀態(tài)”。②飛行員CLBP患者群體情緒狀態(tài)優(yōu)于正常人群體，更加積極樂觀。本次實(shí)驗(yàn)使用機(jī)器學(xué)習(xí)將采集到的腦電特征及相關(guān)臨床評估指標(biāo)進(jìn)行分類器處理，為能獲得精確度高的飛行員慢性腰痛鑒別診斷分類模型。機(jī)器學(xué)習(xí)建立分類模型在臨床領(lǐng)域里已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，之前有研究關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的診斷與鑒別診斷，運(yùn)用分類模型，達(dá)到大約86%的精確度，大大降低了臨床該疾病的誤診，漏診率[15]。另有研究基于核磁共振影像早期診斷阿爾茲海默癥，主要是采集大腦海馬區(qū)特征紋理數(shù)據(jù)，經(jīng)過機(jī)器算法處理，得出較高準(zhǔn)確度的分類預(yù)測模型[16]。針對于慢性疼痛也有研究進(jìn)行多通道腦電信號分析，提取更多有效的腦電信號特征，使用機(jī)器學(xué)習(xí)處理為臨床醫(yī)學(xué)診斷和腦認(rèn)知科學(xué)研究提供準(zhǔn)確的依據(jù)。本研究應(yīng)用分類器算法以“左額葉γ波”和“CPT_5Hz”為特征組精確度最高，具有臨床應(yīng)用價值，在臨床中可通過采集就診者腦電信號和外周神經(jīng)CPT值，在不依據(jù)就診者的主訴、主觀量表與影像學(xué)檢查的情況下，也能客觀地診斷該就診者是否屬于飛行員CLBP患者，如果符合標(biāo)準(zhǔn)，在治療選擇上就應(yīng)該不單單關(guān)注對腰椎間盤突出神經(jīng)壓迫的解除，腰部局部損傷的治療，還應(yīng)當(dāng)考慮如何解除慢性疼痛在中樞形成的疼痛回路，臨床上有使用經(jīng)顱磁刺激解除慢性疼痛患者的慢性疼痛狀態(tài)[17]，解除“慢性疼痛狀態(tài)”對于飛行員而言尤為關(guān)鍵，可大大減少疼痛相關(guān)性的焦慮，抑郁與失眠，改善飛行員生活質(zhì)量，對提高飛行部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重要意義。