2. 上海市中医药研究院骨伤科研究所， 上海 201203
3. 复旦大学计算机科学技术学院， 上海 201203
4. 上海中医药大学附属曙光医院放射科， 上海 201203
5. 上海市中医药研究院推拿研究所， 上海 200437
2. Institute of Traumatology & Orthopedics, Shanghai Academy of TCM, Shanghai 201203, China;
3. College of Computer Science and Technology, Fudan University, Shanghai 201203, China;
4. Department of Radiology, Shuguang Hospital Affiliated to Shanghai University of TCM, Shanghai 201203, China;
5. Institute of Tuina Affiliated to Shanghai Academy of TCM, Shanghai 200437, China
腰椎间盘突出症是临床常见病、多发病[1]。大量循证医学证据已经证实脊柱推拿(spinal manipulation)是治疗腰椎间盘突出症等以慢性腰痛为主要症状疾病的有效疗法[2]，但其镇痛机制至今仍不清楚。既往生物力学、神经生物学方面的研究不能完全解释其机制[3,4]。众所周知，“脑”对痛觉具有非常重要的调节作用。近二十年功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging ，fMRI)技术发展迅速，运用fMRI技术发现慢性腰痛患者大脑皮层存在异常活动[5,6]。为此本研究运用fMRI技术观察腰椎间盘突出症患者脊柱推拿前、后脑功能活动的变化，试图为阐明脊柱推拿的镇痛机制提供思路。
1 对象与方法 1.1 研究对象纳入标准：①符合腰椎间盘突出症诊断标准[7]且病史超过6个月；②男、女性别不限的右利手患者；③年龄25～55岁；④平均腰痛视觉模拟评分(VAS)≥30/100； ⑤平均腰部Oswestry功能障碍指数(ODI)≥20%； ⑥自愿加入本试验，并签署“知情同意书”。
排除标准：①有脊柱外科手术史；②有严重脊柱创伤史；③影像学所见有脊柱骨质肿瘤、结核、骨质疏松等患者；④合并心血管、脑血管、血液系统、消化系统等严重疾病或精神病患者；⑤妊娠期及哺乳期妇女；⑥有其他自身免疫性疾病、变态反应性疾病和急、慢性感染者；⑦受试1月内曾服用过治疗精神类疾病药物者；⑧对核磁共振成像检查有恐惧感不能耐受者。
剔除标准：①研究过程中因各种原因不愿意继续参加研究者；②对研究人员提供的各种表格及问卷内容不能完整理解，需他人协助完成者；③在接受推拿治疗同时接受其他疗法者。
共招募11例腰椎间盘突出症患者，其中3例在接受第一次fMRI扫描后因不能忍受其扫描噪声而中途退出。8例患者完成整个研究，其中男性3例，女性5例，平均年龄(40.5±10.3)岁，平均病程(19.0±7.7)月，VAS为51.3±13.4，ODI 为32.4%±11.2%。本研究通过了中国注册临床试验伦理审查委员会审查(ChiECRCT-2011034)。
1.2 腰部脊柱推拿方法患者接受两个疗程(3天1次，共6次)的腰部脊柱推拿治疗，在整个疗程结束后再进行fMRI扫描。脊柱推拿采用临床常用的治疗方案[8]：患者取俯卧位，首先实施软组织放松手法，以滚法为主，同时配合按揉、弹拨、一指禅手法共操作20min，上述手法结束后予以脊柱调整手法组，患者侧卧位予以腰部斜扳结束。
1.3 局部痛阈测试本研究fMRI扫描采用区组设计(Block-design)。嘱受试者安静俯卧于扫描床上，用一自制的压力刺激器对受试者腰部进行压力刺激。压力刺激器由一个封闭的一次性20mL注射器改造而成(图1)，去除注射器手柄一部分并安装一个注射器活塞，此外露活塞作为刺激头(与受试者皮肤接触面积约为1cm×1cm)可直接作用于受试者腰部区域。在实验过程中只需记录注射器推进刻度，每次实验结束后可将刻度转换为压力(kg)。刺激部位位于第5腰椎棘突左侧旁开5cm处。为保证每次刺激部位的一致，在实验前将所有受试对象的刺激点用记号笔进行标记。受试者在静息状态下扫描30s，然后在受试者腰部进行持续压力刺激30s并扫描。刺激压力由轻到重，嘱受试者在达到VAS评分50分时告诉测试者，记录此时压力值，以同样的方法重复测量3次并取平均值作为最终压力值。
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| 图1 自制压力刺激器 Fig.1 Homemade pressure stimulator |
fMRI采用Philps 1.5T双梯度超导核磁共振扫描机，选择标准头部线圈进行扫描并采集图像，后用SPM及MRIcro软件进行图像分析。(1)结构成像序列及参数：横断位T1WI，FOV 230mm×208mm×125mm，TR=1999ms，TE=10ms，Flip Angle 90°，层厚/层距=6mm/1mm，voxel size=0.8mm×1mm；横断位T2WI，FOV 230mm×208mm×125mm，TR=最短，TE=110ms，Flip Angle 90°，层厚/层距=6mm/1mm，voxel size=0.76mm×0.95mm；矢状位T2WI，FOV 230mm×230mm×125mm，TR=4000ms，TE=110ms，Flip Angle 90°，层厚/层距=6mm/1mm，用于排除脑组织基础疾病及先天变异。(2)三维全脑容积扫描序列：T1WI-3D-TFE序列，FOV 240mm，TR=最短，TE=最短，Flip Angle 8°，voxel size=1.1mm×1.1mm×0.6mm，获得高分辨率图像，作为解剖定位图像。(3)BOLD成像序列及参数：TR=3000ms，TE=50ms，翻转角度90°，FOV=240mm，重建矩阵：144，层数 32层，层厚=4mm，间隔=1mm，像素大小3.73mm×3.75mm×4.0mm。
1.5 颅脑fMRI数据采集和质量控制fMRI资料的分析采用基于Mat1ab平台的SPM5 (statistical parametric mapping 5)软件，SPM5可在其官方网站http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/免费获得。在Mat1ab平台上运行SPM5软件，然后顺序进行：①realign(头动校正)；②slice timing(时间点校正)；③coregister(配准)；④normalise(标准化)；⑤smooth(平滑)。经过上述5个主要步骤的处理形成单个患者数据。根据研究方案设计需要比较患者治疗前、后的数据，用SPM5软件的specify 2nd-level模块进行双样本t检验。比较结果用xjview软件进行显示(xjview 可在其官方网站http://www.alivelearn.net/xjview8/免费获得)，具体方法为选择双样本t检验生成的SPM.mat文件，在xjview软件中设定相应的P值及voxel值直接显示激活区的解剖位置、MNI(montreal neurological institute)坐标、Brodmann区、Z值、T值等结果。
为避免受试者情绪对数据影响，让受试者充分知晓研究背景，扫描前让受试者在扫描床上安静平躺10 min，嘱受试者扫描过程中尽量排除杂念，并将扫描最初10s内采集的信号剔除;为避免受试者头动对图像质量的影响，用SPM软件进行图像头动校正时规定头部移动最大值为0.5mm及旋转(rotation)的最大值为0.5度，超此范围者予以删除。
1.6 脊柱推拿治疗前后患者VAS及ODI评估及疗效判定采用100分制的VAS评估患者的腰痛程度，用ODI评估患者腰椎功能。治疗前后VAS变化率=(治疗前VAS值-治疗后VAS值)/治疗前VAS值×100%；治疗前后ODI变化率=(治疗前ODI值-治疗后ODI值)/治疗前ODI值×100%。ODI共9个项目，包括疼痛(疼痛程度、疼痛对睡眠的影响)、单项功能(提、坐、站立、行走)和个人综合功能(日常生活能力、社会活动、旅行)三部分，由受试者填写。规定治疗结束后患者VAS评分降低30%以上同时ODI指数评分降低25%以上为有效，否则判为无效。
1.7 统计学分析采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。所有临床资料为计量资料，以均值±标准差(±s)表示。腰椎间盘突出症患者脊柱推拿治疗前后数据比较用配对t检验。P≤0.05为差异具有统计学意义。
2 结果 2.1 脊柱推拿治疗对腰椎间盘突出症患者局部痛阈的影响8例腰椎间盘突出症患者脊柱推拿治疗后4例患者有效，即脊柱推拿治疗后VAS变化率均超过80%，ODI变化率均超过45%，符合预定的临床疗效有效标准，见表1。4例患者推拿前和推拿后VAS评分50分时的压力值分别为(7.43±1.47)kg和(10.53±0.55)kg，差异有统计学意义(P=0.04)，提示脊柱推拿治疗有效患者的腰部局部痛阈较治疗前有所提高。
| 疗效 | 例序 | VAS | ODI |
| 有效 | 1 | 100 | 81.8 |
| 2 | 100 | 84.6 | |
| 3 | 80.0 | 45.8 | |
| 4 | 83.3 | 68.6 | |
| 无效 | 5 | 0 | 17.2 |
| 6 | 25.0 | 29.5 | |
| 7 | 25.0 | 50.0 | |
| 8 | 14.3 | 30.0 |
脊柱推拿治疗后无效的4例患者VAS变化率均不超过25%；部分患者的ODI变化率虽然超过25%，但是不符合预定的临床疗效有效标准则判定为无效，见表1。4例患者推拿前、后VAS评分50分时的压力值分别为(6.58±2.29)kg和(7.83±2.60)kg，差异无统计学意义(P=0.154)，提示脊柱推拿治疗无效患者的腰部局部痛阈与治疗前相似。
2.2 脊柱推拿治疗腰椎间盘突出症有效患者 fMRI检测结果脊柱推拿治疗有效的腰椎间盘突出症患者推拿后较推拿前脑功能活动增强的主要区域为右侧中央后回、前扣带、颞中回、左侧额叶额上回、额中回、颞上回、顶下小叶等，而脑功能活动受到抑制的区域主要位于右侧额叶的额中回、额下回及右侧小脑扁桃体。详见表2及图2。
| 脑区 | Brodmann区 | 半球 | MNI坐标(mm) | Z值 | T值 | ||
| X轴 | Y轴 | Z轴 | |||||
| 中央后回 | 3 | 右 | 36 | -21 | 48 | 3.74 | 13.25 |
| (额叶)额上回 | 左 | -9 | 57 | 30 | 3.14 | 7.51 | |
| (额叶)额中回 | 8 | 左 | -15 | 51 | 15 | 2.53 | 4.44 |
| 颞上回 | 22 | 左 | -66 | -45 | 12 | 3.82 | 14.45 |
| 颞中回 | 22 | 右 | 57 | -51 | 0 | 3.74 | 13.36 |
| 前扣带 | 32 | 右 | 3 | 48 | 12 | 3.64 | 12.01 |
| 缘上回 | 右 | 39 | -48 | 30 | 4.00 | 17.41 | |
| 顶下小叶 | 左 | -66 | -45 | 21 | 2.94 | 6.29 | |
| (额叶)额中回(1) | 10 | 右 | 30 | 51 | 6 | -0.29 | -2.14 |
| (额叶)额中回(2) | 10 | 右 | 33 | 63 | 12 | -0.29 | -2.14 |
| (额叶)额中回(3) | 10 | 右 | 39 | 45 | 0 | -0.29 | -2.15 |
| (额叶)额中回(4) | 10 | 右 | 33 | 36 | -18 | -0.29 | -2.15 |
| (额叶)额下回 | 右 | 21 | 33 | -21 | -0.30 | -2.29 | |
| 额叶 | 10 | 右 | 45 | 36 | -15 | -0.29 | -2.25 |
| 小脑扁桃体 | 右 | 30 | -60 | -54 | -0.29 | -2.19 | |
| T值为t检验值，Z值是单个体素的时间序列和整个独立成分的时间序列相关系数的度量(Z值越大激活区就越强烈)，T或Z>0说明局部一致性增加，T或Z＜0说明局部一致性降低；限制条件Cluster size>40，P＜0.05；比较的设置条件为治疗后＞治疗前． | |||||||
|
| A：矢状位；B：横截面；C：冠状位；D：三维图形.图中红色代表脑功能活动增强区域，绿色代表脑功能活动抑制区域. 图2 腰椎间盘突出症患者脊柱推拿治疗有效者颅脑fMRI图谱 Fig.2 The fMRI maps of the patients with LDH who were treated effectively by spinal manipulation |
腰椎间盘突出症患者脊柱推拿治疗无效者推拿后较推拿前脑功能活动增强的区域主要为：左侧额上回、额中回、右侧额下回、右侧中央前回、右侧扣带回、右侧小脑扁桃体、小脑前叶、小脑后叶、颞叶、颞上回、楔前叶等，而脑功能活动受到抑制的区域主要为：左侧颞下回、沟回、舌回等。详见表3及图3。
| 脑区 | Brodmann区 | 半球 | MNI坐标(mm) | Z值 | T值 | ||
| X轴 | Y轴 | Z轴 | |||||
| (额叶)额中回(1) | 11 | 左 | -30 | 36 | -15 | 3.68 | 12.50 |
| (额叶)额中回(2) | 47 | 左 | -51 | 42 | -6 | 2.94 | 6.25 |
| (额叶)额中回(3) | 左 | -42 | 36 | 33 | 3.13 | 7.46 | |
| (额叶)额下回 | 右 | 36 | 12 | -18 | 3.28 | 8.49 | |
| 额叶 | 左 | -27 | 33 | 0 | 3.35 | 9.12 | |
| (额叶)中央前回 | 右 | 45 | -6 | 45 | 3.57 | 11.21 | |
| 扣带回 | 31 | 右 | 3 | -39 | 33 | 3.64 | 12.08 |
| 小脑扁桃体 | 右 | 18 | -60 | -45 | 3.39 | 9.43 | |
| 小脑后叶 | 右 | 33 | -78 | -33 | 3.53 | 10.81 | |
| 小脑前叶(1) | 右 | 9 | -42 | -27 | 2.50 | 4.32 | |
| 小脑前叶(2) | 右 | 24 | -39 | -27 | 3.02 | 6.73 | |
| 颞上回 | 38 | 右 | 30 | 12 | -30 | 3.48 | 10.32 |
| 颞叶 | 右 | 48 | -3 | -18 | 2.25 | 3.51 | |
| 楔前叶 | 左 | -36 | -75 | 33 | 3.00 | 6.63 | |
| 海马旁回 | 右 | 18 | -36 | -6 | 2.69 | 5.05 | |
| 顶下小叶 | 40 | 左 | -48 | -42 | 60 | 2.59 | 4.66 |
| 舌回 | 左 | -15 | -57 | 0 | -0.29 | -2.16 | |
| 沟回 | 34 | 左 | -15 | -6 | -24 | -0.29 | -2.14 |
| 颞下回 | 21 | 左 | -57 | -12 | -18 | -0.29 | -2.14 |
| T值为t检验值，Z值是单个体素的时间序列和整个独立成分的时间序列相关系数的度量(Z值越大激活区就越强烈)，T或Z>0说明局部一致性增加，T或Z＜0说明局部一致性降低； 限制条件Cluster size>40，P＜0.05；比较的设置条件为治疗后＞治疗前． | |||||||
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| A：矢状位；B：横截面；C：冠状位；D：三维图形.图中红色代表脑功能活动增强区域，绿色代表脑功能活动抑制区域. 图3 腰椎间盘突出症脊柱推拿治疗无效者颅脑fMRI图谱 Fig.3 The fMRI maps of the patients with LDH who were treated ineffectively by spinal manipulation |
推拿治疗可以缓解腰椎间盘突出症患者的慢性腰痛，尽管这一临床疗效已得到认可，但是其镇痛机制仍不清楚。既往研究多从生物力学角度入手，认为脊柱推拿可以“调整脊柱空间序列”、“减轻对神经根压迫”等，但是研究结果的说服力不够；同时部分神经生物学研究提示脊柱推拿可以影响椎旁感受器及部分感觉神经的传导[3]，也提出了一些脊柱推拿镇痛机制的假说，如“闸门控制理论”等[4]，但是客观依据不足。因此时至今日，已有研究仍不能较好解释脊柱推拿的起效机制。众所周知大脑是疼痛的最高中枢，对痛觉具有非常重要的调制作用，因此我们尝试从大脑着手探讨进一步解释脊柱推拿的镇痛机制的价值。本研究运用fMRI等技术观察脊柱推拿对腰椎间盘突出症患者脑功能活动的影响，了解脊柱推拿如何影响脑功能活动，以期为阐明脊柱推拿镇痛机制提供一种研究思路及基础性数据。
随着fMRI技术开展，近十年来发现了一些与慢性腰痛密切相关的特定大脑皮层异常活动，一定程度上证实了脑对慢性腰痛的调制作用。Kobayashi等[5]提出了“慢性腰痛皮层”，包括岛叶皮质、前额叶皮层、后扣带皮层等区域；Shimo等[6]发现慢性腰痛患者的脑激活区域主要位于前额叶皮质、岛叶及扣带皮层等区域。我们前期研究也发现，与健康人相比腰椎间盘突出症患者激活脑区主要位于前额叶皮层、前扣带、岛叶及小脑等区域。前额叶在涉及动机、情感、学习和记忆的认知和执行过程中发挥至关重要的作用[9]，其主要作用是介导疼痛中的情感(恐惧、焦虑等)和认知[10]；前扣带皮层主要作用是传输疼痛知觉，同时在疼痛相关情感处理中也发挥作用[11]；岛叶皮层是一个与疼痛感知相关的区域[12]，其作用除了疼痛描述外，还介导疼痛中的情感(不愉快)[13]及认知[14]；小脑与感觉[15]和认知[16]功能也有关。
本研究发现脊柱推拿治疗有效患者的腰部局部痛阈较治疗前有所提高，同时脊柱推拿治疗有效患者的脑功能活动以抑制区域为主，主要位于前额叶及小脑区域；而推拿治疗无效患者腰部局部痛阈与治疗前比较无明显变化，同时其脑功能活动以增强为主，主要位于双侧额叶、小脑、中央前回、扣带回等区域。而出现此结果的原因，我们推测在腰椎间盘突出症患者存在与疼痛密切相关脑区如前额叶皮层、岛叶皮层、前扣带皮层以及小脑区域的异常激活，在慢性腰痛状态下这些脑区均处于“低阈值”[17]状态，轻微刺激甚至是一些能够引起疼痛的信息(如视觉信息[18])就足以使这些区域出现异常激活，导致患者出现疼痛或疼痛加重。而脊柱推拿手法有可能“抑制”了处于“低阈值”状态脑区前额叶皮层、小脑的异常激活，从而“打破”异常的疼痛处理从而发挥疼痛调制作用。有趣的是国外学者最新研究发现安慰剂[19]和精神(意念)疗法[20]在治疗慢性疼痛起效时也能够抑制额叶皮层等脑区。但是安慰剂、精神疗法与脊柱推拿疗法是否具有相类似的起效机制？这还需进一步研究。另外，脊柱推拿如何将信息传递到脑，以及脊柱推拿对脑异常激活区域影响的详细机制等将是本课题组下一步研究的重点方向。
| [1] | YANG G, WANG Y, ZENG Y, et al. Rapid health transition in China, 1990-2010: findings from the Global Burden of Disease Study 2010 [J]. Lancet, 2013, 381 (9882): 1987-2015. |
| [2] | BRONFORT G,HAAS M,EVANS R,et al. Effectiveness of manual therapies: the UK evidence report [J]. Chiropr Osteopat,2010,18: 3.doi: 10.1186/1746-1340-18-3. |
| [3] | 元唯安,程英武,詹红生. 脊柱推拿对中枢神经系统影响的研究进展[J].上海中医药大学学报,2011,25(3):104-107.YUAN Wei-an, CHENG Ying-wu, ZHAN Hong-sheng. Research progress in influences of spinal manipulation on central nervous system[J]. Acta Universitatis Traditionis Medicalis Sinensis Pharmacologiaeque Shanghai, 2011, 25(3):104-107. (in Chinese) |
| [4] | LEDERMAN E. Fundamentals of manual therapy [M]. London: Churchill Livingstone, 1997: 213-220. |
| [5] | KOBAYASHI Y, KURATA J, SEKIGUCHI M, et al. Augmented cerebral activation by lumbar mechanical stimulus in chronic low back pain patients: an FMRI study [J]. Spine, 2009, 34(22): 2431-2436. |
| [6] | SHIMO K, UENO T, YOUNGER J, et al. Visualization of painful experiences believed to trigger the activation of affective and emotional brain regions in subjects with low back pain [J]. PLoS ONE, 2011, 6 (11): e26681. |
| [7] | 胡有谷.腰椎间盘突出症[M].北京:人民卫生出版社,2004: 224.HU You-gu. Lumbar Disc Herniation[M]. Beijing: People's Medical Publishing House, 2004: 224. (in Chinese) |
| [8] | 俞大方.推拿学[M].上海:上海科学技术出版社,1985: 125-128.YU Da-fang. Tuina. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1985: 125-128. (in Chinese) |
| [9] | DALLEY J W, CARDINAL R N, ROBBINS T W. Prefrontal executive and cognitive functions in rodents: neural and neurochemical substrates [J]. Neurosci Biobehav Rev, 2004, 28(7): 771-784. |
| [10] | SEMINOWICZ D A, WIDEMAN T H, NASO L, et al. Effective treatment of chronic low back pain in humans reverses abnormal brain anatomy and function [J]. J Neurosci, 2011, 31(20): 7540-7550. |
| [11] | XIE Y F, HUO F Q, TANG J S. Cerebral cortex modulation of pain [J]. Acta Pharmacol Sin, 2009, 30 (1): 31- 41. |
| [12] | KROSS E, BERMAN M G, MISCHEL W, et al. Social rejection shares somatosensory representations with physical pain [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011, 108(15): 6270-6275. |
| [13] | SCHREKERBERQER M, SIESSMEIER T, VIERTMANN A, et al. The unpleasantness of tonic pain is encoded by the insular cortex [J]. Neurology, 2005, 64(7): 1175-1183. |
| [14] | PEYRON R, LAURENT B, GARCIA-LARREA L. Functional imaging of brain responses to pain. A review and meta-analysis (2000) [J]. Neurophysiol Clin, 2000, 30(5): 263-288. |
| [15] | BAILLIEUX H, DE SMET H J, PAQUIER P F, et al. Cerebellar neurocognition: insights into the bottom of the brain [J]. Clin Neurol Neurosurg, 2008, 110(8): 763-773. |
| [16] | MARIEN P, WACKENIER P, DE SURGELOOSE D, et al. Developmental coordination disorder: disruption of the cerebello-cerebral network evidenced by SPECT [J]. Cerebellum, 2010, 9 (3 ): 405- 410. |
| [17] | WOOLF C J, SALTER M W. Neuronal plasticity: increasing the gain in pain [J]. Science, 2000, 288(5472): 1765-1769. |
| [18] | SHIMO K, UENO T, YOUNGER J, et al. Visualization of painful experiences believed to trigger the activation of affective and emotional brain regions in subjects with low back pain [J]. PLoS ONE, 2011, 6(11): e26681. |
| [19] | TRACEY I. Getting the pain you expect: mechanisms of placebo, nocebo and reappraisal effects in humans [J]. Nat Med, 2010, 16(11):1277-1283. |
| [20] | GARD T, HöLZEL B K, SACK A T, et al. Pain attenuation through mindfulness is associated with decreased cognitive control and increased sensory processing in the brain [J]. Cereb Cortex, 2012,22(11): 2692-2702. |