史智君，严隽陶，杨斌堂，杨诣坤，孔亚敏，卢新刚，伍丹丹

1.上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海200437；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240

前言

固有频率是系统固有的物理参数，其振动的频率与初始条件无关而是由物体本身的刚度、质量等固有特性决定的，一般可由冲击激励测得［1-2］。对机体而言，通常将肌肉、骨骼等组织等效为质量、弹簧及阻尼以研究其各部分的固有频率［3］。不同组织存在其相应的固有频率，而当接近或等同于该组织固有频率的振动激励时则会产生最大的幅值，从而引发一定的生物效应［4］。研究表明：施加适宜的外在振动刺激使之与肌肉组织的固有频率达到和谐状态，能够提高肌肉的兴奋性，促进肌力低下患者的下肢训练效果［2,5-6］。在外周神经损伤中，坐骨神经损伤较为常见，其所导致的肢体功能障碍是临床及康复治疗亟需解决的重点问题［7-8］。由于外在振动激励作用于机体时，频率是影响神经肌肉系统反应幅度的最主要因素［9］。因此，本实验主要检测损伤侧大鼠臀大肌、小腿三头肌的固有频率，并观察不同状态下的固有频率变化，为之后康复振动治疗频率的参数选择提供实验基础。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

选取2月龄健康清洁级Sprague-Dawley 大鼠24只，体质量（180±10）g，由上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院实验动物中心提供并饲养。饲养条件：温度24～26 ℃，湿度55%～65%，12 h：12 h 光暗周期，自由摄食和饮水。

本次实验采用随机数字法，将大鼠分为空白组、模型组、麻醉组，每组各8 只。实验过程中对大鼠的处置严格遵守动物伦理准则和指南的相关规定。

1.2 主要仪器及试剂

SXP-1C 手术显微镜（上海医光仪器有限公司），10%水合氯醛（上海西唐生物科技有限公司），手术直剪、弯止血钳、弯头组织镊（浦东金环），显微止血钳（上海金钟），11/0显微外科带针缝合线（宁波灵桥），新标1号-尼龙缝合线（浦东金环），半弧正角针（浦东金环），眼科手术直剪（苏州市施强医疗器械有限公司），大鼠固定器（自制），DLSA Neuromatic-2000C型神经电图仪（丹麦），固有频率检测平台（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室）。

1.3 模型制备

坐骨神经损伤模型：参照Gigo-Benato［10］将SD大鼠分别以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，常规备皮，碘伏消毒后，于右下肢后外侧纵行切开皮肤，钝性分离股二头肌，于距离梨状肌下缘5 mm 处，游离出约2 cm 坐骨神经，用长14 cm-JZ06Cr 号止血钳完全闭合钳夹坐骨神经3次，每次10 s，中间间隔10 s（钳夹力为46 N），钳夹段长度约2 mm，宽度1 mm，松开血管钳后见钳夹段神经完全透明，但神经外膜处未见出血，造成Sunderland III度损伤［11］。术后30 min检测损伤侧坐骨神经动作电位潜伏期、波幅［12］，刺激强度约1～20 mA，一般以波形达最大振幅且不引起周围无关肌肉组织收缩为宜，刺激时间0.1～0.2 ms，刺激频率1 Hz。记录：将钩形针电极分别置于损伤点标记处和损伤点远端，两电极间距离测定采用精度为0.2 mm 的游标尺直接测量约为10 mm，记录电极置于神经入肌点处，记录时以综合肌电出现的峰波前缘为准［13］。当运动神经传导速度（Motor Conduction Velocity,MCV）降至10 m/s 以下时，认为坐骨神经轴索、髓鞘及神经内膜损伤断裂［14］，确定神经损伤模型造模成功（图1），生理盐水冲洗伤口，常规分层缝合肌肉、皮肤。麻醉模型：将大鼠以10%水合氯醛3 mL/kg腹腔注射麻醉，余不做任何处理。

图1 坐骨神经传导速度（MCV）Fig.1 Sciatic nerve motor conduction velocity

1.4 检测方法

神经损伤第7天，将实验大鼠俯卧位固定于大鼠固定器并置于振动测试台，应用冲击测量仪器（锤击法）于每只大鼠腿部臀大肌、小腿三头肌肌腹中央位置施加冲击振动激励，通过振动响应检测模块测得大鼠两部位振动响应，将采集到的时域振动信号数据通过快速傅里叶变换转至频域数据，可体现于频谱、自功率谱及时频谱中。每只大鼠臀大肌、小腿三头肌冲击测量10 次，取平均值，确定固有频率。（Matlab软件的数据处理和系统分析得到响应点和激励点关系的传递函数，对传递函数进行去直流分量和加窗处理，从而去掉传递函数中由于及离谱能量太低而造成的假峰）（图2）。

图2 系统功能框解图Fig.2 System function block diagram

单自由度系统在脉冲激励下的动力学方程为：

其中δ(t)为脉冲振动激励，其振动响应的解为：

1.5 统计学方法

采用SPSS 25.0软件包进行数据分析与处理。计量资料用均值、标准差、最小值、最大值表示，组间比较采用单因素方差分析，组内比较采用配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 大鼠臀大肌、小腿三头肌频率峰值

施加冲击振动激励于大鼠臀大肌、小腿三头肌肌腹中央各10次响应测得，通过时频分析等方法，结果发现每个部位有两个峰值可能是其固有频率值（表1和图3）。

2.2 大鼠臀大肌、小腿三头肌第一峰值固有频率差异

表1 峰值频率（Hz）Tab.1 Peak frequency(Hz)

图3 臀大肌、小腿三头肌固有频率峰值图Fig.3 Peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of calf

空白组、模型组、麻醉组臀大肌第一峰值固有频率无显著性差异（P＞0.05），空白组、模型组、麻醉组小腿三头肌第一峰值固有频率无显著性差异（P＞0.05），臀大肌、小腿三头肌在相同组别中其固有频率无明显差异（P＞0.05）（表2）。

2.3 大鼠臀大肌、小腿三头肌第二峰值频率差异

空白组、模型组、麻醉组臀大肌第二峰值频率无显著性差异（P＞0.05），空白组、模型组、麻醉组小腿三头肌第二峰值频率无显著性差异（P＞0.05），臀大肌、小腿三头肌在相同组别中其第二峰值频率无明显差异（P＞0.05）（表3）。

3 讨论

自然界以及日常生命活动中，普遍存在物体的往复运动或状态的循环变化，这类现象称为振荡，例如钟摆的摆动、心脏的跳动等都具有明显的振荡特性。振动则是振荡的一种特殊表现形式，是平衡位置附近微小或有限的振荡。振动问题主要涉及系统、激励及响应3 个方面［1］，振动系统主要是研究者所选定的研究对象；激励则是外界对系统的初始干扰及强迫力等；响应是系统在激励作用下所产生的运动。

表2 臀大肌、小腿三头肌第一峰值固有频率（Hz）Tab.2 The first peak frequencies of gluteus maximus and triceps muscle of the calf(Hz)

当人体受到振动激励时会以复杂的方式响应，由于复杂系统本身会存在多个峰值，根据本研究测试结果（表1和图3）显示每个受试部位均有两个规律性明显的峰值，其臀大肌、小腿三头肌两个部位同一峰值基本一致且无统计学差异（表2和表3），针对此情况认为臀大肌、小腿三头肌频率是一致的，其各自的第一峰值判定为其固有频率（分别是8.25、8.12 Hz），而频率较高的第二峰值则可能与其骨骼或骨骼肌肉连接处等刚度相对较高的响应有关。本实验仅关注于固有频率，认为其应是外部激励作用于肌肉组织时影响最明显的频率值，并能够在最短时间内产生最大效应［15-18］。

本实验结果显示，振动激励后正常组、模型组、麻醉组3 组不同状态下的大鼠相同部位的固有频率其均值有差异但不构成统计学意义，因此可认为肌肉组织固有频率是其本身的响应，其不随所处状态的不同而发生很大的变化；而同一组别中臀大肌、小腿三头肌上下两个部位的固有频率亦无明显差异，这可能是由于臀大肌、小腿三头肌同属于同一下肢肌肉组织，其组织结构基本一致所致。

机械振动是机械和结构产生的振动，各种机械设备、人体等都可以看成是一种结构物。将机械振动作为一种治疗方法作用于人体时是利用振动因素使人体局部组织或全身发生周期性或非周期性的往复变化以产生治疗效果［19］。一定频率的振动作用下能够促使患处的神经肌肉性能产生急性及恒久效应［20］，适宜的外部机械振动作用于人体能够最大程度激活神经肌肉系统，使病理状态下的神经肌肉能够恢复至正常状态［21］。将固有频率作为参考频率，设置不同频率的振动治疗对照组，围绕本实验研究方向探讨外部机械振动激励对坐骨神经损伤的最佳振动频率，以期产生最佳治疗效果。