李濤
·綜述·
前交叉韌帶與膝關節本體感覺關系的研究進展
李濤
前交叉韌帶是膝關節的重要穩定結構,與膝關節的本體感覺密切相關。本文將對前交叉韌帶的神經功能、膝關節本體感覺以及兩者之間的關系進行綜述。
前交叉韌帶;本體感覺;膝;綜述
Abstract:The anterior cruciate ligament is an important structure for the stability of knee joint.It is related to the proprioception of knee joint.This article reviewed the nerve function of anterior cruciate ligament,the proprioception of knee joint and their relationship.
Key words:anterior cruciate ligament;proprioception;knee;review
[本文著錄格式]李濤.前交叉韌帶與膝關節本體感覺關系的研究進展[J].中國康復理論與實踐,2012,18(8):734-739.
前交叉韌帶(anterior cruciate ligament,ACL)作為膝關節的重要組成部分,其限制脛骨前移和旋轉的機械穩定功能早已被人們熟知。近年來其作為神經器官,參與構成膝關節本體感覺的功能研究也逐漸成為熱點。
ACL起自股骨外髁內側面后部,向前、向遠端、向內穿關節腔附著于脛骨平臺髁間棘前部。ACL股骨止點位于股骨外髁內側面后部,呈卵圓形凹面,平均長18 mm,寬11 mm,面積113~170 mm2。韌帶遠端扇形張開附著于脛骨平臺髁間棘前部,形成前寬后窄三角形或者卵圓形區域,平均矢狀徑17 mm,冠狀徑11 mm,面積136~150 mm2[1]。股骨止點長軸沿股骨長軸走向,脛骨止點長軸沿脛骨平臺前后徑走向,形成韌帶繞自身扭轉。ACL在脛骨止點形成“足”樣結構,增加附著面積,同時避免伸膝時ACL與髁間窩撞擊。ACL并非由均一長度的纖維組成。Girgis等根據ACL止點纖維的不同分布和屈伸過程中韌帶緊張度的差異,將ACL大致分為前內束(anteromedial bundle,AMB)和后外束(posterolateral bundle,PLB)[2]。前內束分布于股骨止點后上部分和脛骨止點前內部分;后外束分布于股骨止點前下部分和脛骨止點后外部分。膝關節伸直時后外束緊張、寬平;屈曲90°時,前內束緊張伴韌帶扭轉,后外束松弛近似水平。從韌帶整體看,前內束大致位于后外束的前方,這就形成伸直時后外束緊張,屈曲時前內束緊張。ACL走行特殊,具有限制脛骨前移、內旋、內外翻及過伸的多重作用。前內束主要限制脛骨前后移動,后外束主要限制脛骨旋轉。
2.1 正常神經解剖早在1956年,Skoglund等就已發現ACL存在神經組織,以后的試驗證明這些神經組織實際上就是許許多多的機械感受器[3]。1984年,Schultz等第一次具體描述了人ACL的機械感受器,將其分為4類:Ruffini小體、Pacinian小體、Golgi腱器官和游離神經末梢[4]。Schutte等指出神經成分占ACL總體積的1%~2.5%,且大多數分布于韌帶兩端滑膜下[5]。Johansson等的研究發現,支配ACL的神經是發自脛后神經的后側關節神經[6]。
2.2 神經傳入和反射功能Pacinian小體是低閾值、快適應機械感受器,能被各種關節運動所激活,主要監測關節運動的起始和結束。Ruffini小體是慢適應機械感受器,能延長放電,傳遞關節運動接近極限等信息,對關節內壓力、韌帶張力變化做出反應,因此能感受關節的運動、位置和旋轉角度。Golgi腱器官形似較大的Ruffini小體,功能與其相似,也是一種慢適應感受器。ACL中的游離神經末梢包括傳入纖維和自主神經傳出纖維,分別參與感受傷害刺激和調節血管運動[7-8]。
ACL除直接參與膝關節的靜態穩定性外,還通過韌帶-肌肉反射來維持膝關節的動態穩定性。這里提到的韌帶-肌肉反射主要指“ACL-腘繩肌反射”。ACL的主要生理功能是阻止脛骨相對于股骨的前向移位,其正常抗拉能力為1735~2000 N[9-10],而股四頭肌牽拉脛骨前移的拉力常超出2000 N[5],因此運動過程中會有ACL斷裂的情況出現。但這畢竟是少數情況,因為來自腘繩肌的收縮運動會對抗脛骨前移,起到保護ACL的作用,從而更好地保證膝關節的動態穩定性。
Gruber等第一次描述了ACL-腘繩肌反射[11]。Solomonow等首次證明ACL上感受器的傳入信息可以影響腘繩肌的肌電活動。他們的方法是直接牽拉麻醉狀態下貓的ACL,記錄到由此引起的腘繩肌肌電活動[12]。Miyatsu等通過貓的試驗發現,即使比較輕微的牽拉刺激ACL也可以同時引起膝關節周圍伸肌和屈肌的活動,并指出這種現象是直接通過γ-運動神經元實現的[13]。同樣,在人體內,通過機械刺激ACL也觀察到腘繩肌的反應性收縮[14-15]。
單純機械刺激可能會不可避免地影響到膝關節其他結構的機械感受器,使結果的精確性下降。于是Poul等通過關節鏡下選擇性電刺激ACL上的機械感受器(電極直接插到ACL內)[16],結果8例患者中7例記錄到半腱肌的反應性收縮,潛伏期是(95±35)ms;而當膝關節伸肌或屈肌等長收縮狀態下電刺激ACL,則會對正在收縮的肌肉產生抑制作用,由此進一步說明了ACL-腘繩肌反射的存在及其對ACL的保護作用;同時他們還總結出,低閾值機械感受器可能是通過γ-肌梭系統完成此反射的,而高閾值機械感受器可能是通過γ-運動神經元來完成此反射的。但是目前為止,ACL-腘繩肌反射的具體神經傳導通路仍未明確。
2.3 損傷后機械感受器的變化Denti等對損傷的ACL上的機械感受器進行研究,鑷取組織活檢后發現:在損傷3個月時ACL上仍存在形態正常的機械感受器,隨后其數量逐漸減少,到傷后9個月時,只殘留少量游離神經末梢,傷后1年時感受器完全消失[17]。但是由于ACL中感受器的分布特點并不均勻,所以不同的活檢部位可能產生不同的結果。因此上述試驗不能可靠說明損傷后ACL中神經結構的整體情況。Georgoulis等發現,如果ACL損傷后貼附于后交叉韌帶,則在3年后仍有機械感受器存留[18]。
當然組織學上的發現只能停留在形態和數量上,至于ACL損傷后殘存的機械感受器功能狀態還需要進一步研究,而這也是更值得關注的。由于損傷的ACL失去了對感受器的張力調節,使殘存的感受器功能的發揮受影響。Beard等[19]和Ochi等[20]研究發現,伴有ACL損傷患膝的反射性腘繩肌收縮的潛伏期較正常膝顯著延長,提示ACL損傷后維持關節穩定的本體反射弧受損,但同時也證明傷后殘存的機械感受器還有一定的功能。在此基礎之上,Adachi等找到了ACL上機械感受器數量與膝關節本體感覺之間的正性相關性,即傷后ACL上殘留的感受器數量越多,其膝關節本體感覺越好[21]。
2.4 重建后機械感受器的變化Goertzen等首先報道了異體ACL移植重建后的神經再生[22]。應用犬異體深低溫冷藏ACL重建,發現游離神經末梢與Golgi樣腱器官再生。神經血管相伴一并重新長入ACL膠原束帶。如正常ACL一樣,一般位于表層及兩端附著點。Fromm等用低溫保存的同種異體ACL對新西蘭白兔進行ACL重建術[23],用免疫組化的方法進行檢測,術后3~6周未出現能與抗體反應的神經纖維,但術后24周試驗組ACL中出現與正常對照組類似的3種神經纖維,即含P物質的傷害性神經纖維、含酪氨酸羥化酶的交感性縮血管性神經纖維以及含神經微絲蛋白的快傳導機械感受性神經纖維。酪氨酸羥化酶陽性纖維在滑膜下結締組織成叢分布,但未發現有特化的終器形成,所以是否具有感覺傳入功能尚有待進一步證明。
ACL中出現神經肽并不能特異性地說明就是相應的神經纖維或者機械感受器的再生。即使移植物中有神經纖維出現也不代表它具有機械感受器的功能,它有可能是伴隨血管而進入移植物的自主神經傳出纖維,而且免疫組化并不能很好地辨認移植物中的環層小體,但電子顯微鏡能很好地證實機械感受器是否存在[24]。當然這只是初期的試驗,接下來的一些研究確實證明了ACL重建術后有機械感受器再生,并且其功能也得到部分恢復。
Denti等建立了不同移植物重建羊ACL的模型,其中骨-髕腱-骨組在術后3個月開始便在移植物上出現了Pacinian小體和游離神經末梢,并持續存在6~9個月,而人工韌帶組則始終沒有發現機械感受器再生[17]。對兩例骨-髕腱-骨重建術后9年和10年病例的ACL進行組織學檢查時發現了大量形態正常的Ruffini和Pacinian小體,尤其在脛骨附著處最多。Shimizu等對家兔行自體骨-髕腱-骨移植ACL重建術,對ACL移植物的機械感受器進行定量分析[25],以對側髕腱和ACL作為對照組,術后2周,移植物中未發現Pacinian和Ruffini小體,表明小體退變、消失;術后4周Pacinian和Ruffini小體出現,但明顯少于對照髕腱組;術后8周,移植物中Pacinian和Ruffini小體數量和對照組相比無顯著性差異;術后4周或8周移植物的關節內部分中Pacinian和Ruffini小體數量和正常ACL無差別。說明術后2~8周期間移植物中存在機械感受器的再生。同時發現Ruffini小體的再生速度快于Pacinian小體,作者認為這是因為Ruffini小體有多個突起,并且在術后關節制動2周時也能發放神經沖動,感知關節位置,但Pacinian小體僅能感受關節的加速運動。相似的組織學方法也證明了ACL移植物上有神經組織的再生[25-26]。Ochi等對移植物進行直接電刺激引出體感誘發電位,其電壓值和正常對照組無明顯差別,作者認為移植物中有神經再生,并能將外來刺激以電信號的形式傳給中樞神經系統,從而說明ACL的本體感受功能亦能恢復[20]。同樣,Eiichi等也對再生神經的功能做了進一步研究:通過關節鏡下電極刺激3例患者的ACL移植物(髕腱,術后時間37~80個月),電刺激120~140 ms后有2例患者的同側腘繩肌表面肌電值顯著增加[27],從而證明ACL重建術后不僅有機械感受器再生,而且其功能(ACL-腘繩肌反射)也可以恢復。
3.1 概述本體感覺是包含關節運動覺和位置覺的一種特殊感覺形式。它主要包括3個方面的內容:①關節位置的靜態感知能力;②關節運動的感知能力(關節運動或加速度的感知);③反射回應和肌張力調節回路的傳出活動能力。前兩者反映本體感覺的傳入活動能力,后者反映其傳出活動的能力[28]。膝關節本體感覺由位于膝關節周圍的肌肉、肌腱、關節囊、韌帶、半月板和皮膚的感受器發生的傳入信號整合而成,并通過不同中樞控制反射回應和肌張力調節回路傳出活動。肌肉和關節的感受器是關節本體感覺的主要來源[29],膝關節本體感覺傳入和神經肌肉控制傳出能力減退將導致關節穩定性下降、關節運動失去控制及步態異常。
3.2 測定方法膝關節本體感覺內容和形式的多樣性決定其測定方法并不統一,目前尚無認可的標準測定方法,且沒有哪種方法具有很高的靈敏度和特異度,使得相關研究的可比性較差。目前臨床上應用的測定膝關節本體感覺的方法大致包括以下4類。
3.2.1 角度重現法或稱位置重現法,預先令受試者的膝關節被動或主動地定位于某一屈曲的角度,然后令受試者通過被動運動或主動運動并依靠自我判斷重新建立上述角度,并對角度重建的精確度進行測量。此方法主要測量膝關節的位置覺,包括主動重現和被動重現兩種模式。1991年Barrett等首次設計提出了被動角度重現的測量方法[30],設備主要由Thomas支架和Pearson裝置構成,受試者由機器被動屈曲膝關節到設定的角度(分別為0°、30°和45°),5 s時間記憶角度,然后Pearson裝置會將膝關節放置到最大伸直位,15 s后受試者要主動重現之前設定的角度,從而得到重現角度與設定角度之間的差值,測量5次后取均值來代表膝關節的位置覺。之后許多研究中都出現被動位置重現的測量方法[31-38],均是在此基礎上進行一些改動和發展,主要變化是測量設備和設定角度上的不同。在主動重現中,患者通常采取負重站立位,通過抗重力的主動膝關節屈伸來重現設定的角度[39-44]。但應注意的是在主動位置重現的測試中,不能很好地將視覺、前庭覺和其他信號的傳入區分開來,且反復測試造成的肢體疲勞會對測量結果產生影響。
3.2.2 閾值測量法利用自動儀器提供緩慢(0.5~2.5°/s的速度可以最大限度地刺激關節感受器,而非肌肉感受器,以減少誤差[33];而且低速運動也可以避免受試者感覺到運動的突然發生[41])而持續的膝關節被動性運動,測量運動起始時的關節角度與受試者能夠察覺到運動時的關節角度,比較兩種角度的差異,以此判斷膝關節本體感覺的精確度。比較有代表性的研究是被Roberts等[45]稱為“本體感覺指數”的測量方法:兩個起始角度為屈膝20°和40°位,每個位置進行伸屈兩個方向的測量,共得到4個感知閾值,取均值來代表膝關節的運動覺。其他研究所用到的閾值測量方法也都只是測試設備和起始角度的不同[33,35,37-38,46-49]。此方法容易受到視聽及其他環境因素的干擾影響,使測量的準確度下降。
3.2.3 視覺模型法視覺模型試驗要求受試者在膝關節經過被動性或主動性的定位后,通過自我判斷在二維或三維的膝關節模型上實現上述定位角度,或通過觀察模型的角度,受試者經被動或主動運動在自身的膝關節上實現此角度,然后計算受試者膝關節與模型的角度差異,并以此判斷本體感覺的精確度[50]。
3.2.4 體感誘發電位測量法肌肉收縮和肌張力的調節可對關節起到主動保護作用,反映肌肉的反射性收縮能力,即膝關節本體感覺的反射回應和肌張力調節回路傳出途徑活動能力,常通過不隨意干擾條件下肌肉收縮的潛伏期來評定,對可能傾向于關節過度使用損傷導致的不同步的神經肌肉活動模式的評價提供了一個有價值的參考。Beard等將肌電圖描記器(electromyogram,EMG)表面電極置于腘繩肌上,一過荷指示計緊貼脛骨平臺前方,于腘窩脛骨端施加一從后至前下的切力,過荷指示計和EMG分別記錄下股骨受力后開始移動的時間和繩肌開始收縮的時間,通過計算機分析出這一時間差,即表示腘繩肌收縮的潛伏期,直接反映了繩肌反射性收縮的能力[50]。
前三種測定方法主要測量膝關節本體感覺的傳入活動能力,而最后一種方法則是測量其傳出活動的能力。由于各種方法測量的內容不同,且都存在一定的局限性,無明顯優劣之分,使得目前臨床上對于膝關節本體感覺的測定并無統一的規范。但是相對來講,角度重現法和閾值測量法應用更加廣泛。
ACL作為膝關節重要的穩定結構,不僅直接提供靜態的機械穩定作用,還具有神經傳入功能,通過神經反射進一步維持膝關節的動態穩定性。相應地,ACL損傷以后,膝關節不僅直接降低機械穩定性,更重要的是影響膝關節的感覺傳入反射及其后的一系列神經整合過程,使本體感覺下降,臨床上表現為膝關節功能紊亂,出現失穩、打軟腿現象。另外,本體感覺下降后可導致膝關節反復扭傷,從而帶來諸如關節軟骨、半月板損傷,關節囊松弛和肌肉萎縮等繼發性改變,進一步加重膝關節障礙,形成惡性循環。在此背景下,越來越多的臨床研究開始探尋和證明ACL和本體感覺之間的關系。目前來看,相關的研究主要集中在ACL損傷后膝關節本體感覺的變化,以及重建手術后膝關節本體感覺的變化,其中涉及的本體感覺測定方法多為角度重現法和閾值測量法。
對于第一類研究,多數的結論是伴隨著ACL的損傷,膝關節的本體感覺也有不同程度地下降。這一結論首先在一些ACL損傷后患側與健側膝關節本體感覺的對比研究中得到了證實。Friden等對16例ACL急性損傷的患者進行側臥位的運動感知閾值測量,起始位置為20°和40°的伸屈膝雙方向測量,被動運動速度為0.5°/s,其中4例患者在傷后1、2和8個月存在持續明顯的本體感覺減退,而且是與聯合的軟骨、半月板損傷和膝關節主觀功能相關的[52]。Roberts等將上述Friden等的閾值測量方法稱為“本體感覺指數”,運用相同的方法對54例ACL損傷的患者進行研究后發現傷后本體感覺的下降與軟骨損傷、關節松弛和年齡有關[45]。Katayama等在進行膝關節本體感覺測量時使用了Biodex系統,主要進行關節位置覺的測量,使用10°/s的速度將被測膝關節由90°位開始被動重現5°~25°之間的設定角度[32]。32例ACL損傷患者的測量結果為健側平均角度偏差為(3.6±1.5)°,患側平均角度偏差為(5.2±1.9)°,兩側差異有顯著性。Dhillon等[53]和Muaidi等[54]的研究也證明ACL損傷后膝關節本體感覺會下降。但Good等的研究結果卻有所不同,通過對18例ACL急性損傷(傷后平均6周)的患者進行站立位負重狀態下的主被動角度重現測量,設定角度為30°或70°,結果發現健側和患側結果并無差異,得出ACL急性損傷后關節位置覺未發生改變[39]。因為一些研究的結果顯示,單側ACL損傷可以導致雙側膝關節本體感覺的減退[41,55],設立正常對照組可能對于此類研究更為科學合理。Fischer-Rasmussen等采用平臥位測量本體感覺[56],運動覺是起始位置為20°被動運動速度為0.5°/s的伸屈膝雙向測量方法,而位置覺則是從最大伸直位或60°位起始分別重現15°、20°、25°、30°和35°的測量方法,通過對ACL損傷組和正常對照組各20例的對比研究,結果發現損傷組的運動覺和60°位起始重現的位置覺較差,而從最大伸直位起始重現的位置覺卻并未減退。由此可見大多數的研究都表明,ACL損傷后膝關節本體感覺有所減退,這與解剖理論基礎和患者的臨床表現也是吻和的。但是也有不同的結果出現,原因可能與病例選擇和測定方法不同有關。
而對于第二類研究,大多數的結果表明ACL重建手術可以使本體感覺得以恢復,而且隨著術后時間的延長,恢復的程度也會越來越好。但同時也應指出,手術后相當長的一段時間內,本體感覺仍是有缺陷的,而且具體的恢復時間目前也尚未明確。Roberts等利用Fridèn等之前使用的裝置對20例ACL重建患者(術后時間平均為2年)和19例正常對照進行測量對比后發現患者雙側膝關節的本體感覺都有減退,仍未達正常水平[41]。Reider等對26例ACL重建患者在術后3周、6周、3個月和6個月分別進行運動感知閾值測量(15°起始,被動運動速度為3°/s),也發現了雙側膝關節本體感覺均未恢復到正常水平[55]。Bonfim等運用持續被動運動裝置(continuous passive motion,CPM),患者取平臥位,病例組10例,ACL重建術后12~ 30個月,健康對照10例,分別進行位置覺和運動覺測量后也得到了同樣的結論[57]。Iwasa等利用Cybex裝置設計了一套測量本體感覺的方法,患者坐位,以10°/s的速度主動重現5°~25°之間的設定角度,計算重現偏差均值來代表關節位置覺。他們對38例ACL重建術后的患者進行間隔3個月的2年隨訪,結果30例測到位置覺的改善,其中28例在隨訪終點時仍保持著較好的位置覺改善狀態[34]。不僅如此,他們還總結了本組病例本體感覺恢復的時間規律:所有患者的位置覺開始恢復時間平均為術后9個月,而完全恢復所需時間至少為18個月。Hopper等對9例患者術后隨訪12~16個月,采用Peak Motus運動測量系統進行站立負重位的關節位置覺測量,發現患側與健側結果無差異,表明此時患側位置覺已無減退[40]。但是此類研究大多數并未對不同手術方式進行進一步分層比較或者所選病例都接受了同一種ACL重建術式,而Adachi等則對單雙束重建的病例進行了術后本體感覺的對比研究,平均隨訪長達32個月后發現雙束重建術在改善膝關節本體感覺方面并無優勢可言[58]。Lee等在ACL重建時使用了保留ACL殘端技術,共16例患者,平均隨訪35.1個月,與未保留殘端重建組相比,具有更好的本體感覺[48]。之后,這種保留ACL殘端的手術方式被越來越多的醫生所青睞,術后的隨訪也證明保殘確實有利于術后膝關節本體感覺的恢復[53,59-62]。Merter等根據重建移植物的不同對兩組病例進行了對比研究,利用Cybex裝置進行本體感覺測量的方法對同種異體和自體移植物ACL重建的兩組病例進行比較,結果兩組病例術后的本體感覺并無差異,同時還指出本體感覺與關節松弛度無關[33]。但也有研究指出自體移植物在術后早期恢復膝關節本體感覺方面優于異體移植物[36]。由此可見,手術重建對于膝關節本體感覺的恢復確定是有裨益的,但是恢復的時間一般較長,而且不同手術方式和移植物對于術后膝關節本體感覺的影響,還有待于更多的研究來印證。
通過對以上研究的回顧,我們不難發現,由于測定方法、病例選擇和參照對象的不同,使得最終的關于ACL損傷后膝關節本體感覺變化的結論并不十分一致;而且我們還了解到影響本體感覺測量結果的因素遠非這么簡單,它可能還與年齡、關節松弛度、聯合損傷(軟骨、半月板和其他韌帶損傷)、水腫、手術方式、移植物和康復鍛煉等因素有關,因此我們在做類似比較時一定要綜合考慮相關因素,才能使結果更具說服力。
膝關節的本體感覺是由存在于關節囊、半月板、交叉韌帶、側副韌帶和髕下脂肪墊的機械感受器,肌腱和皮膚內的機械感受器及肌梭,及其向脊髓和大腦皮層投射的神經纖維共同組成的復雜系統。基于此,目前針對膝關節本體感覺的任何測量手段都有其局限性,因此增加了相關研究的理解難度,并降低可比性。ACL作為膝關節本體感覺的組成部分,對其影響也是有限的,且很容易受到其他因素的干擾,但是ACL對于本體感覺的裨益是毋庸置疑的。
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Relationship between Anterior Cruciate Ligament and Proprioception of Knee Joint(review)
LI Tao.Department of Rehabilitation Medicine,the 3rd Hospital of Peking University,Beijing 100191,China
R684
A
1006-9771(2012)08-0734-06
2012-05-17
2012-06-12)
10.3969/j.issn.1006-9771.2012.08.011
北京大學第三醫院康復醫學科,北京市100191。作者簡介:李濤(1982-),男,北京市人,博士,醫師,主要研究方向:康復醫學。