前交叉韧带重建术后股四头肌萎缩的研究进展

王元新，薛爱荣，闫磊，尚芳如，刘涛

(1.河南省直第三人民医院 a.医学运动科；b.骨科，河南 郑州 450000；2.河南省中医药研究院附属医院 康复科，河南 郑州 450000)

前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)是膝关节重要的稳定结构，具有防止胫骨相对股骨向前滑动和内旋的重要作用。ACL撕裂是指因外伤、暴力等因素造成ACL的部分或全部撕裂，是运动医学中常见的膝关节损伤之一。全球每年ACL撕裂高达200万例，我国每年ACL撕裂患者超过10万例[1]。ACL撕裂常见的致伤因素是运动损伤、交通伤和坠落伤。其中运动损伤占前交叉韧带损伤的70%以上[2]。女性髁间嵴较窄，且女性跳起落地时会出现较大的动态膝外翻，因此女性ACL损伤是男性的2～10倍。ACL撕裂的损伤机制主要包括膝关节的过度外展，膝关节和髋关节在缓冲过程中屈曲程度减小，胫骨相对于股骨的旋转[3-5]。ACL撕裂往往还伴随半月板及内侧副韧带的损伤，需及时进行干预，治疗不及时或治疗不当会引起患者膝关节失稳、软骨损伤、髌股关节疼痛、膝关节骨性关节炎等[6]。

ACL完全断裂的治疗首选膝关节镜下ACL韧带重建术(anterior cruciate ligament reconstruction，ACLR)。ACLR的目的是重建患者膝关节的稳定性，恢复受伤之前的生活质量与运动功能。ACLR能够有效改善膝关节的动力学结构和膝关节的稳定性。但ACLR术后患者下肢肌肉萎缩普遍存在，尤其是股四头肌萎缩。股四头肌萎缩伴随的膝关节疼痛肿胀、膝关节屈曲挛缩、纤维化、僵硬等，成为患者术后回归生活、重返运动的重要障碍[7]。

1 ACLR术后股四头肌萎缩的原因

1.1 ACLR术后股四头肌萎缩的病理机制分析近年来国内外专家认为中枢抑制是ACLR术后股四头肌萎缩的主要原因。ACL撕裂和ACLR术后患者前交叉韧带中感受器损害可导致一级、二级本体感觉缺失，大脑皮质控制疼痛和运动的区域兴奋性增高，从而出现中枢抑制、神经肌肉通路改变，进而出现股四头肌萎缩。Hunt等[8]运用大鼠无创性ACL损伤动物模型进行研究，发现在ACL损伤早期，神经肌肉通路的改变先于调节股四头肌肌肉质量的萎缩因子的上调，显示ACL损伤后神经肌肉通路的暂时中断是股四头肌萎缩的主要原因。国内外对ACLR后股四头肌萎缩病理机制的研究显示，无论是关节源性肌肉抑制学说还是中枢抑制学说，其本质是患者膝关节疼痛肿胀对关节本身和中枢神经系统的影响。对ACLR术后股四头肌萎缩的评估不但要关注膝关节本身，还要关注中枢神经对膝关节的影响。治疗上，早期要重点关注对疼痛肿胀的管理，后期重点关注本体感觉整合，尤其是神经肌肉训练和刺激。通过运动训练或电刺激，刺激神经肌肉直接激活运动神经元并通过神经反射对中枢神经系统进行调节，从而对运动神经的反馈机制进行调整，进而强化患肢神经肌肉控制。

1.2 ACLR术后股四头肌萎缩的术前因素与术后因素影响ACLR术后股四头肌萎缩的术前因素有：关节肿胀疼痛，股四头肌因关节源性肌肉抑制导致肌肉萎缩和无力；术前患者因为心理畏惧，支具固定时间长，不敢运动致使肌力不能很好维持；术前本体感觉训练、核心力量训练不足导致术后股四头肌发力困难；术前康复时间不足[9]。影响ACLR后股四头肌萎缩的术后因素有：术后疼痛管理不当，关节持续肿胀疼痛，中枢抑制和关节源性肌肉抑制导致股四头肌持续不能激活；支具固定时间过长，影响康复训练进展；运动康复方案制定不合理，例如早期运动强度过大造成肌肉持续疲劳，中期核心稳定性训练不足，健侧和患侧肌力及稳定性不平衡，患肢股四头肌内外侧力量不平衡，股四头肌与腘绳肌力量不平衡导致髌骨关节持续疼痛，影响股四头肌肌力的提升，晚期离心训练、抗阻训练、协调性训练不足导致肌肉力量上升缓慢，不利于股四头肌萎缩的康复；术后过度关注膝关节屈曲活动度，忽略了伸直活动度训练，导致膝关节伸直障碍，运动时股四头肌发力困难[10]。

2 ACLR术后股四头肌萎缩的评估

2.1 下肢周径的测定下肢周径的测定往往选取髌骨进行测量，测量髌骨上缘 5、10、15 cm处的大腿肢体围度。下肢周径测定具有操作简单、方便等优点。有研究指出ACLR术后皮下脂肪可能会在短期内增加[11]。所以下肢周径测量可能无法真实反映ACLR患者的实际肌肉横截面积。

2.2 MRIMRI可以准确测定膝关节周围肌肉的体积。Norte等[12]运用MRI评估ACLR前后患者下肢肌肉体积，通过双侧下肢MRI获得35块肌肉的体积大小，结果显示所有患者ACLR术后股直肌和股外侧肌体积比对侧肢体手术前肌肉体积减小15%以上；股直肌、股薄肌、股内侧肌、股中间肌和股外侧肌体积比对侧肢体手术前肌肉体积减小20%以上；股薄肌和半腱肌较术前肌肉体积萎缩超过30%。Lepley等[13]使用功能MRI评估大脑皮质激活情况，使用MRI量化肌肉体积，发现ACLR患者在负责运动和疼痛处理的大脑额叶区域表现出更大的激活。有研究显示ACLR患者表现出系统性神经差异，同时观察到股四头肌体积较小，股四头肌肌无力，两者存在相关性[14]。

2.3 经颅磁运用经颅磁评估、治疗ACLR的情况在国外比较普遍[15]。ACLR术后中枢抑制致使脊髓反射性兴奋性、皮质脊髓兴奋性和自愿性激活，从而导致股四头肌萎缩、无力，运用经颅磁针对中枢神经改变的康复策略可能有助于ACLR术后股四头肌萎缩的恢复和股四头肌肌力的增加。Zarzycki等[16]发现ACLR术后2周运动员皮质脊髓兴奋性开始发生改变，直到恢复跑步时皮质脊髓兴奋性仍未恢复正常。

2.4 肌骨超声肌骨超声可测量股四头肌的厚度，用来评估股四头肌萎缩。Lee等[17]使用便携式超声设备测量患者在ACLR术前1 h和术后48～72 h的双侧股四头肌厚度，发现ACLR术后患侧肢体的股中肌小于健侧肢体。Yang等[18]使用超声波测量ACLR术前、术后股四头肌厚度，发现ACLR术后股中肌出现严重萎缩。

2.5 生化指标ACLR术后股四头肌萎缩发生异常的生化指标有抑制肌生长抑制素、阿托品-1、肌环指1 mRNA、Smad-3、C-反应蛋白水平、卫星细胞丰度等，尤其抑制肌生长抑制素在其中表现出高度相关性。研究表明在ACL损伤后肌肉质量下降、肌肉萎缩的原因与肌生长抑制素表达升高有关。国外学者对切断ACL的大鼠进行研究发现，ACL横断后股四头肌萎缩与肌生长抑制素、阿托品-1和肌环指1 mRNA水平的升高相关[19]。抗肌生长抑制素药物对ACL撕裂后骨骼肌萎缩和无力有保护作用；重组肌生长抑制素能增加小鼠肌腱原代成纤维细胞的细胞增殖和Ⅰ型胶原的表达[20]。

3 ACLR术后股四头肌萎缩的康复策略

3.1 术前预康复很多学者认识到ACLR术前预康复对抑制ACLR术后股四头肌肌肉萎缩有益。术前预康复包括疼痛肿胀控制、本体感觉训练、肌力训练、物理治疗等。Cheney等[21]提出术前本体感觉训练有利于术后早期快速开展肌力、关节活动度训练，神经肌肉训练应用于ACL损伤患者的术前康复对患者术后肌肉萎缩的抑制和膝关节功能恢复有良好作用；术前肌力训练使患侧肌力达到健侧肌力80%以上可以有效预防术后肌肉萎缩。

3.1.1疼痛肿胀控制 ACL损伤后，早期应遵循PRICE原则(保护、休息、冰敷、加压、抬高)以保护关节、减轻水肿及炎症刺激；同时可以配合使用非甾体抗炎药减轻疼痛。

3.1.2本体感觉训练 ACL中有40余种感受器，这些感受器向中枢传递膝关节运动时肌肉肌腱收缩、关节位置、运动速度等信息，并通过反射性神经肌肉控制维持膝关节的静态稳定、动态稳定及膝关节的运动协调[22]。ACL损伤后患者一级、二级本体感觉缺失，导致膝关节进行开链运动时位置觉、运动觉、负重感觉等不能被准确维持。神经肌肉训练是本体感觉训练的重要组成部分，主要采用在运动训练中结合电刺激进行微扰训练[23]。研究表明将微扰训练应用于ACL损伤患者的术前康复能够刺激大脑皮质运动，增强无意识运动反应，提高患者膝关节的稳定性，减轻术后股四头肌萎缩[24]。

3.1.3肌力训练 研究表明术前股四头肌肌力不足会导致术后长时间股四头肌肌力下降，股四头肌萎缩，术中取腘绳肌肌腱导致腘绳肌紧张痉挛，进而对股四头肌进行抑制，致使股四头肌萎缩加重[25]。确诊为ACL断裂的患者，应在手术前维持较好的股四头肌、腘绳肌强度及力量，这将为术后康复、术后股四头肌萎缩的抑制打下良好的基础。但是术前到底应该把股四头肌、腘绳肌肌力维持在什么样的水平，国内外研究尚未达成共识。

3.1.4预康复的时间 Grapar等[26]研究表明短时间(低于2周)的术前预康复对抑制ACLR术后股四头肌肌肉萎缩及改善膝关节运动功能无临床意义，6周左右的术前预康复对抑制ACLR术后股四头肌肌肉萎缩及改善膝关节运动功能有显著效果，且这些效应在术后12周仍存在。因此建议所有ACL损伤患者在ACLR术前都接受合理、足量的康复训练。

3.2 术后康复ACLR术后康复十分重要，不但要兼顾到对内植物的保护，还要兼顾到膝关节功能的恢复。术后康复早期(0～4周)要重点关注对疼痛肿胀的管理，如支具固定、冰敷、药物运用等；中期(4～12周)要重点关注膝关节本体感觉训练和关节功能的管理，如神经肌肉训练、神经肌肉电刺激、血流抑制训练、膑股关节疼痛的干预等；后期(12周以后)要重点关注肌肉力量提升，如开链运动、离心训练、负重训练等。核心稳定性训练、神经肌肉电刺激要贯穿到整个术后康复之中。

3.2.1支具固定与负重时机 在ACLR术后早期，临床医生常采用支具固定方式对患肢进行保护，但支具固定多长时间尚无定量。单纯的ACLR，建议固定时间不超过2周；ACLR伴随半月板缝合，建议固定时间不超过4周。去除支具固定后应拄双拐，适当增加患肢的负重。研究表明支具固定时间及早期负重时机取决于腱骨愈合情况[27]。Ma等[28]研究认为ACLR后支具固定有利于韧带移植物和移植物-隧道之间的早期愈合。但长时间的固定会导致骨隧道周围基质金属蛋白酶活动增多[29]，从而影响移植物-骨界面的愈合，进而影响康复进程。动物试验表明ACLR后早期负重可以使肌腱骨接合处纤维软骨数量增加，碱性磷酸酶增高[30]。钙调蛋白基因表达上调，从而拥有较窄的瘢痕组织界面并提高肌腱-骨界面的生物力学强度，促进腱骨愈合。更多证据表明术后5 d患肢开始适度负重是最佳负重时机[31]。

3.2.2本体感觉训练 ACLR术后应加强本体感觉训练，本体感觉训练对维持膝关节稳定性，维持膝关节的位置觉、运动觉、震动觉，维持运动功能及姿势控制有重要作用[32]。常用的本体感觉训练方法有直腿抬高训练、下肢神经肌肉控制训练、弓箭步弹力带拉腿训练、功率自行车训练、平衡板训练、平衡半球训练、绳梯训练、律动仪训练等。术后早期可在支具保护下进行睁眼、闭眼直腿抬高训练和下肢神经肌肉控制训练。神经肌肉控制训练是将电极片贴于股四头肌和腘绳肌，当下肢运动时通过电刺激对下肢神经肌肉进行控制。下肢神经肌肉控制训练能够抵抗ACL损伤后机械感受器缺失导致的神经肌肉控制分离，促进中枢神经系统重构，重建股四头肌神经肌肉通路；增强人体本体感觉，加强机体对于运动和姿势的控制；有利于软骨细胞修复和炎症控制，提升肌力，促进股四头肌萎缩的康复[33]。术后中期可采用弓箭步弹力带拉腿、功率自行车训练。弓箭步弹力带拉腿具体操作：患者睁眼，弓箭步站立，上身直立，患肢在前，弹力带固定于患肢小腿，治疗师手持弹力带向各个方向小力度、快频率牵拉，每组30 s；再闭眼重复上述操作。每天睁眼、闭眼训练各进行10组，训练过程中患者要注意保持身体稳定。术后后期可采用石头人训练、平衡板训练、平衡半球训练、绳梯训练等进行本体感觉训练。石头人训练可有效提升下肢稳定性，具体操作：患者双眼睁开，站立于平衡软榻上，下肢微屈，上身挺直，两上肢伸直于身体前方，两手十指交叉，保持整个身体不动像石头一样，治疗师无规律地轻推患者手部，患者尽量保持身体不动，每组30 s；再闭眼重复上述操作。每天睁眼、闭眼训练各进行10组。

3.2.3血流限制训练 血流限制训练是一种已被证明可以减少不同人群的肌肉萎缩的技术，单独或结合运动的血流量限制疗法在促进肌肉肥大方面显示出一定的作用[34]。Hoel等[35]运用40 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)压力作用于患者下肢造成一定的下肢间歇性负压，可提升患者步行能力。有研究表明，ACLR康复过程中短期(2周)中等压力血流限制训练结合低阻力肌肉训练不会对股四头肌横截面积产生明显影响；相对较长的持续时间(15周)的中等血流限制训练结合低阻力肌肉训练可增加股四头肌的横截面积[36]。使用止血带进行血流限制训练结合低强度训练在增强肌肉氧合、改善股四头肌肌肉微循环和血管功能方面有效。

3.2.4肌肉训练 (1)核心肌群训练。有研究认为核心力量对躯干的控制是膝关节稳定性改善的重要因素，ACL术后核心力量训练至关重要[37]。在康复训练的过程中，不但要对患肢进行训练，对健侧肢体甚至上肢、躯干都要进行训练，维持核心稳定性，促进患肢股四头肌萎缩的康复。ACLR术后核心稳定性训练方法主要有腹横肌训练、三夹训练等。(2)离心训练与向心训练。传统上，对ACL重建肢体进行术后早期高强度离心阻力训练是禁止的，因为ACL移植物、关节软骨或周围软组织结构可能会受到损伤。最近的证据表明，当肌肉伸长，外力超过肌肉的力量时，肌肉的力量产生能力是最佳的，早期在有保护的安全范围内运用离心训练比向心训练更有可能通过组织超载来提高肌肉强度，以提高ACL重建后股四头肌的强度[38]。(3)开链运动与闭链运动。王雨凡等[39]建议ACLR早期康复时采用无负载开链动作，且在有负载开链动作时应严格限制伸膝角度。有研究显示术后早期(4周内)采用闭链运动，如等速肌肉训练、膝关节恢复器训练、弓箭步训练等，有利于为移植物愈合提供良好的力学环境，可以达到维持肌力、预防肌肉废用性萎缩、预防骨隧道增大及关节积液增多等诸多问题[40]。中期(4～12周)多采用开链运动与闭链运动相结合的训练，如功率自行车、划船机、弓箭步结合蚌式训练、抗阻训练等，才能更早、更好地恢复膝关节功能，改善关节活动，改善因膝关节内外侧、前后侧肌力不平衡导致的髌股关节疼痛问题，为股四头肌肌力恢复创造良好的条件。后期(12周以后)多采用开链运动训练，如kersser气阻训练、绳梯训练、折返跑训练、负重训练等，这些训练能提供肌肉爆发力和肌肉耐力，协调膝关节运动、提高股四头肌肌力、改善股四头肌肌肉萎缩。神经肌肉电刺激可改善大鼠ACL切断后股四头肌细胞外基质重塑及基因表达并延缓其萎缩，神经肌肉电刺激通过刺激神经肌肉直接激活运动神经元并经过神经反射对中枢神经系统进行调节从而对运动神经的反馈机制进行调整，强化神经肌肉控制。神经肌肉电刺激够刺激末梢神经引起神经元细胞应激，从而增加了受损伤神经元再生相关的基因表达，对感觉以及运动神经都有一定的作用，并且刺激神经肌肉也能够促进局部的静脉以及淋巴回流，改善血液循环。ACLR术后神经肌肉电刺激可抑制股四头肌萎缩，增强股四头肌肌力[41]。神经肌肉电刺激治疗应贯穿到ACLR术前术后全过程。

3.2.5中医中药 祖国医学认为，股四头肌萎缩属于中医“痿证”范畴。中医治疗ACLR术后股四头肌萎缩的方法很多，常用的有中药口服、穴位电针、埋线、推拿等。ACLR术后口服中药必须按照患者四诊情况进行辨证论治。常辨证为脾胃虚弱证、肝肾亏损证、脉络瘀阻证，其中以肝肾亏虚证最为常见。张磊等[42]在患者术后运用电针防治膝关节ACLR后股四头肌萎缩取得很好的效果，电针可提高患者痛阈，减轻疼痛和肿胀，消除炎症，促进血液循环从而达到疏经通络、改善股四头肌萎缩的目的。张新岳[43]在患者术后运用新身痛逐瘀汤进行治疗，发现患者术后早期症状有明显缓解，对股四头肌萎缩的预防起到很好的作用。穴位埋线可对穴位进行长时间的针灸刺激，治疗效果与电针相似。中医推拿可提高骨骼肌细胞的代谢，纠正因股四头肌肌肉萎缩造成的下肢生物力线不平衡问题，促进股四头肌肌肉萎缩的改善[44]。

3.2.6心理康复 ACLR术后股四头肌肌肉萎缩及功能恢复是一个艰巨的过程，患者需要承受巨大的精神压力。尽管ACLR术后重建了稳定的前交叉韧带，许多患者仍然无法达到受伤前的生活水平及运动能力。这与ACLR术后患者认知和康复心理有重要关系。所以患者在ACLR术前应接受康复教育，使之对术后康复有一个明确的预期。在术后康复过程中，康复训练瓶颈期患者可以运用激励教育、案例教育、运动视频教育等方法重塑信心，有效改善心理状态，提高功能锻炼依从性，缓解患者疼痛，缩短患者愈合时间[45]。

4 总结

ACLR术后股四头肌萎缩的产生主要是由中枢抑制、神经肌肉控制异常引起，并且与术前因素、术后因素相关。ACLR术后股四头肌萎缩的康复治疗常采用本体感觉训练、核心稳定性训练、肌肉力量训练、血流抑制训练等。核心稳定性训练、神经肌肉训练、中医中药、心理康复要贯穿ACLR术前术后康复的每个阶段。