振动刺激促进前交叉韧带重建后本体感觉恢复机制研究进展

张新强，冯会成

(1.解放军总医院第八医学中心骨科，北京 100091；2.河北北方学院，河北 张家口 075051)

前交叉韧带(Anterior cruciate ligament，ACL)是膝关节的重要组成部分，是阻止胫骨前移的主要结构。ACL损伤后，通常会出现患侧膝关节疼痛、活动受限、关节不稳等症状。如不进行有效治疗，可引起半月板损害及膝关节软骨退变，严重者可引起骨关节炎。ACL断裂后几乎没有自行生物愈合的能力。因此，ACL重建术被认为是恢复生物学功能稳定性及防止膝关节早期退变的有效手段。

1 ACL损伤的治疗

目前，ACL损伤后在关节镜下行ACL重建手术(ACLR)为首选方案，主要优点有切口小、组织反应轻等。ACLR移植物有自体移植物、同种异体移植物以及人工材料移植物，各有优缺点。例如，喻刚等[1]发现在关节镜下行同种异体肌腱和自体肌腱治疗ACL损伤效果相当，虽然后者手术时间长，但术后发热时间短，膝关节本体感觉恢复比前者早。另外，自体移植物无排异反应，组织愈合快，同时避免了疾病传播风险，但供区也有相关并发症，如疼痛、髌骨骨折、股四头肌无力等。与自体肌腱行相比，同种异体肌腱可避免供区并发症。然而，同种异体肌腱移植面临的问题有疾病传播、免疫排斥等。人工材料韧带是一种合成材料，旨在为新韧带的生长提供支架，与自体移植物相比，无供区相关并发症，手术时间缩短，能提供更好的膝关节稳定性；与同种异体移植物相比，可避免疾病传播风险；缺点有抗磨损能力差、滑膜反应等。手术医生必须充分了解移植物的基本生物学特性、优缺点、手术技术以及患者期望，以达到理想的手术结果。术后康复对于ACL损伤患者同样重要，研究[2]发现ACLR后恰当的康复可促进患者恢复到受伤前的活动水平和膝关节功能。Edwards等[3]研究发现，在ACLR后完成6个月康复结合跳跃和敏捷任务的患者有更高的回归运动比率，这表明术后康复在回归运动方面很重要。

2 本体感觉恢复在ACL重建术后的重要性

2.1 ACL本体感觉 本体感觉是一种关于身体运动和位置的深度敏感或深度感知[4]。膝关节本体感觉比较复杂，包括关节囊中的机械感受器、韧带和连接脊髓和大脑皮层的神经纤维。ACL是负责膝关节本体感觉重要结构[5]，ACL中 2.5%的结构由本体感受器组成[6]。研究[7]发现，ACL是一个重要的感觉器官，它强化本体感觉，启动保护和肌肉反射，起稳定作用。机械感受器分为四类，包括鲁菲尼末梢、环状小体、高尔基腱器官和游离神经末梢，位于ACL股骨和胫骨附着点[8]。鲁菲尼末梢为树突状或卵圆形神经纤维，被膜较薄且松弛，大小约25～330 μm；环状小体为圆形或椭圆形感受器，由多层神经外周细胞包绕一个长的中心部位组成，大小约40～220 μm；高尔基腱器官感受器呈梭形，被膜相对较薄，形态最大，大小约140～900 μm；游离神经末梢通常为无髓鞘神经末梢，数量较多，其长轴与ACL长轴平行，大小约0.5～1.5 μm[9]。其中，鲁菲尼受体适应较慢，在检测静态关节位置时可能更为重要；环状小体对刺激的变化很敏感，为快速适应机械感受器，被认为是负责本体感觉的动态阶段(运动感觉)；高尔基腱器官同样适应较慢，与关节极限运动、肌肉主动收缩有关；游离神经末梢功能被认为与疼痛刺激和血管舒缩控制有关[10-11]。机械感受器可以检测到膝关节张力、速度、加速度、运动方向和位置变化[12]，向中枢神经系统提供有关肢体位置和运动的感觉以及力和力的感觉的传入反馈[13]。另一项研究[14]发现，本体感觉可能在控制膝关节矢状面和前平面的运动中发挥作用。另外，神经营养因子-3(NT-3)/酪氨酸蛋白激酶C(TrkC)信号通路在ACL损伤后本体感觉的恢复中起着重要作用，TrkC是NT-3特异性受体，NT-3对本体感觉神经元具有保护作用，并维持和改善其生理功能[15]。蔡东高等[16]研究发现，腺病毒介导NT-3的基因转染能够使ACLR术后本体感觉器再生和功能恢复。

2.2 ACL损伤后本体感觉变化 忻慰等[17]观察发现，兔不同部位ACL损伤均可导致本体感受器形态异常、数量减少以及功能下降，但不同部位损伤导致本体感觉器变化无差异。ACL损伤后本体感觉障碍归因于韧带损伤后失去向中枢神经系统提供传入输入功能[18]。如果ACL机械感受器受损，那么有关膝关节位置和运动的重要传入信息可能会改变，导致运动控制模式变化，从而可能产生继发性损伤[19]。与健侧膝关节相比，ACL损伤的膝关节本体感觉降低，这是由关节运动(运动感觉)和关节位置共同决定的。关节位置本体感觉丧失的幅度大于关节运动[20]。Relph等[21]研究证实，在ACL损伤行保守治疗后膝关节存在静态本体感觉缺陷，可能是由于韧带中的机械感受器功能随着时间的推移而减少。

2.3 ACL损伤后本体感觉变化对机体的影响 本体感觉功能的降低被认为是导致第二次ACL损伤风险增加30～40倍的主要因素[22]，也是ACL损伤后发生膝关节骨性关节炎的主要因素[23]。文献[24]报道，ACL损伤不仅导致单侧本体感觉减退，而且导致对侧膝关节本体感觉退化，随着时间的推移，这种现象越来越严重。Lee等[25]研究发现，一侧ACL损伤重建后，对侧ACL损伤的发生率(通常发生在ACL重建后1～4年)在2%～15%。研究[26]发现，ACL缺乏症患者的本体感觉差可能导致膝关节运动质量差，而ACLR患者则无此现象；ACL缺损患者本体感觉差可能与膝关节运动质量差有关，而ACLR患者本体感觉差可能与膝关节运动质量差无关；重建和未重建ACL患者感觉运动功能的差异应在训练和康复方案中加以考虑，以提高这些患者的表现和防止进一步的损伤。

目前，本体感觉训练已在世界范围内得到证实，并被广泛应用于ACLR患者。本体感觉训练对ACLR术后膝关节功能和本体感觉改善的影响是混合的[27]。ACL损伤患者术前本体感觉丧失，以本体感觉训练为主的康复方案对膝关节ACLR术后本体感觉和功能状态有显著改善[28]。

3 振动刺激在ACLR术后康复中的作用及机制

很多研究认为ACLR术后康复中振动刺激起着关键作用。Risberg等[29]研究发现，肌肉强度、本体感觉和平衡从术后3个月逐渐开始恢复。因此，术后前3个月的康复对以后膝关节的功能恢复非常重要，应术后尽早进行康复锻炼。康复方法有常规训练、振动刺激、中医、针灸、冷疗法等，旨在恢复早期完全被动伸膝、恢复本体感觉、加强股四头肌和腘绳肌力量等，进而快速恢复到受伤前的日常生活活动和运动。马玉翠等[30]研究发现，关节松弛训练、中药熏洗外敷、超声波综合康复治疗可促进ACLR术后膝关节功能恢复，提高生活质量。

3.1 振动刺激对本体感觉恢复作用及相关机制 振动刺激是应用振动作为刺激的方法。肌肉受到振动刺激后不自主产生收缩，激活本体感觉发生反射。全身振动产生垂直的正弦振荡，传递到身体并被肌肉骨骼器官感知，通过神经肌肉反射的激活迅速适应它们[31]。此外，研究[32]认为全身振动可以改善神经肌肉功能，因为在几个敏感结构(如皮肤、关节和次级末端)上进行的振动可能会促进γ系统并增强α运动神经元敏感度。Salvarani等[33]认为机械振动可以诱导神经适应，而神经适应反应是对机械振动的响应，从而提高神经肌肉的效率。Moezy等[34]对20例ACLR的运动员研究后发现，全身振动训练改善重建前交叉韧带运动员的本体感觉和平衡，主要原因是脚底的外感受体对机械刺激是敏感的，同时振动刺激对姿势稳定性指标有明显改善。另一项研究[35]发现，全身振动传递到人体可刺激许多生物系统，可能导致多层次的生理变化，包括皮肤感受器、肌梭、关节机械感受器、前庭系统的刺激，大脑活动的变化，神经递质和激素浓度的变化。Fagnani等[36]认为全身振动可改善神经肌肉活动的可能机制是“紧张性振动反射”和对高级皮质的适应。Liu-Ambrose等[37]研究表明，在ACLR后单独进行本体感觉训练可以诱导等速力量的增加。另一项研究[38]证明单独加强运动可以改善本体感觉。Lu等[39]研究表明，体外冲击波振动能增强ACL残端细胞的活力、增殖、迁移以及胶原、转化生长因子β和血管内皮生长因子的表达水平，而且显著增强了其旁分泌调节周围细胞的能力。Zandiyeh等[40]研究发现，低振幅机械噪声振动对ACLR患者本体感觉有积极影响作用，可改善ACLR术后的本体感觉，认为低振幅机械噪声振动刺激提高了本体感觉敏锐度。

3.2 不同振动频率、振幅、时间对机体的影响 目前对振动刺激在ACLR术后何时开始、振动频率、振幅、间隔时间等问题存在很多争议。Fu等[41]将48例ACL损伤重建术后患者随机分配到对照组或治疗组，对照组接受常规ACL康复治疗，治疗组在常规康复治疗基础上从术后1个月开始进行8周全身振动刺激治疗，振动频率从35 Hz逐渐增加到50 Hz，幅度为4 mm，结果证明术后1个月开始早期全身振动刺激是一种不影响膝关节活动度和稳定性的有效训练方法，并建议将全身振动刺激纳入目前的神经肌肉康复计划，以促进术后1个月开始的康复。研究[42-43]发现，在肌肉力量方面都是通过振动平台进行本体感觉刺激，训练频率在35～50 Hz，实验组优于对照组。Hazell等[44]研究证明较高的频率(如35、40、45 Hz)可导致膝关节伸肌活动增加。此外，研究[45]证明频率在26～44 Hz可提高肌肉力量，频率低于20 Hz仅用于肌肉放松，超过50 Hz将导致肌肉损伤。Cosimo等[46]对38例女子排球/篮球运动ACL断裂重建术后康复进行研究，将其随机分为两组，在标准化的6个月康复计划期间，从术后13～20周，全身振动组在振动平台进行振动治疗，对照组进行同样的全身振动板训练但不进行振动，结果发现，全身振动治疗(频率26 Hz，振幅4 mm)结合标准化康复程序可能是ACLR后的一种有效康复干预措施，可以增强肌肉力量。Pistone等[47]对34例前ACLR后患者康复进行研究，结果发现术后1个月在传统康复方案基础上加用4周全身振动刺激可促进ACLR患者的早期肌肉力量恢复。吴博等[48]将40例ACLR术后患者随机分成试验组和对照组，在试验组和对照组相同康复方法的基础上，从第13周开始试验组增加全身振动刺激(振动频率30 Hz，振幅为3 mm，时间为10 min)，结果发现全身振动刺激可促进ACLR术后患者患肢肌力和运动控制恢复。而另一项研究得出相反结果，Costa等[49]将44例男性ACLR患者随机分为对照组(22例，关闭振动平台上的锻炼方案)和全身振动刺激组(22例，开启振动平台上的锻炼，频率50 Hz，振幅4 mm)，结果发现全身振动刺激不会立即改变股四头肌功能，也不能刺激股外侧肌和股内侧肌的肌电活动。

4 结 语

ACLR是否成功取决于膝关节生物力学功能和本体感觉的恢复。而ACL损伤后重建韧带对本体感觉的早期和渐进性改善有显著的积极影响。振动刺激对本体感觉的恢复有积极影响作用，目前振动刺激对本体感觉恢复的机制研究很多，多数学者认为振动刺激可提高本体感觉敏锐度，诱导神经适应，增加肌肉力量，改善本体感觉。笔者认为：首先，ACL损伤重建后，ACL内的本体感觉功能减退，振动刺激可使ACL中的本体感觉恢复一部分，同时刺激使关节囊、滑膜、肌肉内的本体感觉增强，来代偿ACL内的本体感觉功能减退，另外振动刺激也使ACL内的本体感觉功能恢复时间大大提前，从而减少ACL损伤后相关并发症。其次，振动刺激对机械感受器的影响研究较少，是否能恢复到受伤前水平不得而知。未来应进行大量前瞻性研究，在膝关节周围本体感觉测定、细胞再生等方面进行实验，以了解振动刺激在重建ACL本体感觉恢复方面的机制。

目前振动刺激的频率、振幅、时间等因素均没有统一标准。在以后的研究中，应对此问题进行深入研究，以了解对ACLR术后最有利于本体感觉恢复的振动刺激频率、振幅、时间，促使患者ACL术后尽快恢复本体感觉和膝关节功能。