前交叉韧带与膝关节本体感觉关系的研究进展

李涛

·综述·

前交叉韧带与膝关节本体感觉关系的研究进展

李涛

前交叉韧带是膝关节的重要稳定结构，与膝关节的本体感觉密切相关。本文将对前交叉韧带的神经功能、膝关节本体感觉以及两者之间的关系进行综述。

前交叉韧带；本体感觉；膝；综述

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

[本文著录格式]李涛.前交叉韧带与膝关节本体感觉关系的研究进展[J].中国康复理论与实践,2012,18(8):734-739.

前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)作为膝关节的重要组成部分，其限制胫骨前移和旋转的机械稳定功能早已被人们熟知。近年来其作为神经器官，参与构成膝关节本体感觉的功能研究也逐渐成为热点。

1 ACL的解剖和生物力学功能

ACL起自股骨外髁内侧面后部，向前、向远端、向内穿关节腔附着于胫骨平台髁间棘前部。ACL股骨止点位于股骨外髁内侧面后部，呈卵圆形凹面，平均长18 mm，宽11 mm，面积113~170 mm2。韧带远端扇形张开附着于胫骨平台髁间棘前部，形成前宽后窄三角形或者卵圆形区域，平均矢状径17 mm，冠状径11 mm，面积136~150 mm2[1]。股骨止点长轴沿股骨长轴走向，胫骨止点长轴沿胫骨平台前后径走向，形成韧带绕自身扭转。ACL在胫骨止点形成“足”样结构，增加附着面积，同时避免伸膝时ACL与髁间窝撞击。ACL并非由均一长度的纤维组成。Girgis等根据ACL止点纤维的不同分布和屈伸过程中韧带紧张度的差异，将ACL大致分为前内束(anteromedial bundle,AMB)和后外束(posterolateral bundle,PLB)[2]。前内束分布于股骨止点后上部分和胫骨止点前内部分；后外束分布于股骨止点前下部分和胫骨止点后外部分。膝关节伸直时后外束紧张、宽平；屈曲90°时，前内束紧张伴韧带扭转，后外束松弛近似水平。从韧带整体看，前内束大致位于后外束的前方，这就形成伸直时后外束紧张，屈曲时前内束紧张。ACL走行特殊，具有限制胫骨前移、内旋、内外翻及过伸的多重作用。前内束主要限制胫骨前后移动，后外束主要限制胫骨旋转。

2 ACL的神经传入功能

2.1 正常神经解剖早在1956年，Skoglund等就已发现ACL存在神经组织，以后的试验证明这些神经组织实际上就是许许多多的机械感受器[3]。1984年，Schultz等第一次具体描述了人ACL的机械感受器，将其分为4类：Ruffini小体、Pacinian小体、Golgi腱器官和游离神经末梢[4]。Schutte等指出神经成分占ACL总体积的1%~2.5%，且大多数分布于韧带两端滑膜下[5]。Johansson等的研究发现，支配ACL的神经是发自胫后神经的后侧关节神经[6]。

2.2 神经传入和反射功能Pacinian小体是低阈值、快适应机械感受器，能被各种关节运动所激活，主要监测关节运动的起始和结束。Ruffini小体是慢适应机械感受器，能延长放电，传递关节运动接近极限等信息，对关节内压力、韧带张力变化做出反应，因此能感受关节的运动、位置和旋转角度。Golgi腱器官形似较大的Ruffini小体，功能与其相似，也是一种慢适应感受器。ACL中的游离神经末梢包括传入纤维和自主神经传出纤维，分别参与感受伤害刺激和调节血管运动[7-8]。

ACL除直接参与膝关节的静态稳定性外，还通过韧带-肌肉反射来维持膝关节的动态稳定性。这里提到的韧带-肌肉反射主要指“ACL-腘绳肌反射”。ACL的主要生理功能是阻止胫骨相对于股骨的前向移位，其正常抗拉能力为1735~2000 N[9-10]，而股四头肌牵拉胫骨前移的拉力常超出2000 N[5]，因此运动过程中会有ACL断裂的情况出现。但这毕竟是少数情况，因为来自腘绳肌的收缩运动会对抗胫骨前移，起到保护ACL的作用，从而更好地保证膝关节的动态稳定性。

Gruber等第一次描述了ACL-腘绳肌反射[11]。Solomonow等首次证明ACL上感受器的传入信息可以影响腘绳肌的肌电活动。他们的方法是直接牵拉麻醉状态下猫的ACL，记录到由此引起的腘绳肌肌电活动[12]。Miyatsu等通过猫的试验发现，即使比较轻微的牵拉刺激ACL也可以同时引起膝关节周围伸肌和屈肌的活动，并指出这种现象是直接通过γ-运动神经元实现的[13]。同样，在人体内，通过机械刺激ACL也观察到腘绳肌的反应性收缩[14-15]。

单纯机械刺激可能会不可避免地影响到膝关节其他结构的机械感受器，使结果的精确性下降。于是Poul等通过关节镜下选择性电刺激ACL上的机械感受器(电极直接插到ACL内)[16]，结果8例患者中7例记录到半腱肌的反应性收缩，潜伏期是(95±35)ms；而当膝关节伸肌或屈肌等长收缩状态下电刺激ACL，则会对正在收缩的肌肉产生抑制作用，由此进一步说明了ACL-腘绳肌反射的存在及其对ACL的保护作用；同时他们还总结出，低阈值机械感受器可能是通过γ-肌梭系统完成此反射的，而高阈值机械感受器可能是通过γ-运动神经元来完成此反射的。但是目前为止，ACL-腘绳肌反射的具体神经传导通路仍未明确。

2.3 损伤后机械感受器的变化Denti等对损伤的ACL上的机械感受器进行研究，镊取组织活检后发现：在损伤3个月时ACL上仍存在形态正常的机械感受器，随后其数量逐渐减少，到伤后9个月时，只残留少量游离神经末梢，伤后1年时感受器完全消失[17]。但是由于ACL中感受器的分布特点并不均匀，所以不同的活检部位可能产生不同的结果。因此上述试验不能可靠说明损伤后ACL中神经结构的整体情况。Georgoulis等发现，如果ACL损伤后贴附于后交叉韧带，则在3年后仍有机械感受器存留[18]。

当然组织学上的发现只能停留在形态和数量上，至于ACL损伤后残存的机械感受器功能状态还需要进一步研究，而这也是更值得关注的。由于损伤的ACL失去了对感受器的张力调节，使残存的感受器功能的发挥受影响。Beard等[19]和Ochi等[20]研究发现，伴有ACL损伤患膝的反射性腘绳肌收缩的潜伏期较正常膝显著延长，提示ACL损伤后维持关节稳定的本体反射弧受损，但同时也证明伤后残存的机械感受器还有一定的功能。在此基础之上，Adachi等找到了ACL上机械感受器数量与膝关节本体感觉之间的正性相关性，即伤后ACL上残留的感受器数量越多，其膝关节本体感觉越好[21]。

2.4 重建后机械感受器的变化Goertzen等首先报道了异体ACL移植重建后的神经再生[22]。应用犬异体深低温冷藏ACL重建，发现游离神经末梢与Golgi样腱器官再生。神经血管相伴一并重新长入ACL胶原束带。如正常ACL一样，一般位于表层及两端附着点。Fromm等用低温保存的同种异体ACL对新西兰白兔进行ACL重建术[23]，用免疫组化的方法进行检测，术后3~6周未出现能与抗体反应的神经纤维，但术后24周试验组ACL中出现与正常对照组类似的3种神经纤维，即含P物质的伤害性神经纤维、含酪氨酸羟化酶的交感性缩血管性神经纤维以及含神经微丝蛋白的快传导机械感受性神经纤维。酪氨酸羟化酶阳性纤维在滑膜下结缔组织成丛分布，但未发现有特化的终器形成，所以是否具有感觉传入功能尚有待进一步证明。

ACL中出现神经肽并不能特异性地说明就是相应的神经纤维或者机械感受器的再生。即使移植物中有神经纤维出现也不代表它具有机械感受器的功能，它有可能是伴随血管而进入移植物的自主神经传出纤维，而且免疫组化并不能很好地辨认移植物中的环层小体，但电子显微镜能很好地证实机械感受器是否存在[24]。当然这只是初期的试验，接下来的一些研究确实证明了ACL重建术后有机械感受器再生，并且其功能也得到部分恢复。

Denti等建立了不同移植物重建羊ACL的模型，其中骨-髌腱-骨组在术后3个月开始便在移植物上出现了Pacinian小体和游离神经末梢，并持续存在6~9个月，而人工韧带组则始终没有发现机械感受器再生[17]。对两例骨-髌腱-骨重建术后9年和10年病例的ACL进行组织学检查时发现了大量形态正常的Ruffini和Pacinian小体，尤其在胫骨附着处最多。Shimizu等对家兔行自体骨-髌腱-骨移植ACL重建术，对ACL移植物的机械感受器进行定量分析[25]，以对侧髌腱和ACL作为对照组，术后2周，移植物中未发现Pacinian和Ruffini小体，表明小体退变、消失；术后4周Pacinian和Ruffini小体出现，但明显少于对照髌腱组；术后8周，移植物中Pacinian和Ruffini小体数量和对照组相比无显著性差异；术后4周或8周移植物的关节内部分中Pacinian和Ruffini小体数量和正常ACL无差别。说明术后2~8周期间移植物中存在机械感受器的再生。同时发现Ruffini小体的再生速度快于Pacinian小体，作者认为这是因为Ruffini小体有多个突起，并且在术后关节制动2周时也能发放神经冲动，感知关节位置，但Pacinian小体仅能感受关节的加速运动。相似的组织学方法也证明了ACL移植物上有神经组织的再生[25-26]。Ochi等对移植物进行直接电刺激引出体感诱发电位，其电压值和正常对照组无明显差别，作者认为移植物中有神经再生，并能将外来刺激以电信号的形式传给中枢神经系统，从而说明ACL的本体感受功能亦能恢复[20]。同样，Eiichi等也对再生神经的功能做了进一步研究：通过关节镜下电极刺激3例患者的ACL移植物(髌腱，术后时间37~80个月)，电刺激120~140 ms后有2例患者的同侧腘绳肌表面肌电值显著增加[27]，从而证明ACL重建术后不仅有机械感受器再生，而且其功能(ACL-腘绳肌反射)也可以恢复。

3 膝关节本体感觉

3.1 概述本体感觉是包含关节运动觉和位置觉的一种特殊感觉形式。它主要包括3个方面的内容：①关节位置的静态感知能力；②关节运动的感知能力(关节运动或加速度的感知)；③反射回应和肌张力调节回路的传出活动能力。前两者反映本体感觉的传入活动能力，后者反映其传出活动的能力[28]。膝关节本体感觉由位于膝关节周围的肌肉、肌腱、关节囊、韧带、半月板和皮肤的感受器发生的传入信号整合而成，并通过不同中枢控制反射回应和肌张力调节回路传出活动。肌肉和关节的感受器是关节本体感觉的主要来源[29]，膝关节本体感觉传入和神经肌肉控制传出能力减退将导致关节稳定性下降、关节运动失去控制及步态异常。

3.2 测定方法膝关节本体感觉内容和形式的多样性决定其测定方法并不统一，目前尚无认可的标准测定方法，且没有哪种方法具有很高的灵敏度和特异度，使得相关研究的可比性较差。目前临床上应用的测定膝关节本体感觉的方法大致包括以下4类。

3.2.1 角度重现法或称位置重现法，预先令受试者的膝关节被动或主动地定位于某一屈曲的角度，然后令受试者通过被动运动或主动运动并依靠自我判断重新建立上述角度，并对角度重建的精确度进行测量。此方法主要测量膝关节的位置觉，包括主动重现和被动重现两种模式。1991年Barrett等首次设计提出了被动角度重现的测量方法[30]，设备主要由Thomas支架和Pearson装置构成，受试者由机器被动屈曲膝关节到设定的角度(分别为0°、30°和45°)，5 s时间记忆角度，然后Pearson装置会将膝关节放置到最大伸直位，15 s后受试者要主动重现之前设定的角度，从而得到重现角度与设定角度之间的差值，测量5次后取均值来代表膝关节的位置觉。之后许多研究中都出现被动位置重现的测量方法[31-38]，均是在此基础上进行一些改动和发展，主要变化是测量设备和设定角度上的不同。在主动重现中，患者通常采取负重站立位，通过抗重力的主动膝关节屈伸来重现设定的角度[39-44]。但应注意的是在主动位置重现的测试中，不能很好地将视觉、前庭觉和其他信号的传入区分开来，且反复测试造成的肢体疲劳会对测量结果产生影响。

3.2.2 阈值测量法利用自动仪器提供缓慢(0.5~2.5°/s的速度可以最大限度地刺激关节感受器，而非肌肉感受器，以减少误差[33]；而且低速运动也可以避免受试者感觉到运动的突然发生[41])而持续的膝关节被动性运动，测量运动起始时的关节角度与受试者能够察觉到运动时的关节角度，比较两种角度的差异，以此判断膝关节本体感觉的精确度。比较有代表性的研究是被Roberts等[45]称为“本体感觉指数”的测量方法：两个起始角度为屈膝20°和40°位，每个位置进行伸屈两个方向的测量，共得到4个感知阈值，取均值来代表膝关节的运动觉。其他研究所用到的阈值测量方法也都只是测试设备和起始角度的不同[33,35,37-38,46-49]。此方法容易受到视听及其他环境因素的干扰影响，使测量的准确度下降。

3.2.3 视觉模型法视觉模型试验要求受试者在膝关节经过被动性或主动性的定位后，通过自我判断在二维或三维的膝关节模型上实现上述定位角度，或通过观察模型的角度，受试者经被动或主动运动在自身的膝关节上实现此角度，然后计算受试者膝关节与模型的角度差异，并以此判断本体感觉的精确度[50]。

3.2.4 体感诱发电位测量法肌肉收缩和肌张力的调节可对关节起到主动保护作用，反映肌肉的反射性收缩能力，即膝关节本体感觉的反射回应和肌张力调节回路传出途径活动能力，常通过不随意干扰条件下肌肉收缩的潜伏期来评定，对可能倾向于关节过度使用损伤导致的不同步的神经肌肉活动模式的评价提供了一个有价值的参考。Beard等将肌电图描记器(electromyogram,EMG)表面电极置于腘绳肌上，一过荷指示计紧贴胫骨平台前方，于腘窝胫骨端施加一从后至前下的切力，过荷指示计和EMG分别记录下股骨受力后开始移动的时间和绳肌开始收缩的时间，通过计算机分析出这一时间差，即表示腘绳肌收缩的潜伏期，直接反映了绳肌反射性收缩的能力[50]。

前三种测定方法主要测量膝关节本体感觉的传入活动能力，而最后一种方法则是测量其传出活动的能力。由于各种方法测量的内容不同，且都存在一定的局限性，无明显优劣之分，使得目前临床上对于膝关节本体感觉的测定并无统一的规范。但是相对来讲，角度重现法和阈值测量法应用更加广泛。

4 ACL与膝关节本体感觉

ACL作为膝关节重要的稳定结构，不仅直接提供静态的机械稳定作用，还具有神经传入功能，通过神经反射进一步维持膝关节的动态稳定性。相应地，ACL损伤以后，膝关节不仅直接降低机械稳定性，更重要的是影响膝关节的感觉传入反射及其后的一系列神经整合过程，使本体感觉下降，临床上表现为膝关节功能紊乱，出现失稳、打软腿现象。另外，本体感觉下降后可导致膝关节反复扭伤，从而带来诸如关节软骨、半月板损伤，关节囊松弛和肌肉萎缩等继发性改变，进一步加重膝关节障碍，形成恶性循环。在此背景下，越来越多的临床研究开始探寻和证明ACL和本体感觉之间的关系。目前来看，相关的研究主要集中在ACL损伤后膝关节本体感觉的变化，以及重建手术后膝关节本体感觉的变化，其中涉及的本体感觉测定方法多为角度重现法和阈值测量法。

对于第一类研究，多数的结论是伴随着ACL的损伤，膝关节的本体感觉也有不同程度地下降。这一结论首先在一些ACL损伤后患侧与健侧膝关节本体感觉的对比研究中得到了证实。Friden等对16例ACL急性损伤的患者进行侧卧位的运动感知阈值测量，起始位置为20°和40°的伸屈膝双方向测量，被动运动速度为0.5°/s，其中4例患者在伤后1、2和8个月存在持续明显的本体感觉减退，而且是与联合的软骨、半月板损伤和膝关节主观功能相关的[52]。Roberts等将上述Friden等的阈值测量方法称为“本体感觉指数”，运用相同的方法对54例ACL损伤的患者进行研究后发现伤后本体感觉的下降与软骨损伤、关节松弛和年龄有关[45]。Katayama等在进行膝关节本体感觉测量时使用了Biodex系统，主要进行关节位置觉的测量，使用10°/s的速度将被测膝关节由90°位开始被动重现5°~25°之间的设定角度[32]。32例ACL损伤患者的测量结果为健侧平均角度偏差为(3.6±1.5)°，患侧平均角度偏差为(5.2±1.9)°，两侧差异有显著性。Dhillon等[53]和Muaidi等[54]的研究也证明ACL损伤后膝关节本体感觉会下降。但Good等的研究结果却有所不同，通过对18例ACL急性损伤(伤后平均6周)的患者进行站立位负重状态下的主被动角度重现测量，设定角度为30°或70°，结果发现健侧和患侧结果并无差异，得出ACL急性损伤后关节位置觉未发生改变[39]。因为一些研究的结果显示，单侧ACL损伤可以导致双侧膝关节本体感觉的减退[41,55]，设立正常对照组可能对于此类研究更为科学合理。Fischer-Rasmussen等采用平卧位测量本体感觉[56]，运动觉是起始位置为20°被动运动速度为0.5°/s的伸屈膝双向测量方法，而位置觉则是从最大伸直位或60°位起始分别重现15°、20°、25°、30°和35°的测量方法，通过对ACL损伤组和正常对照组各20例的对比研究，结果发现损伤组的运动觉和60°位起始重现的位置觉较差，而从最大伸直位起始重现的位置觉却并未减退。由此可见大多数的研究都表明，ACL损伤后膝关节本体感觉有所减退，这与解剖理论基础和患者的临床表现也是吻和的。但是也有不同的结果出现，原因可能与病例选择和测定方法不同有关。

而对于第二类研究，大多数的结果表明ACL重建手术可以使本体感觉得以恢复，而且随着术后时间的延长，恢复的程度也会越来越好。但同时也应指出，手术后相当长的一段时间内，本体感觉仍是有缺陷的，而且具体的恢复时间目前也尚未明确。Roberts等利用Fridèn等之前使用的装置对20例ACL重建患者(术后时间平均为2年)和19例正常对照进行测量对比后发现患者双侧膝关节的本体感觉都有减退，仍未达正常水平[41]。Reider等对26例ACL重建患者在术后3周、6周、3个月和6个月分别进行运动感知阈值测量(15°起始，被动运动速度为3°/s)，也发现了双侧膝关节本体感觉均未恢复到正常水平[55]。Bonfim等运用持续被动运动装置(continuous passive motion,CPM)，患者取平卧位，病例组10例，ACL重建术后12~ 30个月，健康对照10例，分别进行位置觉和运动觉测量后也得到了同样的结论[57]。Iwasa等利用Cybex装置设计了一套测量本体感觉的方法，患者坐位，以10°/s的速度主动重现5°~25°之间的设定角度，计算重现偏差均值来代表关节位置觉。他们对38例ACL重建术后的患者进行间隔3个月的2年随访，结果30例测到位置觉的改善，其中28例在随访终点时仍保持着较好的位置觉改善状态[34]。不仅如此，他们还总结了本组病例本体感觉恢复的时间规律：所有患者的位置觉开始恢复时间平均为术后9个月，而完全恢复所需时间至少为18个月。Hopper等对9例患者术后随访12~16个月，采用Peak Motus运动测量系统进行站立负重位的关节位置觉测量，发现患侧与健侧结果无差异，表明此时患侧位置觉已无减退[40]。但是此类研究大多数并未对不同手术方式进行进一步分层比较或者所选病例都接受了同一种ACL重建术式，而Adachi等则对单双束重建的病例进行了术后本体感觉的对比研究，平均随访长达32个月后发现双束重建术在改善膝关节本体感觉方面并无优势可言[58]。Lee等在ACL重建时使用了保留ACL残端技术，共16例患者，平均随访35.1个月，与未保留残端重建组相比，具有更好的本体感觉[48]。之后，这种保留ACL残端的手术方式被越来越多的医生所青睐，术后的随访也证明保残确实有利于术后膝关节本体感觉的恢复[53,59-62]。Merter等根据重建移植物的不同对两组病例进行了对比研究，利用Cybex装置进行本体感觉测量的方法对同种异体和自体移植物ACL重建的两组病例进行比较，结果两组病例术后的本体感觉并无差异，同时还指出本体感觉与关节松弛度无关[33]。但也有研究指出自体移植物在术后早期恢复膝关节本体感觉方面优于异体移植物[36]。由此可见，手术重建对于膝关节本体感觉的恢复确定是有裨益的，但是恢复的时间一般较长，而且不同手术方式和移植物对于术后膝关节本体感觉的影响，还有待于更多的研究来印证。

通过对以上研究的回顾，我们不难发现，由于测定方法、病例选择和参照对象的不同，使得最终的关于ACL损伤后膝关节本体感觉变化的结论并不十分一致；而且我们还了解到影响本体感觉测量结果的因素远非这么简单，它可能还与年龄、关节松弛度、联合损伤(软骨、半月板和其他韧带损伤)、水肿、手术方式、移植物和康复锻炼等因素有关，因此我们在做类似比较时一定要综合考虑相关因素，才能使结果更具说服力。

5 小结

膝关节的本体感觉是由存在于关节囊、半月板、交叉韧带、侧副韧带和髌下脂肪垫的机械感受器，肌腱和皮肤内的机械感受器及肌梭，及其向脊髓和大脑皮层投射的神经纤维共同组成的复杂系统。基于此，目前针对膝关节本体感觉的任何测量手段都有其局限性，因此增加了相关研究的理解难度，并降低可比性。ACL作为膝关节本体感觉的组成部分，对其影响也是有限的，且很容易受到其他因素的干扰，但是ACL对于本体感觉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

北京大学第三医院康复医学科，北京市100191。作者简介：李涛(1982-)，男，北京市人，博士，医师，主要研究方向：康复医学。