经颅直流电刺激前交叉韧带重建术后康复效果研究

宋炎成，曹明德，许华亮，张俊辉，昌宏，王华

（广东药科大学附属第一医院骨科，广东广州 510080）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）重建手术是ACL断裂最常见治疗方法。其主流手术方式是关节镜下自体腘绳肌肌腱重建手术，该技术已经日趋成熟，临床疗效确切。由于ACL不仅有限制胫骨前移及胫骨过度外旋的机械作用，它也含有机械感受器，因此可直接影响本体感觉及膝关节的神经肌肉控制［1］。即使在保残ACL重建后，膝关节机械结构得以重建修复，但是由于本体感觉传入神经的部分缺失，同时改变脊柱和脊髓上行运动控制，患者的本体感觉和平衡觉丧失会影响患者的运动方式，从而阻碍患者重返运动［2］。而对于本体感觉及平衡觉训练，尚无有效、明确方案。经颅直流电刺激（transcranial direct‑current stimulation，tDCS）是一种非侵入性的脑电刺激技术。研究表明，tDCS可以通过作用于初级运动皮层，提高下肢肌肉兴奋性、肌力及动态平衡能力［3］。本研究采用前瞻性、对照研究的方法，对单纯ACL断裂重建术后患者分别采用标准方法及标准方法基础上使用tDCS方法膝关节功能及本体感觉的效果进行对比，以初步分析评价tDCS对于ACL重建术后患者康复的临床效果。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2018年1月-2020年4月诊断为前交叉韧带断裂并于我院接受关节镜下自体腘绳肌前交叉韧带重建术的围手术期患者。排除纳入标准基于文献［4］，具体如下。纳入标准：（1）临床诊断为前交叉韧带断裂并于我院骨外科行初次关节镜下前交叉韧带重建术的患者；（2）不伴内侧副韧带、后交叉韧带损伤等伴发韧带损伤，对侧膝关节正常的单侧损伤病例；（3）患侧半月板未损伤或仅行部分修整术，负重训练启动时间基本一致；（4）患者手术均由同一组医生、同一麻醉师完成，术式均采用自体腘绳肌移植解剖重建前交叉韧带；（5）患者及家属遵医能力及康复意愿强烈，自愿配合。排除标准：（1）伴有半月板、侧副韧带等膝关节结构的并发损伤需重建或缝合；（2）精神疾病及智障等不能配合者；（3）曾有精神病史、吸毒史、脑肿瘤史或存在药物滥用者；（4）膝关节既往有关节感染、关节结核或急、慢性骨髓炎，或合并严重的内科疾病伴行走受限、下肢其他关节病变导致严重畸形和活动受限的情况。

共计60名患者满足纳入标准，采用随机数表法分为对照组和观察组，每组30例，所有患者随访时间均为12个月，术前观察组及对照组一般资料比较，两组患者在性别、年龄、受累肢体侧别方面，差异均无统计学意义（P>0.05，见表1）。本研究经广东药科大学附属第一医院临床研究伦理委员会的批准，所有患者均签署知情同意书。

表1 两组膝关节前交叉韧带重建术后康复患者一般资料比较Table 1 Comparison of general data of rehabilitation patients after anterior cruciate ligament reconstruction between the two groups

1.2 手术方式

患者手术均由同一组医生完成，均采用自体腘绳肌移植单束重建前交叉韧带，腘绳肌均取自自体同侧膝关节。麻醉方式采用腰椎椎管内麻醉，于小腿前内侧作斜切口，取腱器取出半腱肌和股薄肌各一束，编织成韧带复合体备用。保留前交叉韧带胫骨侧残端，股骨侧通道循解剖重建点，经胫骨隧道向股骨隧道拉入韧带复合体，股骨侧使用endobut‑ton固定，胫骨侧使用可吸收螺钉固定。抽屉试验、Lachman试验均阴性，伸、屈膝关节时无受限，镜下髁间窝无撞击，冲洗缝合，加压包扎，下肢伸直位支具固定。

1.3 康复锻炼

1.3.1 对照组

（1）术前康复宣教：健康教育是术前康复的重要内容，包括介绍手术方案和术后快速康复的措施，教会患者正确使用疼痛、功能评价表格、支具及拐杖、呼吸训练、膝关节伸展训练、肌力训练、饮食指导等，旨在帮助患者树立康复的信心，缓解对手术的恐惧心理，更好地配合治疗。

（2）各阶段活动度及肌肉力量训练，严格遵照ACL运动康复循证共识中前交叉韧带重建术后康复方案［5］进行。

（3）本体感觉训练：术后下地即可启动重心转移、关节位置觉训练等基础的训练。若患者已具备较好姿势控制能力，术后7~8周时启动下一阶段训练计划，每周2次，在活动度及力量训练后进行。固定自行车训练15 min。平衡板训练每次15 min，可在保护下进行，结合前后翘及左右翘两组动作。正常步态行走训练/静蹲动作/单腿平衡练习/动态平衡练习（依据患者情况选择），每次固定10 min，总本体感觉训练时长为40 min。

1.3.2 观察组

（1）进行与对照组相同的术前康复宣教。

（2）患者的活动度及肌力训练模式与对照组相同。

（3）基于halo设备的经颅直流电刺激的本体感觉及平衡觉训练：每周2次，在完成活动度及力量训练后，使用Halo Sport（San Francisco，CA，United States）生产的商用tDCS设备。Halo Sport被设计为独立式耳机，外观类似于音频耳机。使用前先使用流水弄湿钉状泡沫电极（6.4 cm×4.4 cm海绵），使其与探头电接触。与普通耳机一样，Halo Sport需要放置在头顶上方。在该位置，电极横跨头部分布，从耳朵到耳朵，目的是刺激运动皮层的两侧。电极连接到由锂离子电池（36 V）驱动的连续电流电刺激器。最大能量输出为2.2 mA，由Halo应用程序控制，该应用程序使用iPhone或iPad设置。阳极电极位于右运动皮层（C4）上，阴极电极位于左运动皮层（C3）上。观察组开始平衡锻炼前于休息状态下斜坐在椅子上。Halo Sport耳机已正确放置在受试者的头部，并且在30 s的过程中，电流增加到2.0 mA。在活跃的Halo Sport组中，电流强度在此水平上保持20 min。20 min激活完成后，按照上述本体感觉训练计划进行功能锻炼。

1.4 观察指标

1.4.1 膝关节功能评估 采用Lysholm膝关节评分表，项目包括跛行、负重、绞锁、关节不稳定疼痛、肿胀、爬楼梯、下蹲，满分100分。

1.4.2 被动活动察觉阈值测试（threshold to detection of passive motion，TTDPM）使用Biodex S4等速肌力训练装置进行被动活动察觉阈值测试［6］，以评估双侧膝关节的本体感觉，嘱患者感觉下肢出现活动时告知检查者。测试前嘱患者戴耳机并播放舒缓适度的音乐，测试对象取仰卧位，双下肢放置于等速肌力训练装置上，起始角度定为20°，以0.25°/s的速度使膝关节伸直并开始计时，当患者自述感到膝关节发生活动时即刻停止计时。需重复测试3～5次，以测试次数算出计时时间的平均值后乘以0.25所得数值为测试结果。

1.4.3 全身动态平衡测试（whole‑body dynamic balanc‑ing task，DBT）采用DBT稳定平台（model 16030，LaFayette Instruments，US），可测试患者全身动态平衡功能［7］。平板到两侧的最大角度为26°。参加DBT测试患者在试验过程中将尽可能将平板保持在水平位置。该平台通过将电压转换到放大器来捕获运动将信号转换为5 000 Hz的尖峰波形。使用MATLAB构建脚本分析稳定情况，其中包括对数据进行低通过滤5 Hz以去除硬件衍生的伪影。在数据预处理之后，计算了主要结局指标的平衡时间（time in balance,TiB）。TiB定义为参与者能够将平台水平放置在±3°到两侧花费的总时间[8]。每次试验后，为患者提供Tib时间作为为口头反馈。

1.5 统计学分析

采用SPSS 23.0统计软件进行数据统计处理，计量资料以均数±标准差（x±s）表示。符合正态分布的数据采用t检验，各组治疗前后比较用配对样本t检验，两组间比较采用独立样本t检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

两组患者平均住院时间均为1周左右，出院前指导患者于家中继续行膝关节屈伸、肌力保持行走时正确步态保持、平衡和本体感觉恢复、保护支具的使用等练习。于术后2周拆线并在康复门诊进行规律康复锻炼。

2.1 Lysholm评分与膝关节功能

表2显示，术后3个月时，两组Lysholm评分差异无统计学意义（P>0.05）；术后6个月时，两组膝关节功能改善，Lysholm评分均高于术前（P<0.05）；术后6个月、12个月时，观察组Lysholm评分高于对照组，差异有统计学意义（P<0.05）

表2 两组患者手术前后Lysholm评分比较 分Table 2 Comparison of Lysholm score between the twogroups before and after operation(x±s,n=30)

2.2 被动活动察觉阈值测试

两组患者被动活动察觉阈值（TTDPM）结果见表3。两组患侧术前TTDPM值高于健侧，差异有统计学意义（P<0.05），术后3个月时对照组患侧肢体TTDPM值高于健侧，差异有统计学意义（P<0.05），术后6个月、12个月时，患者两侧肢体被动察觉阈值差异无统计学意义（P>0.05）。

表3 两组患者手术前后TTDPM比较Table 3 Comparison of passive activity detection threshold（TTDPM）between the two groups before and after oper‑ation(x±s,n=30) t/s

2.3 全身动态平衡测试

两组患者3月、6月、12月的动态平衡检查结果如表4所示。可见观察组及对照组基线及3个月时水平，差异无统计学意义（P>0.05）。术后6个月和12个月，两组均有改善，且观察组均优于对照组，差异具有统计学意义（P<0.05）。术后12月全身动态平衡测试波动描绘见图1。

图1 术后12月两组动态平衡测试波动描绘Figure 1 Fluctuation description of dynamic balance test in two groups at 12 monthsafter operation

表4 两组患者手术前后全身动态平衡测试平衡时间对比Table 4 Comparison of balance time between the two groups before and after operation by whole body dynamic balance test(x±s,n=30) t/min

3 讨论

随着关节镜技术的不断发展，关节镜下微创手术前交叉韧带重建手术日趋成熟，ACL损伤后本体感觉的丧失［9］，神经机械解耦，这也是影响患者功能及预后的重要因素［10］。传统的康复方案，更加着重于强调患者膝关节活动度及肌肉力量的锻炼，对于运动感知层面，缺乏有效的干预手段，更多依赖患者自行通过神经可塑性恢复运动感知。这显然对于患者快速重返运动不利。经颅直流电刺激是一种非侵入性的颅脑刺激技术，它在运动协调及运动序列学习方面的作用已经被广泛证实［11‑12］。Halo Sports是基于tDSC技术的头戴式刺激器，其工作原理是在大脑的运动皮层（大脑区域在控制人体运动中发挥关键作用）的“超塑性”或“过度学习”的暂时状态中起作用。在运动前向运动皮层施加轻微的电场。这将打开一个时间窗口，在该时间窗口中，运动皮质可以更快地适应运动场景，提高运动表现。研究证实，该装置使用对于正常人群的运动表现，尤其是下肢的运动协调、耐久力、平衡性等有明显改善［3，7，13］，但是尚无证据表明，其对前交叉韧带损伤康复有帮助。在此基础上，提出tDCS可以改善ACL重建患者康复疗效这一科学假设。并从膝关节Lysholm功能评分、被动活动察觉阈值以及全身动态平衡测试3方面评估tDCS康复效能［14］。

本研究表明，观察组与对照组Lysholm评分都随着康复进程逐渐提高。观察组及对照组在术后3个月时Lysholm评分差异不显著，6个月时差异显著，12个月时两者差异有所缩小，但观察组优势仍然显著。据此可以初步推测tDCS可能对膝关节的综合功能康复有帮助。Lysholm评分相对综合，其平衡感子项占比较少（25%），其综合成绩区分度欠佳。早期患者处于炎症肿胀期，长期佩戴膝关节支具，其功能评分子项近似。后期随着患者疼痛、肿胀减退，患者各子项评分均明显上升，导致两组Lysholm综合评分整体差异性反而减少。虽然如此，Lysholm评分中跛行和不稳定度2个子分类仍为主要差异贡献点，提示tDCS对于ACLR康复的下肢稳定性和肢体协调改善有实质性帮助。

目前有大量tDCS有助于提升运动学习和运动表现的报道，但其中大多研究都针对手运动皮层。但腿部运动皮层是一个在解剖学上可能与手部运动皮层不同的区域，但有研究表明该区域也存在对TMS协议的响应能力［15］。Krishnan等［16］研究证明tDCS可以通过改善运动单位募集改善关节功能。本研究立足临床，进一步观察患者本体感觉指标被动活动察觉阈值，可以发现随着患者康复锻炼进行，治疗组恢复较快，在术后6月时，与健侧相比，被动活动阈值差异无统计学意义。术后12月，不管对照组还是观察组被动活动察觉阈值均可达到健侧水平。这证实tDCS短期内可以显著降低患者运动察觉阈值，改善本体感觉。值得注意的是，被动活动察觉是评价患者本体感觉及平衡觉的一个维度，有些患者虽然被动活动察觉阈值恢复，但是仍有走路不自然、平衡协调能力差表现。这从侧面提示，本体感觉及平衡感需要综合评价。

全身动态平衡测试可以更好地评估患者的全身稳定和综合平衡能力。本研究可以观察到6个月及12个月观察组Tib显著高于对照组（P<0.05），即观察组患者动态平衡测试表现优于对照组，证明tDSC对于ACL患者术后中长期的全身稳定和综合平衡能力提升有积极作用。Steiner等［17］报道tDCS在健康人群中可以提高动态平衡能力，然而tDCS在各类神经肌肉疾病中的康复价值存在争议，一项Meta分析表明，卒中患者的运动康复中，tDSC的治疗作用并不显著［18］，但是仍然能观察到微弱的治疗作用。卒中康复和ACL损伤后神经‑肌肉康复不同，仍需要高质量临床研究进一步探究其疗效。

本研究尚存在一些不足，首先样本量较小（n=60），是tDCS对于ACLR康复效果的初步探究，仍然需要更大量样本和亚组分析，识别tDCS干预最佳人群。本研究选取的是单纯ACL损伤病人，患者未合并严重的半月板撕裂，针对复合半月板损伤的ACL患者，其疗效有待进一步验证。本实验没有采用盲法，对照组患者没有采用头戴式的Halo设备设盲，这在以后的研究中需要进一步改进。长期随访数据和更加全面的运动评估也亟待进一步探索。

综上所述，经颅直流电刺激方法对前交叉韧带重建患者的综合康复，尤其是本体感觉、平衡觉康复具有潜在帮助。经颅直流电刺激是简单、安全的康复方法，对于运动要求高的患者，在标准康复流程外增加tDCS，可为患者带来潜在收益，并提高康复方案的立体性、科学性。