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膝关节前交叉韧带断裂后单腿位置觉测试时脑电功率谱的变化特征

2021-10-14黄红拾胡晓青时会娟敖英芳

北京大学学报(医学版) 2021年5期

苗 欣,黄红拾,胡晓青,时会娟,任 爽,敖英芳

(北京大学第三医院运动医学科,北京大学运动医学研究所,运动医学关节伤病北京市重点实验室,北京 100191)

在我国,随着竞技体育的发展和全民健身运动水平的提高,运动损伤逐渐增多,给个人和社会带来沉重的负担。膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)损伤的发病率较高,严重影响患者的生活质量。重塑膝关节稳定性是治疗ACL损伤的核心问题,目前临床上有些患者在ACL解剖重建后仍有主观失稳的感觉。韧带重建手术恢复了ACL的力学作用,但本体感觉通路的功能并未完全恢复。关节的稳定性包括静态稳定性和动态稳定性[1],膝关节的静态稳定性主要由膝关节内的韧带来提供单纯的力学牵引,其中ACL提供的是胫骨前移的稳定性限制,然而,前交叉韧带已并不局限于单纯的力学连接,还是一个本体感受器官,其内部存在机械感受器[2-3]。膝关节运动时,前交叉韧带受到被动牵拉,激发神经冲动的产生,传递至中枢神经系统,引发反射和本体感觉的形成,从而间接引起膝关节周围肌肉的收缩并产生对膝关节的协同保护作用[4],这就是关节的动态稳定性,因此,前交叉韧带的断裂不仅累及膝关节的静态力学稳定,还会导致保护性反射的丧失和本体感觉障碍[5-8],影响膝关节的动态稳定。目前,ACL损伤后膝关节动态稳定性的改变是研究热点,然而,大部分研究都集中在运动感觉系统的外周途径(如膝关节周围肌肉的表面肌电分析),较少涉及中枢系统的特征变化。中枢系统是膝关节稳定性得以实现的重要一环,明确ACL断裂产生的中枢变化特征,能够弥补目前对于ACL断裂带来的膝关节失稳认识的不足。本课题组前期针对ACL断裂人群和健康人群在进行下肢运动时的脑电特征进行了测试分析,发现ACL断裂确实带来了脑电的功率变化,与健康人群做同样运动时存在显著性差异[9]。本研究旨在通过同步记录ACL断裂患者进行单侧下肢的被动膝关节位置觉测试、主动膝关节位置觉测试时的脑电信号,分析ACL断裂后患侧和未伤侧腿的脑电差异,明确ACL断裂造成的脑电功率谱变化特征,为前交叉韧带断裂、膝关节稳定性不足的诊断治疗以及康复提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 病例选择

选择北京大学第三医院运动医学科2014年11月—2015年4月收治的一侧ACL断裂男性患者16例参与本研究。患者 20~40岁,其他关节无外伤。

排除标准:(1)ACL断裂合并其他损伤,包括Ⅱ~ Ⅲ度复合韧带松弛、双侧膝关节损伤、严重肢体或下腰部损伤(如神经损伤、骨折、椎间盘突出);(2)常规MRI诊断并发可修复半月板损伤、全层关节软骨损伤;(3)ACL损伤时间超过12个月。

受试者均为右利手,共16例,平均年龄(26.4±6.31)岁,身高(176.6±8.63)cm,体质量(80.9±14.11)kg,平均受伤时间为(8.6±7.2)个月,Lysholm评分值为81.7±13.1。所有受试者均未从事过专业性的训练,同时保证实验前 24 h内未从事剧烈运动,无肌肉疲劳症状。

本研究开始前获得北京大学第三医院医学科学研究伦理委员会审查批准(IRB00006761-2012010),所有参与研究的患者测试前均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1EEG测试

患者进入实验室,按标准要求佩戴脑电设备(Cognionics无线干电极EEG/ERP系统,美国)。

1.2.2运动任务测试

膝关节位置觉测试(图1)包括被动位置觉测试和主动位置觉测试。

1.2.2.1被动位置觉测试 受试者佩戴脑电设备,在等速肌力测试仪上,固定肢体其他部位,遮蔽双眼。未伤侧腿以2°/s的角速度,从屈膝90°位先被动伸膝至30°位,感受此时的关节位置。被动回到屈膝90°位,去除仪器角度限制设定,令受试者被动伸膝至原来的30°位,手动按下停止键,记录此时的屈曲角度和脑电信号,重复3次测试。休息后,患侧重复同样测试。

1.2.2.2主动位置觉测试 被动位置觉测试结束后进行主动位置觉测试。同样,受试者佩戴脑电设备,在等速肌力测试仪上,固定肢体其他部位,遮蔽双眼。未伤侧腿以10°/s的角速度,从屈膝90°位先主动伸膝至30°位,感受此时的关节位置。回到屈膝90°位,去除仪器角度限制设定,令受试者主动伸膝至原来的30°位,手动按下停止键,记录此时的屈曲角度和脑电信号,重复3次测试。休息后,患侧重复同样测试。

1.2.3脑电信号记录与处理

EEG数据的记录采用CogniOnics 32导放大器,采样率1 000 Hz,DC记录,记录带宽0~100 Hz。电极为Ag/AgCl电极,按照10~20系统排列位置。记录时前额接地,采用左侧乳突为参考电极,离线分析时转换为双侧乳突平均参考。记录电阻均为5 kΩ以下。

离线分析采用EMSE5.5.2和Scan4.5软件,采用ICA法剔除眨眼伪迹,30 Hz低通滤波,分段并进行基线校正,超过±150 μV的分段作为伪迹被剔除,以保证每种实验条件的有效叠加段数不少于30段。统计模型采用重复测量双因素方差分析方法分析不同侧别(患侧、未伤侧)×不同电极点(Fz、Cz、Pz)之间的功率值差异,采用Greenhouse-Geisser方法进行校正,不同侧别和不同电极点均为组内因素。若不同侧别和不同电极点存在交互效应,则应用配对t检验方法分别比较在Fz、Cz、Pz电极点处,患侧与未伤侧之间的功率值差异;应用重复测量单因素方差分析方法分别比较患侧和未伤侧不同电极点(Fz、Cz、Pz)之间的功率值差异。所有统计均采用SPSS 18.0软件进行分析。

2 结果

2.1 ACL断裂患者主动关节位置觉测试的脑电特征

2.1.1ACL断裂患者主动关节位置觉测试的脑电特征——Delta波

图2 受试者未伤侧和患侧主动关节位置觉中线上Delta波功率值 Figure 2 The Delta band power of ACL rupture side and unaffected side during active knee joint position test

2.1.2ACL断裂患者主动关节位置觉测试的脑电特征——Theta波

图3 受试者未伤侧和患侧主动关节位置觉中线上Theta波功率值Figure 3 The Theta band power of ACL rupture side and unaffected side during active knee joint position test

2.1.3ACL断裂患者主动关节位置觉测试的脑电特征——Alpha波

图4 受试者未伤侧和患侧主动关节位置觉中线上Alpha波功率值 Figure 4 The Alpha band power of ACL rupture side and unaffected side during active knee joint position test

2.1.4ACL断裂患者主动关节位置觉测试的脑电特征—— Beta波

图5 受试者未伤侧和患侧主动关节位置觉中线上Beta波功率值Figure 5 The Beta band power of ACL rupture side and unaffected side during active knee joint position test

2.2 ACL断裂患者被动关节位置觉测试的脑电特征

2.2.1ACL断裂患者被动关节位置觉测试的脑电特征——Delta波

2.2.2ACL断裂患者被动关节位置觉测试的脑电特征——Theta波

图6 受试者未伤侧和患侧被动关节位置觉中线上Delta波功率值Figure 6 The Delta band power of ACL rupture side and unaffected side during passive knee joint position test

图7 受试者未伤侧和患侧被动关节位置觉中线上Theta波功率值Figure 7 The Theta band power of ACL rupture side and unaffected side during passive knee joint position test

2.2.3ACL断裂患者被动关节位置觉测试的脑电特征——Alpha波

2.2.4ACL断裂患者被动关节位置觉测试的脑电特征—— Beta波

图8 受试者未伤侧和患侧被动关节位置觉中线上Alpha波功率值Figure 8 The Alpha band power of ACL rupture side and unaffected side during passive knee joint position test

图9 受试者未伤侧和患侧被动关节位置觉中线上Beta波功率值Figure 9 The Beta band power of ACL rupture side and unaffected side during passive knee joint position test

3 讨论

从中枢认知的角度,ACL断裂影响的是整体,而非单独膝关节,本研究试图从观察患侧与未伤侧下肢单独执行本体感觉任务时脑电反应的角度出发,探讨一侧ACL断裂对于中枢认知的影响,发现ACL断裂人群单独用未伤侧进行被动关节位置觉测试时,各脑区各频段的脑电功率值与用患侧测试时未见存在差异,以上现象可能表示一侧ACL断裂导致运动感觉系统的感受器受损,带来了中枢变化,这种变化在进行对侧(未伤侧)运动时仍然存在,并没有受到外周(对侧的感受器没有受损)状态的影响。然而在进行主动关节位置觉测试时,患侧运动时额区和顶叶的脑电功率值显著高于非伤侧肢体运动时的脑电功率值,说明当有肌肉主动收缩参与运动任务时,使用伤侧肢体完成需要动用更多的脑资源。

运动感觉系统的传导通路包括膝关节周围的外周感受器接收到刺激,会将刺激转化为传入信息,传入信息在中枢神经系统进行认知加工和整合,再发出指令支配相应肌肉,对运动进行调控。ACL主要作用是限制胫骨前移,除了结构上的连接,还扮演力学感受器的角色。当ACL损伤侧在进行位置觉测试时,与ACL未损伤下肢相比,传入信息有所缺失,势必造成中枢应对和调节策略的改变。如果这种策略改变是即时的,那么在进行ACL未受损一侧腿的测试时,脑电功率值应该与患侧腿单独运动时有所差异,但是本研究发现,未伤侧和患侧腿在进行被动位置觉测试时脑电功率值未见存在差异。进行主动位置觉测试时,除了被动感受空间位置,还需要肌肉的主动收缩,此时中枢面临更丰富的信号输入,因此伤侧运动时调动了更多的脑资源以应对更复杂的运动任务,但这一现象的具体机制尚待进一步研究。

Baumeister等[10]观察了一侧前交叉韧带重建术后患者的脑电特征,发现与未伤侧比,患侧术后脑电图未见存在差别。这与本研究观察到的现象一致,一侧前交叉韧带断裂带来的中枢重塑在未伤侧运动时依然存在。

虽然既往研究中少有关注一侧ACL断裂后,另一侧肢体运动时的中枢反应,但是有研究发现,一侧ACL受损后,未伤侧的本体感觉和稳定性功能也会发生变化,也就是说,ACL断裂患者的患侧和未伤侧肢体均可有明显的姿势平衡障碍。Hewett等[11]报告患者首先在矢状面上发现单腿平衡障碍,而且双侧出现同样的障碍,患侧的这种平衡障碍持续到术后1年。Corrigan等[12]应用感知被动运动和位置觉来测定本体感觉,发现单侧前交叉韧带断裂的运动员会出现双侧本体感觉缺陷。Fridén等[13]也检查了单侧前交叉韧带断裂患者,发现双下肢冠状面姿势摇摆增大。Wojtys等[14]研究前交叉韧带断裂的患者时发现下肢肌肉收缩和募集缺陷呈对称性。以上这些研究观察到了一侧ACL断裂带来的双侧外周功能失稳的现象,但是都未能从运动感觉系统的整体来阐述出现外周变化的可能原因。本研究发现一侧ACL断裂带来的中枢认知变化在进行未伤侧腿单独运动时依然存在,所以ACL断裂患者未伤侧膝关节稳定性的变化,很可能是由中枢调控策略改变带来的。

此外,本研究结果也从一个侧面佐证了中枢在本体感觉功能中的重要地位。即使ACL结构正常,如果中枢认知发生变化,其本体感觉功能也依然存在障碍,这也解释了临床中一些患者在ACL重建术后,仍然感觉主观不稳的现象,提示解决ACL断裂带来的关节失稳问题,需要同时关注外周的结构异常和中枢的调控机制变化,在康复过程中应加入中枢训练,如运动想象训练等。

综上所述,本研究通过分析ACL断裂后单腿运动时脑电波的功率变化规律,探讨一侧ACL断裂对于中枢认知的影响,发现一侧ACL断裂带来的中枢变化,在进行对侧(未伤侧)被动运动时仍然存在;患侧主动运动时的脑电功率谱显著高于未伤侧,本研究结果为ACL损伤的研究提供了新的脑中枢电生理学证据。