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女子运动员前交叉韧带损伤:损伤机制和危险因素-Ⅱ

时间:2013-12-20 19:28:10  来源:Timothy E.H等,许贻林译  访问量:4796

内在的损伤机制

解剖学

人体测量学差异 大量关于ACL损伤危险因子的研究关注于解剖学或人体测量学变量,如胫骨和大腿的长度、身高等。Beynnon等人认为胫骨的长度是女子滑雪运动员的一个损伤因子。下肢骨的长度可能会增加ACL损伤的风险;然而,解剖学变量经常与动态的损伤机制没有相关性。本质上,解剖学变量很难加以改变;因此,针对这些机制研究的潜在影响力比较少。

静态排列:增加的Q/骨盆宽度 另外一个解剖学假设与Q角有关。女性拥有一个相对宽的或者不同形状的骨盆,这可能导致Q角的增加;Q角的增大可能与损伤率的增加相关。相反,另外一些学者认为在损伤率方面的差异与诸如Q角之类的解剖学差异没有关系。静态下测量的Q角似乎在动态动作中既不能预测膝关节外展也不能预测ACL损伤的风险;因此,他们支持进一步探究在落地过程中另外一些神经肌肉因素以及它们在肢体连接中所扮演的角色。

减小的切迹宽度 另外一个专门说明ACL损伤的结构学假设认为与男性运动员相比,相对于ACL的尺寸女性运动员的股骨切迹的宽度更小。Emerson和另外一些学者假设狭窄的髁间切迹让女性的膝关节遭受ACL损伤;这或许是因为狭窄的切迹导致ACL变得更小、更脆弱。ACL处于切迹内;狭窄的切迹可能导致ACL在高的张力作用下拉的更长。Uhorchak等人认为与那些髁间切迹宽度较大的人相比,髁间切迹狭窄(< 13 mm)的女性损伤比例增加16.8倍。Shelbourne等人认为小的切迹与小的ACL有关;性别不是影响因素。只不过是与男性相比,有更多的女性的切迹比较小。另外一些报道显示如果将切迹与骨的宽度标准化,那么女性与男性运动员的切迹宽度之间没有差异或者切迹宽度与损伤之间没有联系。

增加的一般性关节松弛 与男性运动员相比,女性运动员的一般性关节松弛较大。Boden等人认为ACL损伤的病人在屈髋10°和90°时ACL损伤的病人展现了更大的膝过伸;而且手掌触地的能力增加。研究发现一般性的关节松弛和过伸能显著增加女子足球运动员的损伤风险。Uhorchak等报道带有一般性关节松弛的女性ACL损伤风险是那些没有关节松弛的人的2.7倍。关节松弛不仅影响膝关节在矢状面内的运动(过伸);而且也影响冠状面内的运动(外展),这可能扭伤ACL并增加女性运动员损伤的风险。

肌肉(腘绳肌)柔韧性增加 Boden等报道与匹配的控制组受试者相比,ACL损伤运动员的腘绳肌更加松弛。在青春期和青春期之后,女性和男性的柔韧性模式出现差异。对于男孩来说,青春期之后随着年龄的增加柔韧性下降;然而,女孩的柔韧性却增加。例如,男孩的坐姿体前屈测试(腰,髋和大腿上部柔韧性测试)得分稳定地下降。然而女孩的得分却增加了。在青春期和青春期之后,与升高和体重的急剧增加一起,男孩的柔韧性显著下降;然而女孩并没有出现这种下降。

试验性研究表明女子运动员腘绳肌柔韧性的增加可能在一定程度上导致膝关节动态控制能力的下降。在柔韧性(特别是腘绳肌的柔韧性)方面的发育性差异可能导致后青春期膝关节损伤出现性别性差异。然而,这任然需要进一步的研究。松弛的腘绳肌可能会导致腘绳肌激活延;这进一步地导致在足跨步的早期股四头肌和腘绳肌之间没有产生共同收缩。尽管腘绳肌的柔韧性不是造成ACL损伤率差异的唯一因素;但是它可能潜在性地增加ACL损伤的风险

增加的胫骨前移 ACL限制胫骨相对于股骨的平移。Uhorchak等人报道与膝关节前后松弛没有增加的女性相比,膝关节前后松弛增多的女性ACL损伤的风险增加2.7倍。Uhorchak将增加的前后松弛定义为高于平均值一个标准差或更多。RoseneFogarty报道与男性运动员相比在可比较的渐进力的作用下女性运动员胫骨前移的平均值更大。他们推测在支持肌肉控制动作之前女性韧带的自然松弛允许胫骨前移。这些作者也推测胫骨平移的增加是运动专项适应的结果。胫骨的平移不仅与韧带松弛相关;而且也与肌肉的活动有关联。胫骨的平移可以通过腘绳肌和股四头肌的活动加以调节。着落和旋转动作包含大量的快速减速和加速动作;这些动作向前推和拉胫骨并增加ACL的应力。

足内旋和舟骨下降的增加 女性也可能展现了更大的足关节松弛。这种增加的韧带松弛可能引起女性的舟骨下降增加。舟骨下降可能在下肢连接和胫骨平移中扮演着角色。Trimble等人报道舟骨下降是胫骨平移的一个重要的姿势预测因子并表明增加的距下关节内旋和胫骨前移的加大有一定的联系。因此,舟骨下降的增加可能将胫骨前移并增加ACL的应变。Loudon等人得出结论认为ACL损伤与距下关节的过度内旋有关联。然而,关于舟骨下降以及它对膝关节运动和力矩的影响的数据缺乏一定的数据支持。更多的工作需要去确定足内旋在ACL损伤风险中的所扮演的角色。

身体质量指数(BMI)和年龄的影响 Uhorchak等人报道对于女子新兵人群来说身高、体重和BMI是评估ACL损伤风险的重要指标。他们认为与那些体重或BMI较低的人相比,体重或BMI高于平均值一个标准差的女性ACL损伤风险相应地增加3.23.5倍。身高和体重是青少年女孩膝关节损伤风险的潜在预测因子。针对512岁的青少年足球运动员的纵向研究表明在青春期之前膝关节损伤风险没有呈现性别差异。然而,十一岁以后年龄是女孩膝关节损伤的重要风险因子。对于8岁以上的女子运动员来说,BMI也是增加的膝关节损伤的重要危险因子。这些数据表明对于女性运动员来说从十二岁开始膝关节损伤率开始增加;这与女孩BMI开始增加的时序化相匹配。因此,对于女性运动员来说,年龄和与青春期发育相关联的BMI的增加可能在增加女子运动员ACL损伤的风险中扮演着一定的角色。

发育成熟期生物力学和神经肌肉的变化 与青少年运动员相反,没有证据表明青春期前的运动员在ACL损伤率方面有性别的差异。膝关节损伤在少年运动员中确有发生;因为在612岁期间有63%与运动有关的损伤是关节扭伤。而且,这其中的大部分扭伤发生在膝关节。尽管随着年龄的增加,对男性和女性运动员来说ACL损伤均增加;但是,紧接着生长突增之后女孩的损伤率更大。

处于青春期,男孩和女孩的胫骨和股骨快速生长。人体中最长的两根骨杠杆的生长将更大的力矩转移到了膝关节。身高的增加导致更高的身体重心。这使得肌肉对体重的控制更具挑战性。更大的体重转化为更大关节力;这使得在高速运动中平衡和控制变得更加困难。对于男性来说,爆发力、力量和协调性会随着年龄和成熟阶段的增加而增加。这将增加那些与在青春期之后增加的神经肌肉的需求相匹配的动态下肢控制能力。因为青春期之后女性的适应能力下降,男性和女性的神经肌肉模式在青春期出现差异。因此,与青春期相关联的生长和发育似乎与造成ACL损伤风险差异的神经肌肉、生物力学,或许还有激素因素相关。


激素

雌性激素对ACL损伤的影响 雌性激素被认为是女性运动员ACL损伤率增加的一个根本原因。NielsonHammar报道在月经周期的黄体期女子足球运动员严重性损伤的发生率更高。Wojtys等观察到在月经周期的排卵期非接触性ACL损伤有增加的趋势;而在卵泡期损伤发生率下降。雌性激素和耻骨松弛激素浓度在排卵期达到峰值。然而,Slauterbeck等报道在黄体期,月经之前,ACL损伤的次数最多(图2)。Myklebust等报道大量的ACL损伤发生在月经周期的卵泡期。这些报道是模棱两可并有争议的。

图二 月经周期雌性激素和黄体酮浓度变化。在卵泡期雌性激素浓度上升;在排卵之前达到最高浓度。之后再一次上升;并和黄体酮一起在黄体期上升到一个更宽阔的高度。在月经过程中,雌性激素和黄体酮的浓度较低。数据来自国家运动训练师协会。

这些文章中的大部分都存在这样一个主要的问题:即缺少排卵期。“排卵期”这个词的使用是不恰当的。从时间上讲,排卵是一个单独的时刻而不是一个时间段。如果将月经周期分成排卵前期和排卵后期,那么文献发表的报道中的大部分可能更为一致。

雌性激素对ACL力量的影响 由于受周期性变化的女性荷尔蒙水平的影响而造成的韧带强度的下降可能是女性ACL损伤的一个因素。在月经周期中,血清雌性激素浓度增加好几倍。有研究报道雌性激素和耻骨松弛激素影响韧带的张力性质;而且在人类的ACL纤维原细胞中有雌激素受体出现;然而,雌二醇降低来自与女性ACL人工培养的纤维母细胞中原骨胶原的合成。BoothTipton认为雌二醇的生理浓度显著性地降低韧带的强度;而且,耻骨松弛激素降低软组织的张力。Strickland等人报道与那些卵巢被切除但被注射雌激素的绵羊的ACL相比,卵巢切成绵羊的ACL的最大力量,硬度,断裂能或者断裂的位置均没有显著性差异。Seneviratne等得出结论认为月经周期内的雌激素浓度的波动在临床上并不会造成绵羊ACL活体组织材料性质的重大改变。一些报道将ACL损伤率的差异归咎为与女性体内荷尔蒙周期性波动相关的被动关节松弛的增加;然而,另外一些报道否定了这一论断。Wojtys等人发现在月经周期的排卵期松弛增加;Karageanes等人发现没有差异。Heitz报道在整个月经周期ACL松弛增加。因此,这些描述荷尔蒙对ACL力学性质的相互矛盾的数据可能来自于雌激素和耻骨松弛激素对韧带胶原的波动影响;而且,缺乏对这些混杂的变量的实验控制。

雌激素对神经肌肉功能和控制的影响 荷尔蒙对下肢关节神经肌肉控制的影响可能是女性运动员ACL高损伤率的潜在机制。雌激素直接和间接地影响女性的神经肌肉系统。Sarwar等人报道在月经周期的排卵阶段股四头肌力量增加而且肌肉松弛显著性地放缓。贯穿整个月经周期,血清雌激素浓度有很大的波动;雌激素对肌肉的功能、肌腱和韧带的强度有明显的影响。雌激素也对中枢神经系统产生影响。Lebrun报道女性运动员在月经周期的不同阶段等速力量,有氧和无氧能力和高强度耐力有差异。Posthuma等认为在经前期运动技能会下降。这些数据暗示雌激素会影响神经肌肉的功能。尽管雌激素不是造成膝关节损失率差异的唯一潜在因素;但是,雌性激素对膝关节的神经肌肉控制有重大的影响。

口服避孕药对损伤和松弛的影响 与口服避孕药的使用以及它们对ACL损伤机制的影响相关的数据争议较少。问题在于是否口服避孕药能够潜在性地被指定去预防ACL损伤。有数据表明这样一项干预可能是有效的。

NielsonHammar等报道那些口服避孕药的运动员的损伤率较低。来自ArendtDickWojtys等人的数据支持口服避孕药的潜在保护效应。Martineau等报道口服避孕药减少了大学女子运动员韧带的松弛。雌激素的最高浓度被认为直接对肌肉产生影响;而且,可能在关节的动态神肌肉控制中扮演着一定的角色。在月经周期的排卵后期,肌肉松弛的显著性放慢和肌肉易疲劳性增加被观察到。口服避孕药可能会通过降低大的波动,特别是雌激素和雌二醇的峰值来阻止荷尔蒙对膝关节动态的(神经肌肉控制)和被动的(ACL松弛和完整性)稳定性的影响(图2)。


神经肌肉

原动肌和拮抗肌之间的联系 腘绳肌和股四头肌的共同激活不仅能保护膝关节避免过度的前移还能防止膝关节外展和动态的下肢外展。如果腘绳肌募集不足或者腘绳肌较弱,股四头肌的激活可能必须被减弱从而为了完成动作提供所需要的总的屈力矩。腘绳肌力量和激活不足直接限制了为保护韧带所需的肌肉激活的潜能。如果腘绳肌募集水平很高,那么股四头肌可能高度激活;总的内在膝关节屈力矩占主导地位。相似的机制也被运用到肌肉对扭转载荷的保护上;这方面性别差异已经被观察到了。Wojtys等证明在肌肉放松和激活状态下女性胫骨的最大旋转比男性要大。因此,在内旋负荷下女性展现了比男性更小的肌肉对膝关节韧带的保护作用。

另外一个被提出来与女性运动员较高的ACL损伤风险的神经肌肉机制的理论是女子运动员相对于男子运动员具有相对低的膝关节屈肌相对于伸肌的募集水平或者腘绳肌与股四头肌峰值力矩比。在着地减速阶段,男子膝关节屈力矩是女子运动员的3倍。与男性受试者相比,女性也展现了低的腘绳肌与股四头肌峰值力矩比和增加的膝关节外展。

在膝关节屈的前30º到45º,股四头肌收缩增加ACL的应变;而且,隔离的股四头肌收缩产生的力可能超过ACL断裂的张力。Arms等认为在膝关节屈的前45º之内ACL应变增加;在超过60º的屈之后这种应变减小。Beynnon等报道利用活体技术ACL应变在股四头肌收缩的30º而不是90º。他们也报道股四头肌的收缩在15º到30º之间显著性增加;但是,在60º开始减低。

着地过程中的减速和控制动态外展、胫骨平移和旋转的能力可能与腘绳肌与股四头肌力量和募集水平减少的不平衡有关。这种减少的不平衡在进行神经肌肉训练之前被观察到。膝关节屈肌的共同收缩被要求去平衡股四头肌的积极收缩以压缩膝关节和帮助控制高的膝关节外展力矩和胫骨前移。贯穿高的关节载荷的位置,那些在充分地平衡肌肉募集能力下降的女性运动员随后ACL断裂的风险显著性增加。ACL损伤不可能是由于隔离的冠状面或矢状面载荷机制而引起的而是由于两个机制的联合作用造成的。女性运动员经常展现强有力的冠状面策略以控制动态膝关节运动。在着落动作中,这被认为不足以有效地耗散足够的力量。

Solomonow等人研究了ACL和大腿肌肉在维持膝关节稳定性方面的协调作用。他们观察到ACL上的直接应力对股四头肌有适度的抑制效应但同时能让腘绳肌兴奋。当患有ACL损伤的病人在进有负荷的伸膝带有胫骨半脱位时也有相似的报道。这暗示一个与ACL感受器不相关的交替反射弧可以达到用来维持膝关节的完整性。在患有ACL赤字的病人中腘绳肌清晰地展现了它们稳定膝关节的角色。肌电研究已经表明女性在股四头肌和腘绳肌激活模式上有显著性的与性别相关的神经肌肉的不平衡。在完成屈的动作过程中,女性运动员股四头肌相对腘绳肌激活水平增加并在动态运动中增加胫骨前侧负荷。对于女性运动员来说,股四头肌不成比例的募集可能产生前向剪切力。因此,可得到的文献证明一些改变的腘绳肌激活策略之间的联系并标明它与ACL损伤之间有潜在的联系。

增加的前向剪切力,共同激活和挤压的减小 在体育运动过程中,肌肉的力量和协调性直接影响ACL的力学负荷。在完成小于30º到45º屈膝时,股四头肌通过对膑腱对胫骨的前向拉动增加ACL的负荷。腘绳肌的收缩挤压关节;这在一定程度上是由于胫骨内侧平台呈轻微的凹陷状引起的;这个因素可以保护ACL以对抗前向拉力。在矢状面的运动中,这样一种关节挤压的保护效应在活体上被报道。关节挤压通过肌肉的共同收缩让关节接触力分担更多的外展载荷以保护韧带。Markolf等人为肌肉的收缩可以减小3倍的膝关节外展和内外松弛。

肌肉激活水平和时序的改变 肌电图研究已经证明了在完成动作时肌肉激活时序存在与性别有关的差异。HustonWojtys报道女子运动员腘绳肌激活对作用在ACL上的前向应力反应较慢。CowlingSteele报道了关于腘绳肌激活相对立的性别差异。他们报道在着地之前女性的腘绳肌的激活比男性的腘绳肌要早。然而,他们推测在着地过程中,男子腘绳肌激活的模式导致更大的肌肉协同;这能更好地控制膝关节负荷(最大的前向剪切力)。Besier检查了有预料和没有预料的情况下两种不同角度的变向动作。他们发现在事先没有预料的情况下膝关节外展-内收和内-外旋力矩增加了。他们认为在事先没有预料的情况下完成变向动作时更大的冠状面力矩增加了ACL损伤的风险。在有预料和没有预料的情况下变向动作过程中,下肢肌肉激活水平有显著性差异。对于男性受试者来说,在完成事先没有预料的变向时肌肉的激活水平增加10%25%;而且最大的增加出现在即将接触地面之前。Zazulak等人报道在着地接触前女性运动员的股直肌最大激活水平更大。对于女子运动员来说,股直肌激活水平的增加可能是ACL扭伤增加的一个重要的神经肌肉因素。在着地过程中,股四头肌激活水平的增加与较低的腘绳肌激活水平降低了能量的吸收并产生与ACL损伤相关的更大的地面反作用力。

保护性肌群的提前激活 尽管对于反射性的肌肉激活来说ACL损伤发生的太快;但是在着地或旋转或没有预料的负荷或在动作的干扰过程中运动员可以采取或提前程序化那些能够减少损伤风险的更安全的动作模式。当足接触地面时下肢肌群明显地被激活(40%-80%)。由女性运动员所展现的减少的股内侧肌和腘绳肌激活这样一种肌肉激活策略限制了肌肉的主动性控制系统与关节的被动约束协同工作从而创造动态的膝关节稳定性的有效性。在体育动作中,肌肉力量和协调性直接影响ACL的力学载荷。在变向和着地动作的运动员开始与接触地面时刻,股四头肌的提前激活可能与增加的外展连接相关。

本体感觉的减弱 ACL不仅能让关节保持完整性还接受丰富的神经支配并有特定的力学感受器。ACL作为一种ACL力矩和拉长的感受器起作用。这可能暗示胫骨相对于股骨的前移。ACL感受力矩和拉长的能力表明它也容易受到这些力矩和平移带来的伤害。NicholsChmielewski等人已经证明为了响应对关节产生力矩的干扰,拮抗肌被激活;而且这些拮抗肌的放电模式可能通过神经肌肉训练而被改变。通过激活腘绳肌牵张反射对ACL的牵拉做出反应。与控制组男性受试者相比,健康的女性受试者拥有更低的单腿摆动测试。然而,当ACL断裂之后,女性的摆动增加。这暗示ACL撕裂之后在高风险的女性中这是一个预测或者女性的本体感觉系统经受了更大的损伤。因此,本体感觉赤字可能在ACL损伤的机制之一。

内外侧肌肉放电模式的不平衡Rozzi等报道在着地动作的减速阶段,与男性运动员相比女子运动员的外侧腘绳肌呈现不成比例(4倍更大)的放电模式。Myer等报道相对于外侧股四头肌内侧股四头肌募集的比例减小。减小的内侧股四肌募集与不平衡的内侧腘绳肌募集相结合可能与减弱的膝关节冠状面力的控制有关联。膝关节动态外展的冠状面控制受膝关节挤压,特别是内侧髁接触压力,的影响。关节挤压的减弱限制了对动态外展和胫骨前移的被动约束。在着地或变向减速时,这可能导致女性膝关节内侧髁从胫骨平台剥离并增加ACL的载荷。

股四头肌放电水平的提高增加了直接地加载在ACL上的前向剪切力。此外,在女性运动员中观察到的不平衡或者低的股四头肌内侧与外侧肌群募集比与增加的外侧腘绳肌放电水平挤压外侧关节,转移内侧关节并增加前向剪切力。这直接增加了ACL的载荷。由女性运动员所展示的减少的内外侧放电比例所证实的不匹配的外侧股四头肌放电的神经肌肉策略可能与增加女性在外展运动和膝关节力矩的可能性有关。不平衡的或低的内外侧股四头肌募集水平比例与增加的外侧腘绳肌放电相结合可能挤压外侧关节,打开内侧关节并增加前向剪切力。这可能潜在地增加ACL损伤的风险。

疲劳的增加 尽管运动医学专家经常将疲劳引用为ACL损伤的一个潜在机制;但是支持ACL断裂疲劳理论公开发表的数据较少。据Nyland报道在女子运动员完成交叉步变向动作过程中股四头肌离心工作之后的疲劳导致腓肠肌激活提前并延迟股四头肌的激活。他们报道与控制组相比,股四头肌离心工作所产生的疲劳延迟股内侧肌,股直肌和股外侧肌的激活;但是腘绳肌的疲劳并不影响这些肌群的激活。与控制组相比,来自于离心工作的股四头肌疲劳让腓肠肌激活的更早;但是腓肠肌的激活不受腘绳肌疲劳的影响。

Wojtys等研究了肌肉疲劳对健康人群膝关节神经肌肉功能和胫骨前移的影响。为了响应胫骨前移下肢肌肉的募集顺序不受疲劳的影响;但是伴随着由马达驱动的动态应力测试装置牵引的小腿前移后伴随着疲劳出现胫骨前移增加。疲劳之后移动的增加与中等的和随意水平的EMG活动延迟相关。这些作者得出结论认为肌肉疲劳改变了神经肌肉对胫骨前移的响应。然而,他们并没有证明疲劳影响了膝关节的动态稳定性。尽管这些研究的发现并没有排除疲劳的影响;但是在这个领域内的进一步研究可能为女子运动员ACL损伤的一般机制提供一些线索。