物理疗法促进髌骨-髌腱结合部损伤早期恢复的实验研究

物理疗法促进髌骨-髌腱结合部损伤早期恢复的实验研究 物理疗法促进髌骨-髌腱结合部损伤早期恢 复的实验研究 中华物理医学与康复杂志2006年5月第28卷第5期ChinJPhysMedRehab,巳y06.Vo1.2!—』 物理疗法促进髌骨一髌腱结合部损伤 早期恢复的实验研究 陈鸿辉杨小红王文粱佩红徐钢秦岭 ? 291? . 基础研究. 【摘要】目的探讨低强度脉冲超声刺激(LIPUS)和功能性电刺激(FES)对兔髌骨一髌腱结合部 (BTJ)损伤愈合的影响.方法18周龄成年雌性新西兰兔63只,建立髌骨部分切除模型,随机分为超声组, 复合组和对照组.超声组在术后3d开始为期6周的LIPUS治疗,复合组在术后1—4周给予LIPUS治疗,在 5,12周给予FES治疗.通过组织学染色观察BTJ纤维软骨移行带的修复,并进行生物力学测试,以评价其 疗效.结果(1)组织学结果显示,超声组和复合组术后6周在截骨界面均有大量新骨生成,BTJ可见大量新 生软骨细胞;术后12周纤维软骨带初步形成;术后18周可见具有过渡结构的纤维软骨带.对照组术后6周 纤维母细胞增生,无新骨形成;术后18周出现大量新生软骨细胞,但缺乏纤维软骨带的过渡结构.(2)术后 6,12和18周的力学测量结果显示,各组BTJ随时间的推移而逐渐改建,3个时间点超声组,复合组的极限拉 应力均明显高于对照组(P<0.05).结论LIPUS和FES可使骨,软骨等多种细胞增 生,通过促进新骨形成及 重建纤维软骨带的过渡结构,从而加快骨一肌腱结合部位的早期恢复. f关键词】骨一肌腱结合部;低强度脉冲超声;功能性电刺激 AnexperimentalstudyofphysicaltherapyintheearlyhealingofapatellarboneandtendonjunctionCHEN Hong-hui.YANGXiao—hong,WANGWen,LIANGPei— hong,XUGang,QINLing.GuangzhouinstituteofTrau— matology,The4thAffiliatedHospitaloftheMedicalCollegeofJiNanUniversity,Guangzhou510220,China 【Abstract】0bjectiveToinvestigationtheeffectoflow— intensitypulsedultrasoundandfunctionalelectrical stimulationonthehealingofapatellarbone-tendonjunction(BTJ).MethodsAnanimalmodelofpartialpatel— lectomywasformedin63maturefemaleNewZealandWhiterabbits(18weeksold),andtherabbitswerethenran— domlyclassifiedintoultrasound.compoundandcontrolgroups.Theultrasoundgroupwasgivenlow—intensityultra- soundtherapyfor6weeksbeginning3daysaftertheoperation,whilethecompoundgroupreceivedthesametreat- mentfromweek1toweek4aftertheoperation,andthecompoundgroupwasgivenfunctionalelectricalstimulation fromweek5toweek12.TheplerosisofBTJinthefibrouscartilagezonewasobserved,alongwithbiomechanicalex— aminationattheendofthetestperiod.Results(1)Intheuhrasoundandcompoundgroups,thehistologicalexa— ruinationrevealedabundantnewboneformationatthecutboneinterfaceat6weeksaftertheoperation.Manynew chondrocyteswereobservedattheBTJ.Afibercartilagezoneformedbeginning12weeksafte rtheoperation.Thefi— brouscartilagezoneshadatransitionstructureatI8weeks.Inthecontrolgroup,therewasfibroblastproliferationbut nonewboneformationat6weeksaftertheoperation,andabundantnewcartilagecellsat18weeks,butnotransition structurewasobservedinthefibrouscartilagezones.(2)Mechanicaltestingatthreetimepointsaftertheoperation demonstratedthattheBTJwasgraduallyrebuiltineverygroupwithtime.Thelimittensilestressesintheultrasound andcompoundgroupsweresignificantlylargerthaninthecontrolgroupataUthreetimepoints.ConclusionLow— intensityultrasoundandfunctionalelectricalstimulationcanpromotetheproliferationofboneandcartilagecells.This canacceleratenewboneformationandrebuildatransitionstructureoffibrouscartilage,andsospeedupearlyhealing ofbone—tendonjunctions. 【Keywords】Bone-tendonjunctions;Low— intensitypulsedultrasound;Functionalelectricalstimulation 骨-肌腱结合部(bone-tendonjunction,BTJ)损伤在 汽车工业和体育事业日益发达的今天十分常见,髌骨 基金项目:国际骨折内固定研究会AO基金资助项目(No.AO/ ASIF03一Q26) 作者单位:510220广州,暨南大学医学院第四附属医院,广州市创 伤外科研究所(陈鸿辉,杨小红,王文,梁佩红,徐钢);香港中文大学威尔 斯亲王医院矫形外科及创伤学系(秦岭) 损伤后手术切除部分髌骨并重置髌腱或股四头肌于剩 余的髌骨上,是通常的外科选择.由于BTJ复杂的特 征性结构——纤维软骨移行带的恢复缓慢和困难,术 后通常需要较长时间的固定,但长时间的外固定对骨 骼肌和关节的功能均有明显的影响.因此,如何能缩 短固定时间,早期开始功能训练,是重要的研究课题. 大量的动物或临床试验证实:低强度脉冲超声刺激 ? 292?中华物里学与康复杂志2006l至第28卷第5期 ChinJPhysMedRehabil,May2006,Vo1.28,No5 (1owintensitypulsedultrasoundstimulation,LIPUS)在 骨折愈合,骨不连,韧带损伤和软骨缺损修复等方面有 明显的疗效..;功能性电刺激(functionalelectrical stimulation,FES)在骨折愈合延迟和不愈合,肢体麻痹 以及职业病患者肌肉劳损的治疗方面也有很好的效 果'.本研究建立兔髌骨部分切除模型,术后采川 LIPUS和FES进行治疗,以了解物理疗法对BTJ愈合 的影响,为临床上BTJ的修复重建,术后康复的方法与 时机选择提供可靠的理论与实验依据. 材料与方法 一 ,兔髌骨部分切除模型的建立'与分组 成年雌性新西兰兔63只(18周龄),体重为2.2 — 2.5kg,随机分为超声组,复合组和对照组,每组21 只.肌肉注射l0%氯胺酮(0.5ml/kg体重),静脉注 射2.5%苯巴比妥钠,每次0.2,0.5ml,维持麻醉下, 膝外侧入路,于髌骨远端1/3横行截骨,去除远端1/3 髌骨后,于近侧剩余髌骨垂直钻2个直径为0.8inin 的孔,将髌腱用不可吸收缝线直接缝合于近端髌骨 并用"8"字钢丝保护,膝关节屈曲90.位石膏『古1定6 周.术后3d在手术部位开窗,用于LIPUS的治疗.术 后分笼喂养,拆除石膏固定后笼内自由活动. 二,术后处理 治疗时3组动物均给予氯胺酮(0.25ml/kg体重, 肌肉注射)镇静.超声组在术后3d开始LIPUS治疗, 强度为(30.0土5.0)mW/cm,脉冲宽度为200s,频 率为1.5MHz,每天1次,每次20min,共6周,治疗时 在开窗部位放置直径为2.5cln的超声波传感器,超声 头与皮肤间均匀涂布耦合剂.复合组在术后1,4周 给予LIPUS治疗,方法与超声组相同;在5,12周给予 FES治疗,脉冲宽度为20s,肌肉收缩刺激循环为1S 开,2s关,每天1次,每次30min;治疗时拆除石膏,于 手术侧下肢股四头肌表面皮肤均匀涂布耦合剂后,放 置2个2.5em×3.5em的软塑料电极板(正极在近端, 负极在远端);FES的振幅从健侧最大收缩强度的 10%开始,每周增加5%.对照组不给予治疗,而在手 术方法,术后护理,喂养及活动等方面与另外2组 相同. t,组织学观察 于术后6,12,18周分别处死实验动物取材,每个 时间点用2例完整的标本进行组织学观察,5例住完 成生物力学试验后也回收用于组织学观察,各个愈合 时间点的样本实际总数分别为7.标本用10%中性甲 醛固定24h,10%甲酸脱钙,系列酒精脱水,石蜡包埋, 切片厚度为5txm,HE染色,镜下观察组织学变化以及 新生组织中纤维软骨带的重建. 四,生物力学检测 于术后6,12,18周分别处死实验动物,各个愈合 时间点的样本数为5;受试肢体连同完整的股四头肌一 髌骨-髌腱一胫骨复合体一起取材,标本用0.9%生理盐 水纱布包裹,封存在保鲜袋中,一20~C冰箱中冻存待 测.检测时将标本解冻,剔除膝关节周围组织和张力 钢丝,测量并计算出愈合界面横截面积.标本用自制 的夹具同定于力学试验仪上(TiniusOlsenH25KS),胫 骨与负重轴呈10.前倾生理角,先以1N拉力, 20mm/minJ/~2速和1ram/rain移位施加10个周期的预 负荷,以消除潜在的膝复合体内张力不均的影响,然后 再以20ram/rain拉速拉断复合体,记录断裂载荷,计 算极限拉应力(极限拉应力=愈合界面横截面积/极 限拉伸强度). 五,统计学 所有数据均采用SPSS11.0统计软件处理.生物 力学检测结果采用单冈素方差分析进行组间比较. 结果 一 ,正常髌骨一髌腱结合部结构 正常髌骨一髌腱结合部4层特征性结构明显(图 1),可见纤维细胞,纤维软骨细胞,钙化的纤维软骨细 胞和骨细胞. 图1正常髌骨-髌腱结骨郡结构,包拮纤维细,纤维软骨细 胞,钙化的纤维软骨细胞和骨细胞(HF染色,X100) 二,骸骨一髌腱结合部组织学观察 术后6周,超声组有犬最的纤维母细胞,成骨细胞 增生,可见新骨形成,并有少最的软骨化生(图2A); 复合组细胞增生活跃.出现大量的成骨细胞和破骨细 胞,有明的新骨形成,骨一腱连接处f{;现灶状排列的 新生软骨细胞(罔2B);对照组可见大量的纤维母细胞 增生,细胞排列紊乱,截骨界面仍清晰可辨,未见新骨 形成(罔2C). 术后12周,超声组软骨化生明显,nr见软骨细胞 嵌入胶原纤维中生长,纤维软骨带初步形成(图3A); 复合组软骨化牛明显,沿力的方向出现弧型的新生纤 维软骨带,仍可见成骨细胞和破骨细胞,各种细胞均排 ? 294?中华物理医学与康复杂志2006年5月第28卷第5期 ChinjPhysMedRehabil,May2006.Vo1.28,No.5 幼稚的纤维软骨带,纤维软骨细胞和胶原纤维沿着髌 骨.髌腱纵轴的方向生长排列;在术后18周,可见与正 常BTJ类似的纤维软骨带及连续的潮线结构;而对照 组的修复速度较慢,术后18周在BTJ位置主要是大量 的软骨细胞及纤维组织形成,缺乏正常的过渡结构. 实验结果显示,LIPUS刺激有利于纤维软骨带的早期 形成,从而促进BTJ的修复. 骨关节损伤的治疗,一般需要一段时间不同形式 的固定和制动以保证损伤的愈合.由于制动可带来肌 肉萎缩,关节强直,组织的形态结构,生物化学和生物 力学的改变,这一系列病理变化使功能恢复更加困难. 因此,制定术后早期康复训练计划对关节功能的恢复 有至关重要的作用.FES是常用的康复手段.研究表 明,FES有利于退变组织的早期恢复?",防止肌肉 萎缩及恢复瘫痪肌的功能等.本研究设计在术后早期 (1—4周)应用LIPUS促进细胞增生和纤维结缔组织 的形成,以增强BTJ对负荷的承受能力,使早期功能训 练成为可能,然后采用FES诱导股四头肌收缩进行功 能训练,促进BTJ的重建.组织学结果显示,超声组和 复合组BTJ恢复均早于对照组,其中复合组应用FES 进行功能训练,使损伤局部早期受到应力刺激,在术后 6周细胞及胶原纤维的排列更为整齐和有序,而术后 12周出现的类纤维软骨带呈弧形,较单纯超声组出现 的呈"一"字形排列的纤维软骨带更接近正常的BTJ 结构. 随着时间的延长,组织的修复改建以及新生胶原 的增多,生物力学检测结果显示各组的力学性能在逐 渐提高,各组18周的极限拉应力在3个时间点内呈现 逐级上升趋势,其中,超声组及复合组极限拉应力在各 阶段均显着高于对照组(P<0.05).在实验早期(1— 4周),超声组及复合组的处理方法相同,在5,6周, 复合组改用FES治疗,诱导股四头肌收缩,增加BTJ 界面的应力,以加快损伤组织的重塑改建,由于时间尚 短,术后6周极限拉应力虽有增高的趋势,但组问差异 无统计学意义,而在组织学结果中则可见到愈合界面 的软骨细胞出现最早,细胞排列更为有序等有利于纤 维软骨带重建的现象,在术后12周,复合组的极限拉 应力较超声组大,此时沿力线方向出现的弧形结构的 纤维软骨带,更符合力学的.在实验的后期,随着 时间的推移,组织的修复改建速度逐渐减慢,超声组与 复合组的应力也相应接近. 术后适当的康复训练不仅有利于BTJ的愈合和成 熟,同时可以加快骨-腱过渡结构的演变过程.物理治 疗具有无创性的优势,其中LIPUS和FES在骨科康复 治疗中应用很广泛.本研究证实,在兔髌骨部分切除 模型中,LIPUS可以促进BTJ的愈合,FES治疗可使局 部承受应力刺激以加速损伤部位的塑型重建,二者相 结合更有利于BTJ的恢复,尤其是在损伤的早期.组 织学及力学检测结果提示,使用LIPUS和FES治疗 BTJ损伤,术后的肢体制动时问可适当缩短,会有利于 更早地进行康复训练,降低术后愈合界面再次损伤或 断裂的风险. 参考文献 1OkadaK,MiyakoshiN,rakahashiS,eta1.Congenitalpseudoarthrosis ofthetibiatreatedwithlow—intensitypulsedultrasoundstimulation(LI— PUS).UltrasoundMedB]o1.2003,29:1061—1064. 2MayrE.FrankelV.RuterA.Ullras0und——nnalternativehealing methodfornonunions?ArchOrthopTraumaSurg,2000,120:1—8. 3TakakuraY,MatsuiN,YoshiyaS,eta1.Low—intensitypulsedultra— soundenhancesearlyhealingofmedialcollateralligamentinjuriesin rats.JUltrasoundMed.2002.21:283—288. 4QinL,AppellHJ,ChanKM,eta1.Electricalstimulationpreventsim. mobilizationatrophyinskeletalmuscleofrabbits.ArchPhysMedRe— habil.1997.78:512-517. 5BelangerM,SteinRB,WheelerGD,eta1.Electricalstimulation:can itincreasemusclestrengthandreverseosteopeniainspinalcordinjured individuals?ArchPhysMedRehabil,2000,81:10901098. 6WongMWN,QinL,TaiJKO,eta1.Engineeredallogeneicchondro— cytepelletforreconstructionoffibrocartilagezoneatbone—tendonjunc— tion—apreliminaryhistologicalobservation.JBiomedMaterRes,2004, 70:362—367. 7徐钢.陈鸿辉,杨小红,等.低强度超声促进兔骨一肌腱结合部早 期恢复的初步观察.中国矫形外科杂志,2005.13:767-769. 8贾小林,陈文直,司海鹏.等.超声对兔关节软骨损伤的修复作用. 中华创伤杂志,2004,20:97.99. 9陈启明,梁国穗,秦岭,等,译.骨荧节肌肉系统生物学和生物力 学.北京:人民卫生出版社,2001.498—530. 10张春礼,范宏斌,吕荣,等.自体和异体肌腱重建前十字韧带后止 点转归的组织学研究.中华骨科杂志,2004,24:146.149. 11LeungSK,QinL,FuLK,eta1.Acomparativestudyofbonetobone repairandbonetOtendonhealinginpatella—patellartendoncomplexin rabbits.JClinBiomech.2002.17:594—602. 12WongMWN,QinL,LeeKM,eta1.Healingofbone—tendonjunction inabonetrough,ClinOnhopRelatRes,2003,413:291-320. 13滕星,王满宜,黄啸原,等.骨一髌腱骨自体移植重建前十字韧带 的研究.中华骨科杂志.2005,25:491.496 14QinL,AppellHJ,ChanKM,eta1.Electricalstimulationpreventsim- mobilizationatrophyinskeletalmuscleofrabbits.ArchPhysMedRe- habll,1997,78:512-517. 15BelangerM,SteinRB,WheelerGD,eta1.Electricalstimulation:Call itincreasemusekestrengthandreverseosteopeniainspinalcordinjured individuals?ArchPhysMedRehabil.2000,81:1090.1098. (修回日期:2006.02.15) (本文编辑:松明)