動態磁共振成像在膝關節疾病診斷中的應用

王玉麗，洪 聞

（中日友好醫院 放射科，北京 100029）

膝關節是人體最大最復雜的關節，由股骨下端、脛骨上端和髕骨、韌帶、半月板等組成，具有屈伸、內收外展、旋轉等復雜運動。在日常的生理活動中，負重較大且活動較多，因此也是人體中退化較早、極易損傷的關節，如果不及時治療，將導致生活質量下降甚至行走功能的喪失，所以早發現早診斷早治療是非常重要的。

1 膝關節動態MRI檢查方法

目前對膝關節疾病的影像學檢查方法主要有：X線、計算機體層攝影（computed tomography，CT）、關節鏡及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等。 關節鏡可直接全面觀察關節內部結構的改變，但卻具有創傷性和主觀性；MRI相對于X線、CT掃描具有較高的組織對比度，可行多方位多序列成像，可提供生理功能方面的信息，無損傷無電離輻射等優點，尤其是對半月板韌帶等軟組織具有相當高的敏感性和特異性，但是常規MRI卻有一定的缺陷：只是進行一個方向的檢查，忽略了膝關節日常活動過程中的動態因素，不能反映膝關節的日常生理負荷情況，而動態MRI恰巧能精確反映膝關節疾病相關因素的動態變化情況[1]，本文就此進行綜述。

膝關節動態MRI的掃描方法可分為2種：①直立位：Fonar 0.6T、GE signa 0.5T直立開放式MRI出現以后，受檢者就可以進行直立位檢查，允許受檢部位在承受生理負荷情況下接受檢查，更接近于日常生活中的自然體位，檢查結果也更加準確可靠。

膝關節進行直立位動態MRI掃描時，MRI檢查床需要傾斜一定的角度，受檢者斜靠在檢查床上，以便于雙膝屈伸，用角度測量儀來測量既定的屈伸角度，用腹部線圈包繞在雙膝關節周圍，同時獲得雙膝關節的動態圖像（Fonar 0.6T），或者用5＂膝關節柔軟表面線圈，固定在膝關節周圍獲得單膝關節的動態圖像（GE 0.5T），直立狀態下可以進行任意角度的屈伸。掃描序列、參數，掃描方法還要根據場強的大小和所觀察組織的結構成分等來設定。直立開放式動態MRI作為一種新型的檢查技術，在身體自然生理負荷情況下能獲得比常規MRI更多的信息，但是鑒于設備的限制，在國內還未開展此項研究[2]。②臥位：第1種是仰臥位，使用意大利制造的Artoscan 0.2T四肢關節專用MRI機器，膝關節置于膝關節表面線圈中間，檢查一側的足固定在帶有刻度（表示不同的屈伸角度）可鎖定的移動裝置上，此種裝置可以使受檢者根據研究者的要求來獲得不同的屈伸角度，可以了解膝關節0°～40°范圍內的動態變化情況，此款機器還附帶專門的動態掃描序列：kinematic sequences SE 24 Transverse序列。Siemens、GE 公司高場MRI也有類似的膝關節運動裝置。第2種是俯臥位，使用GE signa 0.35T低場MRI，配備專門膝關節運動裝置，臀部和踝關節固定，訓練受檢者，要求膝關節運動緩慢勻速，運動中掃描，使用FRFSE（快速恢復快速自旋回波：fast recovery fast spin echo）或者FSPGR （快速擾相梯度回波：fast spoiled gradient echo）序列進行掃描，根據受檢者情況使用不同力量的負荷張力帶判斷膝關節的運動情況，此種方法容易有運動偽影，還沒有確切的屈伸角度，但它是一種主動運動，肌肉的力量也參與到了屈伸運動中，更接近于日常生活中的自然運動。此兩種方法有一個共同的缺陷：由于機器自身孔徑的限制，臥位的情況下膝關節只能進行小角度屈伸。

2 動態MRI在膝關節疾病診斷中的應用

2.1 髕股關節病

髕股關節疾病是髕骨軌跡異常和髕股關節軟骨損傷這類疾病的統稱，因為發病機制不明，國際上尚無統一命名，有髕骨軟化病，髕股關節疼痛，髕骨排列異常，髕股關節不穩等[3]。

2.1.1 髕骨運動軌跡

髕骨的不穩定是造成膝前疼痛的主要原因。目前髕骨不穩定的發病機制還不清楚，隨著影像學技術的發展，人們對髕骨的研究逐漸從靜態延伸至動態的動力學研究，更接近于日常生活中真實的生理、生物力學機制。

正常情況下，髕骨的旋轉范圍很小，因為髕骨通過髕韌帶附著在脛骨上，而脛骨在負重情況下旋轉范圍也很小，股四頭肌的收縮力與相對固定的脛骨導致髕骨的相對穩定。

良好的髕骨周圍結構及其力學平衡，對維持髕骨的正常排列具有重要作用。以前有的學者在尸體標本中研究滑車溝和髕骨的關系，無論如何，體外并不能代表體內，因為研究過程中大量的假設和簡單化，即使是體內承重與非承重，主動運動與被動運動表現出來滑車溝與髕骨運動軌跡的關系都不相同[4，5]。

Varadarajan[6]第1次在人體內承重的情況下研究髕骨運動軌跡和滑車溝的關系，對21個健康志愿者行動態MRI檢查，從完全伸直至深度屈曲，得出結論：髕骨的偏移與滑車溝的位置密切相關，與滑車溝的角度沒有太大關系，隨著屈曲角度的增大，髕骨偏移的程度還與滑車溝的方向有關，與Nha[7]觀點相同；髕骨的傾斜與滑車溝的角度密切相關；髕骨的旋轉與滑車溝的關系不是很密切，可能是與解剖結構上的凹凸接觸面結合比較緊密有關。由此可見，股骨滑車的幾何參數對髕骨的運動起著重要的作用，通過研究健康志愿者來為髕骨運動軌跡異常的患者提供一個理論基礎，為臨床治療提供一個影像學依據。

2.1.2 髕股關節

髕股關節是膝關節重要的組成部分，由髕骨和股骨滑車組成，若髕骨和股骨滑車凹排列出現異?；虬l生異?；顒颖厝灰痼x股關節間的應力分布異常，導致膝前疼痛及髕股關節軟骨軟化，最終出現骨性關節炎。因此對髕股關節排列異常做出正確診斷和治療具有重要作用。MRI作為一種無創性檢查方法，對于評價膝關節運動、損傷及病理變化具有重要意義，動態MRI可以判斷運動中的髕股關節異常排列的類型及程度，提高髕股關節間排列異常的檢出率[8]。

目前用于評價髕股關節排列的動態MRI量化參數（測量時選取髕骨橫徑最大的軸面）：①髕骨最大徑（maximum patella width，MPW）：髕骨內外側突起緣的最大連線距離， 用數值 （mm） 表示；②外側髕股角（lateral patellofemoral angle，LPA）：髕骨外側緣的切線與股骨髁最高點連線的夾角，用度數 （°）表示；③股骨滑車溝角（femoral trochlear angle，FTA）：沿股骨滑車溝內內外側緣連線的夾角，用度數（°）表示；④髕骨傾斜角（patellar tilt angle，PTA）：髕骨最大橫徑的延長線與股骨髁后緣連線的夾角，用度數（°）表示；⑤股骨滑車溝深度（femoral trochlear depth，FTD）：股骨滑車溝的最低點到滑車內外側髁前緣連線的垂直距離，用數值（°）表示等[9]。

符紀寧等[9]通過對正常組30個、病例組20個膝關節分別在仰臥位被動屈曲 0°，6°，12°，18°，24°，30°，36°下進行軸位動態MRI（0.2T永磁四肢關節專用MRI機器）掃描，利用機器自帶的測量功能測量MPW、LPA、FTA、PTA、FTD參數，得出結論：各參數在正常組與病例組均沒有顯著性差異，PTA與FTD在所有角度下均有組間的顯著性差異，FTA在部分角度下有顯著性差異，因此，PTA與FTD在動態MRI下能很好的評價髕股關節的排列關系，FTD在20°左右可用來定量評價髕股關節的排列關系。

Souza等[2]用0.5T GE直立開放式MRI對15例髕股關節疾病患者和15例健康志愿者（對照組）進行了屈伸動態MRI檢查，測量幾個變量，分別觀察股骨旋轉，髕骨旋轉，髕骨脫位，髕骨傾斜發現：髕股關節疾病患者比對照組表現出來更大程度的髕骨外側脫位，髕骨外側傾斜，股骨內旋。髕股關節疾病患者在膝關節運動過程中髕骨有更大程度的外側脫位，傾斜與以前報道類似[5，10]。

Li等[11]對10個健康志愿者進行了膝關節負重MRI檢查，屈伸角度是0°～135°，得出結論：當膝關節屈曲時，股骨和髕骨均向后移動；在整個屈伸過程中，股骨內外側移動很小，約2mm，髕骨最大旋轉角度達到了75°，與股骨、脛骨的旋轉具有一定相關性（當屈曲達到90°時，髕骨的旋轉角度最大是75°，然后隨著屈曲的繼續，旋轉角度逐漸減?。幌嗨?，髕骨向外側傾斜的程度，旋轉均與股骨旋轉角度有關（屈曲90°之前，髕骨向內側旋轉，90°以后向外側旋轉）。

股骨過度內外旋轉時會導致髕股關節接觸面積減小，關節面的壓力相應增大，進而導致膝關節的疼痛，尤其是在膝關節剛開始屈曲時，因此對于具有此癥狀的患者適當的控制股骨旋轉則可以適當減輕疼痛，對于重塑髕股關節的運動特性也是非常重要的[11，12]。脛骨的旋轉對髕骨運動軌跡的影響在膝關節生理病理的研究中也發揮著重要作用。由此可見，髕股關節、股脛關節是一種相互依存的關系，股脛關節的運動影響著髕股關節的運動和關節接觸面的壓力[11，13，14]。

2.2 交叉韌帶

當前交叉韌帶 （anterior cruciate ligament，ACL）退變時，會加速脛骨內側旋轉；當后交叉韌帶（posterior cruciate ligament，PCL）退變時，會加速脛骨外側旋轉；股脛關節的異常旋轉，最終導致髕骨功能的改變[15，16]。通過對交叉韌帶行動態MRI檢查，更多的了解生理病理，為韌帶退變患者提供一個合適的治療方案是非常有必要的。

PCL的強度是ACL的1.5～2倍，因此只有受暴力才能致傷，提示PCL損傷多發生于高強度高對抗性的運動外傷或交通傷中[17]。ACL損傷在臨床上還是較常見的，尤其是運動員在運動鍛煉（尤其是足球）的過程中易導致ACL的損傷，女性運動員ACL損傷的幾率是男性運動員的2～3倍[18]，然后會引起疼痛，關節不穩定，早期骨關節炎等；進行韌帶重建手術，短期效果是比較明顯的，長期看法還是不一致。為了降低運動過程中ACL損傷的發生率，理解ACL的損傷機制，Taylor[19]通過動態MRI測量運動（模仿打籃球或踢足球的彈跳運動）過程中ACL的變化，得出結論：ACL在運動過程中，碰地瞬間長度是最長的，隨著屈曲角度的增大，長度逐漸減?。籄CL所受張力的峰值也出現在碰地之前的一瞬間。由此看出，ACL所受張力峰值和長度最長的時刻都發生在低屈曲角度。

2.3 半月板

半月板墊在股骨內、外側髁與脛骨內、外側髁關節面之間，分別為內、外側半月板，通過增加股骨與脛骨之間的接觸面積，起到分散壓力的作用，在運動時傳遞應力并吸收震蕩，通過加深脛骨平臺而增加膝關節的穩定，并且有潤滑關節和營養軟骨的作用。在膝關節屈伸過程中，半月板有一定的活動度，并存在生理性周緣性移位，而且移位程度隨著年齡的增長而加大，此時雖然半月板組織結構尚完整存在，但是已喪失其正常的解剖位置，無法充分發揮其生理功能，可視為“功能性”半月板切除[20]。

隨著膝關節的屈曲，為了適應和傳遞負荷，半月板向后方移動，外側半月板比內側半月板移動距離大，前角比后角移動范圍大，因此內側半月板后角移動范圍最小；后移的同時半月板高度有不同程度的增加，半月板的前后徑減少；半月板同時還向側方移動，側方移動的距離小于前后方向的移動距離；這些變化很可能是由于半月板的運動在很大程度上與股骨髁、脛骨髁的運動和形狀相關，同時還與半月板的附著方式及關節囊和周圍韌帶有關[21]。

半月板損傷和半月板切除都對膝關節運動有著不利影響，半月板切除術后導致骨關節炎已經得到了長期隨訪的證實，因而半月板損傷的治療方式就顯得尤為重要[22]。Zaffagnini[23]對半月板移植手術和半月板部分切除的患者進行了10年隨訪，得出結論：進行半月板移植手術的患者無論在疼痛，還是在術后活動能力方面都好于半月板切除的患者。

2.4 軟骨

關節軟骨起著傳遞分散壓力的作用，外傷或病變后很難恢復，因為軟骨本身的修復能力很差，一般都要通過修復或者移植手術來恢復受損的軟骨細胞，而對于關節軟骨手術的可行性和軟骨可塑性的評價，就只能通過MRI了，因為MRI既無侵襲，又能對關節軟骨信號、形態都有很高的敏感性，尤其T2 mapping：是一種定量研究關節軟骨，反映關節軟骨中膠原纖維結構完整性的技術，是關節軟骨T2值變化的空間分布圖；T2值對軟骨膠原基質結構的改變極為敏感，成為研究軟骨生化結構的影像標志[24，25]。

而動態MRI更能在運動過程中表現出關節軟骨形態信號、所受壓力的變化：運動過程中軟骨接觸區域與非接觸區域相比，T2值呈現出非常明顯的減??；運動過程中軟骨受到擠壓（即使沒有重力的影響）時，T2值也會有明顯的減小，開始只是軟骨淺層信號降低，隨著壓力的增加或者活動度的加大，關節軟骨深層的信號也降低，形態也會有所變化，這可能是與軟骨中含水量、膠原纖維方向結構有關[24，26，27]。此檢查方法的缺陷是患者受到磁體孔徑的限制，屈曲角度受限，大約只能屈曲40°左右，再者仰臥的情況下，比站立、走路、跑步等日常生活狀態中所受的承重要小一些，因此隨著直立開放式MRI在此方面的應用還有待進一步的深入研究。

3 小結

綜上所述，動態MRI較常規MRI更能精確反映膝關節在運動過程中的各個解剖結構的動態變化情況，對髕股關節和股脛關節疾病的治療方案的制定與研究有著重要的指導作用；對半月板與軟骨運動過程中形態及壓力分布的變化、退變的程度等提供一個影像學理論依據；對研制出更實用的人造膝關節提供更準確可靠的生物力學基礎，延長假體的遠期使用壽命，指導膝關節的假體置換等有著重要的意義。但是尚存在一定的不足，膝關節在仰臥的情況下忽略了重力對關節的影響，隨著直立開放式MRI的廣泛應用，患者就可以在直立負重自然生理狀態下進行動態檢查，更接近于真實的生理病理狀態，檢查結果也更加準確可靠。

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