膝關節前交叉韌帶損傷的彌散張量成像觀測

毛光蘭，李培，楊榮麗，付升旗，王慶志

新鄉醫學院 1.第三附屬醫院康復科，2.第三附屬醫院影像科，3.解剖學教研室，河南 新鄉 453003

前交叉韌帶損傷是常見的膝關節病變，可導致膝關節旋轉失衡、骨關節炎、軟骨退變等并發癥；由于患者損傷后早期出現關節腫痛等癥狀，給影像診斷造成一定干擾[1]。MRI是診斷前交叉韌帶損傷的主要影像方法，但根據MRI信號強度變化進行診斷存在較大的局限性，導致前交叉韌帶部分撕裂傷診斷的準確度、特異度降低，影響其早期診斷及治療[2]。彌散張量成像作為一種定量的影像診斷技術，通過參數各向異性分數（fractional anisotropy，FA）和表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC）可以定量診斷纖維結構的微觀變化，纖維示蹤成像可以直觀顯示纖維束的形態、走行及連接部位，國內外已有學者應用于除中樞神經系統以外的其他軟組織病變研究，比如應用MRI及彌散張量成像研究正常前交叉韌帶及前交叉韌帶損傷重建術等[3]。而前交叉韌帶損傷程度分級的彌散張量成像研究較少，尚未見到應用彌散張量成像的纖維示蹤成像技術評價前交叉韌帶損傷分級的報道[4,5]。本研究采用彌散張量成像技術，比較前交叉韌帶損傷處與正常組相應部位，以及不同損傷分級之間的FA、ADC，探尋其與損傷程度的相關性，闡明纖維示蹤成像對前交叉韌帶損傷分級的診斷價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 研究對象 選取2017年1月至2018年9月因單側膝關節不適于新鄉醫學院第三附屬醫院采用MRI及彌散張量成像掃描檢查正常者100例（100側），其中男、女性各50例，左側58例，右側42例。納入標準：年齡23～57歲，Lachman試驗（-）、抽屜試驗（-）、軸移試驗（-），無運動障礙等臨床表現。排除標準：膝關節畸形、外傷史、手術史、職業運動員和患有全身性疾病、惡性腫瘤等。另選取同期該院因單側膝關節前交叉韌帶撕裂傷住院患者100例（100側），其中男性43例，左側18例，右側25例；女性57例，左側25例，右側32例；年齡22～58歲，平均39.6歲。納入標準：（1）膝關節不穩；（2）Lachman試驗、抽屜試驗和軸移試驗均為（+）；（3）MRI及彌散張量成像檢查，前交叉韌帶的連續性中斷或形態異常；（4）對側膝關節及前交叉韌帶正常；（5）研究對象均知情同意。排除標準：（1）膝關節畸形和有外傷史、手術史、嚴重感染史；（2）職業運動員；（3）患有全身性疾病、惡性腫瘤等。

1.1.2 損傷分級 按照關節鏡檢查的“金標準”：Ⅰ級損傷：前交叉韌帶的形態、走行基本正常，周圍伴有充血、水腫；Ⅱ級損傷：前交叉韌帶的形態結構完整，韌帶略松弛，撕裂部分不超過1/2；Ⅲ級損傷：前交叉韌帶的形態結構不完整，韌帶松弛，張力低，撕裂部分超過1/2，有少量纖維相連；Ⅳ級損傷：前交叉韌帶的形態消失，走行平坦，韌帶完全斷裂或僅有包膜包裹，韌帶極度松弛，無張力[6]。本研究納入前交叉韌帶損傷患者分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，分別有16例、23例、36例、25例。

1.2 研究方法

1.2.1 設備及參數 使用Philips公司3.0 T MR掃描儀。MRI掃描參數：PDW-PAIR序列，TE：30 ms，TR：3100 ms，層厚3 mm，層間距0.3 mm，FOV：16 cm×16 cm，矩陣：160×160。彌散張量成像掃描參數：SE-EPI序列，在32個方向施加彌散梯度，彌散梯度因子b=400 s/mm2，TR：2470 ms，TE：79 ms，FOV：16 cm×16 cm，矩陣：128×128，層厚2 mm，層間距0。掃描時間為早晨起床后，避免運動原因造成韌帶內水分子的變化。

1.2.2 圖像處理及測量 將彌散張量成像數據輸入圖像后處理工作站，利用工作站軟件處理系統對圖像進行背景噪聲處理和矯正，生成FA偽彩圖和ADC圖。在前交叉韌帶損傷處設置感興趣區，利用該軟件測量感興趣區的FA和ADC。沿韌帶走行方向在前交叉韌帶損傷處及其上端、上中部、中部、下中部、下端設置感興趣區，根據感興趣區內自動搜索存在的纖維束，按照最短纖維長度=10 mm，最大角度=34°，最小FA=0.15，進行纖維束生成示蹤成像。為提高各感興趣區測量的FA、ADC和損傷程度分級的準確性，由2名醫師分別測量3次取其平均值，同時進行雙盲閱片，與關節鏡檢查進行對比分析前交叉韌帶損傷分級的診斷率。

1.3 統計學分析

應用SPSS 20.0統計學軟件進行數據分析，計量資料的前交叉韌帶損傷處與正常組相應部位的FA、ADC比較采用t檢驗，不同分級前交叉韌帶損傷之間的FA、ADC比較采用方差分析，彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像和MRI的特異度、靈敏度、準確度等比較采用χ2檢驗，不同分級前交叉韌帶損傷與FA、ADC的相關性采用Pearson相關分析法。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC

在FA偽彩圖上，正常組前交叉韌帶的顏色欠均勻，以藍色和綠色為主，其下段伴有少量紅色（圖1B）；前交叉韌帶損傷處的顏色混亂（圖2B）。在ADC圖像上，正常組前交叉韌帶的信號較其周圍的骨骼肌信號略低（圖1C）；前交叉韌帶損傷處的確切信號顯示不清（圖2C）。在纖維示蹤圖像上，正常前交叉韌帶的走行連續，纖維束規則，以淺綠色為主，同時伴有少量藍色，其上、下端有少量紅色（圖1D）；前交叉韌帶損傷處的纖維走行中斷，其斷端的纖維束增粗、形狀不規則（圖2D）。

前交叉韌帶損傷處和正常組相應部位的FA、ADC測量值見表1。經t檢驗分析，前交叉韌帶損傷處與正常組相應部位的FA和ADC差異均有統計學意義（P＜0.05），前交叉韌帶損傷處的FA低于正常組相應部位，ADC高于正常組相應部位。

圖1 前交叉韌帶的彌散張量成像（右側）A：橫斷層標本B：FA偽彩圖C：ADC圖D：纖維示蹤圖像白色箭頭示前交叉韌帶Fig.1 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligamentA:Transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the anterior cruciate ligament

表1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC測量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

表1 前交叉韌帶損傷處和正常組的FA、ADC測量值（±s，n1=100，n2=100）Tab.1 The FA values and ADC values of the anterior cruciate ligament injury and normal group(Mean±SD,n1=n2=100)

2.2 前交叉韌帶損傷不同分級的FA和ADC

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶損傷處的藍色不同程度減少，隨損傷程度不同，局部區域混雜有綠色和紅色，Ⅳ級損傷處的藍色和綠色消失；在ADC圖像上，前交叉韌帶損傷處的信號不同程度增強；在纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶損傷處的纖維呈不同程度中斷、走行紊亂，藍色纖維減少，混雜有不同比例的綠色和紅色纖維，Ⅳ級損傷處的藍色纖維消失（圖2B～D）。

前交叉韌帶損傷的FA和ADC測量值見表2。前交叉韌帶Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級損傷處的FA和ADC差異均有統計學意義（P＜0.05），FA隨損傷程度增高而逐漸降低，ADC則逐漸增高；組間比較Ⅰ級與Ⅱ級的FA和ADC值差異無統計學意義（P＞0.05），其他損傷分級之間的FA和ADC差異均有統計學意義（P＜0.05）。

2.3 前交叉韌帶損傷不同分級與FA、ADC的相關性

經Spearman相關性分析，前交叉韌帶損傷Ⅰ～Ⅳ級的FA逐漸降低，損傷程度與FA呈負相關（r=-0.873，P＜0.01）；ADC則逐漸增高，損傷程度與ADC呈正相關（r=0.831，P＜0.01）。

2.4 前交叉韌帶損傷的分級診斷效果

彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像、MRI對前交叉韌帶損傷分級診斷的靈敏度、特異度、準確度、陽性預測值、陰性預測值差異均有統計學意義（P＜0.05），FA和ADC高于MRI，纖維示蹤成像高于FA和ADC、MRI，見表3。

3 討論

3.1 前交叉韌帶損傷與正常組的彌散張量成像觀測

圖2 前交叉韌帶損傷（Ⅳ級）的彌散張量成像（右側）A：橫斷層標本（正常）B：F A偽彩圖C：ADC圖D：纖維示蹤圖像 白色箭頭示前交叉韌帶損傷處Fig.2 Diffusion tensor images of the right anterior cruciate ligament injury(IV grade)A:Normal transverse specimen；B:FA false color images；C:ADC images；D:Tractography images；The white arrow showed the position of anterior cruciate ligament injury

表2 前交叉韌帶損傷不同分級的FA和ADC測量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表2 前交叉韌帶損傷不同分級的FA和ADC測量值（±s，n1=16，n2=23，n3=36，n4=25）Tab.2 The FA values and ADC values in the different degrees of anterior cruciateligament injury(Mean±SD,n1=16,n2=23,n3=36,n4=25)

表3 FA和ADC、纖維示蹤成像及MRI對前交叉韌帶損傷分級的診斷效果（%，n1=n2=n3=100）Tab.3 Diagnostic effect in different degrees of anterior cruciate ligament injury by the FA values and ADC values,tractography imaging and MRI(%,n1=n2=n3=100)

前交叉韌帶損傷是臨床常見的膝關節病變，據調查我國足球、摔跤、柔道、武術等運動員的前交叉韌帶損傷率約為0.4%，普通人群約為0.3%[7]，而MRI對前交叉韌帶損傷的確診率完全撕裂傷為81%～89%，部分撕裂傷為56%～77%。造成前交叉韌帶損傷漏診或誤診的主要原因是韌帶外面包裹有滑膜，當韌帶完全撕裂后其滑膜可以保持完整性，MRI未能辨識韌帶的連續性斷裂；另外，當韌帶退變后出現嗜酸紅黏液變性或急性扭傷后發生水腫，可造成韌帶內的信號異常增強而出現假陽性[8]，醫師可能將完全撕裂傷誤診為部分撕裂傷，或將較嚴重的部分撕裂傷誤診為完全撕裂傷。彌散張量成像可以在分子水平定量評價前交叉韌帶的微觀結構變化，常用參數有FA和ADC，分別顯示微觀結構的不同變化特征，可以為臨床有效診治提供重要的參考依據。Hakan等[9]對人體肌肉及跟腱損傷進行研究，認為損傷組的FA低于正常組，ADC高于正常組。本研究將前交叉韌帶損傷處與正常組相應部位的FA、ADC進行比較，FA低于正常組相應部位，ADC高于正常組相應部位，差異有統計學意義。與肌肉及跟腱損傷的研究結果相一致。分析原因可能是由于前交叉韌帶撕裂后纖維走行的連續性中斷，其斷端的纖維出現紊亂，使韌帶內水分子彌散運動的各向異性減小，導致損傷處的FA降低；韌帶損傷后的水腫液及H+聚集，使水分子的彌散運動增強，導致損傷處的ADC增高。

3.2 前交叉韌帶損傷不同分級的彌散張量成像觀測及其相關性

前交叉韌帶損傷后缺乏自我修復能力，主要是因為韌帶損傷處的生長因子裸露于關節腔的滑液內，被滑液沖刷和稀釋；滑液中有溶解生長因子的膠原酶，同時也可以溶解斷端的纖維組織[10]。Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維是構成肌腱和韌帶的重要成分，是保持自身力學特性的物質基礎，Ⅰ型膠原纖維的生物力學特性明顯高于Ⅲ型膠原纖維，在前交叉韌帶內以Ⅰ型膠原纖維為主，構成前交叉韌帶內的縱形致密纖維。由于前交叉韌帶內大量Ⅰ型膠原纖維的定向排列，使各向異性相對較大，FA相對偏高；同時前交叉韌帶內夾雜有較多的疏松結締組織，使多肽形成的網架上結合的水分子增多，ADC相對偏低[11]。當前交叉韌帶發生不同程度損傷時，纖維束部分或完全撕裂，由于韌帶愈合困難，纖維排列紊亂，出現不同程度的相對同向異性，使FA不同程度降低；由于韌帶斷端的多肽網架受到不同程度的破壞，出現局部水腫，水腫液使水分子彌散運動不同程度增加，使ADC不同程度增高。Zeng等[12]采用彌散張量成像觀測不同程度損傷的肌肉組織，分析骨骼肌的水腫、輕度撕裂和完全撕裂組的FA和ADC變化，認為輕度撕裂和完全撕裂組較正常組的FA降低，ADC增高，FA與ADC之間呈負相關。本研究將前交叉韌帶損傷程度分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，損傷處FA和ADC差異有統計學意義，FA隨損傷程度增高而逐漸降低，與損傷程度呈負相關；ADC則逐漸增高，與損傷程度呈正相關，其中FA的相關性更強，是判斷前交叉韌帶損傷程度的一個重要參數。但是本研究在Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級損傷的組間比較中，Ⅰ級與Ⅱ級之間的FA差異無統計學意義，分析原因可能與前交叉韌帶的超微結構有關。前交叉韌帶由多根纖維束構成，其外面包裹有滑膜，而每根纖維束由3～20根亞纖維束構成，其外面包裹有結締組織，當發生Ⅰ級損傷時僅有少量纖維束及結締組織撕裂；Ⅱ級損傷時纖維束及結締組織撕裂不超過1/2，由于前交叉韌帶的纖維束數量較多，當僅有少部分纖維束損傷后，包裹在纖維束外面的結締組織瘢痕增生，或者在解剖空間上受到其周圍纖維束的干擾，導致了FA相對增高[13]。Ⅰ級與Ⅱ級之間的ADC差異也無統計學意義，可能是由于水分子的彌散運動受到多種因素影響，如纖維的撕裂方式、個體差異、周圍血液供應差異等，使Ⅰ級與Ⅱ級損傷的水分子彌散運動程度相近。

3.3 前交叉韌帶損傷的分級診斷效果評價

前交叉韌帶損傷的主要診斷方法是關節鏡和影像學檢查，目前關節鏡被認為診斷的“金標準”[6]，但是由于關節鏡具有創傷性，不易被患者接受[14]。在彌散張量成像的FA偽彩圖和ADC圖上，正常前交叉韌帶呈藍綠色，當前交叉韌帶損傷后其走行紊亂，各向異性降低，原本沿著Z軸（藍色）、Y軸（綠色）的纖維被沿其他方向（X軸，紅色）的撕裂纖維所替代；隨著韌帶損傷程度增加，FA偽彩圖的局部顏色逐漸丟失，ADC圖較正常信號強度逐漸增高，由黑色逐漸轉變成灰白色[15]。在纖維示蹤圖像上，正常前交叉韌帶的體部顯示良好，由于纖維主要沿Z軸、部分Y軸走行，以藍色為主，符合前交叉韌帶自內下前方斜向外上后方走行的解剖特點；當前交叉韌帶損傷后，由于韌帶撕裂而纖維示蹤圖像呈不連續性，走行雜亂，在藍綠色中混雜了其他顏色[16]。Delin等[17]選取ADC與MRI對前交叉韌帶的部分撕裂傷與完全撕裂傷診斷進行比較，認為ADC較MRI的特異度、靈敏度高，完全撕裂傷的特異度、靈敏度高于部分撕裂傷。本研究采用彌散張量成像的FA和ADC、纖維示蹤成像、MRI與關節鏡檢查的“金標準”相比較，FA和ADC對前交叉韌帶損傷的分級診斷靈敏度、特異度、準確度、陽性預測值、陰性預測值高于MRI信號強度，纖維示蹤圖像高于FA和ADC，說明纖維示蹤圖像能夠定量評價纖維的走行及連接，準確評價纖維的損傷程度，是目前診斷前交叉韌帶損傷程度的最佳手段。

綜上所述，彌散張量成像的FA和ADC可以準確反映前交叉韌帶損傷的程度，纖維示蹤成像可以提高前交叉韌帶損傷分級的準確率，為前交叉韌帶損傷提供了微觀結構變化的影像診斷依據。