前交叉韌帶彌散張量纖維示蹤成像觀測及臨床應(yīng)用

王長青，楊榮麗，付升旗

1.安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河南 安陽 455000；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003

前交叉韌帶損傷是常見的膝關(guān)節(jié)病變，可導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)失衡、骨關(guān)節(jié)炎、軟骨退變等并發(fā)癥，由于患者損傷早期出現(xiàn)關(guān)節(jié)腫痛等癥狀，給影像診斷造成一定困難[1]。MRI是目前診斷前交叉韌帶損傷的主要影像方法，但根據(jù)MRI信號(hào)強(qiáng)度變化進(jìn)行診斷存在很大的局限性，導(dǎo)致前交叉韌帶部分撕裂傷診斷的準(zhǔn)確度、特異度較低，嚴(yán)重影響前交叉韌帶損傷的早期診斷及治療[2]。彌散張量成像作為一種定量診斷的影像技術(shù)，主要應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的診斷，隨著彌散張量成像技術(shù)的普及，國內(nèi)外已陸續(xù)有報(bào)道應(yīng)用于除中樞神經(jīng)系統(tǒng)以外的其他軟組織病變中，譬如應(yīng)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(shù)等[3]，而前交叉韌帶損傷的彌散張量成像研究較少，尤其是應(yīng)用彌散張量纖維示蹤成像技術(shù)研究前交叉韌帶及其損傷的研究更少[4，5]。本研究利用彌散張量纖維示蹤成像測量前交叉韌帶不同部位及損傷處的各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）和表觀彌散系數(shù)（apparent diffusion coefficient，ADC），觀察前交叉韌帶及其損傷處的三維纖維示蹤圖像，為前交叉韌帶損傷提供定量診斷數(shù)據(jù)，幫助臨床醫(yī)師做出更好的治療決策。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取2017年1月至2018年9月期間，因單側(cè)膝關(guān)節(jié)不適到新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院影像科就診采用MRI及彌散張量成像掃描檢查正常者為正常組。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡23～57歲，Lachman試驗(yàn)（-）、抽屜試驗(yàn)（-）、軸移試驗(yàn)（-），無運(yùn)動(dòng)障礙等臨床表現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：膝關(guān)節(jié)畸形、外傷史、手術(shù)史、職業(yè)運(yùn)動(dòng)員和患有全身性疾病、惡性腫瘤等。共納入100例（100側(cè)），其中男、女性各50例，左側(cè)58例，右側(cè)42例。

選取2017年1月至2018年9月期間，因急性單側(cè)膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷在新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科住院的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)；（2）Lachman試驗(yàn)（+）、抽屜試驗(yàn)（+）、軸移試驗(yàn)（+）；（3）住院前進(jìn)行MRI及彌散張量成像檢查，前交叉韌帶的連續(xù)性中斷或形態(tài)異常；（4）住院1周進(jìn)行MRI及彌散張量成像復(fù)查者。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）膝關(guān)節(jié)畸形和有外傷史、手術(shù)史、嚴(yán)重感染史；（2）職業(yè)運(yùn)動(dòng)員；（3）患有全身性疾病、惡性腫瘤等。共納入100例（100側(cè)），其中男性43例，左側(cè)18例，右側(cè)25例；女性57例，左側(cè)25例，右側(cè)32例；年齡22～58歲，平均39.6歲。

按照前交叉韌帶損傷的關(guān)節(jié)鏡檢查“金標(biāo)準(zhǔn)”[6]，Ⅰ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)、走行基本正常，周圍伴有充血、水腫；Ⅱ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，韌帶略松弛，撕裂部分不超過1/2；Ⅲ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)結(jié)構(gòu)不完整，韌帶松弛，張力低，撕裂部分超過1/2，仍有少量纖維相連；Ⅳ級(jí)損傷：前交叉韌帶的形態(tài)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。將前交叉韌帶損傷分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)，分別有16例、23例、36例、25例。

本研究獲得新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并取得檢查者知情同意。

1.2 研究方法

使用Philips公司3.0T MR掃描儀。MRI掃描參數(shù)：PDW-PAIR序列，TE：30 ms，TR：3100 ms，層厚3 mm，層間距0.3 mm，F(xiàn)OV：16 cm×16 cm，矩陣：160×160。彌散張量成像掃描參數(shù)：SE-EPI序列，在32個(gè)方向施加彌散梯度，彌散梯度因子b=400 s/mm2，TR：2470 ms，TE：79 ms，F(xiàn)OV：16 cm×16 cm，矩陣：128×128，層厚2 mm，層間距0。掃描姿勢為膝關(guān)節(jié)伸直位；掃描時(shí)間為早晨起床后，避免運(yùn)動(dòng)原因造成韌帶內(nèi)水分的變化。

將檢查正常者和急性損傷1周的彌散張量成像數(shù)據(jù)輸入圖像后處理工作站，利用工作站內(nèi)的軟件處理系統(tǒng)，對圖像進(jìn)行背景噪聲處理和矯正，沿韌帶走行方向在前交叉韌帶上端、上中部、中部、下中部、下端及其損傷處設(shè)置感興趣區(qū)，根據(jù)關(guān)注區(qū)內(nèi)自動(dòng)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(jìn)行纖維束示蹤成像，綠色為纖維束呈前后走行，藍(lán)色為纖維束呈上下走行，紅色為纖維束呈左右走行。測量關(guān)注區(qū)的FA和ADC，為保證各關(guān)注區(qū)測量的FA、ADC和損傷程度分級(jí)的準(zhǔn)確性，由2名醫(yī)師雙盲對照閱片，測量3次取其平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，前交叉韌帶不同部位和不同程度損傷分級(jí)的FA值、ADC值比較采用方差分析，前交叉韌帶不同部位與FA、ADC的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析法。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 前交叉韌帶不同部位的FA和ADC觀測

在彌散張量纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶的走行連續(xù)，纖維束規(guī)則；以淺綠色為主，同時(shí)伴有少量藍(lán)色，其上、下端有少量紅色（圖1）。

圖1 前交叉韌帶的彌散張量纖維示蹤圖像（白色箭頭示前交叉韌帶）A：橫斷圖像 B：狀圖像 C：狀圖像Fig.1 Diffusion tensor tractography images of the anterior cruciate ligament.The white arrow showed the anterior cruciate ligamentA:Transverse images;B:Coronal images;C:Sagittal images

前交叉韌帶不同部位的FA和ADC測量值見表1。前交叉韌帶上端、上中部、中部、下中部、下端的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），組間比較，上端與上中部的FA值和ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），其他部位之間的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

經(jīng)Spearman相關(guān)性分析，前交叉韌帶自上而下的上端、上中部、中部、下中部、下端的FA值逐漸降低，與FA呈負(fù)相關(guān)（r=-0.319，P<0.05）；ADC值則逐漸增高，與ADC呈正相關(guān)（r=0.593，P<0.05）。

2.2 前交叉韌帶損傷的FA和ADC觀測

在彌散張量纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶損傷處的纖維呈不同程度中斷、走行紊亂；藍(lán)色纖維減少，混雜有不同比例的綠色和紅色纖維，Ⅳ級(jí)損傷處的藍(lán)色纖維消失（圖2）。

圖2 前交叉韌帶損傷（Ⅳ級(jí)）的彌散張量纖維示蹤圖像（白色箭頭示前交叉韌帶損傷處）A：橫斷圖像 B：狀圖像 C：狀圖像Fig.2 Diffusion tensor tractography images of the anterior cruciate ligament injury(Ⅳgrade).The white arrow showed the anterior cruciate ligament injuryA:Transverse images;B:Coronal images;C:Sagittal images

前交叉韌帶損傷的FA和ADC測量值見表2～3。前交叉韌帶Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損傷處的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），與正常組相應(yīng)部位的FA值和ADC值（見表1）差異也均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），F(xiàn)A隨損傷程度增高而逐漸降低，ADC則逐漸增高；組間比較，Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)的FA值和ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），其他損傷分級(jí)之間的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。在前交叉韌帶相同損傷程度的不同部位之間，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），Ⅳ級(jí)的FA值和ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表1 前交叉韌帶不同部位的FA和ADC測量值（，n=100）Tab.1 The FA values and ADC values measurement in the different position of anterior cruciate ligament(Mean±SD,n=100)

表1 前交叉韌帶不同部位的FA和ADC測量值（，n=100）Tab.1 The FA values and ADC values measurement in the different position of anterior cruciate ligament(Mean±SD,n=100)

表2 前交叉韌帶損傷不同程度分級(jí)的FA測量（）Tab.2 The FA values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD)

表2 前交叉韌帶損傷不同程度分級(jí)的FA測量（）Tab.2 The FA values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD)

3 討論

3.1 前交叉韌帶不同部位彌散張量纖維示蹤成像的FA和ADC測量

前交叉韌帶起自脛骨髁間隆起的前方，其附著點(diǎn)呈扇形展開，附著于一個(gè)前寬后窄的卵圓形區(qū)域；前交叉韌帶斜行向外上后方，在髁間窩的中段變窄小，可以有效避免或減少與膝關(guān)節(jié)內(nèi)其他結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊、摩擦；其纖維分散止于股骨外側(cè)髁的內(nèi)面，附著處的面積增大，牢固地連接于股骨。前交叉韌帶在脛骨附著處的長軸沿脛骨平臺(tái)前后排列，在股骨附著處的長軸與股骨長軸的上下方向一致，因此前交叉韌帶在走行中以自身中軸為中心向外側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，致使前交叉韌帶走行于后交叉韌帶的前外側(cè)[7,8]。Girgis等[9]根據(jù)前交叉韌帶附著點(diǎn)的纖維分布和膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)過程中前交叉韌帶緊張程度的差異，將前交叉韌帶分為前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束，前內(nèi)側(cè)束主要限制脛骨向前方移動(dòng)，后外側(cè)束主要是在膝關(guān)節(jié)伸直狀態(tài)下起穩(wěn)定作用，尤其是膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

表3 前交叉韌帶損傷不同程度分級(jí)的ADC測量（，×10-3 mm2/s）Tab.3 The ADC values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD,×10-3mm2/s)

表3 前交叉韌帶損傷不同程度分級(jí)的ADC測量（，×10-3 mm2/s）Tab.3 The ADC values measurement in the different degrees of anterior cruciate ligament injury(Mean±SD,×10-3mm2/s)

彌散張量成像利用人體組織中水分子各向異性的彌散運(yùn)動(dòng)，用于觀測組織結(jié)構(gòu)的微觀變化，此影像技術(shù)已經(jīng)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的白質(zhì)成像中得到應(yīng)用和推廣。采用彌散張量成像技術(shù)研究前交叉韌帶的報(bào)道較少，除與影響圖像質(zhì)量和測量準(zhǔn)確性的設(shè)備參數(shù)如b值、圖像采集層厚及場強(qiáng)、彌散梯度采集方向等有關(guān)外，還與前交叉韌帶自身含有的H+較少有關(guān)[10]。前交叉韌帶纖維夾雜有部分疏松結(jié)締組織，可使前交叉韌帶整體的含H+量明顯增多，因此臨床施行前交叉韌帶的彌散張量成像成為可能。2013年Delin等[11]首次報(bào)道前交叉韌帶彌散加權(quán)成像的ADC圖，認(rèn)為MRI和彌散加權(quán)成像結(jié)合可以提高前交叉韌帶部分撕裂傷與完全撕裂傷的診斷率，但是并沒有評(píng)價(jià)纖維走行及連接和定量研究。陳立勛等[4]研究了正常前交叉韌帶的FA值和ADC值，認(rèn)為前交叉韌帶不同部位的FA值和ADC值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。但是，本研究將前交叉韌帶分為上端、上中部、中部、下中部、下端5段，上端與上中部的FA值和ADC值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他不同部位之間的FA值和ADC值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)A隨前交叉韌帶自上向下逐漸降低，與部位呈負(fù)相關(guān)；ADC則逐漸增高，與部位呈正相關(guān)。分析本研究前交叉韌帶不同部位的FA和ADC的差異性和變化規(guī)律，可能是前交叉韌帶纖維束自上而下的整體走行方向不一致，上段的纖維束走行方向基本一致，且含有的疏松結(jié)締組織較少，分布較均勻，F(xiàn)A值和ADC值雖存在差異但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；下段的纖維束走行方向不一致，可能與前交叉韌帶在脛骨附著處扇形展開呈前后排列有關(guān)，疏松結(jié)締組織含量相對增多，且越向下部的含量越多，使FA值和ADC值出現(xiàn)明顯差異且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，為前交叉韌帶不同部位的損傷診斷提供了基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。分析本研究與陳立勛等[4]的研究結(jié)果，在前交叉韌帶自上而下均勻分為5段的相同分區(qū)分段情況下，上端與上中部FA值、ADC值的差異，可能與掃描成像時(shí)膝關(guān)節(jié)的角度有關(guān)，陳立勛等[4]掃描體位采用屈膝17°～23°，外旋10°，前交叉韌帶處于最大應(yīng)力狀態(tài)，前交叉韌帶的前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束纖維分別朝向不同方向緊張，其間的疏松結(jié)締組織也不同程度增加，使各部位的FA值和ADC值有明顯差異且有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而本研究采用膝關(guān)節(jié)伸直位，方便擺放掃描體位，可以很好地與前交叉韌帶損傷側(cè)進(jìn)行對比，但是由于前交叉韌帶上段纖維之間的疏松結(jié)締組織較少，使上端與上中部的FA值、ADC值無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[12]。

3.2 前交叉韌帶不同部位彌散張量纖維示蹤成像的圖像觀察

彌散張量纖維示蹤成像是通過像素的本證向量來尋找鄰近體素的本證向量，使相鄰2個(gè)體素方向類似的本證向量連接起來顯示纖維的方向，依次連接多個(gè)相鄰體素生成纖維束并以三維形式顯示，可以更直觀地顯示纖維的形態(tài)、走行及連接部位，更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)組織結(jié)構(gòu)的損傷程度及范圍[13]。楊獻(xiàn)峰等[14]采用中上1/3、中部、中下1/3的3個(gè)感興趣區(qū)相互連接，形成前交叉韌帶的彌散張量纖維示蹤圖像，但對前交叉韌帶的分束情況顯示不清楚。本研究選取上端、上中部、中部、下中部、下端5個(gè)感興趣區(qū)，采用彌散張量纖維示蹤成像技術(shù)相互連接，重建前交叉韌帶自股骨外側(cè)髁斜行向內(nèi)下前方至脛骨髁間隆起前方的空間形態(tài)，與前交叉韌帶在脛骨附著點(diǎn)處呈扇形展開的解剖結(jié)構(gòu)相符合；彌散張量纖維示蹤成像顯示的前交叉韌帶體部纖維特別清晰，韌帶體部的不同顏色代表纖維的走行方向，符合前交叉韌帶內(nèi)部呈波浪狀的纖維走行特點(diǎn)，同時(shí)可以較好顯示前交叉韌帶分出的前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束，測量韌帶的FA和ADC值，為前交叉韌帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)，尤其是前交叉韌帶損傷的不同程度分級(jí)提供了有效方法。

3.3 前交叉韌帶不同程度損傷的彌散張量纖維示蹤成像觀測

前交叉韌帶損傷后缺乏自我修復(fù)能力，主要是因?yàn)轫g帶損傷處的生長因子裸露于關(guān)節(jié)腔的滑液內(nèi)，被滑液沖刷和稀釋；滑液中有溶解生長因子的膠原酶，同時(shí)也可以溶解斷端的纖維組織[15]。Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維是構(gòu)成肌腱和韌帶的重要成分，是保持自身力學(xué)特性的物質(zhì)基礎(chǔ)，Ⅰ型膠原纖維的生物力學(xué)特性明顯高于Ⅲ型膠原纖維，在前交叉韌帶內(nèi)以Ⅰ型膠原纖維為主，構(gòu)成前交叉韌帶內(nèi)的縱行致密纖維。由于前交叉韌帶內(nèi)大量Ⅰ型膠原纖維的定向排列，使各向異性相對較大，F(xiàn)A相對偏高；同時(shí)前交叉韌帶內(nèi)夾雜有較多的疏松結(jié)締組織，使多肽形成的網(wǎng)架上結(jié)合的水分子增多，ADC相對偏低[16]。當(dāng)前交叉韌帶發(fā)生不同程度損傷時(shí)，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(xiàn)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(wǎng)架受到不同程度的破壞，出現(xiàn)局部水腫，水腫液使水分子彌散運(yùn)動(dòng)不同程度增加，使ADC不同程度增高。Zeng等[17]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(rèn)為輕度撕裂和完全撕裂組較正常組的FA值降低，ADC值增高，F(xiàn)A值與ADC值之間呈負(fù)相關(guān)。而本研究采用彌散張量纖維示蹤成像技術(shù)，將前交叉韌帶損傷按照不同程度分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)，損傷處的FA值和ADC值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)A值隨損傷程度增高而逐漸降低，ADC值則逐漸增高，其中FA值的相關(guān)性最強(qiáng)，是判斷前交叉韌帶損傷程度的一個(gè)重要參數(shù)。但是，本研究在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)損傷程度分級(jí)的組間比較中，Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)之間的FA值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分析原因可能與前交叉韌帶的超微結(jié)構(gòu)有關(guān)。前交叉韌帶由多根纖維束構(gòu)成，其外面包裹有滑膜，而每根纖維束由3～20根亞纖維束構(gòu)成，其外面包裹有結(jié)締組織，當(dāng)發(fā)生Ⅰ級(jí)損傷時(shí)僅有少量纖維束及結(jié)締組織撕裂；Ⅱ級(jí)損傷時(shí)纖維束及結(jié)締組織撕裂不超過1/2，由于前交叉韌帶的纖維束數(shù)量較多，當(dāng)僅有少部分纖維束損傷后，包裹在纖維束外面的結(jié)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(dǎo)致了FA值相對增高[18]。Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)之間的ADC值差異也無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可能是由于水分子的彌散運(yùn)動(dòng)受到多種因素影響，如纖維的撕裂方式、個(gè)體差異、周圍血液供應(yīng)差異等，使Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)損傷程度的水分子彌散運(yùn)動(dòng)程度相近。

綜上所述，彌散張量纖維示蹤成像不僅可以觀測前交叉韌帶及其損傷的三維形態(tài)，而且可以測量前交叉韌帶不同部位及損傷處的FA值和ADC值，為前交叉韌帶及其損傷提供微觀結(jié)構(gòu)變化的客觀影像資料。