前交叉韌帶損傷重建術后及隨訪的彌散張量成像觀測

王長青， 楊榮麗， 付升旗

1.安陽職業技術學院人體解剖學教研室，河南 安陽 455000； 2.新鄉醫學院人體解剖學教研室，河南 新鄉 453003

前交叉韌帶損傷是膝關節常見病變，可以導致膝 關節旋轉失衡、骨關節炎、軟骨退變等并發癥。在關節鏡下重建韌帶有助于恢復膝關節的穩定性及生物力學特性，已成為治療前交叉韌帶損傷的主要手段[1]。對重建移植物的觀測是評價手術效果及預后評估的重要內容，MRI可以較好顯示移植物的二維形態及內部結構，是評價前交叉韌帶重建術后移植物的有效方法，但是根據MRI信號強度變化進行診斷存在很大的局限性，導致診斷的準確度、特異度較低[2]。彌散張量成像作為一種定量診斷的影像技術，國內外已陸續有報道應用于中樞神經系統或其他軟組織病變中，以及應用MRI及彌散張量成像研究前交叉韌帶及其損傷的報道[3]，而前交叉韌帶損傷重建術后的彌散張量成像研究較少，尚未見到前交叉韌帶損傷重建術后的彌散張量成像隨訪觀測[4,5]。本研究采用彌散張量成像技術，對前交叉韌帶移植物重建術后不同時期的各向異性分數（fractional anisotropy，FA）和表觀彌散系數（apparent diffusion coefficient，ADC），及其與手術前、正常組進行比較，探討重建術后不同時期移植物的重塑過程及其與正常組的差異，為臨床醫師提供預后評估的量化依據。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2017年1月至2018年9月期間，因單側膝關節不適到新鄉醫學院附屬醫院影像科就診采用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。共納入100例（100側），其中男、女性各50例，左側58例，右側42例。

選取2017年1月至2018年9月期間，因急性單側膝關節前交叉韌帶撕裂傷在新鄉醫學院附屬醫院骨科住院的患者為研究組。納入標準：（1）膝關節不穩；（2）Lachman試驗（+）、抽屜試驗（+）、軸移試驗（+）；（3）住院前進行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。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。共納入61例（61側），其中男性23例，左側10例，右側13例；女性38例，左側16例，右側22例；年齡22～58歲，平均39.6歲。按照關節鏡檢查的“金標準”[6]，前交叉韌帶損傷分為Ⅲ級36例、Ⅳ級25例，采取單束自體肌腱重建術，術后1周、3個月對患者進行彌散張量成像檢查，觀察手術效果；術后6個月、1年隨訪檢查，其中有7例患者因特殊原因被從隨訪組中剔除。

本研究獲得新鄉醫學院倫理委員會批準，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：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和移植物內水分的變化。

將彌散張量成像數據輸入圖像后處理工作站，利用工作站內的軟件處理系統，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、重建處設置感興趣區，利用圖像后處理工作站的軟件系統，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、重建處及其上端、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。為保證各感興趣區測量的FA、ADC準確性，由2名醫師測量3次取其平均值。

測量前交叉韌帶損傷處及正常組相應部位和重建術后1周、3個月、6個月、1年的FA和ADC，觀察彌散張量纖維示蹤圖像的變化。

1.3 統計學分析

應用SPSS 20.0統計學軟件進行數據分析，前交叉韌帶Ⅲ級與Ⅳ級損傷重建處的FA值、ADC值比較采用t檢驗，前交叉韌帶損傷重建術后隨訪等的FA、ADC比較采用方差分析。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1前交叉韌帶損傷重建手術前后FA和ADC測量

前交叉韌帶損傷重建術前、后的FA和ADC測量值見表1～2。前交叉韌帶損傷Ⅲ級與Ⅳ級重建術前的FA值和ADC值差異有統計學意義（P<0.05）；前交叉韌帶損傷Ⅲ級與Ⅳ級重建術后1周、3個月的FA值和ADC值差異均無統計學意義（P>0.05），合并處理得出前交叉韌帶損傷重建術后1周、3個月的FA值和ADC值 分 別 為（0.541±0.056）、（0.542±0.058）和（2.263±0.224）×10-3mm2/s、（2.028±0.341）×10-3mm2/s。前交叉韌帶損傷Ⅲ級、Ⅳ級及其合并值的手術前與手術后1周、3個月的FA值和ADC值，其中組間比較前交叉韌帶損傷手術后1周與3個月的FA值差異無統計學意義（P>0.05），其他組間的FA值、ADC值差異均有統計學意義（P<0.05）。

表1 前交叉韌帶損傷重建手術前后FA測量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

表1 前交叉韌帶損傷重建手術前后FA測量（±s,n=61）Tab.1 The FA values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,n=61)

項目ItemⅢ級ⅢgradeⅣ級Ⅳgrade合計Total F P術前Beforeoperation 0.412±0.044 0.378±0.041 0.395±0.047 1.279 0.041術后1周1 week after surgery 0.543±0.047 0.540±0.042 0.541±0.056 0.803 0.570術后3個月3 monthsafter surgery 0.545±0.046 0.541±0.057 0.542±0.058 0.591 0.886 1.350 1.279 1.452 0.036 0.040 0.029 tP

2.2 前交叉韌帶損傷重建術后隨訪FA和ADC觀測

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶重建術后主要呈藍綠色，顏色分布較均勻，手術后6個月與1年的顏色相似。在ADC圖像上，前交叉韌帶重建術后顯示為灰白色的較高信號影，手術后6個月與1年的信號強度基本相同。在纖維示蹤圖像上，前交叉韌帶重建術后的纖維走行完整、連續，以藍色纖維為主，自前內下方斜向后外上方，手術后6個月與1年的纖維顏色及走行相同，見圖1。

圖1 前交叉韌帶損傷重建術后6個月隨訪的彌散張量成像圖像（白色箭頭示前交叉韌帶損傷重建處）A：FA偽彩圖B：ADC圖C：纖維示蹤圖像Fig.1 Diffusion tensor images in follow-up after operation of anterior cruciate ligament reconstruction(six months).The white arrow showed the reconstruction position of anterior cruciate ligament injury A:FA falsecolor image;B:ADCimage;C:Tractography image

表2 前交叉韌帶損傷重建手術前后ADC測量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

表2 前交叉韌帶損傷重建手術前后ADC測量（±s，×10-3 mm2/s,n=61）Tab.2 The ADC values measurement preoperative and postoperative of the anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD,×10-3 mm2/s,n=61)

項目ItemⅢ級ⅢgradeⅣ級Ⅳgrade合計Total F P術前Beforeoperation 2.740±0.253 2.844±0.327 2.791±0.336 1.457 0.046術后1周1 week after surgery 2.262±0.210 2.265±0.223 2.263±0.224 0.636 0.441術后3個月3 monthsafter surgery 2.027±0.230 2.031±0.356 2.028±0.341 0.490 0.716 1.181 1.397 1.511 0.045 0.032 0.029 tP

前交叉韌帶損傷重建術后隨訪FA和ADC測量值見表3。前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月、6個月、1年與正常組的FA值和ADC值，其中組間比較前交叉韌帶損傷重建術后隨訪6個月與正常組前交叉韌帶的FA值和術后隨訪1年與正常組的ADC值差異均無統計學意義（P>0.05），其他組間的FA值、ADC值差異均有統計學意義（P<0.05）。

表3 前交叉韌帶損傷重建術后隨訪FA和ADC測量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

表3 前交叉韌帶損傷重建術后隨訪FA和ADC測量（±s）Tab.3 The FA values and ADC values measurement in postoperative follow-up of anterior cruciate ligament reconstruction(Mean±SD)

項目Item FA ADC(×10-3 mm2/s)術后3個月(n=61)3 months after surgery 0.542±0.058 2.028±0.341術后6個月(n=54)6 months after surgery 0.595±0.056 1.699±0.175術后1年(n=54)1 yearsafter surgery 0.684±0.059 1.375±0.151正常組(n=100)Normal group 0.577±0.064 1.324±0.160 F P 0.563 1.380 0.043 0.042

3 討論

3.1 前交叉韌帶損傷重建手術前后彌散張量成像觀測

前交叉韌帶撕裂傷后進行異體肌腱或韌帶和自體肌腱移植是重建術常用的移植物，國內外采用的重建材料主要是半腱肌肌腱或股薄肌肌腱[7]。在前交叉韌帶損傷重建術后，無論采用的是異體肌腱或韌帶還是自體肌腱，移植物在重建過程中要經歷4個階段的病理變化過程：即移植物組織結構的缺血壞死期→血管化期→細胞增值期→改建成熟期，最終被膠原纖維和成纖維細胞形成的韌帶樣結構所取代，完成移植物的“韌帶化”過程[8]。

肌腱和韌帶都主要是由Ⅰ型膠原纖維構成，兩者屬于同態非同源結構。肌腱是通過肌肉將力量傳遞到骨，受力方向一致，肌腱的纖維方向也趨向一致；而韌帶需要限制向多個方向的過度移位，纖維呈多方向排列，一部分前交叉韌帶纖維縱向走行，另一部分呈螺旋狀排列，主要是由于膝關節在屈曲伴脛骨內旋運動時，內旋時韌帶處于緊張狀態，伸直位時韌帶逐漸恢復松弛，使得螺旋狀排列的纖維束在膝關節運動中尤為重要[9～10]。本研究前交叉韌帶損傷Ⅲ級與Ⅳ級重建術前的FA值、ADC值差異有統計學意義，可能與前交叉韌帶的損傷程度及其間的疏松結締組織含量有關，Ⅲ級損傷的韌帶撕裂部分超過1/2，僅有少量纖維相連，松弛、張力低；而Ⅳ級損傷的韌帶完全斷裂或僅有包膜包裹，極度松弛、無張力，其間的疏松結締組織含量較Ⅲ級損傷明顯增多。本研究前交叉韌帶Ⅲ級、Ⅳ級損傷重建術后1周、3個月的FA值與手術前比較逐漸增高，ADC值則逐漸降低，差異有統計學意義，手術前、后FA值和ADC值出現明顯差異可能與所觀測的材料性質有關，手術前是損傷的韌帶及其間的疏松結締組織，手術后是自身肌腱，且手術后移植物的纖維方向趨向一致，移植物內水分子的彌散運動強度逐漸降低。本研究前交叉韌帶損傷重建術后1周與3個月的FA值差異無統計學意義，可能與重建術后移植物的肌腱纖維尚處于缺血壞死期的不穩定修復狀態有關。

3.2 前交叉韌帶損傷重建術后隨訪彌散張量成像觀測

在前交叉韌帶損傷重建術后的恢復期中，由于缺血和纖維化可出現MRI信號強度異常，如果移植物的纖維結構沒有崩塌，隨著移植物的血液供應建立，新生的膠原纖維可以在移植物框架上重新生成一條韌帶，完成韌帶替換過程。重建術后的移植物以Ⅰ型膠原纖維為主，Ⅲ型膠原纖維逐漸長入新生組織中，至4個月時，Ⅲ型膠原纖維在移植物中呈彌散性分布[11]。王永健等[12]研究認為前交叉韌帶重建術后2個月的細胞豐富而膠原纖維排列無序，4個月的細胞數量減少而膠原纖維排列較規則，6個月的移植物形態與正常前交叉韌帶相似，9個月進一步成熟，1年則更加接近正常的前交叉韌帶。本研究前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月的移植物FA值低于正常組，差異有統計學意義，可能是這個時期移植物肌腱的膠原纖維縱行排列相對紊亂所導致；重建術后隨訪6個月的移植物FA值高于正常組，但差異無統計學意義，可能是這個時期移植物肌腱的膠原纖維縱行排列相對變得規律，接近于正常組前交叉韌帶的纖維關系，再加上移植物肌腱的受力特點，使移植物肌腱纖維的各向異性稍高于正常組；重建術后隨訪1年的移植物FA值高于正常組，差異有統計學意義，可能是這個時期移植物肌腱的膠原纖維已經基本完成重構，較正常組前交叉韌帶的纖維排列變得更加規律有序所導致[13]。前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月、6個月的ADC值高于正常組，差異有統計學意義，可能與移植物肌腱纖維正處于缺血壞死期→血管化期的不同重塑時期有關；重建術后隨訪1年的ADC值高于正常組，但差異無統計學意義，可能與移植物肌腱正處于細胞增值期→改建成熟期有關，基本完成“韌帶化”重塑過程，移植物肌腱內的水分子彌散運動強度已經接近于正常組前交叉韌帶有關[14]。

在FA偽彩圖上，前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月、6個月、1年的移植物肌腱纖維以藍色為主的顏色逐漸均勻，說明重建術后肌腱纖維沿Z軸方向的排列逐漸規律；在ADC圖像上，前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月、6個月、1年的移植物肌腱纖維信號強度逐漸降低，說明移植物肌腱纖維內的水分子彌散運動強度在逐漸降低，符合重建術后移植物逐漸“韌帶化”的生長規律[15]。在纖維示蹤圖像上，可以直觀顯示重建術后移植物的形態，前交叉韌帶損傷重建術后隨訪3個月、6個月、1年的移植物肌腱纖維與正常前交叉韌帶在形態、走行、顏色上都基本相似，說明重建術后移植物的宏觀形態沒有發生明顯變化。

綜上所述，彌散張量成像的FA值和ADC值在隨訪評價前交叉韌帶損傷重建術后移植物恢復情況中具有重要的診斷價值，纖維示蹤成像可以作為隨訪評估輔助檢查的影像技術。