活體前交叉韌帶MRI功能解剖學(xué)研究

陳 新，潘晶晶

（中國人民解放軍第二炮兵總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，北京 100088）

解剖學(xué)[1-2]和影像學(xué)[3-6]研究表明，膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（Anterior cruciate ligament，ACL）主要分為前內(nèi)側(cè)束 （Anteromedial bundle，AMB） 和后外側(cè)束（Posterolateral bundle，PLB）。 離體膝關(guān)節(jié) ACL 功能解剖研究[7-9]表明，ACL的AMB和PLB 2束在膝關(guān)節(jié)不同屈伸狀態(tài)下，其長度、張力、形態(tài)變化存在較大差異，功能作用不同。本文應(yīng)用三維MRI掃描序列，對正常自愿者膝關(guān)節(jié)行不同屈伸狀態(tài)下掃描，探討生理狀態(tài)下ACL 2束的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，結(jié)合文獻(xiàn)，研究AMB和PLB在膝關(guān)節(jié)運動中的作用和形態(tài)學(xué)特征。

1 材料與方法

自愿者30例。男12例，女18例；年齡16～31歲，平均23歲；從事非體育專業(yè)；無膝關(guān)節(jié)外傷史及相關(guān)臨床癥狀。均知情并同意行MRI檢查。其中10例行雙側(cè)膝關(guān)節(jié)檢查，共完成膝關(guān)節(jié)MRI檢查40個。

檢查方法：Siemens Sonata 1.5T超導(dǎo)磁共振儀。膝關(guān)節(jié)表面柔性線圈。使用多回波數(shù)據(jù)組合（Multiple-echo data image combination sequence，MEDIC）三維梯度回波序列掃描，T2WI對比。TR 24～39ms，TE 20～24ms，反轉(zhuǎn)角 8°～12°，組合回波數(shù)（Combined echoes）3， 視 野 （FOV）120mm ×160mm～135mm ×180mm，矩陣256×512，層厚0.75mm。冠狀位或矢狀位掃描，范圍覆蓋整個膝關(guān)節(jié)。30例中20例掃描單側(cè)膝關(guān)節(jié)，10例掃描雙側(cè)膝關(guān)節(jié)。每個膝關(guān)節(jié)行4種體位掃描， 膝伸直位 （0°） 和屈膝位 （30°、60°、90°）。先掃矢狀定位像，測量屈膝角度，誤差控制在±（2～3）°。

重建方法：由2名放射學(xué)醫(yī)師（主任醫(yī)師1名，住院醫(yī)師1名）共同分析MRI圖像。將采集的連續(xù)薄層圖像數(shù)據(jù)行多平面重建（MPR）。以ACL為觀察對象確定觀測層面[3]。斜冠狀位：在能夠最大程度顯示ACL的矢狀位圖像上平行ACL中間纖維束走行方向重建；斜矢狀位：在能夠顯示ACL 2束的斜冠狀位圖像上分別平行AMB和PLB中心纖維束[8]重建。

ACL的觀察與測量方法：①長度測量：在斜矢狀位重建圖像上分別測量AMB和PLB股骨至脛骨附著端前緣的直線距離。②上傾角：在斜矢狀位圖像上分別測量AMB和PLB與脛骨平臺間夾角。③張力變化：在斜矢狀位圖像上分別觀察AMB和PLB的張力情況，高張力（Ⅲ°）：纖維束呈拉直狀，與2附著點連線平行或重合；低張力（Ⅱ°）：纖維束呈弧線狀，呈偏離2附著點連線；迂曲型（Ⅰ°）：纖維束呈“S”狀走行。④構(gòu)型：在斜冠狀位觀察AMB和PLB相互間的結(jié)構(gòu)變化。

2 結(jié)果

ACL的AMB和PLB長度隨屈膝度不同而發(fā)生變化。屈膝30°時，AMB長度較伸直位略縮短；屈膝60°和 90°時，AMB 長度逐漸增加；屈膝 90°時，長度值最大。PLB長度于伸直位時最大，隨屈膝度增加逐漸減?。ū?1）。

表1 膝關(guān)節(jié)不同屈膝度時ACL長度（mm，x±s）

上傾角：AMB上傾角在不同屈膝度時均小于PLB，隨著屈膝角度增大，AMB和PLB上傾角逐漸減?。ū?2）。

表2 不同屈膝度時ACL上傾角（°，x±s）

根據(jù)斜冠狀位表現(xiàn)，ACL主要表現(xiàn)為2種類型：平行結(jié)構(gòu)型，22個。ACL 2束在伸直位時呈“人”字型[3]，隨著屈膝度增加，AMB和PLB中心纖維束遠(yuǎn)側(cè)（脛骨側(cè)）約2/3長度呈平行狀走行，近股骨附著端融合。屈膝90°時最明顯，可觀察到接近平行狀走行的高張力的AMB和低張力的PLB（圖1）。斜矢狀位觀察，AMB于伸直位和屈膝30°時張力為Ⅱ°，屈膝 60°和 90°時達(dá)到Ⅲ°， 以 90°時張力最高 （圖2）；PLB 于伸直位和屈膝 30°時張力為Ⅲ°或Ⅱ°，屈膝 60°和 90°時張力為Ⅱ°和Ⅰ°，以 90°時張力最低，呈“S”型迂曲（圖 3）。 絞扭結(jié)構(gòu)型，18 個。 伸直位，同平行結(jié)構(gòu)型相似，均表現(xiàn)為“人”字型，隨著屈膝度增加，AMB和PLB中心纖維束于近1/2處絞扭在一起，形成叉形結(jié)構(gòu)。屈膝90°時最明顯（圖4）。屈膝30°以前斜矢狀位觀察，AMB和PLB張力變化與平行結(jié)構(gòu)型相似；屈膝60°和90°時，由于2束絞扭，AMB張力只能達(dá)到Ⅱ°（圖 5），PLB 張力仍為Ⅰ°，呈“S”型迂曲（圖 6）。

10例雙側(cè)膝關(guān)節(jié)自身對比研究，左右膝關(guān)節(jié)ACL的AMB和PLB在長度、后傾角及結(jié)構(gòu)類型幾個方面相似。

3 討論

圖1～3 為同一膝關(guān)節(jié)，屈膝90°。圖1：斜冠狀位像，ACL呈平行結(jié)構(gòu)型，AMB張力高于PLB。圖2：斜矢狀位像，AMB呈高張力Ⅲ°。圖3：斜矢狀位像，PLB呈低張力迂曲狀。Figure 1～3. Same knee in 90°flexion.Figure 1:On oblique coronal MR image ACL showed a parallel type and AMB was tighten higher than PLB.Figure 2:On oblique sagittal MR image AMB showed a higher tension to Ⅲ°.Figure 3:On oblique sagittal MR image PLB showed lower tension.

圖4～6 為同一膝關(guān)節(jié)，屈膝90°。圖4：斜冠狀位像，ACL呈絞扭結(jié)構(gòu)型，AMB與PLB在中段相交。圖5：斜矢狀位像，AMB呈較高張力Ⅱ°。圖6：斜矢狀位像，PLB呈低張力迂曲狀。Figure 4～6. Same knee in 90°flexion.Figure 4:On oblique coronal MR image ACL showed a twist type and AMB cross with PLB in the middle portion.Figure 5:On oblique sagittal MR image AMB showed higher tension toⅡ°.Figure 6:On oblique sagittal MR image PLB showed loser and lower tension.

ACL功能解剖學(xué)研究又稱為解剖運動學(xué)或解剖和生物力學(xué)研究。主要目的是了解膝關(guān)節(jié)在不同運動狀態(tài)下，ACL各功能束的形態(tài)、長度和應(yīng)力等變化，分析各束在膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定中的功能和作用。以往主要是利用尸體膝關(guān)節(jié)[1，7-8，10-11]作為研究對象，采用解剖方法充分暴露ACL，直視下觀察和測量AMB和PLB，或采用在AMB和PLB附著端分別穿入金屬絲，測量不同屈膝度時外露金屬絲長度變化來間接研究長度和應(yīng)力的變化。上述研究成果奠定ACL功能解剖學(xué)基礎(chǔ)。直視下精細(xì)解剖觀測是尸體膝關(guān)節(jié)ACL研究的優(yōu)勢，是最直觀最可靠的研究方法，但在功能解剖學(xué)研究中有其不足之處。所謂功能是對生理狀態(tài)而言。尸體膝關(guān)節(jié)研究中，膝關(guān)節(jié)周圍支持組織如皮膚、肌腱、關(guān)節(jié)囊等結(jié)構(gòu)不同程度被破壞；韌帶結(jié)構(gòu)經(jīng)冷凍防腐處理彈性和韌性受到影響[12]；研究中人為施加的外力等與生理狀態(tài)不符，或多或少影響了研究結(jié)果。了解生理條件下ACL功能解剖變化及受力規(guī)律對設(shè)計ACL重建手術(shù)、術(shù)后指導(dǎo)康復(fù)、促進(jìn)功能恢復(fù)有重要意義[9]。MRI為無創(chuàng)性檢查方法。研究表明[3-6]MRI能夠清晰顯示和區(qū)分ACL的AMB和PLB，為生理狀態(tài)下的研究提供了手段。MEDIC序列是施加了流動補(bǔ)償?shù)亩嗷夭ńM合梯度回波序列，圖像中包含了不同T2權(quán)重因子，適用于關(guān)節(jié)和韌帶的評價[3，14]。本組采用0.75mm層厚采集，在MPR重建中基本滿足各向同性的要求，為任意層面重建AMB和PLB提供了支持。本組研究中，由于受條件和設(shè)備限制，并未在膝關(guān)節(jié)生理負(fù)重下進(jìn)行MRI掃描，使所謂生理狀態(tài)下研究仍有缺陷。

AMB和PLB在膝關(guān)節(jié)運動中承擔(dān)不同的功能和作用。尸體膝關(guān)節(jié)研究證明[7-10]：AMB于伸直位和屈膝30°時較短，屈膝60°～130°時長度逐漸增加；PLB于伸直位和屈膝30°時較長，此后隨屈膝度增加長度逐漸縮短，于屈膝90°時，縮短最明顯。本組所測AMB和PLB長度數(shù)值在動態(tài)上與上述描述基本符合，并在形態(tài)學(xué)上直觀顯示了AMB和PLB張力變化。在屈膝90°時AMB和PLB張力差別最大。前者呈高張力細(xì)帶狀，而后者呈“S”型迂曲狀。由此進(jìn)一步證明ACL是具有不同功能的子束結(jié)構(gòu)。在穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，防止脛骨前移中，PLB在伸直位和屈膝30°時起重要作用，AMB 在屈膝 60°～90°時起主要作用。國內(nèi)2組尸體膝關(guān)節(jié)伸直位ACL測量[1，13]：AMB平均長度分別為36.4mm和40.5mm，PLB平均長度分別為17.8mm和17.7mm。與本組比較，AMB長度值較接近，而PLB長度值明顯小于本組所測值，這是測量方法不同所致。MRI測量的是AMB和PLB前緣的中心纖維束或稱主纖維束長度。上述2組中，AMB測量的是其前緣長度（與本組方法相同），PLB測量的是后緣長度（與本組方法不同）。從解剖形態(tài)上可以理解PLB前緣長度大于后緣長度。

在伸膝、斜冠狀位重建圖像上AMB和PLB構(gòu)成“人”字型結(jié)構(gòu)，二者相交形成的角度不同[3]。當(dāng)屈膝60°～90°時，ACL可表現(xiàn)為2種結(jié)構(gòu)類型。平行結(jié)構(gòu)型中，AMB和PLB中心纖維束以平行走行為主，束間多有明顯的分界，2者在功能作用上有明顯區(qū)別，屈膝 90°時，AMB 呈高張力（Ⅲ°）型，而 PLB 呈低張力迂曲型（Ⅰ°），此種結(jié)構(gòu)類型支持已為學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的[15]ACL存在解剖和功能上的2束結(jié)構(gòu)。絞扭結(jié)構(gòu)型中，股骨附著段AMB和PLB過早融合。解剖學(xué)基礎(chǔ)可能是部分ACL 2束難以鈍性分離[7]，ACL纖維束大部分呈縱向走行，一部分纖維束呈螺旋狀纏繞[16]。從功能上看，絞扭型結(jié)構(gòu)仍具有與平行型結(jié)構(gòu)相似的AMB和PLB功能。因為AMB和PLB主要是根據(jù)其在脛骨附著點的位置而劃分的[15]。所謂絞扭型并未影響脛骨附著段的結(jié)構(gòu)。屈膝90°MRI斜冠狀位和斜矢狀位像上看，雖然AMB張力達(dá)不到平行結(jié)構(gòu)型的Ⅲ°，但仍明顯高于呈迂曲狀的PLB，表明ACL仍具有不同功能的2束結(jié)構(gòu)。本組在觀察ACL 2束的形態(tài)變化時，描述的僅是代表AMB和PLB主要功能的中心部分纖維束[8]，而忽略了其他伴隨纖維束的變化。不同個體中，ACL 2種結(jié)構(gòu)類型存在逐漸轉(zhuǎn)化的過渡形式，所謂ACL平行結(jié)構(gòu)應(yīng)理解為AMB和PLB絞扭不明顯的一種構(gòu)型。

了解ACL上傾角有助于重建時設(shè)計隧道角度，防止股骨髁撞擊重建韌帶[17]。國外文獻(xiàn)[18]報道膝伸直位 ACL 上傾角平均為 68°±3°和 68°±4°。國內(nèi)一組尸檢數(shù)據(jù)[19]為 53.6°±9.6°。 本組采用 2 束分別測量方法。在不同屈膝位時，AMB上傾角均小于PLB，并隨著屈膝角度增大，AMB和PLB上傾角逐漸減小。本組所測膝伸直位AMB和PLB上傾角明顯小于上述國外報道的數(shù)值，與國內(nèi)數(shù)值較接近，除測量方法不同外（以往采用單束測量），尚難以解釋形成差距的主要影響因素。

影像學(xué)方法在膝關(guān)節(jié)交叉韌帶重建手術(shù)方案設(shè)計中已發(fā)揮了作用[19-20]。本組10例雙膝關(guān)節(jié)研究表明，同一個體中左右膝關(guān)節(jié)ACL的AMB和PLB結(jié)構(gòu)形態(tài)和張力變化相似。在ACL重建時，應(yīng)用MRI對健側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行研究，了解ACL的功能解剖，有助于外科學(xué)所強(qiáng)調(diào)的[21]：在可重復(fù)的技術(shù)規(guī)范下針對個體進(jìn)行個性化ACL重建的設(shè)計。

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