MR擴(kuò)散張量成像在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的初步應(yīng)用

楊獻(xiàn)峰， 李茗， 楊尚文， 王冬梅， 朱斌

·骨骼肌肉影像學(xué)·

MR擴(kuò)散張量成像在膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的初步應(yīng)用

楊獻(xiàn)峰， 李茗， 楊尚文， 王冬梅， 朱斌

目的探討采用3.0T磁共振對膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶進(jìn)行磁共振擴(kuò)散張量成像(DTI)及纖維束示蹤成像(FT)的可行性。方法對25名健康志愿者進(jìn)行膝關(guān)節(jié)DTI檢查，男15例，女10例，年齡21～40歲，平均34.6歲。采用單次激發(fā)自旋回波平面成像序列，在工作站進(jìn)行纖維束示蹤三維模擬成像，計算前交叉韌帶的纖維束長度及平均FA值、ADC值，比較不同性別的FA值及ADC值差異，并分析同一操作者在不同時間測量結(jié)果的一致性。結(jié)果25名受檢者中16例前交叉韌帶顯示三維纖維束結(jié)構(gòu)，4例顯示多束，5例未顯示規(guī)則的纖維束。所顯示的平均纖維長度為(13.79±1.75)～(25.43±3.37)mm.。全部受試者前交叉韌帶平均FA值為0.457±0.058，平均ADC值為1.419±0.289，無性別差異。比較同一測量者在不同測量時間的FA和ADC測量值，其可信度和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)均較好。結(jié)論采用3T MR成像系統(tǒng)能成功完成正常前交叉韌帶DTI和DTT，并可顯示正常前交叉韌帶的雙束結(jié)構(gòu)。

膝關(guān)節(jié)； 前交叉韌帶； 磁共振成像

前交叉韌帶是穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的重要結(jié)構(gòu)[1]，其損傷是常見的運(yùn)動損傷，嚴(yán)重影響患者的運(yùn)動能力，可導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定繼而引發(fā)骨性關(guān)節(jié)炎。重建前交叉韌帶可部分恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動力學(xué)，尤其近年來出現(xiàn)的雙束重建技術(shù)，有助于更好地恢復(fù)前交叉韌帶的正常解剖和功能，減少和延緩韌帶損傷后骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[2]。磁共振檢查是診斷前交叉韌帶損傷的有效方法，可協(xié)助韌帶重建手術(shù)方案的制定，也有3D序列可提供三維觀察[3]，然而，目前的研究多限于形態(tài)的顯示，較少提供量化評價。

磁共振擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)及纖維束示蹤成像(diffusion tensor tractography，DTT)的出現(xiàn)為通過影像學(xué)觀察前交叉韌帶的整體形態(tài)提供了新的方法。DTI能顯示水分子彌散運(yùn)動在不同方向上的差異，評估組織水分子的擴(kuò)散情況，提供組織超微結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)信息。本研究對25例健康志愿者的前交叉韌帶進(jìn)行DTI及DTT，嘗試三維顯示前交叉韌帶雙束結(jié)構(gòu)，并力圖發(fā)現(xiàn)相對合適的數(shù)據(jù)采集及后處理參數(shù)。

材料與方法

1.一般資料

搜集25例健康志愿者，男15例，女10例，年齡21～40歲，平均(34.6±5.1)歲，其中男性平均年齡(32.8±5.7)歲，女性平均年齡(37.1±2.8)歲，均身體健康，膝關(guān)節(jié)抽屜試驗(yàn)為陰性。所有受試者均知情同意。

2.掃描及后處理方法

使用Philips Achieva TX 3.0TMR成像儀和膝關(guān)節(jié)專用線圈，受檢者仰臥位，膝關(guān)節(jié)放置于線圈中心區(qū)域。獲取常規(guī)矢狀面、冠狀面及橫軸面PDW圖像，掃描參數(shù)為TR 2000 ms，TE 40 ms，層厚4 mm，層間距1.2 mm，視野160 mm，矩陣320×256。DTI掃描前進(jìn)行勻場以減少磁場不均勻造成的干擾，采用軸位單次激發(fā)自旋回波平面成像序列(single-shot spin-echo-based echo-planar imaging sequence)，EPI因子79，視野160 mm，32個擴(kuò)散敏感梯度方向，b值為400 s/mm2，矩陣128×128，體素1.96 mm3，層厚2 mm，層間距0，采集次數(shù)3次，成像時間6分56秒。

由同一操作者在Philips工作站 (Extended MR Work Space R2.6)上應(yīng)用fiber track軟件包進(jìn)行后處理，在前交叉韌帶中下1/3、中部及中上1/3段設(shè)定感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，F(xiàn)A最小閾值0.10，角度最大閾值34.1°，進(jìn)行纖維束示蹤三維模擬成像。由后處理軟件自動計算所示纖維束的平均長度、平均FA值及平均ADC值。4個月后，由同一操作者再次對上次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行相同處理，對前后兩次所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。

3.統(tǒng)計方法

使用SPSS 17統(tǒng)計軟件包，對FA值及ADC值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，如符合正態(tài)分布，則應(yīng)用t檢驗(yàn)比較不同性別間前交叉韌帶的FA值及ADC值，P值<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義；如不符合，則采用校正的t檢驗(yàn)。采用信度分析檢驗(yàn)同一操作者重復(fù)測量結(jié)果的一致性，Alpha系數(shù)<0.6表示可信度較差，0.6≤alpha系數(shù)≤0.8提示可信度較好，alpha系數(shù)>0.8表示可信度極好。用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)比較測量值的重復(fù)性，ICC<0.4提示重復(fù)性差，0.4≤ICC≤0.75提示重復(fù)性較好，ICC>0.75提示有非常好的重復(fù)性。

結(jié) 果

所有圖像均無嚴(yán)重偽影。25例志愿者中，20例顯示規(guī)則纖維束結(jié)構(gòu)，其中16例顯示雙束結(jié)構(gòu)，4例顯示為多束。另外5例纖維迂曲成團(tuán)、走向紊亂，未呈規(guī)則束狀結(jié)構(gòu)。20例雙束結(jié)構(gòu)中，11例前內(nèi)側(cè)束較后外側(cè)束小(圖1)，9例相反(圖2)。前交叉韌帶平均纖維長度介于(13.79±1.75)～(25.43±3.37)mm。未顯示束狀結(jié)構(gòu)的5例中，常規(guī)MRI圖像呈“芹菜梗征”，其平均FA值為0.408±0.187，低于平均值。

表1 不同性別的平均FA值和ADC值(前后兩次測量的平均值)

表2 重復(fù)測量前交叉韌帶平均ADC值及FA值的一致性

所測前交叉韌帶FA值(Z=0.870，P=0.435)和ADC值(Z=0.540，P=0.933)均符合正態(tài)分布。平均FA值無性別間差異(t=2.98，P=0.091)，平均ADC值亦無性別間差異(t=3.037，P=0.088)。同一操作者在不同測量時間的測量值統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，F(xiàn)A值和ADC值重復(fù)測量均具有較好的可信度和重復(fù)性。

討 論

前交叉韌帶損傷是一種常見的運(yùn)動損傷，如不進(jìn)行治療，可引起膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，加劇關(guān)節(jié)軟骨的磨損，繼而引發(fā)骨性關(guān)節(jié)炎。傳統(tǒng)的治療方式為利用自體肌腱組織進(jìn)行膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶重建[4]。然而，前交叉韌帶具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。解剖學(xué)、影像學(xué)及生物力學(xué)研究表明，前交叉韌帶可分為前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束兩個不同的功能束，前者主要限制脛骨前移，后者則在膝關(guān)節(jié)伸直位時起穩(wěn)定作用，尤其是保持膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[1,5,6]。單條韌帶重建難以恢復(fù)膝關(guān)節(jié)正常的生物力學(xué)。隨著外科技術(shù)的發(fā)展，前交叉韌帶雙束重建及選擇性單束重建技術(shù)正在成為研究熱點(diǎn)，這些技術(shù)能夠更好地恢復(fù)前交叉韌帶的解剖形態(tài)和功能，有助于提高前交叉韌帶斷裂的治療效果[2]。直觀地顯示前交叉韌帶的雙束結(jié)構(gòu)，對關(guān)節(jié)外科醫(yī)生術(shù)前準(zhǔn)備具有重要意義。然而，我們所檢索到的前交叉韌帶雙束結(jié)構(gòu)影像學(xué)文獻(xiàn)多為二維研究[7]，關(guān)于其三維形態(tài)的報道相對較少。此外，常規(guī)MRI檢查也缺乏對前交叉韌帶的定量評價。

DTI能較好的反映纖維結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散各向異性特征，DTT可直觀顯示纖維束的細(xì)微結(jié)構(gòu)及空間分布，對顯示纖維結(jié)構(gòu)的形態(tài)、評價其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有重要意義。DTI及DTT已普遍用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)纖維束的顯示，在其它富含纖維的組織中的應(yīng)用也越來越多，但應(yīng)用于韌帶成像的報道相對較少[8,9]。與腦白質(zhì)纖維不同，前交叉韌帶內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)平行排列，不交叉、扭曲或匯合，這種內(nèi)部干擾較少的結(jié)構(gòu)是DTI的理想組織。我們設(shè)想通過DTI和DTT三維顯示前交叉韌帶的雙束結(jié)構(gòu)，但前交叉韌帶體積較小，長度平均約為31 mm，寬度約為2.5～3 mm，且距離骨皮質(zhì)近，可能會受到周圍組織的干擾，成像難度較大。

圖1 男，25歲。a) 橫軸面重建纖維示蹤成像； b) 矢狀面重建纖維示蹤成像；前內(nèi)側(cè)束(箭)小于后外側(cè)束(短箭)； c) 橫軸面PDWI見雙束結(jié)構(gòu)斷面顯示。 圖2 男，34歲。a) 矢狀面重建纖維示蹤成像； b) 三維顯示纖維束形態(tài)及走向；前內(nèi)側(cè)束(箭) 大于后外側(cè)束(短箭)。圖中不同顏色代表纖維束不同走向。c) PDWI橫軸面示雙束結(jié)構(gòu)斷面形態(tài)。

結(jié)果表明DTT對正常前交叉韌帶體部顯示良好，韌帶體部表現(xiàn)為不同的顏色，代表不同的纖維走向，符合前交叉韌帶不同于其它韌帶的內(nèi)部波浪狀纖維走向[10]。三維形態(tài)的前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束可以分辨，且能夠提供韌帶的平均FA值及平均ADC值。本研究中16例顯示雙束結(jié)構(gòu)，其中11例前內(nèi)側(cè)束小于后內(nèi)側(cè)束，與文獻(xiàn)報道略有差異。4例顯示為多束，這可能為一種解剖變異。纖維束形態(tài)及表面光整程度受重建參數(shù)及周圍組織的干擾。5例未顯示規(guī)則的纖維束，其常規(guī)MRI表現(xiàn)呈“芹菜梗征”，文獻(xiàn)認(rèn)為前交叉韌帶粘液樣變性的表現(xiàn)，其平均FA值低于正常平均值。FA值與纖維束走向及纖維密度可能相關(guān)[11,12]，這也為前交叉韌帶內(nèi)部狀態(tài)的定量評價，特別是韌帶重建術(shù)后的隨訪提供了可能的有效方法。然而，DTT對前交叉韌帶長度的顯示并不理想，本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果低于正常解剖學(xué)測量值，其原因可能為前交叉韌帶的上下段緊鄰骨皮質(zhì)，局部磁場均勻性較差，DTI采用的EPI序列對此較為敏感。這需要通過常規(guī)MRI檢查進(jìn)行彌補(bǔ)。此外，需要注意的是DTT僅僅提示前交叉韌帶內(nèi)存在方向不同的纖維束，并不表明存在解剖學(xué)分隔。

DTI數(shù)據(jù)采集和后處理是本技術(shù)的核心部分。很多技術(shù)因素能影響成像效果，包括場強(qiáng)、b值，擴(kuò)散敏感梯度方向數(shù)目以及后處理的參數(shù)等[12-14]。本研究的技術(shù)參數(shù)主要基于其他組織的文獻(xiàn)報道和系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)。文獻(xiàn)報道的b值介于400～100 s/mm2，過高的b值導(dǎo)致信噪比下降，且膝關(guān)節(jié)本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故本研究采用400 s/mm2。b值可影響擴(kuò)散張量成像的導(dǎo)出量，有研究者提出，比較不同組織的擴(kuò)散張量參數(shù)時，應(yīng)盡量選擇同樣的成像參數(shù)[14]。對于擴(kuò)散敏感梯度方向數(shù)目，多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為應(yīng)>20個，本研究取32個擴(kuò)散敏感梯度方向，重建圖像質(zhì)量較好。此外，對不同組織的DTI研究表明，高場強(qiáng)可提高DTI的成像質(zhì)量。

纖維示蹤結(jié)果的準(zhǔn)確性與ROI的設(shè)置、FA的閾值、軌跡投影角度及所采用的算法有關(guān)[11,12]。目前設(shè)置ROI有單個和多個兩種方法，本研究采用多ROI方法，分別放置于前交叉韌帶中下1/3、中部和中上1/3段。FA最小閾值選擇默認(rèn)值0.10，角度選擇34.1°，即當(dāng)兩個步級之間角度大于34.1°時纖維示蹤停止。多次試驗(yàn)表明上述方法所獲結(jié)果較為穩(wěn)定。

本研究的創(chuàng)新之處在于嘗試將DTI技術(shù)引入之前應(yīng)用相對較少的韌帶組織，并使前交叉韌帶的雙束結(jié)構(gòu)得以初步呈現(xiàn)，并初步用組織FA值量化評價前交叉韌帶。

本技術(shù)存在局限性，主要體現(xiàn)在韌帶的顯示程度有待于提高；纖維束示蹤技術(shù)定量評價的可重復(fù)性也存在較多爭議[15]。此外，成像時間較長、噪音強(qiáng)也是其缺點(diǎn)之一。

總之，本研究表明運(yùn)用DTI顯示前交叉韌帶雙束結(jié)構(gòu)具備可行性，但成像技術(shù)參數(shù)有待于進(jìn)一步優(yōu)化。研究中限于技術(shù)條件未能完整顯示前交叉韌帶全長，也未能單獨(dú)重建前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束，這有待于今后進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。此外，對于前交叉韌帶損傷的形態(tài)學(xué)顯示及定量測量，對前交叉韌帶重建術(shù)后移植物的定量評價，也具有較為廣闊的應(yīng)用前景，值得深入研究。

[1] Steckel H,Starman JS,Baums MH,et al.Anatomy of the anterior cruciate ligament double bundle structure:a macroscopic evaluation[J].Scand J Med Sci Sports，2007，17(4):387-392.

[2] Yasuda K.A pilot pilot study of anatomic double-bundle anterior cruciate ligament reconstruction with ligament remnant tissue preservation[J].2012,28(3):343-353.

[3] 劉淑儀，潘建科，劉軍，等.前交叉韌帶損傷影像學(xué)研究進(jìn)展[J].放射學(xué)實(shí)踐，2016,31(9)：893-895.

[4] 王德就，王晶.聯(lián)合應(yīng)用半腱肌腱與股薄肌腱越頂重建前交叉韌帶[J].中華骨科雜志,1999,19(7):428-430.

[5] Gabriel Mt WEWS.Distribution of in situ forces in the anterior cruciate ligament in response to rotatory loads[J].J Orthop Res,2004,22(1):85-89.

[6] 劉霞，程瑾，李緒斌.膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶前內(nèi)側(cè)束和后外側(cè)束的MR成像研究[J].中華放射學(xué)雜志，2012,46(5)：445-448.

[7] 李長清，陳旺生，李建軍.膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶MR掃描方式的研究[J].放射學(xué)實(shí)踐，2009,24(8)：910-912.

[8] Zhu J,Zhang X,Ma Y,et al.Ultrastructural and morphological characteristics of human anterior cruciate ligament and hamstring tendons[J].Anat Rec,2012,295(9):1430-1436.

[9] Jones J,Lerner A,Kim PE,et al.Diffusion tensor imaging in the assessment of ossification of the posterior longitudinal ligament:a report on preliminary results in 3 cases and review of the literature[J].Neurosurg Focus，2011，30(3):E14.

[10] 陳立勛,趙衡,李勁松,等.健康人前交叉韌帶的擴(kuò)散張量成像及其與MRI的比較[J].中南大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版),2013,38(6):610-616.

[11] Mukherjee PCSBJ.Diffusion tensor MR imaging and fiber tractography:technical considerations[J].Am J Neuroradiol,2008,29(5):843-852.

[12] Roberts Tp SE.Principles and implementation of diffusion-weighted and diffusion tensor imaging[J].Pediatr Radiol,2007,37(8):739-748.

[13] 陳細(xì)香，魏文洲，李茂進(jìn)，等.頸髓MR擴(kuò)散張量成像掃描參數(shù)的比較研究[J].中華放射學(xué)雜志,2007,41(12):1257-1260.

[14] 李德軍，包尚聯(lián)，馬林.不同b值和擴(kuò)散張量成像導(dǎo)出量的定量關(guān)系研究[J].中華放射學(xué)雜志,2004,38(12):1238-1242.

[15] 李靜,李澄,王葦,等.纖維束示蹤成像技術(shù)的定量測量:可重復(fù)性研究[J].中國醫(yī)學(xué)計算機(jī)成像雜志,2009,15(1)：82-86.

ThedemonstrationofanteriorcruciateligamentusingMRdiffusiontensorimagingapreliminarystudy

YANG Xian-feng，LI Ming，YANG Shang-wen，et al.

Department of Radiology,the Affiliated Drum Tower Hospital of Nanjing University，Medical School，Nanjing 210008,China

Objective:To assess the feasibility of demonstrating the fibric structure of anterior cruciate ligament (ACL) using MR diffusion tensor imaging (DTI) and DTT,and analyze the DTI and DTT parameters of ACL.Methods25 healthy volunteers (15 males，10 females,age range 21 to 40 years,mean age 34.6 years) were scanned at 3T MR scanner using 8ch knee coil.A single-shot spin-echo-based echo-planar imaging sequence was performed at each subject using b value of 400s/mm2,the number of diffusion directions for the DTI sequence was 32.Routine PDW and T2W images were also obtained.The fiber tracking and other post-processing steps were carried out by a radiologist on Philips workstation.The length of ACL,FA and ADC values of ACL were measured.The results of the same operator at different time were compared.ResultsReconstructed DTI and DTT(20/25) were of good quality.Tractography illustrated nicely the 3D courses of double-bundle structure in 16 cases.The average length of ACL fibers was (13.79±1.75)mm to (25.43±3.37)mm.The average FA values of ACL were 0.457±0.058.The average ADC values of ACL were 1.419±0.289.There was no statistic difference of FA value and ADC value in different gender.Among the results of the same measurer at different time,the intraclass correlation coefficient and the alpha coefficient were pretty good.ConclusionDTI and DTT for normal ACL can be accomplished by 3T MR scanner,and DTI and DTT can demonstrate the double-bundle structure of ACL.

Knee joint; Anterior cruciate ligament; Magnetic resonance imaging

R323.72; R323; R445.2

A

1000-0313(2017)10-1047-04

2016-11-10

2017-02-16)

210008 南京，南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院放射科

楊獻(xiàn)峰(1980-)，男，山東莒縣人，博士，副主任醫(yī)師，主要從事骨科與運(yùn)動醫(yī)學(xué)影像診斷工作。

朱斌，E-mail：15950570742@163.com

南京市醫(yī)學(xué)科技發(fā)展項目(YKK14071)

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.10.011